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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten von
Lignozellulosematerialen zur Herstellung einer Reihe von nützlichen
Endprodukten, einschließlich
Verbunderzeugnissen, wie beispielsweise Paneelplatten.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
ist bekannt, Verbundprodukte aus Abfallprodukten, welche aus Zellulosematerialen
bestehen durch chemisches Umformen der natürlichen Zucker in ein klebendes
und aufbauschendes Agens durch den Einsatz von Wärme und Druck zu erzeugen.
Solche Verfahren wurden über
viele Jahre hinaus verwendet und eine gut bekannte Methode wird
im Allgemeinen als „Explosionshydrolyse" bezeichnet. Dieses
Verfahren besteht aus einem Platzieren des Materials, welches behandelt
werden soll, in ein gut verschlossenes Gefäß, Einführen von Hochdruckdampf in
das Gefäß für eine spezifische
Zeitdauer und dann Öffnen
des Gefäßes in der
Art, dass das Material aus dem Gefäß heraus explodiert. Der Explosionsprozess
beeinflusst im Besonderen die Hemizellulose, welche eine unstrukturiere
Komponente von holzartigem Material ist. Während des Explosionsprozesses wird
Hemizellulose zerlegt, zuerst in einfache Zucker, welche dann während des
Explosionsprozesses mit anderen Produkten transformiert werden,
um das harzartige Material zu erzeugen, welches das Produkt klebt.
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Stand der Technik
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Das
US-Patent 1,578,609 , erteilt
im Jahr 1926 für
William H. Mason, USA beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
für die
Zerlegung von lignozellulosem Material. Das Verfahren besteht aus den
Schritten kleine Teile von Holz zu schnipseln, diese in eine geschlossene
Hochdruckkammer zu bringen, allgemein als „Gun" (= Kanone) bezeichnet, und Unterwerfen
des Materials einem Dampfdruck, einer Druckluft oder dergleichen.
Nach einer ausreichenden Zeit, in welcher es möglich war, dass die Gase das
Holz durchdringen und ein Druck- und Temperaturausgleich in dem
Holz geschaffen wurde, wurde eine Auslassventil von vergleichsweise
geringem Ausmaß geöffnet, um
das Material unter kraftbeaufschlagtem Antrieb durch die Ventilöffnung aus
der Kammer hinaus zu befördern.
Wenn die Holzstücke austreten,
sind sie in einer weiteren Stufe zerlegt.
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Dieses
Verfahren, beschrieben in dem
US-Patent
1, 578,609 wurde in Folge als „Explosionshydrolyse" bekannt und eine
weitere Diskussion zu diesem Verfahren kann man in der Beschreibung des
US-Patents 2,303,345 (Mason
and Boehm) finden, welches ein Verfahren zum Herstellen von Produkten
von lignozellulosem Material unter Verwendung von heißem Dampfdruck
in einer Kanone beschreibt, um das Lignin von der Lignozellulose
zu trennen und um die Hemizellulose in wasserlösliches Material zu hydrolysieren.
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Der
Nachteil bei dem in dem
US-Patent 2,303,345 offenbarten
Verfahren, bekannt als das „Masonite"-Verfahren besteht
darin, dass es ein wasserlösliches
Adhäsiv
erzeugt, so dass die adhäsive Klebung,
welche durch den Masonite-Prozess gebildet wird dazu tendiert, mit
einer folgenden Verschlechterung der Qualität des Erzeugnisses zu verflüssigen.
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Das
US-Patent 5,017,319 (Shen)
offenbart ein Verfahren zum Umwandeln von hemizellulosen Materialien
in ein in Wärme
ausgehärtetes
wasserdichtes Adhäsiv.
Das Verfahren besteht darin, lignozelluloses Material, welches wenigstens
10% Hemizellulose enthält,
mit einem Hochdruckdampf in Kontakt zu bringen, um es zu zerlegen
und die Hemizellulose in ein Harzmaterial ohne wesentliche Karbonisierung
der Hemizellulose zu hydrolysieren. Das Material wird dann aufgeheizt
und gegen eine Oberfläche
gepresst, um unter Wärme
auszuhärten
und das Material an der Oberfläche
anzuheften.
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Das
US-Patent 5,328,562 (Rafferty
and Scott) beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen
eines lignozellulosem Produkts, wobei das lignozellulose Material
in einer Primärzone hydrolysiert
wird und das Produkt aus der Primärzone in eine Sekundärzone bewegt
wird, in welchen überhitzter
Dampf, welcher aus der Primärzone
abströmt,
unter ausreichendem Druck eingeführt
wird, um die Hydrolyseprodukte zu trocknen. Diese Beschreibung betrifft
ein kontinuierliches Energierezirkulationssystem, so dass in diesem
Verfahren ein Minimum an Energieverlust stattfindet.
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Die
EP 1 033 212 offenbart ein
Verfahren zum explosionsartigen Aufspalten von Materialien auf Holzbasis
durch Befeuchten der Materialien, Ausrichten der Materialien in
einer bevorzugten Ausrichtung in einem Behälter, Komprimieren der Materialien unter
hohem Druck, dann schlagartiges Entfernen des Drucks, um den Wasserdampf
in den Materialien zu explodieren und auf diese Weise die Materialien aufzuspalten.
Dieser offenbarte Prozess wendet die Hitze und die Temperatur mittels
einer heißen
Presse auf. Dies hat den Nachteil, dass erstens eine sorgsame Anordnung
des zu behandelnden Materials erforderlich ist und dass zweitens
das zu behandelnde Material nicht gleichmäßig behandelt wird, da die Tendenz
dazu besteht, dass das Material, welches den oberen und unteren
Oberflächen
der Presse benachbart liegt, aufgrund seiner Nachbarschaft zu den aufgeheizten
Platten einer höheren
Temperatur unterworfen wird.
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Es
ist auch gut bekannt, dass die Qualität eines Produkts, welches durch
den Explosionsprozess gebildet wird, stark davon abhängt, wie
das adhäsive Polymer,
welches während
des Explosionsprozesses erzeugt wurde, durch das Material hindurch
verbreitet wird und wie gut das Material verdichtet wird. Die Temperatur
während
des Verfahrens ist sehr wichtig, da, wenn die Temperatur zu hoch
ist, eine Zerlegung der natürlichen
Zucker auftreten und dies Wasser erzeugen würde und die Wirksamkeit der
Oberflächenbeschichtung
und des Adhäsivs
reduzieren würde, was
zu einem schwächeren
und weniger wasserabstoßenden
Produkt führen
würde.
Wenn die Temperatur zu niedrig ist, tritt eine weniger wirksame
Verteilung des adhäsiven
Polymers auf, und dies würde
zu einem Erzeugnis führen,
welches nicht die gewünschten
Qualitäten
hätte.
Demgemäß ist die
Organisation des Wassergehalts bei dem Prozess entscheidend für einen
guten Verfahrensverlauf.
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Darüber hinaus
ist es bekannt, dass in dem hergestellten Produkt oft Furan und
Hydroxylmethylfuran vorliegen, welche Zucker sind, aus welchen Wasser
entfernt wurde. Dies kann bei hohen Temperaturen auftreten, bei
denen wenig freies Wasser vorliegt, und wobei Reaktionen auftreten,
welche Wasser benötigen,
beispielsweise wenn Lignin zerkleinert wird. Furane sind Reaktive
und werden leicht in dem Lignanrepolymerisationsprozess teilnehmen,
und sogar kleine Mengen tragen dazu bei, größere Moleküle in dem hergestellten Produkt
miteinander zu verbinden. Folglich ist es nötig, die Mengen an Feuchtigkeit sehr
genau zu regeln, um ein zufriedenstellendes Produkt zu erzeugen.
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Gegenstand der Erfindung
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Es
ist ein Gegenstand der Erfindung, einen verbesserten Prozess vorzuschlagen,
wodurch lignozelluloses Material in ein Material umgeformt werden kann,
welches in ein Erzeugnis geformt werden kann, welches höhere Qualitäten zeigt,
im Vergleich zu einfachen Produkten, welche durch aus der Vergangenheit
bekannte, als Explosionsprozesse bekannte Verfahren hergestellt
wurden.
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Es
ist ebenfalls ein Gegenstand dieser Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen,
wodurch eine große
Vielfalt von lignozellulosem Material, wie beispielsweise landwirtschaftliche
Abfälle,
einschließlich,
jedoch nicht hierauf beschränkt,
Getreidestroh, Sägemehl,
Holzchips, Holzabfälle
in Form von kleinen Teilen, Rinde, Zeitungspapier und anderes Papier
und Karton in ein zufriedenstellendes Material umgeformt werden
kann, von welchem Verbundmaterialien, wie beispielsweise Platten
und Paneele erzeugt werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Dementsprechend
schlägt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verarbeiten von Lignozellulosematerialien
mit folgenden Schritten vor:
- (a) Vorsehen wenigstens
eines Lignozellulosematerials, wobei jedes eine Teilchengröße aufweist, die
geeignet ist, in einem hydrothermischen Druckgefäß verarbeitet zu werden,
- (b) Trocknen des Materials in sich bewegender Luft, bis der
Feuchtigkeitsgehalt zwischen 11% bis 25% der Gesamtmasse des Lignozellulosematerials
beträgt,
wobei der Feuchtigkeitsgehalt des trockenen Materials errechnet
wird durch weiteres Trocken des sich ergebenden Materials auf eine
konstante Masse in ruhender Luft bei 86,5°C ± 1°C und Vergleichen desselben
mit der ursprünglichen
Masse des Lignozellulosematerials,
- (c) Verdichten des Materials in einen hydrothermischen Druckgefäß in der
Weise, dass das frei fließende
Material nicht mehr als zweimal behandelt wird,
- (d) Aussetzen des verdichteten Materials in dem Druckgefäß einem
Dampf, bei einem Druck von unter 65 bar für bis zu zehn Minuten,
- (e) Rückführen der
Temperatur und des Drucks auf Umgebungsbedingungen,
- (f) Trocknen des Produkts, bis das Produkt einen Feuchtigkeitsgehalt
von bis zu 10 Gewichtsprozent aufweist, wobei der Feuchtigkeitsgehalt
des trockenen Materials errechnet wird durch weiteres Trocken des
sich ergebenden Materials auf eine konstante Masse in ruhender Luft
bei 86,5°C ± 1°C und Vergleichen
desselben mit der ursprünglichen
Masse des Lignozellulosematerials.
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Vorzugsweise
wird das zu behandelnde Material in der Größe reduziert, so dass es in
einem Bereich einer Länge
bis zu 40 mm, einer Breite bis zu 6 mm und einer Dicke bis zu 6
mm vorliegt, bevor es in ein hydrothermisches Druckgefäß gebracht
wird. Vorzugsweise beträgt
die Dicke der Teilchengröße des unbehandelten
Lignozellosematerials nicht mehr als 5 mm.
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Vorzugsweise
liegt die Temperatur der Bewegungsluft unterhalb von 90°C.
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Vorzugsweise
liegt die Temperatur der Bewegungsluft über 55°C und unter 90°C.
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Vorzugsweise
liegt die Temperatur der Bewegungsluft im Bereich von 55°C bis 75°C.
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Vorzugsweise
wird der Feuchtigkeitsgehalt des getrockneten Materials durch weiteres
Trocknen des sich ergebenden Materials zu einer konstanten Masse
in ruhender Luft bei 86,5°C ± 1°C kalkuliert und
diese Größe gegenüber der
ursprünglichen
Masse des Lignozellulosematerials relativiert.
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Vorzugsweise
werden die Materialien auf einem Feuchtigkeitsgehalt von nicht weniger
als 11 Gewichtsprozent getrocknet.
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Vorzugsweise
wird ein schneller Niedrigtemperaturtrockner eingesetzt.
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Vorzugsweise
werden die Materialien, nachdem sie getrocknet wurden in das Druckgefäß in einer
Weise gepackt, so dass das freifließende Material nicht mehr als
1,5 mal behandelt wird.
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Vorzugsweise
wird das verdichtete Material in dem Druckgefäß trockenem Dampf oder einem Dampf
ausgesetzt, welcher bis zu 5°C überhitzt
ist.
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Vorzugsweise
wird das verdichtete Material in dem Druckgefäß einem Dampf bei einem Druck zwischen
32 bis 45 bar für
eine Dauer von bis zu 10 Minuten ausgesetzt.
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Vorzugsweise
wird das verdichtete Material für
eine Dauer von 30 bis 100 Sekunden einem Dampf ausgesetzt.
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Vorzugsweise
werden die Temperatur und der Druck in etwa 2 Sekunden auf einen
Umgebungswert zurückgeführt.
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Vorzugsweise
wird das verdichtete Material dann in sich bewegender Luft unterhalb
von 90°C
getrocknet, so dass es einen Feuchtigkeitsgehalt von 3% hat, wobei
der Feuchtigkeitsgehalt des getrockneten Materials durch weiteres
Trocknen des sich ergebenden Materials auf eine konstante Masse
in ruhender Luft bei 86,5°C ± 1°C berechnet
und dieses Ergebnis gegenüber
der ursprünglichen
Masse des Lingozellolosematerials relativiert wird.
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Vorzugsweise
liegt die Temperatur der sich bewegenden Luft über 50°C und unter 75°C.
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Vorzugsweise
wird das durch das Verfahren hergestellte Produkt gepresst und bei
einer Temperatur und einem Druck und auf eine Dauer, welche erforderlich
ist, um ein Produkt mit den gewünschten Eigenschaften
zu erzeugen, ausgehärtet.
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Vorzugsweise
liegt die Temperatur während der
Press- und Aushärtestufe
im Bereich zwischen 60°C
bis 200°C.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung.
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Der
Bereich von lignozellulosen Materialien, welche behandelt werden
können
ist groß.
Unter den Materialien, welche verarbeitet werden können, sind Sägemehl von
Pinus radiata und gemischtes Sägemehl
der Sorten Cupressus macrocarpa, Pinus radiata, Eukalyptus sp. und
Akazia sp. Andere Materialien können
beispielsweise Rimu-(Daciydium cupressum) und Rotbuche-(Nothofagus
sp.)Abschälungen und
Sägemehl,
Weizenstroh und Haferstrohhäcksel sein.
Diese Beispiele geeigneter Materialien sollen nicht einschränkend genannt
sein und werden nur als Angabe für
einige der Materialien genannt, welche im Prozess verarbeitet werden
können.
Beispielsweise können
weitere Materialien wie Rinde und Recyclingpapier verwendet werden.
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Das
zu verarbeitende Material wird auf eine Größe zerkleinert, in der es möglich ist,
das Material in bekannten hydrothermischen Druckkesseln zu zerlegen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Material
auf eine Größe zerkleinert, welche
in den Bereich einer Länge
von bis zu 40 mm, einer Breite von bis zu 6 mm und einer Höhe von bis zu
6 mm fällt.
In einem noch mehr bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Dicke
des zu behandelnden Materials nicht größer als 5 mm. Es ist jedoch
unter bestimmten Umständen
klar, dass es möglich
ist, Material einer größeren Größe als die
eben angegebenen Größen zu behandeln
und das diese Offenbarung nicht auf die bevorzugten Größenbereiche
beschränkt
ist.
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Das
zerkleinerte Material wird in bewegter Luft getrocknet, vorzugsweise
in einem Zyklontrockner, bei einer geeigneten Temperatur. Die ausgewählte Temperatur
hängt von
den Eigenschaften des zu behandelnden Materials ab, so dass das
Material während
des Trocknungsprozesses nicht beschädigt wird. Unter bestimmten
Umständen
kann es zu bevorzugen sein, das Material bei Luft, beispielsweise bei
70°C zu
trocknen, es wurde jedoch grundsätzlich herausgefunden,
dass eine Trocknungstemperatur von bis zu 90°C zufriedenstellend ist, während es
unter bestimmten Umständen
möglich
ist, sogar höhere Temperaturen
einzusetzen. Die Luftgeschwindigkeit wird in Kombination mit der
Temperatur der sich bewegenden Luft reguliert, um eine adäquate Regelung des
Trocknungsvorgangs sicherzustellen, um ein getrocknetes Material
zu erzeugen, welches einen Feuchtigkeitsgehalt von zwischen 11%
und 25% hat. Es wurde herausgefunden, dass in vielen Fällen der optimale
Feuchtigkeitsgehalt bei etwa 16% liegen soll.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zum Kalkulieren des Feuchtigkeitsgehalt verläuft so,
dass das Material getrocknet wird, bis es eine konstante Masse in
ruhiger Luft bei 86,5°C ± 1°C hat und
dieser Wert zu der Ursprungsmasse des zu behandelnden Materials
ins Verhältnis
gesetzt wird. Dieser Feuchtigkeitsgehalt kann außerdem den Massenverlust einfangen,
welcher mit dem Verlust anderer volatiler Komponenten einhergeht.
Weitere Verfahren zum Kalkulieren und Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts,
wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, können ebenfalls
eingesetzt werden.
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Das
Material wird dann in einen hydrothermischen Reaktor in einer Weise
gepackt, dass das freiströmende
Material vorzugsweise bis zu 2 mal, jedoch ganz besonders bevorzugt,
nicht mehr als 1,5 mal in den Reaktor gepackt wird. In den Reaktor
wird dann trockener oder bis zu 5°C überhitzter
Dampf bei einem Druck, vorzugsweise unter 65 bar und vorzugsweise
zwischen 32 bis 45 bar für
die erforderliche Zeit eingeleitet, um ein zufriedenstellendes Behandeln
des Materials zu erreichen. Der Druck und die Temperatur werden
ausgewählt,
um sicher zu stellen, dass das Material nicht verbrannt wird, und dass
es zu keiner übermäßigen Schädigung seiner physikalischen
Eigenschaften, wie zum Beispiel einem Geruch, kommt. Die Prozesszeit
kann bis zu 10 Minuten betragen, obwohl die gewöhnliche Zeit normalerweise
zwischen 30 und 100 Sekunden liegt. Es ist unter bestimmten Umständen möglich, höhere Drücke einzusetzen.
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Nachdem
dieser Prozess beendet ist, wird das Druckgefäß auf einen Wert dekomprimiert,
welcher die Erzeugung einer Überhitzung
aufrecht erhält.
Diese Zeit kann variieren, jedoch wird die Dekomprimierung vorzugsweise
in weniger als etwa 2 Sekunden durchgeführt.
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Der
Dampf für
die Hydrolysierung muss zu 100% trocken sein, um optimale Bedingungen
zu schaffen, unter bestimmten Umständen kann der Dampf jedoch
leicht überhitzt
werden, bis zu etwa 5°C,
was zum Beschleunigen der ursprünglichen chemischen
Reaktion beiträgt
und die Kondensation im Reaktorgefäß verringert, während der
Druck auf den gewünschten
Wert aufgebaut wird.
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Der
Dampfverbrauch hängt
ab von
- a. der gewünschten chemischen Reaktion,
- b. dem vorgesehenen Endeinsatz des behandelten Materials,
- c. der Zeit und dem Druck für
eine spezifische Reaktion,
- d. der Zeit, die das Material in dem hydrothermischen Reaktor
verweilt, bevor der gewünschte Druck
aufgebaut wird,
- e. dem Typ des behandelten lignozellulosen Materials,
- f. der Temperatur und dem Feuchtigkeitsgehalt des in den Reaktor
gepackten Materials.
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Das
Material wird vorzugsweise sofort aus dem Reaktor ausgeladen, es
wird gekühlt,
um eine weitere chemische Reaktion zu vermeiden und das Produkt
wird dann in sich bewegender Luft getrocknet, vorzugsweise in einem
zweiten Zyklon bei einer Temperatur unter 90°C und vorzugsweise über 55°C und noch
mehr bevorzugt unterhalb von 75°C.
Das getrocknete Material wird vorzugsweise einen Feuchtigkeitsgehalt
von zwischen 1% und 10% und besonders bevorzugt von 3% haben, wobei
der Feuchtigkeitsgehalt kalkuliert wird über ein Trocknen auf eine konstante
Masse in ruhender Luft bei 86,5°C ± 1°C, wie zuvor
beschrieben. Die hydrolysierten Lignozellulosematerialien können in
vielerlei Art und Weise getrocknet werden. Beispielsweise ist eine brauchbare
Trocknungstechnik in dem
US-Patent 5,236,132 offenbart.
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Das
getrocknete Material kann dann für
eine weitere Behandlung, beispielsweise Spritzgießen, gelagert
werden. Wenn das Material verwendet werden soll, um Paneelplatten
und dergleichen zu bilden, wird es gepresst und für eine Zeit
und bei einer Temperatur gepresst und ausgehärtet, welche die gewünschten
Eigenschaften und Merkmale des Endprodukts schaffen. Bei einer besonders
bevorzugten Form kann die Temperatur im Bereich von zwischen 40°C bis 200°C liegen,
jedoch besonders bevorzugt wird sie zwischen 60°C und 200°C liegen, wobei der Druck und das
Zeitprofil die Eigenschaften des Endprodukts bestimmen. Diese Eigenschaften
können von
wasserbeständig
und dicht bis zu sehr hoher Dichte und Festigkeit oder bis zu relativ
porös mit niedriger
Wasserfestigkeit reichen.
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Somit
wurde die Möglichkeit
gefunden, eine Paneelplatte mit folgenden Eigenschaften herzustellen:
Eine
Dichte zwischen 400 kg/m3 und 1800 kg/m3.
Eine Dicke zwischen 3 mm und bis
zu 50 mm und möglicherweise
bis zu 400 mm oder mehr.
Die Materialien haben eine Feuchtigkeitsbeständigkeit
von niedrig bis zu vollständig.
Die
mechanischen Eigenschaften sind denen des Australian HMR Standards ähnlich.
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Die 1 zeigt
die Verfahrensschritte als ein Flussdiagramm.
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Für Schritt
(a) kann ein weiter Bereich von Teilchenformen Verwendung finden
(zum Beispiel Flocken, Chips, Stäbchen,
Pellets), jedoch muss die Gesamtgröße in den festgelegten Bereich
fallen. Wenn das zu behandelnde Material eine größere Teilchengröße hat,
könnte
der Dampf nicht ausreichenden Zugang zu den Teilchen haben.
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In
Schritt (b) wird der Feuchtigkeitsgehalt durch Trocken eingestellt.
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Schritt
(c) kann als Gruppenprozess oder als kontinuierliches Verfahren
ausgeführt
werden. Bei diesem Schritt werden die lignozellulosen Materialien durch
die Aktion des Dampfs hydrolysiert, und wenn die Temperatur und
der Druck auf Umgebungsverhältnisse
zurück
abgesenkt werden, hat das Lignozellulosematerial die Form einer
zerbrochenen, zerfetzten Masse.
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Das
getrocknete, hydrolysierte Lignozellulosematerial wurde mit Erfolg
zu folgenden Produkten verarbeitet:
- 1. Pressen
und Gießen,
um eine komprimierte wasserdichte Platte zu bilden, welche eine
Dichte im Bereich von 400 bis 1800 kg/m3 hat.
Vorzugsweise wird die Temperatur der Druckplatten im Bereich von
120°C bis
210°C gehalten,
während die
Druckzeit bestimmt wird durch die im fertigen Produkt gewünschte Dich te.
Die Druckzeit für eine
Dichte von 1600 kg/m3 beträgt z. B.
etwa 240 Sekunden, während
für eine
Dichte von 600 kg/m3 die Druckzeit bei 15
Minuten liegt.
- 2. Spritzgießen,
um feste Formen zu bilden.
- 3. Pelletieren, um pelletiertes Heizmaterial zu bilden. Bei
diesem Beispiel können
die ursprünglichen
Materialien Stroh, Sägemehl,
Rinde oder kommunalen Lignozelluloseabfall und/oder Kombinationen
hiervon enthalten. Der Brennwert des sich ergebenden Treibstoffs
ist ähnlich
dem einer mittleren Haushaltskohle.