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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Aufschluss von Holzwerkstoffen gemäss dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zu dessen Durchführung.
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Eine solche gattungsgemäße Vorrichtung
ist bekannt (
US-A-3,741,863 ).
In dieser Vorrichtung dient eine als zumindest eine Stopfschnecke
ausgebildete Transporteinrichtung zum Transport des Aufschlussmaterials,
wobei dieses zu einer im Außenmantel
angeordneten Abgabeöffnung
radial transportiert wird. Ferner wird die Zuführöffnung der ersten Stopfschnecke
zugleich als Einleitungsöffnung
(
77) für
Dampf verwendet. Nachteilig ist bei dieser bekannten Vorrichtung
die Notwendigkeit, außer
den Stopfschnecken weitere Abdichtungen in Form eines Drehventils
(
72) vor der Zuführöffnung der
ersten Stopfschnecke vorzusehen und in Form eines Zyklon-Trenners
nach der letzten Stopfschnecke vorzusehen, wodurch solche Anlagen
aufwendig sind.
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Es ist ferner bekannt (
DE 198 19 988 A1 ), eine
als Förderschnecke
ausgebildete Transporteinrichtung zum Transport des Aufschlussmaterials durch
den Imprägnier-
und Vorquellschacht einzusetzen, während die zweite Förderschnecke
zum Transport des bereits aufgeschlossenen Materials aus dem Aufschlussschacht
dient. Im eigentlichen Aufschlussschacht wird das Aufschlussmaterial
nicht durch Förderschnecken
transportiert. Die Vorrichtung hat den Nachteil, dass beim Aufschluss
unter Druck der Befüllungsschacht
durch geeignete Maßnahme druckdicht
verschliessbar sein muss. Auch der Austrag des aufgeschlossenen
Materials muss geeignet druckdicht ausgebildet sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung
sowie ein Verfahren zu schaffen, die einen kontinuierlichen und
damit einfachen und wirtschaftlichen Aufschluss von Holzwerkstoffen
ermöglichen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch
eine gattungsgemäße Vorrichtung
sowie ein gattungsgemäßes Verfahren
durch den Gegenstand des Verfahrens- bzw. Vorrichtungshauptanspruchs.
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Es wurde überraschenderweise gefunden, dass
eine Anordnung von vorzugsweise mindestens drei Stopfschnecken hintereinander
ein Durchleiten von Aufschlussmaterial ermöglicht, wobei das Füllgut die
zumindest drei Stopfschnecken soweit abdichtet, dass das Aufschlussverfahren
auch unter Druck durchgeführt
werden kann. Dabei wird Dampf vorzugsweise unter Überdruck,
bspw. Druck von mindestens 2 bar über eine zwischen der Zuführöffnung und
der Abgabeöffnung
im Außenmantel
vorgesehenen Einleitungsöffnung
für den
Dampf in eine der Stopfschnecken eingeleitet, die nicht die erste
oder die letzte der Stopfschnecken-Anordnung ist. Dabei kann in
den randseitigen Stopfschnecken zwar ein Druckabfall beobachtet
werden, der bis zum atmosphärischen
Druck abfallen kann, wobei aber im mittleren Teil die Anordnung
zur Aufrechterhaltung eines Arbeitsdrucks führt, der bis zu 11 bar Überdruck
betragen kann, mindestens aber 2 bis 3 bar Überdruck beträgt. Beim
Einleiten von Dampf mit einem Überdruck
von 4 bar liegt die Aufschlusstemperatur an der Dampfeinleitungsstelle
bei ca. 143°C.
Aus räumlichen
Gründen
ist eine Anordnung bevorzugt, bei der der Ausgang jeweils einer
Stopfschnecke in etwa rechtwinklig in den Eingangsbereich der nachfolgenden
Stopfschnecke einmündet.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung
bei einem vollständig
kontinuierlich geführten
Verfahren liegt insbesondere darin, dass auf aufwendige Abdichtungsmassnahmen
an der Vorrichtung verzichtet werden kann und dass trotzdem ein
kontinuierliches Arbeiten möglich
ist. Dadurch ist ein Arbeiten möglich ohne Öffnen und
folgendes Abdichten von Anlageteilen, wodurch weder Energie noch
Schadstoffe aus der Anlage austreten können. Die Vorrichtung kann also
sowohl in ökonomischer
als auch in ökologischer Hinsicht
optimal betrieben werden.
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Im erfindungsgemässen Verfahren lassen sich,
insbesondere bei Verwendung von mindestens fünf Stopfschnecken, Aufschlussdrucke
von 2 bis 11 bar Überdruck
aufrechterhalten, wobei vorzugsweise im Bereich von 2 bis 8 bar
und insbesondere im Bereich von 3 bis 6 bar Überdruck gearbeitet wird.
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Da durch den Schneckendurchlauf das
aufzuschliessende Material nicht nur transportiert wird, sondern
gleichzeitig auch homogenisiert wird, wird durch die Reibung der
Teilchen aneinander mechanisch eine kontinuierliche Zerkleinerung
bewirkt und die chemische Hydrolyse erleichtert. Dadurch wird der
Aufschluss der Teilchen so beschleunigt, dass bereits wenige Minuten
Verweilzeit in den Schnecken genügen,
um einen guten Aufschluss zu bewirken. Bei hydrolyseresistenteren
Holzwerkstoffen kann die Hydrolyse durch geeignete Maßnahmen,
wie eine Anhebung oder Absenkung des pH-Werts begünstigt werden.
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Der Aufschlussprozess von der Befüllung mit den
zerkleinerten Spanplatten-Bruchstücken bis zur vollständig aufgeschlossenen,
feuchten Holzmasse erfolgt demnach mit mehreren, mindestens drei
hintereinander geschalteten Schnecken. Diese druckdichten Stopfschnecken
erfüllen
mehrere Funktionen: sowohl den Transport als auch die kontinuierliche
Zerkleinerung und Hydrolyse der vorgequollenen Holzmasse zum einen
durch Reibung der Teilchen aneinander, und zum anderen erfolgt der
eigentliche Aufschlussprozess durch Wasser-, Dampf- und Wärmeaufnahme
innerhalb des Rohrschneckensystems. Dabei ist ein Aufbau in Modulbauweise
möglich,
wobei mehrere baugleiche Schnecken und auch Antriebssysteme eingesetzt
werden können,
was die Kosten entscheidend verringert.
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Durch die unabhängig voneinander steuerbaren
Stopfschnecken und Antriebssysteme kann die Vorschubgeschwindigkeit
an die gegebenen Prozessbedingungen angepasst werden, wobei die
maximalen Grenzen nur durch die Dimensionsierung der Transportsysteme
und die Reaktionsgeschwindigkeit des Aufschlusses gegeben sind.
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Da die gesamte Verfahrensführung unter Druck
erfolgt, ist eine druckdichte Anlage erforderlich, was den Vorteil
hat, dass keine schädlichen Emissionen
aus dem Aufschlussprozess in die Umgebung gelangen können. Da
die Anlage auch abwasserfrei betrieben werden kann, wird damit Umweltschutzbelangen
in hohem Maße
Rechnung getragen.
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Es hat sich als zweckmässig erwiesen,
die erste Stopfschnecke, in die das aufzuschliessende Material eingebracht
wird, mit vorgewärmtem
Wasser zu befüllen.
Dabei kann eine Wassertemperatur von ca. 20°C bis 95°C Verwendung finden.
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Der Schneckentransport innerhalb
der Anlage ermöglicht
eine Homogenisierung der Holzmasse und über das ständige Aneinanderreiben während des
Transports eine gute und kontinuierliche Zerkleinerung, was eine
gute Oberflächenbenetzung
bewirkt. Dadurch kann die Enthalpie des Dampfes über die gesamte Rohrlänge vollständig ausgenutzt
werden, da sich durch das Aneinanderreiben immer die angelösten Schichten
mechanisch ablösen
und darunter liegende, noch nicht gelöste Schichten freilegen, die
dann leicht von dem Dampf erfasst werden. Über höhere Prozessdrucke kann das
Verfahren nochmals beschleunigt werden.
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Die Abgaswärme kann nahezu vollständig genutzt
werden und geht im Vergleich zum diskontinuierlichen Betrieb nach
dem Stand der Technik nicht verloren. Die Wärme der feuchten aufgeschlossenen Holzmasse
kann zusätzlich
genutzt werden, indem nach dem Austritt aus der letzten Stopfschnecke
der Transport auf kürzestem
Wege in den Trockner erfolgt. Dadurch werden Wärmeverluste und der Trocknungsaufwand minimiert.
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Mit Hilfe der Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit
kann die Wasser-, Dampf- und Wärmeaufnahme
des Aufschlussguts sehr genau beeinflusst werden, was eine weitere
Optimierung der Prozessparameter, insbesondere des Energieeinsatzes und
eine optimale Prozessführung
erlaubt.
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Erfindungsgemäss werden also Stopfschnecken
eingesetzt, die es ermöglichen,
während
des Materialtransports einen Druck im zu transportierenden Material
aufzubauen. Solche Schnecken, die auch als Stopfschnecken bezeichnet
werden, sind beispielsweise einseitig gelagerte Schnecken, deren Ausgangsöffnung axial
verläuft.
Sie können
eine progressive oder degressive Steigung aufweisen, d.h., dass
die Abstände
der Wendeln sich pro Windung vergrössern bzw. verringern.
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Einen wesentlichen Einfluss auf die
Hydrolyse der Holzwerkstoffe hat die Aufschlusstemperatur. Je höher der
Druck des zum Aufschluss eingesetzten Dampfes ist, umso höher ist
die Aufschlusstemperatur. Bei einem Dampfdruck von 4 bar Überdruck
beträgt
die Temperatur ca. 143°C.
Bei Aufschlussdrucken in der Grössenordnung
von ca. 8 bar kann es in Abhängigkeit
von der Holzart und anderen Prozessparametern zu einer unerwünschten
Verfärbung
der Späne
kommen. Die eingesetzten Dampfdrucke müssen also sorgfältig überwacht
werden. Im allgemeinen wird man Drucke. zwischen 2 und 11 bar wählen, bevorzugt
aber von 2 bis 8 bar und insbesondere von ca. 3 bis 6 bar Überdruck.
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Die Transportgeschwindigkeit durch
die Stopfschnecken ist unterschiedlich, sie kann in Abhängigkeit
von der Anzahl der eingesetzten Stopfschnecken variieren. Bei einer
grösseren
Anzahl von Stopfschnecken kann die Durchsatzgeschwindigkeit erhöht werden,
bei einer kleineren Anzahl muss sie erniedrigt werden, um die für den Aufschluss
nötige Verweilzeit
zu gewährleisten.
In Abhängigkeit
vom verwendeten Druck kann der Aufschluss im allgemeinen nach einer
Verweilzeit ca. 30 min, vorzugsweise 20 min vollständig bewirkt
werden, sodass bei Verwendung von mehr als drei Stopfschnecken die
Verweilzeit pro Stopfschnecke nur wenige Minuten beträgt. Gegenüber herkömmlichen
diskontinuierlichen Aufschlussverfahren bedeutet dies eine wesentliche Verkürzung der
Aufschlusszeit.
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Unter den genannten Bedingungen werden im
allgemeinen Drehzahlen der Stopfschnecken erreicht, die in der Grössenordnung
von wenigen Umdrehungen pro Minute liegen, beispielsweise 3 bis
10 U/min.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
beim Materialeintrag in der ersten Stopfschnecke vorgewärmtes Wasser
zuzugeben. Die Wassertemperaturen können 20 bis 95°C betragen.
Das Wasser bewirkt im Zusammenwirken mit den aufgegebenen Holzmaterialien
eine zusätzliche
Abdichtung des zum Aufschluss verwendeten Überdrucks gegenüber der Aussenatmosphäre.
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Die aufzuschliessenden Holzmaterialien werden
vor dem Aufschluss grob vorzerkleinert, wobei sich Teilchengrössen in
der Grössenordnung
von ca. 3 bis 10 cm, vorzugsweise 3 bis 5 cm als besonders zweckmässig erwiesen
haben. Eine Zerkleinerung unter 2 cm ist nicht mehr vorteilhaft,
da dann die Abtrennung von Beschichtungen oder anderen Beimengungen
schwieriger wird.
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Es hat sich gezeigt, dass unter günstigen
Bedingungen z.B. durch eine gute Abdichtung der einzelnen Stopfschnecken,
bereits mit drei derselben, die hintereinander angeordnet sind,
in der mittleren davon der dem Druck des eingeleiteten Dampfes entsprechende
Aufschlussdruck aufrechterhalten lässt. Bei einer Anordnung von
mehr als drei Stopfschnecken wird die Zone des wünschenswerten Reaktionsdrucks
noch verbreitert, sodass die Durchlaufgeschwindigkeit der einzelnen
Stopfschnecken gesteigert werden kann.
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Vorteilhafterweise wird die erste
Stopfschnecke an der Aufgabeseite des Materials mit einer Hochdruckschleuse
ausgerüstet.
An der Austrittsseite ist eine Druckregelung nicht unbedingt erforderlich,
da hier der Druck bis zum Umgebungsdruck abfallen kann.
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Weitere zweckmässige Ausgestaltungen der Erfundung
sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung und der Beispiele
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 den
Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit insgesamt fünf
Stopfschnecken zur Durchführung
des erfinderischen Verfahrens.
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BEISPIEL 1
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Fünf
Stopfschnecken wurden so hintereinander angeordnet, dass der axiale
Ausgang jeder Stopfschnecke seitwärts etwa rechtwinklig in den
Eingangsbereich der nachfolgenden Stopfschnecke einmündete. Alle
Verbindungen zwischen den Stopfschnecken waren druckdicht ausgestaltet.
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Die Stopfschnecken hatten einheitlich
einen Durchmesser von 400 mm und eine Länge von 2,5 m. Der Antrieb
erfolgte durch Elektromotore einer einheitlichen Leistung von 10
kW. Die erste Stopfschnecke war mit einer Hochdruckschleuse mit
Füllstandsanzeiger
versehen.
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In der Mitte der dritten Stopfschnecke
war eine Dampfzuleitung angeordnet, die mit einer Dampfquelle für Sattdampf
von 5 bar abs. verbunden war. Die letzte Stopfschnecke verfügte über eine
Brüdenabsaugvorrichtung
am Ende der Schnecke.
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In die erste Stopfschnecke wurde
Spanplattenmaterial eingegeben, das auf eine Teilchengrösse von
ca. 8×8×20 cm3 zerkleinert worden war. Die Schnecke war
mit vorgewärmtem
Wasser gefüllt,
das eine Temperatur von ca. 90°C
aufwies.
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Die Vorschubgeschwindigkeit der Stopfschnecken
war so gesteuert, dass sich eine Verweilzeit von etwa 5 Min. in
jeder Stopfschnecke ergab. In die Dampfzuleitung der dritten Stopfschnecke
wurde Sattdampf mit einem Druck von 4 bar Überdruck eindosiert.
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Die am Ausgang der letzten Stopfschnecke anfallenden
Späne entsprachen
sowohl optisch als auch in der Teilchengrösse weitgehend üblichen Frischspänen.
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Die in 1 gezeigte
Vorrichtung enthält
fünf hin tereinander
angeordnete Stopfschnecken 1, 2, 3, 4 und 5,
die durch Antriebsmotore 6 angetrieben werden. Der axiale
Austrittsbereich jeder Schnecke ist in axialer Richtung rechtwinklig
an den Eingangsbereich der nachfolgenden Stopfschnecke angeflanscht,
wobei druckdichte Verbindungen verwendet werden. Die Stopfschnecke 3 enthält eine
Dampfzuführung 7,
die mit einer Sattdampfquelle verbunden ist (nicht dargestellt).
Die Stopfschnecke 1 enthält eine Aufgabevorrichtung 8 zur
Eingabe des Aufschlussmaterials. Am Ende der letzten Schnecke 5 ist
entweder eine Brüden-Absaugvorrichtung
oder eine Federblende 9 angeordnet.
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Die in 1 gezeigte
Vorrichtung weist insgesamt fünf
Druck- oder auch sogenannte Stopfschnecken 1, 2, 3, 4, 5 auf,
die jeweils durch Antriebsmotore 6 angetrieben werden.
An der ersten Schnecke erfolgt die Zufuhr der vorzugsweise schon vorgebrochenen
Holzwerkstoff-Stücke
als Materialzufuhr. An der letzten Schnecke 5 ist eine
stirnseitige Abgabeöffnung
mit einer Federblende vorgesehen. Die fünf Stopfschnecken sind hintereinander
angeordnet und dienen zugleich als Aufschlußbehältnis sowie als Transporteinrichtung
für die
Holzwerkstoff-Stücke.
Jede Stopfschnecke weist einen gehäusefesten Außenmantel 10 sowie
eine darin angeordnete, antreibbare Welle 11 mit um sie
herum angeordneten Wendeln 12 einer vorgebbaren Steigung auf.
Zwischen den Gängen
der Wendeln einerseits und zwischen der (inneren) Welle sowie dem
(äußeren) Außenmantel
werden die Teilchen transportiert. Die Stopfschnecken 2,3,4,
und 5 weisen beim wiedergegebenen Ausführungsbeispiel jeweils gleiche, untereinander
aber eventuell unterschiedliche Steigungen der Wendeln auf.
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Demgegenüber weist die Stopfschnecke 1 Wendeln 13 mit
sich änderndem
Durchmesser bzw. Steigung auf.
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Die Druckschnecke sowie die Stopfschnecke 3 sind
jeweils horizontal ausgerichtet angeordnet. Die Stopfschnecken 2 und 4 hingegen
sind dazu winklig, vorzugsweise senkrecht angeordnet.
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Die einzelnen Stopfschnecken sind
derart hintereinander geschaltet, daß die Holzwerkstoff-Stücke in axialer
Richtung (Transportrichtung) 14 der Stopfschnecke von der
Zuführöffnung 15 im Außenmantel 10 zu
einer stirnseitigen Abgabeöffnung 16 in
axialer Richtung transportiert werden, wobei zwischen der Zuführöffnung und
der Abgabeöffnung
im Außenmantel 10 in
der Stopfschnecke 3 die Einleitungsöffnung 7 für Dampf
vorgesehen ist. Die Stopfschnecke 2 kann mit einer Einlaßöffnung 17 für Wasser,
vorzugsweise Warmwasser ausgerüstet sein.
Alle Stopfschnecken, oder zumindest ein Teil davon können heizbar
ausgestaltet sein.