DE69434733T2

DE69434733T2 - Kontrolle der gelösten Feststoffe bei der Zellstoffherstellung

Info

Publication number: DE69434733T2
Application number: DE69434733T
Authority: DE
Inventors: Bruno S. Peachtree City Marcoccia; Robert J. Saratoga Springs Prough; Richard O. Queensbury Laakso; Joseph R. Queensbury Phillips; Rolf C. Suwanee Ryham; Jen T. Glens Falls Richardsen; R. Fred Bristol Chasse
Original assignee: Andritz Inc
Current assignee: Andritz Inc
Priority date: 1993-05-04
Filing date: 1994-02-25
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2014-02-26
Also published as: ID16427A; NO954412D0; US6086712A; US5489363A; US5849150A; EP1308555B1; ES2263735T3; AU6442194A; EP1308554A3; DE69434732T2; PT1126075E; EP1126075A3; CN1206762A; US6346167B2; RU2165433C2; EP1308555A2; US5620562A; NO980265L; CA2159998A1; ES2263907T3

Description

Diese Anmeldung ist eine Teilanmeldung der europäischen Patentanmeldung Nr. 94 912 158.6, die als EP 0 698 139 A1 veröffentlicht worden ist.
Gemäß dem bisherigen Wissen im Stand der Technik im Bezug auf den Kraftaufschluss von Zellulose ist bekannt, dass der Gehalt von gelösten organischen Materialien (engL. dissolved organic material, DOM), der hauptsächlich gelöste Hemi-Zellulose und Lignin umfasst, aber auch gelöste Zellulose, Extrakte und andere Materialien enthalten kann, die durch den Koch-Prozess aus dem Holz extrahiert worden sind, einen nachteiligen Effekt in den nachfolgenden Arbeitsgängen des Koch-Prozesses haben, indem sie den Delignifizierungsprozess dadurch behindern, dass sie aktive Koch-Chemikalien in der Lauge verbrauchen, bevor diese mit dem verbleibenden oder dem ursprünglichen Lignin im Holz reagieren können. Der Effekt der Konzentration von gelösten organischen Materialien in anderen Teilen des Kochvorgangs, abgesehen von den nachfolgenden Arbeitsgängen, wird entsprechend dem herkömmlichen Wissen als nicht signifikant eingeschätzt. Die hemmende Wirkung gelöster organischer Materialien während der nachfolgenden Arbeitsgänge des Kochvorgangs wird in einigen kontinuierlichen Koch-Prozessen nach dem Stand der Technik insbesondere dadurch minimiert, dass ein EMCC^®-Kocher der Kamyr Inc. in Glenn Falls, New York, verwendet wird, da der Gegenstrom der Lauge (einschließlich von Weißlauge) am Ende des Koch-Prozesses die Konzentration gelöster organischer Materialien sowohl am Ende der „Feststoff-Delignifizierungs"-Phase, als auch während der ganzen sogenannten „Rest-Delignifizierungs"-Phase reduziert wird.
Die Stammanmeldung dieser Teilanmeldung beansprucht Verfahren und Vorrichtungen zum Kochen von Kraftzellstoff, die dieses Themengebiet betreffen, nämlich:
Ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von Kraftzellstoff durch Kochen von zerkleinertem faserigem Zellulosematerial in einem kontinuierlichen Kocher, wodurch die gebildete Flüssigkeit gelöste organische Stoffe enthält, wobei das Verfahren die Stufen des Extrahierens eines Teils der Flüssigkeit in einer Mehrzahl verschiedener Schritte während des Kraftkochens des Materials sowie das Ersetzen eines Teils der Gesamtmenge der extrahierten Flüssigkeit durch eine Flüssigkeit, die eine wesentlich geringere Menge an gelösten organischen Stoffen enthält, beinhaltet und wobei das Extrahieren und das Ersetzen während des Imprägnierens nahe am Beginn des Kochens, in der Mitte des Kochens und nahe dem Ende des Kochens durchgeführt wird, wodurch die Menge an gelösten organischen Stoffen in der Flüssigkeit in dem Kocher herabgesetzt wird und der hergestellte Zellstoff eine verbesserte Zellstofffestigkeit und Bleichbarkeit aufweist sowie der Verbrauch von Chemikalien vermindert ist.
Ein Verfahren zum Kraftkochen von Zellulose-Zellstoff in einem diskontinuierlichen Kocher, der in der Lage ist, mindestens 8 Tonnen Zellulose-Zellstoff pro Tag zu produzieren, wobei der Kocher ein Sieb und eine Umlaufleitung zum Abziehen von Flüssigkeit aus dem Sieb und ein Wiedereinführen von Flüssigkeit in den diskontinuierlichen Kocher in verschiedenen Höhen des Siebes aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Stufen umfasst:

a) Kraftkochen von mindestens acht Tonnen Zellstoff pro Tag in einem diskontinuierlichen Kocher,
b) Abziehen der Kocherflüssigkeit aus dem Kocher durch die Umlaufleitung und
c) Behandeln der abgezogenen Flüssigkeit in der Umlaufleitung, um die Konzentration der in der abgezogenen Flüssigkeit gelösten organischen Stoffe zu vermindern, und Wiedereinführen der behandelten Flüssigkeit in den Kocher in einer von der Höhe des Siebs verschiedenen Höhe, wodurch die Menge der in der Kochflüssigkeit gelösten organischen Stoffe im Wesentlichen während des gesamten Kochers vermindert wird und der gebildete Zellstoff eine verbesserte Festigkeit und Bleichfähigkeit aufweist sowie der Verbrauch an Chemikalien vermindert ist.

Vorrichtung zum Kraftkochen von Zellulose-Zellstoff, wobei die Vorrichtung einen aufrecht stehenden kontinuierlichen Kocher, Siebe in verschiedenen Höhen des Kochers und verschiedene Kochstufen für den Kocher aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Siebe mit einer zugeordneten Abzugsleitung ausgerüstet ist, um während verschiedener Stufen des Kraftkochens des Zellstoffs Flüssigkeit abzuziehen und für jedes der Siebe Mittel vorgesehen sind, um über die Abzugsleitungen einen Teil oder die Gesamtmenge der aus dem Kocher abgezogenen Flüssigkeit zu ersetzen oder zu behandeln derart, dass die in den Kocher wieder eingeführte Flüssigkeit eine geringere Menge an gelösten organischen Stoffen enthält als jene der entsprechenden abgezogenen Flüssigkeit, und derart, dass die Menge der in der Flüssigkeit in dem Kocher gelösten organischen Stoffe vermindert wird.
Vorrichtung zum Kraftkochen von Zellulose-Zellstoff mit:

• einem diskontinuierlichen Kraftkocher, der in der Lage ist, mindestens acht Tonnen Zellstoff pro Tag zu behandeln,
• einem dem diskontinuierlichen Kocher zugeordnetem Sieb,
• einer Rücklaufleitung für das Abziehen von Flüssigkeit aus dem Sieb und zum Wiedereinführen von Flüssigkeit in den diskontinuierlichen Kocher in einer anderen Höhe als jener des Siebs und
• einer Behandlungsvorrichtung in der Umlaufleitung zum Behandeln der derart abgezogenen Flüssigkeit, um die Konzentration der darin gelösten organischen Stoffe während des Kochens wesentlich herabzusetzen, wobei es sich bei der Behandlungsvorrichtung um eine Vorrichtung zum Verdünnen, Abziehen und Verdünnen, Absorbieren, Fällen, Passivieren, Trennen mittels Schwerkraft, Abziehen unter überkritischen Bedingungen und/oder Verdampfen handelt, wodurch die in den Kocher wieder eingeführte Flüssigkeit eine geringere Menge an gelösten organischen Stoffen enthält als die abgezogene Flüssigkeit und die Menge an gelösten organischen Stoffen in dem Kocher vermindert ist.

Die Erfindung stellt ein Einkesselkochersystem bereit, bei dem der Gehalt an gelöstem organischen Material geregelt bzw. gesteuert wird, so dass sichergestellt ist, dass die gelösten organischen Materialien keinen nachteiligen Effekt auf das Kochen haben.
Der Mechanismus, durch den gelöste organische Materialien Zellstoff-Fasern beeinflussen und dadurch die Festigkeit des Zellstoffs nachteilig beeinflussen, ist bislang nicht eindeutig geklärt, es wird jedoch angenommen, dass dies an einer verminderten Massentransfer-Rate von durch Alkali extrahierbaren organischen Verbindungen durch die Wände der Fasern, die durch gelöste organische Materialien in der Umgebung der Faser induziert wird, und an unterschiedlichen Extrahierbarkeiten von kristallinen Regionen in den Fasern im Vergleich zu amorphen Regionen (d.h. Knoten) liegt. In jedem Fall wurde gezeigt, dass die Festigkeit des Zellstoffs signifikant gesteigert wird, wenn der Gehalt an (bzw. die Konzentration von) gelösten organischen Materialien erfindungsgemäß während des Koch-Vorgangs minimiert wird.
Es wurde herausgefunden, dass dann, wie in der oben angegebenen Stammanmeldung ausgeführt ist, wenn der Gehalt an gelösten organischen Materialien während eines Kraftkoch-Vorgangs dicht bei Null liegt, die Reißfestigkeit des Zellstoffs deutlich gesteigert wird, das heißt, dass sie auf bis über 25% (beispielsweise 27%) bei 11 km Reißlänge im Vergleich zu herkömmlich hergestelltem Kraftzellstoff gesteigert wird. Selbst Verminderungen des Gehalts an gelösten organischen Materialien auf die Hälfte oder ein Viertel des normalen Gehalts steigern die Festigkeit des Zellstoffs deutlich.
Bei Kraftkoch-Prozessen gemäß dem Stand der Technik ist es nicht unüblich, dass die Konzentrationen an gelösten organischen Materialien an manchen Stellen während des Kraftkochens 130 Gramm pro Liter (g/l) oder mehr betragen und dass 100 g/l oder mehr an vielen Stellen während des Kraftkochens vorliegen (beispielsweise in dem Umlauf am Boden, in dem Ausgleichsumlauf in der oberen Entnahme und der Hauptentnahme und dem Umlauf der beim modifizierten Koch-Prozess (modified cooking process, MC process) bei kontinuierlichen Kochern der Kamyr Inc. MCC.RTM. vorliegt), selbst wenn der Gehalt an gelösten organischen Materialien zwischen ungefähr 30–90 g/l in der Wasch-Zirkulation (in späteren Arbeitsgängen des Kochens, wie es herkömmlichem Wissen entspricht) gehalten wird. In solchen herkömmlichen Situationen ist es zudem nicht unüb lich, dass die Lignin-Komponente des Gehaltes an gelösten organischen Materialien über 60 g/l und tatsächlich sogar über 100 g/l liegt und dass die Hemi-Zellulose-Komponente des Gehalts an gelösten organischen Materialien deutlich über 20 g/l liegt. Es ist nicht bekannt, ob die Komponente an gelöster Hemi-Zellulose einen stärker negativen Effekt auf die Festigkeit des Zellstoffs hat als Lignin (beispielsweise dadurch, dass der Massentransfer organischer Verbindungen aus der Faser heraus negativ beeinflusst wird), oder umgekehrt, oder ob der Effekt ein synergistischer ist, obwohl die gelösten Hemi-Zellulosen im Verdacht stehen, einen signifikanten Einfluss zu haben.
Wie bereits in der Stammanmeldung ausgeführt, ist zum ersten Mal erkannt worden, dass die Konzentration an gelösten organischen Materialien während eines Kraftkoch-Verfahrens minimiert werden sollte, um die Bleichbarkeit des Zellstoffs positiv zu beeinflussen, den Verbrauch an Chemikalien zu reduzieren und, was vielleicht am wichtigsten ist, die Festigkeit des Zellstoffs zu erhöhen. Durch das Minimieren des Gehalts an gelösten organischen Materialien ist man in der Lage, kleinere kontinuierliche Kocher zu entwerfen, wobei gleichzeitig der gleiche Durchsatz erhalten wird, und man ist in der Lage, einige Vorteile kontinuierlicher Kocher auch mit diskontinuierlichen Systemen zu erreichen. Eine Anzahl dieser vorteilhaften Ergebnisse kann dadurch erwartet werden, dass der Gehalt an gelösten organischen Materialien im Wesentlichen während des gesamten Kraftkochens (d.h. dem Beginn, in der Mitte und am Ende der Haupt-Delignifizierung) bei einer Konzentration von 100 g/l oder darunter gehalten wird, bevorzugt unter 50 g/l oder darunter (je dichter bei Null die Konzentration an gelösten organischen Materialien liegt, umso positiver sind die Ergebnisse). Es ist insbesondere wünschenswert, die Lignin-Komponente bei 50 g/l oder darunter (vorzugsweise ungefähr 25 g/l oder darunter) und den Gehalt an Hemi-Zellulose bei 15 g/l oder darunter (vorzugsweise ungefähr 10 g/l oder darunter) zu halten.
Wie ebenfalls bereits in der Stammanmeldung ausgeführt, wurde zudem herausgefunden, dass es möglich ist, die negativen Auswirkungen der Konzentration an gelösten organischen Materialien auf die Festigkeit des Zellstoffs zumindest zu einem großen Teil durch Passivieren auszuschalten. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wurde herausgefunden, dass dann, wenn Schwarzlauge entfernt und einer Druck-Hitze-Behandlung gemäß dem US-Patent Nr. 4 929 307, beispielsweise bei einer Temperatur von ungefähr 170°C bis 350°C (bevorzugt 240°C) für ungefähr 5–90 Minuten (bevorzugt ungefähr 30–60 Minuten) ausgesetzt und danach wieder zugeführt wird, eine Zunahme der Reißfestigkeit von bis zu 15% erzielt werden kann. Der Mechanismus, durch den die Wirkungen der gelösten organischen Materialien durch Wärmebehandlung passiviert werden, ist ebenfalls noch nicht vollständig verstanden, er ist jedoch mit der oben beschriebenen Hypothese konsistent und seine Auswirkungen sind real und beeinflussen die Festigkeit des Zellstoffs dramatisch.
Die EP 0 477 059 offenbart ein Verfahren zum kontinuierlichen Kochen zerkleinerten, faserhaltigen Zellulosematerials, wobei ein Teil der Flüssigkeit in der Schlämme durch ein Sieb abgezogen, erhitzt und zurück geleitet werden kann und wobei Weißlauge in die Rezirkulations-Schleife zugefügt werden kann.
Die US 4 670 088 offenbart einen Prozess zum Aufbereiten von Zellulose-Zellstoff durch Delignifizierung ligninhaltigen Zellulosematerials, bei dem Lauge entnommen, in einen Separator geleitet und zurück geführt wird, wobei der Separator ge löstes Lignin entfernt, das ein Molekülgewicht von mehr als 3500 hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Vorrichtung und ein korrespondierendes Verfahren für kontinuierliche Systeme, wie sie oben beschrieben sind, zum Erhöhen der Festigkeit von Kraftzellstoff zur Verfügung gestellt, die die negativen Effekte gelöster organischer Materialien auf die Festigkeit berücksichtigen. Erfindungsgemäß wird zudem ein Kraftzellstoff mit erhöhter Festigkeit zur Verfügung gestellt. Gemäß der Erfindung kann zudem der H-Faktor signifikant reduziert werden, beispielsweise kann bei einer gegebenen Kappa-Zahl zumindest eine Abnahme von 5% bei dem H-Faktor erreicht werden. Es kann zudem die tatsächlich verbrauchte Menge an Alkali signifikant reduziert werden, beispielsweise um zumindest 0,5% (beispielsweise ungefähr 4%) bezogen auf die Holzmenge, um eine bestimmte Kappa-Zahl zu erreichen. Es kann zudem eine verbesserte Bleichbarkeit erreicht werden, beispielsweise kann der ISO-Weißegrad um zumindest eine Einheit bei einer bestimmten Kappa-Zahl bei vollständigem Bleichen (full sequence kappa factor) reduziert werden.
Gemäß einem ersten Aspekt liefert die Erfindung ein hydraulisches Einkesselkochersystem zum Kochen von Zellulosefasermaterial, wobei das System Folgendes umfasst: einen im Wesentlichen aufrecht stehenden Behälter, der ein Oberteil und einen Boden aufweist, wobei eine Schlämme aus zerkleinertem zellulosehaltigem Material, das gekocht werden soll, angrenzend an das Oberteil eingeleitet werden kann und Zellstoff angrenzend an den Boden entnommen werden kann; einen Bereich des kontinuierlichen Kochens, der auf einer ersten Höhe des Kochers angeordnet ist und eine erste Kochsiebanordnung und eine zweite Kochsiebanordnung zum Entfernen von Kochflüssigkeit aus dem Kochbereich aufweist; eine erste Kochumwälz schleife, die mit der ersten Siebanordnung in Zusammenhang steht, zum Umwälzen der entfernten Kochflüssigkeit in das Innere des Kochers nahe der Umgebung der ersten Siebanordnung, und eine zweite Kochumwälzschleife, die mit der zweiten Siebanordnung in Zusammenhang steht, zum Umwälzen der entfernten Kochflüssigkeit in das Innere des Kochers nahe der Umgebung der zweiten Siebanordnung; und eine Extraktionssiebanordnung mit einer Extraktionsleitung, die sich auf einer zweiten senkrechten Höhe in dem Behälter befindet, unter der ersten Höhe, wobei die Extraktionsleitung zur Wiedergewinnung führt, eine dritte Siebanordnung, die sich unter der Extraktionssiebanordnung befindet, ferner umfassend eine Leitung zum Hinzugeben der Verdünnungsflüssigkeit zur ersten Kochumwälzschleife, wobei die Verdünnungsflüssigkeit eine geringere Konzentration gelöster organischer Substanzen aufweist als die Lauge, die in der ersten Kochumwälzschleife entfernt wurde, und zwei Leitungen zum Hinzugeben von Verdünnungsflüssigkeit in Form von Weißlauge beziehungsweise Waschfiltrat zur zweiten Kochumwälzschleife, wobei die Verdünnungsflüssigkeiten einen geringeren Gehalt an gelösten organischen Substanzen aufweisen als die Lauge, die in der zweiten Kochumwälzschleife umläuft, um die Konzentration gelöster organischer Substanzen im Kochbereich angrenzend an die Siebanordnungen zu verringern und dadurch die Festigkeit des so hergestellten Zellstoffs zu erhöhen, wobei die zweite Umwälzschleife eine Extraktionsleitung aufweist, die damit verbunden ist.
Bevorzugt umfasst der Kocher zudem eine Extraktionsleitung, die mit der ersten Kochumwälzschleife verbunden ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung liefert ein Verfahren zum Verdrängungsimprägnieren und Extraktionsverdünnen in den oberen Kochsieben eines Kochers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das Verfahren das Entfernen von Kochflüssig keit aus der ersten Kochsiebanordnung durch die erste Kochumwälzschleife umfasst, das Abziehen eines Teils der entfernten Lauge aus der ersten Kochumwälzschleife und das Hinzugeben der Weißlauge zu dieser entfernten Lauge und das wieder in den Kreislauf Zurückführen des Stroms der verbundenen Laugen in das Innere des Kochers nahe der ersten Kochsiebanordnung und das Hinzufügen der Weißlauge, die eine geringere Konzentration gelöster organischer Substanzen aufweist als die entfernte Lauge, zu dem Strom vor dessen Zurückführung in den Kocher.
Es ist das primäre Ziel der Erfindung, einen Kraftzellstoff mit einer erhöhten Festigkeit herzustellen, typischerweise alternativ oder additiv den H-Faktor und den Alkali-Verbrauch zu reduzieren und die Bleichbarkeit zu steigern. Diese und andere Ziele der Erfindung werden durch eine Durchsicht der detaillierten Beschreibung der Erfindung und von den beigefügten Ansprüchen deutlich.
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Anlage gemäß der Erfindung zum kontinuierlichen Kraftkochen zum Ausführen beispielhafter Verfahren gemäß derjenigen Erfindung, die Gegenstand der Stammanmeldung ist.
2 und 3 sind graphische Darstellungen der Festigkeit von Zellstoff, der gemäß der Erfindung hergestellt worden ist, im Vergleich zu Kraftzellstoff, der unter identischen Bedingungen, aber ohne Anwenden der Erfindung, hergestellt worden ist.
4 ist eine graphische Darstellung des H-Faktors bei der Herstellung von Zellstoff gemäß der Erfindung im Ver gleich zu Kraftzellstoff, der unter identischen Bedingungen, aber ohne Anwenden der Erfindung hergestellt worden ist.
5 ist eine graphische Darstellung des tatsächlich während der Produktion von Zellstoff gemäß der Erfindung verbrauchten Alkali verglichen mit der Produktion von Zellstoff unter identischen Bedingungen, aber ohne Anwenden der Erfindung.
6 ist eine graphische Darstellung des tatsächlich verbrauchten Alkali, aufgetragen gegen einen Prozentsatz an Prozesslauge im Vergleich zu Lauge, die keine gelösten organischen Materialien enthält.
7 ist eine graphische Darstellung, die den Weißegrad für Zellstoffe, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, mit Kraftzellstoff vergleicht, der unter identischen Bedingungen, aber ohne Anwendung der Erfindung hergestellt worden ist.
8 bis 12B sind weitere graphische Darstellungen verschiedener Aspekte der Festigkeit von Zellstoff, der gemäß der Erfindung hergestellt worden ist, wobei dieser in den 10A–B mit Kraftzellstoff verglichen wird, der unter identischen Bedingungen, aber ohne Anwenden der Erfindung hergestellt worden ist.
13 ist eine graphische Darstellung von Konzentrationen gelöster organischer Materialien, die auf tatsächlichen Laugen-Analysen beim Kochen im Labormaßstab mit drei verschiedenen Laugen-Quellen in verschiedenen Arbeitsgängen während des Kochens beruht.
14 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Kochers eines hydraulischen Zwei-Kessel-Kochsystems, bei dem die Erfindung anwendet wird.
15 ist eine graphische Darstellung einer theoretischen Untersuchung, die die Konzentration an gelösten organischen Materialien in einem herkömmlichen MCC.RTM.-Kocher mit der in einem Kocher nach 14 vergleicht.
16 und 17 sind schematische Darstellungen anderer beispielhafter Kocher gemäß der Erfindung.
18 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Kochers gemäß der vorliegenden Erfindung und die
19 bis 23 sind graphische Darstellungen theoretischer Untersuchungen verschiedener Verdünnungs- und Extraktions-Parameter unter Verwendung des Kochers nach 17.
1 zeigt eine hydraulische Zwei-Kessel-Kocheranordnung, wie sie von der Kamyr Inc., Glenn Falls, New York, verkauft wird, und die modifiziert wurde, um exemplarische Verfahren gemäß der Erfindung durchzuführen, die Gegenstand der Stammanmeldung sind. Die Ausführungsform gemäß 1 wird zum Zwecke der Bezugnahme und um Hintergrundinformationen zur Stützung der vorliegenden Erfindung zu liefern, in diese Beschreibung einbezogen. Selbstverständlich können andere existierende kontinuierliche Kochersysteme ebenfalls modifiziert werden, um die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich hydraulischer Ein-Kessel-, Ein-Kessel-Dampfphasen- und Doppelkessel-Dampfphasen-Kocher.
In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist ein herkömmlicher Tränkungsbehälter (impregnation vessel, IV) 10 mit einem herkömmlichen kontinuierlichen vertikalen Kocher 11 verbunden. Zerkleinertes faserhaltiges Zellulosematerial, das von Wasser und Kochlauge mitgerissen wird, wird von einem herkömmlichen Hochdruck-Beschicker über eine Leitung 12 der Oberseite des Tränkungsbehälters 10 zugeführt und ein Teil der Lauge wird, wie dies bislang üblich war, in einer Leitung 13 abgezogen und zu dem Hochdruck-Beschicker zurückgeführt.
Um gemäß der vorliegenden Erfindung die Konzentration an gelösten organischen Materialien (im Folgenden DOM-Konzentration von engl. dissolved organic material) zu verringern (im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen werden hierunter gelöste organische Materialien, wie primär gelöste Hemi-Zellulose und Lignin, jedoch auch gelöste Zellulose, Extrakte und andere Materialien, die aus dem Holz durch den Kraftkoch-Prozess extrahiert worden sind, verstanden), wird Lauge durch eine Pumpe 14 aus einer Leitung 15 (oder von der Oberseite des Behälters 10) abgezogen und in einer Stufe 16 behandelt, um DOM oder ausgewählte gelöste organische Bestandteile zu entfernen oder zu passivieren. Bei der Stufe 16 kann es sich auch um eine Fäll-Stufe (beispielsweise durch Absenken des pH-Werts unter 9) eine Absorptionsstufe (beispielsweise eine Zellulosefasersäule oder Aktivkohle) oder um Vorrichtungen zum Durchführen einer Filtration (beispielsweise Ultrafiltration, Mikrofiltration, Nanofiltration und dergleichen), zur Lösungsmittelextraktion, zur Zertrümmerung (beispielsweise durch Beschuss mit Strahlung), zur superkritischen Extraktion, zur Schwerkraft-Separation oder zur Verdampfung (gefolgt von Kondensation) handeln.
Ersatzlauge kann (beispielsweise nach Stufe 16) durch eine Pumpe 14' in eine Leitung 17 zu der Leitung 13 zugesetzt wer den, abhängig davon, ob eine Tränkung im Gleichstrom oder im Gegenstrom erfolgt. Bei der in die Leitung 17 zugesetzten Ersatzlauge kann es sich anstelle von entnommener Lauge, die in Stufe 16 behandelt worden ist, um Verdünnungslauge, beispielsweise frische (d.h. im Wesentlichen DOM-freie) Weißlauge, Wasser, Wäscher-Filtrat (beispielsweise Brownstock-Wäscher-Filtrat), Kaltblasfiltrat oder Mischungen hieraus handeln.
Wenn es gewünscht ist, den Schwefelgehalt der in den Leitungen 12, 13 umgewälzten Lauge zu erhöhen, kann in der Leitung 17 Schwarzlauge zugesetzt werden, die Schwarzlauge muss jedoch so behandelt sein, dass, wie nachfolgend erläutert wird, die darin enthaltenen gelösten organischen Materialien passiviert sind.
In jedem Fall weist die Lauge, die an der Stelle 15 entnommen wird, eine relativ hohe DOM-Konzentration auf, während die in der Leitung 17 hinzugefügte Lauge eine deutlich geringere effektive DOM-Konzentration aufweist, so dass die Festigkeit des Zellstoffs positiv beeinflusst wird.
In dem Tränkungskessel 10 selbst wird die DOM ebenfalls gesteuert bzw. geregelt, wobei bevorzugt ein herkömmliches Sieb 18, eine Pumpe 19 und eine Rückführ-Leitung 20 verwendet werden. Der in Leitung 20 rückgeführten Flüssigkeit wird – wie durch eine Linie 21 gezeigt – eine Verdünnungslösung zugesetzt, um die Konzentration an DOM zu verringern. Die Verdünnungsflüssigkeit umfasst zudem zumindest etwas Weißlauge. Das heißt, dass die in Leitung 20 wieder eingeführte Lauge im Wesentlichen denselben niedrigen effektiven DOM-Gehalt aufweist wie die Lauge, die durch das Sieb 18 abgezogen wird, und dass sie zumindest eine gewisse Menge Weißlauge umfasst. In Leitung 20 kann eine Bearbeitungsstufe 16' – ähnlich wie Stufe 16 – vorgesehen sein, wie durch die gestrichelte Linie in 1 gezeigt ist.
Vom Boden des Tränkungsbehälters 10 aus fließt die Schlämme aus zerkleinertem faserhaltigem Zellulosematerial durch die Leitung 22 zu dem Oberteil des Kochers 11, ein Teil der Lauge der Schlämme wird, auf bekannte Weise durch eine Leitung 23 abgezogen, Weißlauge wird an einer Stelle 24 hinzugegeben und fließt durch einen Heizer 25 (der typischerweise ein indirekter Heizer ist) und wird dann durch den Boden des Tränkungsbehälters 10 über eine Leitung 26 zurückgeführt und/oder dicht beim Beginn der Leitung 22, wie in 1 mit dem Bezugszeichen 27 angedeutet, zugeführt.
In bestehenden kontinuierlichen Kochern wird üblicherweise Flüssigkeit in unterschiedlichen Höhen des Kochers abgezogen, erwärmt und daraufhin auf der Höhe wieder eingeleitet, auf dem sie abgezogen wurde, unter normalen Umständen wird jedoch keine Lauge aus dem System abgezogen und durch Lauge ersetzt, deren DOM-Konzentration gerade reduziert worden ist. In existierenden kontinuierlichen Kochern wird Schwarzlauge an einer zentralen Stelle des Kochers entnommen und die Schwarzlauge wird nicht zurückgeführt, sondern statt dessen zu Entspannungsbehältern geführt und schließlich einem Wiedergewinnungs-Boiler oder Ähnlichem zugeführt. Im Gegensatz zu existierenden kontinuierlichen Kochern entnimmt der erfindungsgemäße kontinuierliche Kocher 11 an einer Vielzahl unterschiedlicher Stufen und auf unterschiedlichen Höhen und ersetzt die entnommene Lauge durch Lauge, die eine geringere DOM-Konzentration aufweist. Das wird dicht bei der Stelle des Anfangs des Kochvorgangs, an der Stelle der Mitte des Kochvorgangs und in der Nähe der Stelle des Endes des Kochvorgangs durchgeführt. Durch Verwendung des Kochers 11, der in 1 gezeigt ist, und durch Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung weist der Zellstoff, der durch eine Leitung 28 abgezogen wird, eine verbesserte Festigkeit im Vergleich zu konventionellem Kraftzellstoff auf, der unter ansonsten gleichen Bedingungen in einem bestehenden kontinuierlichen Kocher hergestellt worden ist.
Der Kocher 11 umfasst einen ersten Satz von Abziehsieben 30, die benachbart zu seiner Oberseite nahe der Stelle des Beginns des Kochvorgangs angeordnet sind, einen zweiten Satz von Sieben 31, der nahe der Stelle der Mitte des Kochvorgangs angeordnet ist und dritte und vierte Sätze von Sieben 32, 33, die nahe der Stelle des Endes des Kochvorgangs angeordnet sind. Die Siebe 30–33 sind mit entsprechenden Pumpen 34–37 verbunden, die in Rückführ- bzw. Rezirkulationsleitungen 38 bis 41 angeordnet sind, die optional Heizer 42–45 enthalten, wobei diese Rückführschleifen an sich von herkömmlicher Art sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein Teil der abgezogenen Flüssigkeit durch jeweilige Leitungen 46–49 entnommen, indem die Leitung 46 zu einem Satz Entspannungsbehälter führen, wie im Zusammenhang mit dem ersten Satz von Sieben 30 in 1 gezeigt ist.
Um die entnommene Lauge aufzubereiten, die eine relativ hohe DOM-Konzentration aufweist, und um den DOM-Gehalt abzusenken, wird Ersatz-(Verdünnungs-)Lauge zugesetzt, wie durch Leitungen 51–54 gezeigt ist, wobei die in den Leitungen 51–54 zugesetzte Lauge eine signifikant geringere DOM-Konzentration aufweist als die Lauge, die durch die Leitungen 46–49 entnommen wird, um die Festigkeit des Zellstoffs positiv zu beeinflussen. Die in den Leitungen 51–54 zugeführte Lauge kann dieselbe sein wie die Verdünnungs-Laugen, die oben in Zusammenhang mit Leitung 17 beschrieben worden ist. Die Heizer 42–45 heizen die Ersatzlauge wie auch die zurückgeleitete Lauge auf die im Wesentlichen gleiche (typischerweise leicht darüber liegende) Temperatur wie die der abgezogenen Lauge.
Es kann jede beliebige Anzahl an Sieben 30–33 im Kocher 11 vorgesehen sein.
Vor dem Fördern der entnommenen Lauge zu einem entfernten Ort und vor dem Ersetzen durch Ersatzlauge kann ein Wärmeaustausch zwischen der entnommenen Lauge und der Ersatzlauge durchgeführt werden, wie schematisch durch ein Bezugszeichen 56 in 1 gezeigt ist. Die abgezogene Lauge kann zudem behandelt werden, um darin enthaltenes gelöstes organisches Material zu entfernen oder zu passivieren, und kann dann unmittelbar als Ersatzlauge (wenn gewünscht mit anderer, der Verdünnung dienender Lauge versehen) als Ersatzlauge wieder zugefügt werden. Das ist schematisch durch ein Bezugszeichen 57 in 1 gezeigt, wobei die durch die Leitung 48 entnommene Lauge in einer Station 57 (ähnlich der Stufe 16) zur Entfernung von gelösten organischen Materialien behandelt wird, woraufhin sie an der Stelle 53 wieder zugeführt wird. Außerdem wird Weißlauge zugesetzt, wie in 1 gezeigt ist, wobei tatsächlich in jeder der Stufen, die mit den Sieben 30–33 in 1 verbunden sind, Weißlauge (durch die entsprechenden Leitungen 51–54) zugefügt werden kann.
Eine weitere Option für den Behandlungsblock 57, der schematisch in 1 gezeigt ist, betrifft das Erwärmen von Schwarzlauge unter Druck. Aus den Sieben 32 wird Lauge, die als „Schwarzlauge" bezeichnet werden kann, abgezogen, und ein Teil davon wird durch Leitungen 48 entnommen. Das Erhitzen unter Druck in der Stufe 57 kann gemäß dem US-Patent Nr. 4 929 307 stattfinden, dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Typischerweise würde in Stufe 57 die Schwarzlauge auf eine Temperatur zwischen 170°C bis 350°C (bevorzugt über 190°C, beispielsweise auf über 240°C) bei Überdruck für ungefähr 5–90 Minuten (vorzugsweise ungefähr 30 bis 60 Minuten) auf mindestens 20°C oberhalb der Koch-Temperatur erhitzt. Das führt zu einer signifikanten Passivierung des gelösten organischen Materials und die Schwarzlauge kann dann durch die Leitung 53 zurückgeführt werden.
Die mit 58 in 1 gekennzeichnete Behandlungsstufe, die mit dem letzten Satz von Abzugs-Extraktionssieben 33 verbunden ist, ist der Stufe 16 ähnlich. Eine Stufe wie die Stufe 58 kann auf jeder Höhe des Kochers 11 vorgesehen sein oder weggelassen werden, wenn eine Entnahme anstelle einer Zuführung von Verdünnungslauge vorgesehen ist. Weißlauge kann auch an der Stelle 58 zugeführt werden und die damit DOM-abgereicherte Lauge wird in der Leitung 54 zurückgeführt.
Unabhängig davon, ob entnommene Lauge oder Verdünnungslauge verwendet wird, ist es gemäß der Erfindung erwünscht, die gesamte DOM-Konzentration der Kochlauge auf 100 g/l oder einer geringeren Konzentration im Wesentlichen während des gesamten Kraftkoch-Vorgangs (diskontinuierliche Delignifizierung) zu halten, bevorzugt unterhalb von etwa 50 g/l, wobei es zudem erwünscht ist, die Lignin-Konzentration auf 50 g/l oder einer geringeren Konzentration zu halten (bevorzugt etwa 50 g/l oder einer geringeren Konzentration) und die Hemi-Zellulose-Konzentration auf 15 g/l oder einer geringeren Konzentration (bevorzugt etwa 10 g/l oder einer geringeren Konzentration) zu halten. Die genaue, wirtschaftlich optimale Konzentration ist noch nicht bekannt und kann von der verarbeiteten Holzart abhängen.
Die 2 und 3 zeigen die Ergebnisse eines tatsächlichen Labortests gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt Kurven, in denen die Durchreißfestigkeit bzw. der Durchreiß faktor (tear) für drei unterschiedliche Labor-Kraftkoch-Proben, die alle aus derselben Holzlieferung hergestellt worden sind, gegen die Reißlänge (tensile) aufgetragen ist. Der Durchreißfaktor ist ein Maß für die der Faser innewohnende Festigkeit des Zellstoffs.
In 2 betrifft Kurve A einen Zellstoff, der unter Verwendung von herkömmlichen Zellstoff-Prozesslaugen-Proben (von einem kommerziellen, großtechnischen MCC-Aufschluss-Prozess) als Kochlauge hergestellt worden ist. Kurve B wurde für einen Zellstoff aus einem Kochvorgang erhalten, bei dem die Kochlauge die gleiche ist wie die in Kurve A, mit der Ausnahme, dass die Laugenproben vor der Verwendung zum Kochen für eine Stunde bei Überdruck bei ungefähr 190°C erhitzt worden sind. Kurve C betrifft eine Probe, bei deren Kochen synthetische Weißlauge als Kochlauge verwendet wurde, wobei die synthetische Kochlauge im Wesentlichen DOM-frei war (d.h. der DOM-Gehalt war kleiner als 50 g/l). Die Kochvorgänge für die Proben gemäß der Kurven A und B wurden so durchgeführt, dass die Alkali-Bedingungen, die Temperatur (ungefähr 160°C) und die DOM-Profile mit denen des großtechnischen Aufschluss-Prozesses identisch waren, von dem die Laugenproben stammten. Für die Kurve C waren die Alkali- und die Temperatur-Profile identisch mit denen in Kurve A und B, es waren jedoch keine gelösten organischen Materialien anwesend.
2 zeigt deutlich, dass dann, wenn eine Lauge mit geringer DOM-Konzentration während des gesamten Kraftkochens mit den Spänen in Kontakt ist, eine ungefähr 27%-ige Steigerung der Durchreißfestigkeit bei 11 km Reißlänge erhalten wird.
3 zeigt weitere Labor-Messwerte, die nach konventionellen Kraftkoch-Verfahren hergestellte Proben mit solchen vergleicht, die gemäß der Erfindung hergestellt sind. Die Kochproben, die durch die Kurven D bis G dargestellt werden, wurden hergestellt unter Verwendung identischer Alkali- und Temperatur-Profile und unter Verwendung von Holz aus der gleichen Holzlieferung, aber mit variierenden DOM-Konzentrationen im Verlauf des gesamten Kraftkoch-Verfahrens. Die DOM-Konzentration für Kurve D, die eine Standard-MCC^®-Kraftkoch-(bzw. Prozesslaugen-)Konzentration war, war am höchsten und die DOM-Konzenration für Kurve G war die niedrigste (im Wesentlichen DOM-frei). Die DOM-Konzentration für Kurve E lag ungefähr 25% niedriger als die DOM-Konzentration für Kurve D, während die DOM-Konzentration für Kurve F ungefähr 50% unter der DOM-Konzentration für Kurve D lag. Es ist zu sehen, dass die Durchreißfestigkeit umgekehrt proportional mit der Menge an DOM zunimmt, die während des vollständigen Koch-Prozesses anwesend war.
Ein Kochen gemäß der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt deshalb durchgeführt, um eine Erhöhung der Festigkeit des Zellstoffs (beispielsweise der Durchreißfestigkeit bei einer spezifizierten Reißlänge für vollständig raffinierten Zellstoff, beispielsweise 9 oder 11 km) von zumindest etwa 10%, bevorzugt zumindest etwa 15% im Vergleich zu im Übrigen identischen Bedingungen zu erzielen, bei denen die organischen gelösten Materialien ansonsten nicht beeinflusst werden.
Während die Erfindung in Bezug auf 1 primär bezüglich eines kontinuierlichen Kraftkoch-Verfahrens beschrieben worden ist, können die Prinzipien gemäß der Erfindung auch auf ein diskontinuierliches Kraftkoch-Verfahren angewendet werden, was in der Stammanmeldung zu dieser Teilanmeldung beschrieben ist.
Weitere Labortestdaten, die vorteilhafte Ergebnisse zeigen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erziel bar sind, sind in den 4 bis 13 gezeigt. In diesen Labortestdaten wurden Verfahren eingesetzt, die einen kontinuierlichen Kocherbetrieb simulieren, indem sequenziell erhitzte Aufschlusslauge durch einen Behälter zirkuliert wird, der ein stationäres Volumen an Holzschnitzeln enthält. Unterschiedliche Stufen eines kontinuierlichen Kochers wurden durch Variieren der Zeit, der Temperatur und der chemischen Konzentrationen simuliert, die in den Umwälzvorgängen eingesetzt wurden. Die Simulationen fanden unter Verwendung realer Prozesslauge statt, wenn die entsprechende Prozess-Stufe eines kontinuierlichen Kochers im Kocher-Aufbau im Labor erreicht wurde.
Die Wirkung der Minimierung von DOM in Aufschlusslauge unter den erforderlichen Aufschlussbedingungen (das heißt Zeit und Temperatur) ist in 4 gezeigt. 4 vergleicht das Verhältnis zwischen der Kappa-Zahl und dem H-Faktor für Labor-Kochversuche unter Verwendung von Prozess-Schwarzlauge und im Wesentlichen DOM-freier Weißlauge. Das Holz, das für das Kochen der in 4 gezeigten Proben verwendet wurde, war ein typisches Weichholz aus dem Nordwesten der Vereinigten Staaten von Amerika, das aus einem Gemisch von Zeder, Fichte, Kiefer und Tanne besteht. Der H-Faktor ist ein Standardparameter, der die Kochzeit und die Temperatur in Form einer einzigen Variable charakterisiert und ist beispielsweise in Rydholm Pulping Processes, 1965 auf Seite 618 beschrieben.
Eine Gerade 98 in 4 zeigt die Beziehung zwischen der Kappa-Zahl in Abhängigkeit von dem H-Faktor für einen Labor-Kochvorgang unter Verwendung von Prozesslauge (die in einer Papiermühle entnommen und dann in einem diskontinuierlichen Labor-Kocher verwendet wurde). Eine untere Linie 99 bezeichnet die Beziehung der Kappa-Zahl zum H-Faktor für einen La bor-Kochvorgang unter Verwendung von im Wesentlichen DOM-freier Weißlauge, die im Labor hergestellt wurde. Die Linien 98, 99 zeigen, dass bei einer vorgegebenen Kappa-Zahl der H-Faktor deutlich niedriger liegt, wenn der DOM-Gehalt geringer ist, wie in 4 beispielsweise für die Kappa-Zahl 30 gezeigt, wo sich die H-Faktoren um ungefähr 100 Einheiten unterscheiden. Das bedeutet, dass für dieselbe Lieferung mit derselben chemischen Beschickung dann, wenn eine Kochlauge mit weniger DOM verwendet wird, ein weniger intensiver (das heißt ein weniger Zeit andauernder und bei geringerer Temperatur durchgeführter) Kochvorgang notwendig ist, als er für einen herkömmlichen Kraftkoch-Vorgang notwendig wäre. Das ist beispielsweise dadurch möglich, dass Lauge, die einen Gehalt an DOM aufweist, der hoch genug ist, um den H-Faktor negativ zu beeinflussen, entnommen wird, und ein Teil oder die gesamte Menge an Lauge durch Lauge ersetzt wird, die einen deutlich geringeren Gehalt an DOM als die entnommene Lauge aufweist, so dass der H-Faktor signifikant reduziert wird; vorzugsweise werden die Schritte dergestalt durchgeführt, dass der H-Faktor, der notwendig ist, um eine vorgegebene Kappa-Zahl zu erreichen, um mindestens 5% sinkt und die Schritte werden so durchgeführt, dass die effektive DOM-Konzentration bei ungefähr 50 g/l oder darunter während des größten Teils des Kraftkoch-Vorgangs gehalten wird.
Wenn, wie in 5 gezeigt, die DOM-Konzentration gemäß der vorliegenden Erfindung reduziert wird, reduziert sich das tatsächlich verbrauchte Alkali (effective alcali, EA). Bei dem verbrauchten Alkali handelt es sich um eine Bezeichnung der Menge von Kochchemikalien, insbesondere von NaOH und Na₂S, die in einem Kochvorgang verwendet werden. Die in 5 gezeigten erhaltenen Ergebnisse wurden unter Verwendung derselben Charge wie in 4 gewonnen und die beiden Kurvenlinien 100, 101 wurden unter denselben Bedingungen erhal ten. Die Linie 100 bezeichnet die Ergebnisse, die erhalten werden, wenn die Kochlauge konventionelle Prozesslauge ist, wohingegen Linie 101 die Ergebnisse zeigt, wenn die Kochlauge im Wesentlichen DOM-freie Weißlauge war. Bei einer Kappa-Zahl von 30 wurde bei einem DOM-freien Kochvorgang ungefähr 30% weniger Alkali (d.h. 5% weniger verbrauchtes Alkali bezogen auf die Holzmenge) im Vergleich mit einem Kochvorgang verbraucht, bei dem herkömmliche Prozesslauge eingesetzt wird. Durch Entnehmen von Lauge, die einen Gehalt von gelösten organischen Materialien enthält, der hoch genug ist, um die Menge des effektiv verbrauchten Alkali negativ zu beeinflussen, um eine vorgegebene Kappa-Zahl zu erreichen, und durch Ersetzen eines Teils oder der gesamten entnommenen Lauge durch eine Lauge, die einen wesentlich geringeren DOM-Gehalt aufweist, kann die Menge an Alkali, die tatsächlich verbraucht wird, um eine bestimmte Kappa-Zahl zu erreichen, signifikant reduziert werden, beispielsweise kann die Menge an verbrauchtem Alkali um zumindest ungefähr 0,5% bezogen auf die Holzmenge (beispielsweise ungefähr 4% bezogen auf die Holzmenge) reduziert werden, um eine vorgegebene Kappa-Zahl zu erreichen.
Sowohl der günstige H-Faktor, wie auch die Ergebnisse bezüglich des verbrauchten Alkalis, die in den 4 und 5 gezeigt sind, können dadurch erreicht werden, dass Lauge mit einem relativ hohen DOM-Gehalt entnommen wird und durch Wasser, im Wesentlichen DOM-freie Weißlauge, unter Druck wärmebehandelte Schwarzlauge, Filtrat oder Kombinationen daraus ersetzt wird.
6 zeigt eine zusätzliche graphische Darstellung des effektiven Alkaliverbrauchs in Abhängigkeit von dem prozentualen Anteil von Prozesslauge zu im Wesentlichen DOM-freier Weißlauge. Die Kurve 101 zeigt, dass bei der gleichen relati ven Kappa-Zahl die Menge tatsächlich verbrauchten Alkalis mit einer abnehmenden Prozentzahl an Prozesslauge (d.h. einer steigenden Prozentzahl im Wesentlichen DOM-freier Weißlauge) abnimmt. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die tatsächlichen Laborergebnisse, die verwendet wurden, um die Kurve 101 in 6 zu erstellen. Tabelle 1 Effektiver Alkaliverbrauch
Die Verringerung oder Beseitigung von gelösten organischen Materialien in der Aufschlusslauge erleichtert zudem die Durchführung von Verfahren, mit denen der erhaltene Zellstoff gebleicht wird, d.h. dessen Bleichbarkeit.
7 zeigt tatsächliche Labortestergebnisse, die zeigen, wie der Weißegrad eines gebleichten Zellstoffs aus Zeder, Fichte, Kiefer und Tanne mit der Erhöhung der Menge an chemischen Bleichmittel zunimmt. Der auf der X-Achse der Darstellung nach 7 aufgetragene Parameter, der „Vollsequenz-Kappa-Faktor" (full sequence Kappa factor) ist das Verhältnis der äquivalenten Chlormenge zu der gewonnenen Kappa-Zahl des Zellstoffs. Das heißt, es handelt sich um ein bestimmterweise normiertes Verhältnis der Chlormenge zum anfänglichen Lignin-Gehalt von dem Brownstock-Zellstoff. 7 zeigt daher, wie der Weißegrad des Zellstoffs von der Menge der eingesetzten Bleich-Chemikalie abhängt.
Die Kurven 102, 103, 104 und 105 in 7 betreffen entsprechend Proben, die mit im Wesentlichen DOM-freier Weiß lauge hergestellt wurden (102), Proben, die mit konventioneller Prozesslauge hergestellt wurden (103), einen in einer Papiermühle gekochten Zellstoff (kein Zellstoff, der in einem Labor unter Verwendung von Prozesslauge hergestellt wurde) (104) und eine Probe, die hergestellt wurde, wobei die Schwarzlauge wärmebehandelt worden ist (105). Diese graphischen Darstellungen zeigen deutlich, dass die beste Bleichbarkeit erreicht wird, wenn im Wesentlichen DOM-freie Lauge als Kochlauge verwendet wird. Wird daher Lauge entnommen, die einen Gehalt an gelösten organischen Materialien aufweist, der hoch genug ist, um die Bleichbarkeit des Zellstoffs negativ zu beeinflussen, und wird ein Teil oder die gesamte Menge der entnommenen Lauge durch Lauge ersetzt, die einen deutlich geringeren Gehalt an wirksamen gelösten organischen Materialien enthält, kann die Bleichbarkeit des hergestellten Zellstoffs signifikant erhöht werden, beispielsweise bei einem vorgegebenen Vollsequenz-Kappa-Faktor um zumindest eine ISO-Weißegrad-Einheit. Die Daten zeigen, dass es alternativ möglich ist, einen spezifischen ISO-Weißegrad unter Verwendung einer geringeren Menge an chemischem Bleichmittel zu erreichen. Der Graph 105 zeigt jedoch an, dass wärmebehandelte Schwarzlauge zwar die Delignifizierung verbessert (vgl. 2), das Rest-Lignin aber nicht einfach entfernt werden kann. Behandelte Schwarzlauge ist daher möglicherweise bei der Verwendung als Verdünnungslauge nicht wünschenswert, wenn eine verbesserte Bleichbarkeit gewünscht ist, stattdessen wären Wasser, im Wesentlichen DOM-freie Weißlauge und Filtrat (wie auch Kombinationen daraus) besser geeignete Verdünnungslaugen. Die wärmebehandelte Lauge kann jedoch für Zellstoff verwendet werden, der nicht gebleicht werden muss, beispielsweise für ungebleichte Qualitäten.
Wie oben bereits ausgeführt, scheint eine reduzierte DOM-Konzentration in der Aufschlusslauge den deutlichsten Effekt auf die Festigkeit des Zellstoffs zu haben. Das wird durch Daten weiter gestützt, die graphisch in den 8 bis 12B dargestellt sind. Sämtliche dieser Daten betreffen dieselbe Lieferung aus Zeder, Fichte, Kiefer und Tanne, die vorstehend unter Bezug auf die 4 bis 7 erläutert ist, und die Daten zeigen, dass unter denselben Kochbedingungen die Durchreißfestigkeit signifikant zunimmt, wenn die DOM-Menge abnimmt. Beispielsweise zeigt 8, dass die Reißfestigkeit bei 11 km Reißlänge für die Labor-Kochproben, die dort dargestellt sind, zunimmt (vgl. Linie 106), wenn die Menge an Prozesslauge abnimmt (und daher die Menge an im Wesentlichen DOM-freier Weißlauge zunimmt). 9 zeigt dasselbe Grundprinzip durch die Linie 107, die den Prozentsatz an Prozesslauge gegen die Durchreißfestigkeit bei 600 CSF aufträgt.
Die unten stehende Tabelle 2 zeigt die Durchreißfestigkeit bei zwei Reißlängen für Kochproben, die mit verschiedenen Laugen hergestellt worden sind, wobei eine Durchreißfestigkeit eines in einer Papiermühle hergestellten Zellstoffs zum Vergleich mit angegeben ist. Die Daten von den Kochproben 2 und 3 zeigen eine zwanzigprozentige (20%) Zunahme der Durchreißfestigkeit bei 10 km Reißlänge für die Labor-Kochprobe bei Verwendung von im Wesentlichen DOM-freier Weißlauge im Vergleich mit der Labor-Kochprobe, die Prozesslauge verwendet, und eine zwölfprozentige (12%) Steigerung der Durchreißfestigkeit bei einer Reißlänge von 11 km. Die Labor-Kochproben 4, 5 und 6 in Tabelle 2 zeigen das Ergebnis beim Ersetzen von DOM-freier Lauge in ausgewählten Teilen des Kochers durch entsprechende Prozesslauge. So ersetzte beispielsweise bei der Kochprobe 4 die Lauge aus der Zirkulationsleitung am Boden die im Labor hergestellte Lauge in der der Zirkulation am Boden entsprechenden Stufe im Labor-Kochvorgang. Auf gleiche Weise wurde bei der Kochprobe 5 Prozesslauge von der Zirkulation am Boden und Prozesslauge aus einem modifizierten Kochverfahren (modified cook) im Labor-Kochverfahren dann verwendet, wenn sich der Kochvorgang in dem Stadium befindet, der die Verhältnisse bei der Zirkulation am Boden bzw. die bei einem modifizierten Kochvorgang nachstellt, wohingegen im Wesentlichen DOM-freie Lauge während der anderen Stufen verwendet wurde. Die in Tabelle 2 gezeigten Daten zeigen, dass das Minimieren von DOM während des gesamten Kochvorgangs und nicht nur während der späteren Stufen kritisch ist, und unterstützt vollständig die Analyse, die oben im Zusammenhang mit den 2 und 3 abgegeben worden ist.
Die 10A bis 12B zeigen den Einfluss von gelösten organischen Materialien auf die Festigkeit von gebleichtem Zellstoff. 10A zeigt den Durchreißfaktor und die Reißfestigkeit für ungebleichten Zellstoff, eine Linie 108 zeigt das gleiche für Zellstoff, der durch im Wesentlichen DOM-freie Laborlauge hergestellt wurde, eine Linie 109 zeigt das gleiche für den Fall, dass unter Druck wärmebehandelte Schwarzlauge verwendet wird, und eine Linie 110 bezieht sich auf konventionelle Prozesslauge. 10B zeigt die Abhängigkeit des Durchreißfaktors von der Reißlänge, nachdem die Zellstoffe, die in 10A graphisch dargestellt sind, unter Verwendung der Labor-Bleichsequenz gemäß DE0 D(nD) gebleicht worden sind. Eine Linie 111 zeigt den Zellstoff, der mit im Wesentlichen DOM-freier Weißlauge hergestellt und anschließend gebleicht worden ist. Eine Linie 112 zeigt den Zellstoff, der unter Verwendung von unter Druck erhitzter Prozesslauge hergestellt wurde und eine Linie 113 zeigt einen mit herkömmlicher Prozesslauge hergestellten, gebleichten Zellstoff, wohingegen eine Linie 114 zum Vergleich die Festigkeit des mit Prozesslauge hergestellten Zellstoffs zeigt, der dem Decker entnommen und anschließend gebleicht worden ist. 10B zeigt, dass nicht nur der mit im Wesentlichen DOM-freier Lauge gekochte Zellstoff stärker ist als der Zellstoff, der mit Prozesslauge gekocht worden ist, sondern auch, dass die relative Festigkeit auch nach dem Bleichen erhalten bleibt. Der Zellstoff, der unter Verwendung von wärmebehandelter Lauge hergestellt worden ist, hält auch seine höhere Festigkeit nach dem Bleichen im Vergleich zu dem Zellstoff, der unter Verwendung von Prozesslauge gekocht wurde, obwohl der Unterschied nach dem Bleichen minimal ist. Tabelle 2 Effekt gelöster organischer Materialien auf die Durchreißfestigkeit von Zellstoff für ein Hemlock-Ausgangsmaterial
Die 11A und 11B zeigen die Ergebnisse von Untersuchungen der gleichen Koch-/Bleichproben wie 10A und 10B, nur dass der Durchreißfaktor gegen den Mahlgrad gemäß dem kanadischen Standard (Canadian standard freeness, CSF) aufgetragen ist. Eine Linie 115 bezeichnet im Wesentlichen DOM-frei hergestellten Zellstoff, eine Linie 116 bezeichnet Zellstoff, der unter Verwendung von unter Druck wärmebehandelter Prozesslauge hergestellt worden ist, eine Linie 117 bezeichnet Zellstoff, der unter Verwendung von Prozesslauge aus einer Papiermühle hergestellt ist, eine Linie 118 be zeichnet gebleichten, im Wesentlichen DOM-frei hergestellten gebleichten Zellstoff, eine Linie 119 bezeichnet Zellstoff, der unter Verwendung von unter Druck wärmebehandelter Lauge hergestellt und gebleicht worden ist, eine Linie 120 bezeichnet gebleichten, unter Verwendung von Prozesslauge aus einer Papiermühle hergestellten Zellstoff und eine Linie 121 bezeichnet Zellstoff, der mit beim „Mill-Decker" entnommener Lauge hergestellt wurde.
Die 12A und 12B zeigen Graphen der gleichen Koch-/Bleichproben wie die in den 10A und 10B gezeigten, wobei lediglich die Reißlänge gegen den Mahlgrad aufgetragen ist. Eine Linie 122 bezieht sich auf einen Zellstoff, der unter Verwendung von Prozesslauge aus einer Papiermühle hergestellt worden ist, eine Linie 123 bezieht sich auf einen Zellstoff, der unter Verwendung einer Prozesslauge aus einer Papiermühle hergestellt worden ist, die unter Druck wärmebehandelt worden ist, eine Linie 124 bezieht sich auf einen Zellstoff, der unter Verwendung im Wesentlichen DOM-freier Lauge hergestellt worden ist, eine Linie 125 bezieht sich auf einen gebleichten Zellstoff, der unter Verwendung einer Prozesslauge aus einer Papiermühle hergestellt worden ist, eine Linie 126 bezieht sich auf einen Zellstoff, der unter Verwendung von im Wesentlichen DOM-freier Lauge gekocht worden ist, eine Linie 127 bezieht sich auf einen Zellstoff, der unter Verwendung einer Lauge hergestellt wurde, die am Decker entnommen wurde, und eine Linie 128 bezieht sich auf einen gebleichten Zellstoff, der unter Verwendung einer Prozesslauge aus einer Papiermühle hergestellt worden ist, die unter Druck wärmebehandelt worden ist. Die 12A und 12B zeigen, dass die Reißlänge sowohl für Zellstoff, der unter Verwendung von wärmebehandelter Lauge gekocht worden ist, als auch für Zellstoff, der unter Verwendung von im Wesentlichen DOM-freier Lauge hergestellt worden ist, abnimmt, obwohl die 12B zeigt, dass das Bleichen die relative Zugfestigkeit des Zellstoffs, der unter Verwendung der wärmebehandelten Lauge hergestellt worden ist, auf unter den Wert für Zellstoff reduziert, der durch DOM-freie Lauge hergestellt worden ist. Wie oben bereits ausgeführt, kann der Prozess, der wärmebehandelte Lauge einsetzt, für ungebleichte Zellstoffe geeignet sein.
Die im Labor hergestellten Kochproben, die oben diskutiert werden, simulieren alle den Aufschluss-Ablauf eines kontinuierlichen MCC^®-Kochers der Kamyr Inc. Jeder Labor-Kochvorgang weist eine zugehörige Tränkungs-Stufe, eine Koch-Stufe im Gleichstrom, eine MCC^®-Koch-Stufe im Gegenstrom und eine Wasch-Stufe im Gegenstrom auf. Typische DOM-Konzentrationen, die auf tatsächlichen Laugen-Analysen beruhen, sind in 13 für Labor-Kochproben für drei verschiedenen Quellen für die Lauge gezeigt. Die Linie 130 steht für Lauge aus einer Papiermühle, Linie 131 steht für 50% Lauge aus einer Papiermühle und 50% im Wesentlichen DOM-freie Labor-Weißlauge und die mit 132 gekennzeichneten Kreuze stehen für 100 im Wesentlichen DOM-freie Labor-Weißlauge. Es ist anzumerken, dass in 13 zum Zeitpunkt t = 0, dem Beginn der Tränkung, alle Labor-Laugen DOM-frei waren. Dieses Vorgehen wurde gewählt, da kein verlässliches Verfahren existiert, um eine Probe der Lauge in dieser Stufe des Kochvorgangs in der Papiermühle zu ziehen. Die DOM-Konzentrationen der Kochproben mit der Lauge aus einer Papiermühle und der 50/50-Mischung sind daher am Ende der Tränkung niedriger als für diesen Datensatz zu erwarten wäre und eher repräsentative Konzentrationen sind extrapoliert worden und in Klammern in 13 gezeigt. 13 zeigt, wie jede der Konzentrationen einem konsistenten Trend über den Verlauf des Kochvorgangs folgt, wobei die Konzentrationen graduell ansteigen, bis die Extraktions-Stufe erreicht ist, und dann während der Gegen strom-MCC^®- und Wasch-Stufen graduell abnehmen. Selbst bei einer im Wesentlichen DOM-freien Quelle an Lauge wird natürlich DOM in die Lauge abgegeben, wenn der Kochprozess fortschreitet.
14 zeigt ein exemplarisches kontinuierliches Kochersystem 133, das die Techniken der Erfindung verwendet, um Zellstoff mit einer verbesserten Festigkeit herzustellen. Die Ausführungsform nach 14 ist hier für Zwecke des Verweises aufgenommen worden und stellt Hintergrundinformationen für die vorliegende Erfindung zur Verfügung. Das System 133 umfasst einen kontinuierlichen hydraulischen Zwei-Kessel-Kocher der Kamyr Inc. mit MCC^®-Cooking, wobei der Tränkungskessel in 14 nicht gezeigt ist, aber ein kontinuierlicher Kocher 134 dargestellt ist. 14 zeigt einen Umbau des herkömmlichen MCC^®-Kochers 134, um das Verfahren mit dem geringeren DOM-Gehalt gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Der Kocher 134 umfasst einen Einlass 135 an dessen Oberteil und einen Auslass 136 für hergestellten Zellstoff an seinem Boden. Eine Schlämme zerkleinerten Zellulosefasermaterials (Holzschnitzel) wird von dem Tränkungsbehälter durch eine Leitung 137 einem Einlass 135 zugeführt. Eine obere Siebanordnung 138 zieht einen Teil der Lauge von der zugeführten Schlämme aus der Leitung 137 ab, die zurück in die Boden-Zirkulations-Heizer und den Tränkungsbehälter zurückgeführt wird. Unterhalb der oberen Siebanordnung 138 befindet sich eine Extraktionssiebanordnung 140, die eine Leitung 141 umfasst, die sich von dort aus erstreckt und zu einem ersten Entspannungsbehälter 142, typischerweise aber zu einer Reihe von Entspannungsbehältern führt. Unterhalb der Extraktionssiebanordnung 140 befindet sich eine Kochsiebanordnung 143, die zwei Leitungen aufweist, die sich von ihr aus erstrecken, wobei eine Leitung 144 dem Abziehen dient (und mit der Leitung 141 zusammenläuft) und wobei die andere Leitung 145 zu einer Pumpe 145' führt. Ein Ventil 146 kann bei der Verbindungsstelle der beiden Leitungen 144, 145 vorgesehen sein, um die Menge an Lauge zu variieren, die in jede der beiden Leitungen fließt. Die Lauge in der Leitung 145 passiert einen Heizer 147 und gelangt in eine Leitung 148, um in das Innere des Kochers 134 über eine Leitung 151 zurück zu fließen, die sich ungefähr auf der Höhe der Kochsiebanordnung 134 befindet. Eine Abzweigungsleitung 149 kann ebenfalls zurückgeleitete Flüssigkeit in die Leitung 150 ungefähr auf Höhe der Extraktionssiebe 140 einspeisen. Unterhalb der Kochsiebanordnung 134 befindet sich die Waschsiebanordnung 152, wobei eine Abzugsleitung 153 zu einer Pumpe 154 führt und Lauge durch einen Heizer 155 zu einer Leitung 156 leitet, um Lauge von dort aus über die Leitung 157 ungefähr auf Höhe des Siebs 152 in das Innere des Kochers 134 zurück zu führen.
Für das System 133 hat die Mühle zum gegenwärtigen Zeitpunkt die Produktion des Kochers auf eine Rate erhöht, die oberhalb der Produktions-Rate liegt, für die sie ausgelegt worden ist und die Produktion wird zum gegenwärtigen Zeitpunkt durch das Volumen an Lauge begrenzt, die abgezogen werden kann. Diese Begrenzung kann dadurch umgangen werden, indem Techniken gemäß der Erfindung angewendet werden, wie beispielsweise in 14 gezeigt. Da die Entnahmemenge durch Leitung 141 begrenzt ist, wird diese gemäß der Erfindung dadurch gesteigert, dass auch aus der Leitung 144 Lauge entnommen wird. Unter Verwendung der Erfindung kann beispielsweise die Entnahmerate typischerweise ungefähr 2 Tonnen Lauge pro Tonne Zellstoff betragen. Tatsächlich wird eine Tonne Lauge pro Tonne Zellstoff bei der Leitung 144 entnommen und durch Verdünnungslauge (Waschlauge) aus der Quelle 158 ersetzt. Das wird in 14 dadurch erreicht, dass die Waschlauge (beispiels weise Filtrat-Wasser) aus der Quelle 158 durch eine Pumpe 159 und ein Ventil 160 fließt, wobei der überwiegende Anteil der Waschlauge (beispielsweise 1,5 Tonnen Lauge pro Tonne Zellstoff) durch eine Leitung 161 in den Boden des Kochers eingeführt wird, wohingegen der Rest (beispielsweise eine Tonne Lauge pro Tonne Zellstoff) über die Leitung 162 in die Leitung 145 geführt wird, um so die Verdünnungslauge zur Verfügung zu stellen. Die im Wesentlichen DOM-freie Weißlauge aus Quelle 156 wird zudem durch die Leitung 164 der Leitung 145 zugeführt, bevor diese in den Heizer 147 mündet und durch die Leitungen 150 und/oder 151 zu dem Kocher zurückgeführt wird. Natürlich kann auch Weißlauge durch die Leitung 153 in den Wasch-Umlauf gegeben werden (vgl. Leitung 165), um ein MCC^®-Kochen zu bewirken. Die Fluss-Pfeile 166 deuten die Gegenstrom-Zone in dem Kocher 134 an. Aufgrund der Veränderungen, die in 14 dargestellt sind, enthält der Fluss im Gegenstrom in der MCC^®-Kochezone 167 sauberere, DOM-reduzierte Lauge, was zu verbesserten Ergebnissen in der Festigkeit des Zellstoffs führt und in diesem Fall zudem eine Steigerung der Produktionsrate in dem Kocher 134 erlaubt.
Der Effekt der Modifikationen, die die DOM-Konzentration betreffen und die in 14 dargestellt sind, wurde unter Verwendung eines dynamischen Computer-Modells eines kontinuierlichen Kochers der Kamyr Inc. untersucht. Vorläufige Ergebnisse dieser theoretischen Untersuchungen sind schematisch in 15 gezeigt. 15 vergleicht Änderungen in der DOM-Konzentration in einem herkömmlichen MCC^®-Kocher mit dem Kocher, der in 14 gezeigt ist, wobei die Ergebnisse für den konventionellen MCC^®-Kocher durch die Kurve 168 und die Ergebnisse für den Kocher gemäß 14 durch die Kurve 169 dargestellt sind. Wie in 15 zu sehen ist, fällt die DOM-Konzentration an der Siebanordnung 143 aufgrund der Zugabe von DOM-reduzierter Verdünnungslauge dramatisch ab, was zudem die DOM-Konzentration im Rückstrom der Gegenstromzone, der nach oben auf die Extraktionssiebanordnung 140 zufließt, reduziert. Die nach unten fließende, den Gegenstrom bildende Waschlauge enthält zudem weniger DOM, da weniger DOM mit dem Zellstoff mitgeführt wird. Die Graphen 170, 171, die Teile der Kurven 168, 169 sind, zeigen, dass in der Gegenstrom-Kochzone die DOM-Konzentrationen stets in der Richtung des Laugenstroms zunimmt. Das heißt, dass der Gegenstrom Zellstoff aufschließt und lösliches organisches Material ansammelt, während er durch die nach unten strömende Masse an Holzspänen strömt.
Die 14 und 15 zeigen daher den dramatischen Einfluss auf das DOM-Profil in einem kontinuierlichen Kocher, wenn nur ein Mal Lauge entnommen und verdünnt wird, wobei die daraus resultierende DOM-Reduktion einen damit zusammenhängenden dramatischen Effekt auf die resultierende Festigkeit des Zellstoffs haben kann.
16 zeigt eine weitere Variante einer Papiermühle, die Techniken gemäß der Erfindung implementiert. Die Ausführungsform gemäß 16 ist in diese Beschreibung ebenfalls für Zwecke der Bezugnahme aufgenommen und stellt Hintergrundinformationen für die vorliegende Erfindung bereit. Die Ausführungsform zeigt zudem einen Kocher 134, der einen Teil eines hydraulischen Zwei-Kessel-Kochers darstellt. Da etliche der Komponenten, die in den 14 und 18 dargestellt sind, die gleichen sind, sind sie durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Lediglich die Unterschiede der einen Ausführungsform von der anderen werden im Detail beschrieben.
In der Ausführungsform nach 16 tritt eine noch deutlichere DOM-Reduktion ein. In dieser Ausführungsform sind die Siebe 140, 143 im Vergleich zu der in 14 gezeigten Aus führungsform in umgekehrter Reihenfolge angeordnet und es ist zudem eine weitere Siebanordnung 137 zwischen den Siebanordnungen 138, 143 vorgesehen. Die Siebanordnung 173 ist eine Ausgleichssiebanordnung; die Abziehleitung 147, die sich von dort aus erstreckt, stellt eine erfindungsgemäße Möglichkeit zum Abziehen bereit und endet im Entspannungsbehälter 142.
In der Ausführungsform nach 16 werden, als ein spezielles Beispiel für den Betrieb, zwei Tonnen Lauge pro Tonne Zellstoff durch eine Leitung 174 entnommen und vier Tonnen Lauge pro Tonne Zellstoff werden durch die Leitung 141 entnommen. Durch eine Leitung 162 wird Verdünnungslauge und durch eine Leitung 164 wird im Wesentlichen DOM-freie Weißlauge zugeführt. Das führt zu den in 16 gezeigten Strömungen 176, 177, so dass der Kocher 134 auch als Mitstrom-Gegenstrom-Mitstrom-Gegenstrom-Fluss-Kocher bezeichnet werden kann (was auch als kontinuierliches Alternierend-Fluss-Kochen bezeichnet werden kann).
17 zeigt ein erstes Kocher-System 179 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsform nach 17 ist hier eingefügt zum Zwecke der Bezugnahme und um Hintergrundinformationen für die vorliegende Erfindung bereit zu stellen. In diesem Zwei-Kessel-System ist der Tränkungskessel 180 gezeigt, der einen Einlass 181 an dessen Oberteil und einen Auslass 182 an dessen Boden aufweist. Flüssigkeit, die an einer Stelle 183 abgezogen wird, wird zu dem herkömmlichen Hochdruck-Beschicker zurückgeführt, wohingegen Weißlauge an einer Stelle 184 zugeführt wird. Lauge, die an einer Stelle 185 abgezogen wird, kann zu einem Zuführ-Punkt geleitet werden, der sich zwischen dem ersten Entspannungstank 186 und einem zweiten Entspannungstank 187 befindet. Die Schlämme aus der Leitung 182 wird an einer Stelle 188 in das Oberteil des Kochers 189 eingeleitet, das eine „Stilling-well"-Anordnung 190 aufweist, von der Lauge an der Stelle 191 abgezogen wird, die zu dem Boden des Tränkungskessels 180 zurückgeleitet wird. Die Lauge wird in einem Heizer 192 beim Zurückleiten erhitzt.
Der Kocher 189 weist zudem eine Ausgleichsumlaufsiebanordnung 194 auf, wobei von dort entnommene Flüssigkeit 195 mit der zurückgeleiteten Flüssigkeit in der Leitung 191 zusammengeführt wird. Eine Kochsiebanordnung 196 ist unterhalb der Ausgleichsumlaufsiebanordnung 184 vorgesehen, wobei abgezogene Flüssigkeit in eine Leitung 197 durch ein Ventil 198 in eine Leitung 199 geleitet wird, wobei optional ein Teil der Flüssigkeit, die das Ventil 198 passiert hat, in eine Leitung 200 und zu dem Entspannungsbehälter 186 geleitet wird. Die Flüssigkeit in der Leitung 199 wird mit Flüssigkeit, die einen geringeren DOM-Gehalt aufweist, wie beispielsweise die im Wesentlichen DOM-freie Weißlauge 201 oder das Filtrat 202, verdünnt, bevor sie durch einen Heizer 203 fließt und durch eine Leitung 204, die sich ungefähr auf Höhe der Siebanordnung 196 befindet, in den Kocher 189 zurückgeführt wird. Die Extraktionssiebanordnung 20b weist eine Abzugs-Leitung 207 auf, die von dort aus zum Entspannungsbehälter 186 führt. Die Waschsiebanordnung 208 umfasst eine Rückleitung 209, in die Weißlauge an einer Stelle 210 zugefügt werden kann, bevor die Lauge durch einen Heizer 211 fließt, um danach durch eine Leitung 212 zurückgeführt zu werden, die sich ungefähr auf Höhe der Waschsiebanordnung 203 befindet. Filtrat, das eine Waschlauge zur Verfügung stellt, wird an einer Stelle 213 zugefügt, wohingegen der hergestellte Zellstoff durch die Leitung 193 abgezogen wird.
Es ist anzumerken, dass das System 179 in der Lage ist, Material durch die Leitung 197 und durch das Ventil 198 in die Leitung 210 abzuziehen. Die Verdünnungsflüssigkeit in Form von Filtrat wird vorzugsweise an der Stelle 214 in die Leitung 182 abgegeben, wohingegen im Wesentlichen DOM-freie Weißlauge an der Stelle 214' hinzugefügt wird.
18 zeigt einen hydraulischen Ein-Kessel-Kocher, der gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung verändert worden ist, wobei diese Veränderung zudem zwei Sätze an Kochsieben umfasst, wie sie auch konventionell vorgesehen sind. Das steigert die Möglichkeiten, an zwei zusätzlichen Orten entnommene und verdünnte Lauge zuzufügen.
Die hydraulische Ein-Kessel-Kocheranordnung 215 umfasst die konventionellen Komponenten eines Schnitzel-Behälters 216, eines Dampfkessels 217, einer Hochdruck-Übertragungsvorrichtung (Beschicker) 218, einer Leitung 219 zum Zuführen einer Schlämme aus Zellulosefasermaterial in das Oberteil 220 des kontinuierlichen Kochers 221 und eine Abzug-Leitung 222 für hergestellten Zellstoff am Boden des Kochers 221. Ein Teil der Flüssigkeit ist durch eine Leitung 223 abgezogen und zu dem Hochdruck-Beschicker 218 zurückgeführt worden. Die Kochsiebe befinden sich unterhalb der Leitung 223, zum Beispiel unterhalb der ersten Kochsiebanordnung 224 und der zweiten Kochsiebanordnung 225.
Der ersten Kochsiebanordnung 224 ist ein erstes Mittel zum Zurückleiten des ersten Teils von Flüssigkeit zugeordnet, die aus der Kochsiebanordnung 224 im Inneren des Kochers 221 abgezogen ist, das eine Leitung 226, eine Pumpe 227, einen Heizer 228 und eine Rückführleitung 229 umfasst, die ungefähr auf Höhe der Siebanordnung 224 verläuft. Ein Ventil 230 kann vorgesehen sein, um Material vor dem Heizer 228 zu entnehmen und einer Leitung 231 zuzuführen, während Verdünnungsflüssigkeit, wie beispielsweise Weißlauge (beispielsweise 10% der gesamten verwendeten Weißlauge) durch eine Leitung 232 unmittelbar vor dem Heizer 228 zugefügt wird.
Ein zweites Mittel zum Zurückleiten eines Teils von abgezogener Lauge und zum Entnehmen von anderer, abgezogener Lauge ist für die zweite Kochsiebanordnung 225 vorgesehen. Das zweite System umfasst die Leitung 235, eine Pumpe 236, einen Heizer 237, ein Ventil 238 und eine Rückführleitung 239. Ein Teil der Flüssigkeit wird mit Verdünnungsflüssigkeit aus der Leitung 242 angereichert, während Verdünnungsflüssigkeit in der Form von Weißlauge der Leitung 241 zugegeben wird und wobei ein Teil der Lauge durch die Leitung 240 entnommen wird. Auf diese Weise wird die DOM-Konzentration in der Kochzone, die sich benachbart zu den Siebanordnungen 224, 225 befindet, deutlich reduziert.
Unterhalb der zweiten Kochsiebanordnung 235 ist eine Extraktionssiebanordnung 245 angeordnet, die eine Leitung 246 aufweist, die sich von dieser ausgehend auf ein Ventil 247 zu erstreckt. Von dem Ventil 247 verläuft ein Abzweig 248 zu einem Entspannungsbehälter 249 eines Wiedergewinnungs-Systems, das typischerweise einen zweiten Entspannungsbehälter 250 umfasst. Ein Teil der Lauge in der Leitung 246 kann durch das Wegeventil 247 in die Leitung 241 zurückgeleitet werden.
Der Kocher 221 umfasst des Weiteren eine dritte Siebanordnung 253, die unterhalb der Extraktionssiebanordnung 245 angeordnet ist, und die ein Ventil 254 umfasst, das einen Abzweig in eine Abzieh-Leitung 255 und in eine Entnahme-Leitung 256 bildet. Das heißt, dass in Abhängigkeit von den Stellungen der Ventile 247, 254 Flüssigkeit aus der Leitung 246 in die Leitung 255 oder aus der Leitung 256 in die Leitung 248 fließen kann.
Die Leitung 255 ist durch eine Pumpe 257 mit einem Heizer 260 und einer Rückleitung 261 verbunden, die ungefähr auf Höhe der dritten Siebanordnung 253 verläuft. Verdünnungslauge wird vor dem Heizer 260 der Leitung 255 zugeführt, wobei Lauge (beispielsweise ungefähr 15% der Weißlauge, die für den Koch-Prozess verwendet wird) über eine Leitung 258 zugeführt wird und wobei Verdünnungsflüssigkeit, wie beispielsweise Waschfiltrat aus einer Quelle 243 über die Leitung 259 zugeführt wird.
Der Kocher 221 kann zudem eine Waschsiebanordnung 263 umfassen, die eine Abziehleitung 264 umfasst, der Weißlauge aus einer Quelle 233 über eine Leitung 265 (beispielsweise in einem Umfang von 15% der Gesamt-Weißlauge für den Prozess) zugeführt werden. Eine Pumpe 266, ein Heizer 267 und eine Rückleitung 268 zum erneuten Zuführen abgezogener Flüssigkeit ungefähr auf Höhe der Siebanordnung 263 sind zudem vorgesehen. Unterhalb der Siebanordnung 263 wird zusätzlich durch eine Leitung 269, die mit einer Waschfiltrat-Quelle 243 verbunden ist, Waschfiltrat zugegeben.
In einem beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahren werden 55% der Weißlauge, die für die Behandlung des Zellstoffs verwendet wird, durch eine Leitung 271 zugeführt, um die Schnitzel zu tränken, während sie von der Hochdruck-Transfervorrichtung 218 transportiert und in die Leitung 219 eingeschleust werden, wobei 5% dem Hochdruck-Beschicker 218 über eine Leitung 272 zugefügt werden, kollektiv 10% den Leitungen 232, 241 zugeführt werden (beispielsweise jeder 5%) und wobei 15% in jede der Leitungen 258, 265 zugeführt werden.
Beim Betrieb der hydraulischen kontinuierlichen Ein-Kessel-Kocheranordnung 215 gemäß 18 wird ein niedriger Gehalt an gelösten organischen Materialien gehalten und es ist mög lich, diese auf eine Vielzahl von Weisen zu betreiben. Beispielsweise ist zumindest eine der folgenden Betriebsweisen möglich:

(A) Erweitertes modifiziertes kontinuierliches Kochen (extended modified continuous cooking) mit Entnahme an den unteren Kochsieben und Verdünnung: in diesem Betriebsmodus arbeitet der Kocher 221 mit einer herkömmlichen Entnahme durch die Leitung 246 und unter erweitertem modifiziertem kontinuierlichen Kochen, wobei Weißlauge an Punkten 232, 258 und 265 zugeführt wird. Entnahme findet zudem durch die Leitung 240 statt, wobei entsprechende Verdünnungslauge am Punkt 242 aus dem Waschfiltrat 243 hinzugefügt wird, was zu einem Fluss an DOM-reduzierter Lauge führt, der entweder im Gegenstrom oder im Mitstrom zwischen der Extraktionssiebanordnung 245 und der unteren Kochsiebanordnung 225 stattfindet. Ob der Fluss als Gegenstrom oder als Mitstrom ausgebildet ist, hängt von den Werten der Entnahme an den Punkten 240, 246 ab.
(B) Erweitertes modifiziertes kontinuierliches Kochen (extended modified continuous cooking) mit Entnahme aus der modifizierten kontinuierlichen Koch-Zirkulation (modified continuous cooking circulation): in diesem Modus werden alle Ströme, die soeben mit Bezug auf (A) beschrieben worden sind, verwendet, und zusätzlich wird eine Entnahme durch die Leitung 256 durchgeführt, wobei die Ventile 247, 254 so geregelt bzw. gesteuert werden, dass sie es einem Teil der Flüssigkeit aus der dritten Siebanordnung 253 (der modifizierten Siebanordnung für kontinuierliches Kochen) in die Leitung 248 zu fließen. Durch die Leitung 259 wird Verdünnungsflüssigkeit hinzugefügt, um diese Entnahme auszugleichen, was gleichzeitig zu einem Gegenstrom an Flüssigkeit zwischen den Siebanordnungen 245, 253 führt, der einen reduzierten DOM-Gehalt aufweist.
(C) Verdrängungs-Tränkung und Entnahme-Verdünnung in den oberen Kochsieben: diese Betriebsweise kann alleine oder zusammen mit einem konventionellen erweiterten modifizierten kontinuierlichen Kochprozess oder zusätzlich zu den Betriebsweisen (A) und (B), die oben beschrieben sind, verwendet werden. Diese Betriebsweise umfasst die Entnahme unter der Kontrolle von Ventil 230 an der oberen Siebanordnung 224, wie durch eine Linie 231 angedeutet ist und ein Verdünnen mit Weißlauge in der Leitung 232. Mittels der Leitung 259 (in 18 nicht gezeigt) kann eine zusätzliche Verdünnung bereitgestellt werden. Das führt zu einer Verdrängungs-Tränkung, die dann eintritt, wenn ein Gegenstrom-Fluss am Einlass des Kochers nicht durch eine Entnahme, sondern durch den Lauge-Gehalt der eintretenden Schnitzel verursacht wird. Ein niedriger Gehalt an Lauge in den Schnitzeln führt dazu, dass der hydraulisch gefüllte Kocher 221 gezwungen ist, den Fluss der Verdünnungslauge zurück in den Einlass 220 zu drücken, was dazu führt, dass ein Gegenstrom aus Lauge entsteht, die einen geringen Gehalt an gelösten organischen Materialien aufweist.

Das System 215, das in 18 gezeigt ist, ist nicht auf die Betriebsweisen A bis C, wie sie oben beschrieben sind, beschränkt, aber diese Betriebsweisen stehen exemplarisch für die vielen modifizierten Formen, die der Fluss annehmen kann, um das Prinzip der geringen Konzentration an gelösten organischen Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung umzuset zen, um Zellstoff mit einer verbesserten Festigkeit herzustellen.
Es ist anzumerken, dass alle Ausführungsformen der 14 und 16 bis 18 bei bestehenden Papiermühlen nachgerüstet werden können und dass die genauen Details darüber, wie die verschiedenen Anlagen verwendet werden, von der jeweiligen Papiermühle abhängen, in die die Technologie implementiert werden soll. Alle Nachrüstungen werden jedoch zu den Vorteilen eines reduzierten Gehalts an gelösten organischen Materialien führen, die oben beschrieben sind, beispielsweise eine verbesserte Festigkeit, eine verbesserte Bleichbarkeit und ein geringerer Verbrauch an Alkali und/oder einem geringeren H-Faktor. Das kann mit Bezug auf die 19 bis 23 am besten für die Konfiguration nach 17 gezeigt werden.
In 17 wird die an der Stelle 185 stattfindende Entnahme als die erste Entnahme aufgefasst, die an der Stelle 200 stattfindende Entnahme wird als die zweite Entnahme aufgefasst, die an der Stelle 207 stattfindende Entnahme wird als die dritte Entnahme aufgefasst, die an der Stelle 214 stattfindende Verdünnung wird als die erste Verdünnung betrachtet, die an der Stelle 202 stattfindende Verdünnung wird als die zweite Verdünnung betrachtet und die an der Stelle 213 stattfindende Verdünnung wird als dritte Verdünnung betrachtet.
In 19 wird ein aufgrund einer Computer-Simulation erhaltener Vergleich der DOM-Profile für einen Standard-EMCC^®-Kochprozess gemäß der Erfindung gezeigt, die unter Verwendung der Vorrichtung gemäß 17 unter Verwendung eines erweiterten Mitstrom-Kochprozesses erhalten worden sind. In einem Standard-EMCC^®-Kochprozess findet die Entnahme an den herkömmlichen Extraktionssieben statt und Weißlauge wird der herkömmlichen Koch-Zirkulation und Wasch-Zirkulation hinzu gefügt, wobei der Laugen-Strom vom Oberteil des Kochers zu den herkömmlichen Extraktionssieben ein Mitstrom ist, wohingegen der Fluss im Rest des Kochers ein Gegenstrom ist. Gemäß der erweiterten Gegenstrom-Betriebsweise gemäß 19 ist die dritte Entnahme 207 die primäre Entnahme, so dass Mitstrom-Kochen über den gesamten Weg zur Siebanordnung 206 stattfindet. 19 zeigt das herkömmliche EMCC^®-Kochen durch den Graphen 275 und das Kochen gemäß der erweiterten Mitstrom-Koch-Betriebsweise durch den Graphen 276. In dem Computermodell, das zur Herstellung des Graphen in 19 verwendet worden ist, wurde die Tonnagen-Rate zu 1200 ADMT/d (air dry metric tonnage, Masse des luftgetrockneten Ausgangsmaterial in Tonnen pro Tag) gewählt, die Verteilung von Weißlauge betrug 60% während der Tränkung 184, 5% in der Zirkulationsleitung am Boden 214', 15% in der MCC^®-Zirkulationsleitung 210 und 20% in der Wasch-Zirkulationsleitung 210. An der Stelle 213 wurden 1,5 Tonnen an Lauge pro Tonne Zellstoff-Wäscher-Filtrat als Gegenstrom-Flüssigkeit zugesetzt.
Wie aus 19 ersichtlich, ist die DOM-Konzentration, obwohl die DOM-Konzentration in der Koch-Zone zunächst reduziert ist, größer als in der Gegenstrom-Stufe. Aus diesem Grund führt diese Form des erweiterten Mitstrom-Kochers (276) nur zu geringen Verbesserungen. Obwohl das Computer-Modell seine Grenzen hat, zeigt 19 dennoch, dass die DOM-Konzentration während des gesamten Koch-Vorgangs variiert werden kann.
20 zeigt den theoretischen Effekt einer Zugabe von Weißlauge an der Stelle 201 und von Verdünnungslauge, die einen geringen DOM-Gehalt aufweist, an der in 17 mit 202 bezeichneten Stelle. In 20 werden an der Stelle 202 1,0 Tonnen an Lauge pro Tonne Zellstoff-Wäscher-Filtrat zusammen mit 0,6 Tonnen pro Tonne Zellstoff-Wäscher-Filtrat an Weiß lauge hinzugefügt. Ein entsprechender Laugen-Fluss von 1,6 t/tp wird an der Stelle 200 entnommen. Wie aus einem Vergleich der Graphen 277 und 276 in 19 zu entnehmen ist, fällt die resultierende DOM-Konzentration zwischen den Sieben 196, 206 dramatisch ab.
21 zeigt den Effekt eines Variierens der Verteilung von Wäscher-Filtrat zur Verdünnung an den Stellen 202 und 203.
In diesem Fall verteilt sich eine Gesamtmenge an Wäscher-Filtrat von 1,5 + 1,0 = 2,5 t/tp (ton of pulp wacher filtrate) auf die Stellen 213 und 202. Ein Graph 278 zeigt eine Simulation für eine Verteilung von einem Drittel der Verdünnungslauge, die an der Stelle 202 zugefügt wird. Bei Graph 279 wird die Hälfte an Verdünnungslauge am Punkt 202 zugefügt und beim Graphen 280 werden zwei Drittel der Verdünnungslauge am Punkt 202 zugefügt (der Rest wird jeweils an der Stelle 213 zugefügt). Es ist daher klar, dass die DOM-Profile mit dem variierenden Fluss an Verdünnungslauge signifikant variieren und dass die DOM-Konzentration in der Koch-Zone am stärksten sinkt, je mehr Verdünnungslauge in die Koch-Zone zugefügt wird (obwohl dadurch die Wasch-Zone vergrößert wird).
22 zeigt den theoretischen Effekt eines Variierens der Entnahme an der Stelle 200. Ein Graph 281 berechnet die DOM-Profile voraus, wenn die Entnahme an der Stelle 200 1,35 t/tp (ton of pulp wacher filtrate) beträgt, eine Kurve 282 betrifft eine Entnahme an der Stelle 200 mit 1,85 t/tp und eine Kurve 283 betrifft eine Entnahme an der Stelle 200 mit 2,6 t/tp. In jedem Fall wird eine Gesamtmenge von 2,5 t/tp an Verdünnungslauge gleichmäßig zwischen die Stellen 202 und 203 verteilt und zusätzliche 0,6 t/tp an Weißlauge werden an der Stelle 201 hinzugefügt. 22 zeigt deutlich, dass die theoretische DOM-Konzentration in der Koch-Zone abnimmt, wenn die Entnahme an der Stelle 200 zunimmt, und in der Gegenstrom-Zone im Wesentlichen unverändert bleibt. Diese Entnahme kann daher variiert werden, um den Druckabfall am Extraktionssieb anzupassen, ohne das DOM-Profil zu sehr zu beeinflussen.
23 zeigt den Effekt einer Entnahme an der Stelle 185 (an der Oberseite des Tränkungskessels 180), um eine Tränkungs-Zone zu schaffen, in der ein Gegenstrom herrscht, während ein erweitertes Kochen im Gegenstrom mit Verdünnung durchgeführt wird. In diesem Fall sind die als Referenz hinzugezogenen Daten für Tränkungsbehälter für Mit-Strom-Betrieb identisch mit denen, die in 20 gezeigt sind. Der Entnahme-Strom 135 beträgt 1,1 t/tp, wobei die entnommene Lauge nicht durch Wäscher-Filtrat, sondern durch Weißlauge ersetzt wird, die an der Stelle 184 zugefügt wird. Bei den vorherigen Modellen in den 19 bis 22 wurden 60% der zugefügten Weißlauge an der Stelle 184 zugefügt und 5% an der Stelle 214'; in 23 ist dies umgekehrt, hier werden 5% an der Stelle 184 hinzugefügt und 60% an der Stelle 214'. Ein Graph 284 zeigt die Ergebnisse für einen Mitstrom im Tränkungsbehälter, wohingegen ein Graph 285 das Ergebnis für einen Gegenstrom (60% Weißlauge an der Stelle 214') zeigt. Das zeigt daher, dass die theoretische DOM-Konzentration sowohl in dem Behälter 180, als auch in der Koch-Zone abnimmt, und dass die DOM-Konzentrationen in der Gegenstrom-Koch-Zone vergleichbar sind. Die niedrigeren DOM-Konzentrationen werden daher ermöglicht durch die Entnahme aus dem Behälter 180 und zusätzlich durch die Entnahme und das Verdünnen in dem Kocher 189.
Es ist daher ersichtlich, dass gemäß der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt worden sind, die die Festigkeit von Kraftzellstoff dadurch verbes sern, das gelöste organische Materialien während eines Kraftkoch-Vorgangs entfernt, minimiert (beispielsweise durch Verdünnen) oder passiviert werden, und/oder die andere Zellstoffoder Prozess-Parameter verbessern.

Claims

Hydraulisches Einkesselkochersystem (215) zum Kochen von Zellulosefasermaterial, wobei das System (215) Folgendes umfasst: einen im Wesentlichen senkrechten Behälter (221), der ein Oberteil (220) und einen Boden (222) aufweist, wobei eine Schlämme aus zerkleinertem zellulosehaltigem Material, das gekocht werden soll, angrenzend an das Oberteil (220) eingeleitet werden kann und Zellstoff angrenzend an den Boden (222) entnommen werden kann; einen Bereich des kontinuierlichen Kochens, der auf einer ersten Höhe des Kochers (221) angeordnet ist und eine erste Kochsiebanordnung (224) und eine zweite Kochsiebanordnung (225) zum Entfernen von Kochflüssigkeit aus dem Kochbereich aufweist; eine erste Kochumwälzschleife (226, 227, 228, 229), die mit der ersten Siebanordnung (224) in Zusammenhang steht, zum Umwälzen der entfernten Kochflüssigkeit in das Innere des Kochers (221) nahe der Umgebung der ersten Siebanordnung (224), und eine zweite Kochumwälzschleife (235, 236, 237, 238, 239), die mit der zweiten Siebanordnung (225) in Zusammenhang steht, zum Umwälzen der entfernten Kochflüssigkeit in das Innere des Kochers (221) nahe der Umgebung der zweiten Siebanordnung (225); und eine Extraktionssiebanordnung (245) mit einer Extraktionsleitung (246), die sich auf einer zweiten senkrechten Höhe in dem Behälter (221) befindet, unter der ersten Höhe, wobei die Extraktionsleitung (246) zur Wiedergewinnung führt, eine dritte Siebanordnung (253), die sich unter der Extraktionssiebanordnung (245) befindet, ferner umfassend eine Leitung (232) zum Hinzugeben der Verdünnungsflüssigkeit (233) zur ersten Kochumwälzschleife, wobei die Verdünnungsflüssigkeit (233) eine geringere Konzentration gelöster organischer Substanzen aufweist als die Lauge, die in der ersten Kochumwälzschleife (226, 227, 228, 229) entfernt wurde, und zwei Leitungen (241, 242) zum Hinzugeben von Verdünnungsflüssigkeit in Form von Weißlauge beziehungsweise Waschfiltrat zur zweiten Kochumwälzschleife (235, 236, 237, 238, 239), wobei die Verdünnungsflüssigkeiten einen geringeren Gehalt an gelösten organischen Substanzen aufweisen als die Lauge, die in der zweiten Kochumwälzschleife (235, 236, 237, 238, 239) umläuft, um die Konzentration gelöster organischer Substanzen im Kochbereich angrenzend an die Siebanordnungen (224; 225) zu verringern und dadurch die Festigkeit des so hergestellten Zellstoffs zu erhöhen, wobei die zweite Umwälzschleife (235, 236, 237, 238, 239) eine Extraktionsleitung (240) aufweist, die damit verbunden ist.
Kochersystem (215) nach Anspruch 1, das ferner eine Extraktionsleitung (231) umfasst, die mit der ersten Kochumwälzschleife (226, 227, 228, 229) verbunden ist.
Kochersystem (215) nach Anspruch 1 oder 2, das ferner ein Ventil (254) umfasst, das mit der dritten Siebanordnung (253) in Zusammenhang steht, um die Flüssigkeit, die daraus abgezogen wird, zu einer dritten Umwälzschleife (255, 257, 260, 261) oder einer Extraktionsleitung (256) zu leiten.
Kochersystem (215) nach Anspruch 3, das ferner eine Waschsiebanordnung (263) umfasst, die sich zwischen der dritten Siebanordnung (253) und dem Boden (222) des Kochers befindet, und eine Waschsiebumwälzschleife (264, 266, 267, 268), durch die Lauge abgezogen und etwa auf Höhe der Siebanordnung (263) wieder in den Kocher eingeleitet werden kann, und eine Zuleitung (265) für Weißlauge, durch die die Weißlauge (233) der Lauge zugeführt werden kann, die durch die Waschumwälzschleife (264, 266, 267, 268) fließt.
Verfahren zum Verdrängungsimprägnieren und Extraktionsverdünnen in den oberen Kochsieben eines Kochers, wie er in Anspruch 2 oder Anspruch 3 und 4 offenbart ist, wenn von Anspruch 2 abhängig, wobei das Verfahren das Entfernen von Kochflüssigkeit aus der ersten Kochsiebanordnung (224) durch die erste Kochumwälzschleife umfasst, das Abziehen eines Teils der entfernten Lauge (231) aus der ersten Kochumwälzschleife und das Hinzugeben der Weißlauge (232) zu dieser entfernten Lauge und das wieder in den Kreislauf Zurückführen des Stroms der verbundenen Laugen in das Innere des Kochers nahe der ersten Kochsiebanordnung und das Hinzufügen der Weißlauge, die eine geringere Konzentration gelöster organischer Substanzen aufweist als die entfernte Lauge, zu dem Strom vor dessen Zurückführung in den Kocher.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner das Hinzugeben von Waschfiltratlauge zur ersten Kochumwälzschleife umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, das das Hinzugeben von Schnitzeln am Oberteil des Kochers mit einem Laugengehalt umfasst, der ausreicht, das am Oberteil des Kochers ein Gegenstrom von Lauge mit geringerem Gehalt an gelösten organischen Substanzen entsteht.