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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Halbzellstoff aus verholzten
Pflanzenfasern Es ist bekannt, mit relativ hohen Ausbeuten Halbzellstoffe aus verholzten
Pflanzenfasern zu erzeugen, aus denen sich Papiere von wesentlich höherer Festigkeit
herstellen lassen als aus lediglich durch rein mechanische E6nwirkung, wie Schleifen
oder Quetschen, gewonnenen Papierhalbstoffen.
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Es ist weiter bekannt, hierbei in alkalischen und neutralen Lösungen
zu kochen, weil saure Aufschlußverfahren sich als, weniger geeignet erwiesen haben.
Sowohl wegen der Abwasserverunreinigung als auch aus wirtschaftlichen Erwägungen
ist die Anwendung konzentrierter Laugen und entsprechender Chemikalienmengen in
der Praxis nicht möglich, wenn nicht eine Ablaugenregeneration zu Hilfe genommen
wird, wie es i@n Natron- oder Sulfatzellstoffabriken mit erheblichem Aufwand an
Kapital und Betriebskosten üblich ist.
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Demgegenüber hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, mit einer relativ
einfachere Einrichtung und' einfacher Verfahrensweise, die keine teure chemische
Überwachung bedingt, Halbzellstoffe in Anschlußbetrieben, und zwar sowohl der Verbraucher
wie auch der Rohmaterialerzeuger, herzustellen für Packpapier, Karton und Pappe
in Qualitäten, die wesentlich über den rein mechanisch erzeugten Papierhalbstoffen
liegen.
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Es ist ferner das Ziel der Erfindung, eine Verfahrensweise und Eknrichtung
zu benutzen, die sowohl
Einjahrespflänzen, wie Stroh u. ä., wie
auch bisher für die Papiererzeugung nicht verwendete Abfällholzsorten, z. B. Schälspäne
von Papierholz oder Masten, Säumlinge der Sägewerke, sogenanntes Sauerkraut aus
der Holzschleiferei u. ä., und vor allem auch Holz von Buchen und anderen Harthölzern,
die bisher weder über Hblzschliff noch über Zellstoff gut brauchbare Papierhalbstoffe
ergaben, zu Papierhalbstoffen von guten Festigkeitseigenschaften vor allem für die
Herstellung von Wellpappkartoni, Packpapier und Pappe zu verarbeiten.
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Halbzellstoffe sind kein scharf abgegrenzter Begriff. In der einschlägigen
Fachliteratur wird zum Teil schon von Halbzellstoff bei Fasern gesprochen, die lediglich
durch ganz kurze Erwärmung beim Zerfaserungsvorgang ,gewonnen werden, während man
andererseits bei Braunschliff, der durch lange Dämpfung; wenn auch ohne Chemikalien,
einen regelrechten Aufschiuß erfahren hat, noch von mechanisch gewonnenem Stoff
spricht. Tatsächlich tritt ja selbst beim Auffasern von Holz in Gegenwart von Wasser,
abgesehen von der Hydratisierung und Quellung, auch schon ein Herauslösen gewisser
Holzanteile ein, die dann mit dem Wasser der Masse entzogen -werden. Bei gesteigerten
Temperaturen können so nur durch 'Wasser i5°/a und mehr aus der verholzten Fasermasse
herausgelöst werden. Nach der Zellstoffseite sind heute Halbzellstoffe in der Praxis
dadurch abgegrenzt, daß man den durch eine volle Zellstoffkochung seiner Kittsubstanz
Lignin entblößten Holzkörper durch geringe mechanische Einwirkung, z. B. mit Separatoren,
leicht zerfasern kann, während bei Hlalbzellstoffen der Holzkörper noch erhalten
ist und energische Arfaserungsarbeit durch mechanische Aufschlußverfahren, wie Schleifen
usw., verlangt.
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EIS ist bekannt, daß man den Aufwand an Zerfaserungsarbeit
beträchtlich herabsetzen kann, wenn man diese unter höheren Temperaturen und dem-'entsprechenden
Dampfdrücken bis zu etwa 8 atü durchführt, wobei gegebenenfalls auch eine Kochung
bzw. Dämpfung vorher durchgeführt werden kann.. So erzeugte Stoffe zeigen aber nur
scheinbar das Bild Halbzellstoff bzw. unverletzte Fasern und sind in ihrem Verhalten
bei .der weiteren papiertechnischen Bearbeitung eher als Holzfaserstoff wie als
Hälbzellstoff charakterisiert. Dementsprechend ergeben sie geringere Festigkeiten
unter sonst gleichen Verhältnissen als die Hälbzellstoffe, deren Ef-zeugung -Gegenstand
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
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Bessere Ergebnisse werden schon in dieser Beziehung durch das vor
allem in den Vereinigten Staaten entwickelte chemische Schleifen erzielt. E's hat
jedoch nur da einen Sinn bzw. ist nur da möglich, wo man von Faserholz, also Rundholz
mit den für Papierholz üblichen Zopfstärken ausgehen kann. Die chemische Vorbehandlung
dieser relativ großen Holzstücke erfordert dementsprechend lange Reaktionszeiten,
solange man, mit den für Halbzellstoffe wirtschaftlich möglichen Chemikalienmengen
und Konzentrationen arbeitet und nicht mit wesentlich größeren. Außerdem sind natürlich
zwangsläufig ' die erforderlichen Einrichtungen allein für Holz bzw. Rundholzfaserholzgeeignet
und nicht wie die erfindungsgemäße Einrichtung auch für Späne, Hackschnitzel und
Häcksel von verholzten Pflanzenfaserstoffen aller Art.
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Aus dem Obengesagten wird schon deutlich, daß Halbzellstoffe auch
in .der Stoff-Feinheit, @d: h. dem als Mahlgrad: nach Schopper-'Riegler gekennzeichneten
Entwässerungsgrad, der eine Funktion der spezifischen Faseroberfläche ist, zwischen
Zellstoff und Holzschliff liegen. Im Gegensatz zu voll gekochten Zellstoffen; ist
also ihre Erzeugung und ihre Weiterverarbeitung nicht ein rein chemisches, sondern
gleichzeitig ein mechanisches bzw. physikalisches Problem der Papiertechnik.
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Es wurde gefunden, daß weder der Grad der chemischen Aufschließung
noch die Art der Zerfaserung allein die guten Eigenschaften eines Hälbzellstoffes,
in papiertechnischer Hinsicht begründen, vor allem in bezug auf die Festigkeit der
erzeugten Pappen und Papiere. Es wurde zweiter gefunden, daß je nach Rohstoff und
Aufschlußgrad sowie gewünschtem Ergebnis die mechanischen bzw. physikalischen Zerfaserungsrnethoden
in bestimmter Weise variiert werden müssen, um entweder bestimmte Festigkeiten bei
höchster Ausbeute oder bei bestimmter Ausbeute die höchsten Festigkeiten zu erzielen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren geht darauf aus, in erster Linie in
Anschlußbetrieben von beschränkter Kapazität Pappen- und Packpapiererzeuger auf
eine eigene Rohstoffbasis zu stellen und diesen Werken, die in der Hauptsache Altpapierverarbeiter
sind, durch anpassungsfähige Häl:bzellstoffqualitäten den Wettbewerb ihrer Stoffe
mit den immer schlechter werdenden Altpapierqualitäten zu ermöglichen, ohne auf
teuere Zellstoffe zurückgreifen zu müssen, was in vielen Fällen aus wirtschaftlichen
Gründen schwer möglich ist.
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Die angestrebten großen Variationsmöglichkeiten bei Verwertung verschiedener
Rohstoffe und insbesondere der Einsatz von wohlfeilenAbfallprodukten, wie Schälspänen
u. ä., die mit Rinde und Bast verunreinigt sind, können nur durch den Einsatz von
alkalischen und neutralen Stoffen erreicht werden. Saure Aufschlußmethoden sind
nicht geeignet, die Rinden-, Bast- und Ästeteile in wünschenswerter Weise zu entfernen.
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Der chemische Aufschluß ist aber im Hinblick auf Ausbeute und- Wirtschaftlichkeit
in engem; 'Grenzen zu halten, und deshalb muß der mechanische Aufschluß so energisch
betrieben -,werden, daß Aste u. ä. als Verunreinigung wirkende Teile zerkleinert
werden.
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Der chemische Aufschluß wird aber nicht in forciertem Kurzprozeß in
einer Stufe durchgeführt, sondern in milder Behandlung in mehreren, mindestens zwei
Stufen von entsprechender Dauer.
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Da Weichheit, Flexibilität und Quellungsvermögen der erzeugten Fasern
ausschlaggebend für die Qualität der bei der Weiterverarbeitung erzeugten Papiere
sind, soll der chemische Prozeß noch so alkalisch abschließen bzw. in, der zur Verfaserurig
kommenden
verholzten Fasermasse noch so viel Alkali enthalten sein, daß auch bei der Zerfaserung
der pg-Wert noch über 7,15 liegt.
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Stark verharzte Holzteile, wie Äste, Knoten, Bast- und Rindenteile,
können nur dann in der erforderlichen Weise gleichmäßig mit aufgeschlossen bzw.
gelöst werden, wenn sie vor dem eigentlichen Kochprozeß mit Alkali und neutralen
Salzlösungen mit reinem Alkali bei Temperaturen unter ioo° vorgelöst sind.
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Das erfordert die vollständige Ausnutzung der geringen Chemikalienmengen
bis ins saure. Gebiet. Dias den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren sieht
deshalb vor der eigentlichen Kochurig eine Vorkochung vor. Hierzu wird die Ablauge
aus, der vorhergehenden Hauptkochung sowie das, erste Waschwasser derselben benutzt,
um das mit dem Abdampf aus dieser Kochurig bereits angedampfte und dadurch angesäuerte
Material zu neutralisieren bzw. die vorhandenen und durch die Temperaturerhöhung
gebildeten Säuren zu binden.
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Bei diesem Vorprozeß wird so mit billigem Abdampf die Temperatur bis
auf ioo° erhöht.
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Die Reaktionszeit für diesen ersten Vorprozeß kann bis zu 7 Stunden
betragen.
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In der verholzten Substanz befindet sich nun Ablauge in der etwa 2,5fachen
Menge dies Holzgewichtes. Aber :die durch die Andämpfung und Vorkoehung gebildeten
Säuren haben aus der Ablauge so viel Alkali entnommen, daß sie neutralisiert sind.
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Nun wird die Ablauge von dem Gut getrennt und dieses mit reiner Alkali-
oder bei Verwertung von Stroh u. ä. auch mit F-rd;alkalilauge getränkt. Hierbei
wird erfindungsgemäß Lauge von so hoher Konzentration gewählt, -daß nach kurzer
Einwirkung, die lediglich der vollkommenen Durchdringung der verholzten Substanz
und einer Erweichung der verharzten Teile dient, die Lauge wieder abgezogen wird
und nur die in der verholzten Substanz aufgenommene Laugenmernge mehr als 75 % der
beim Gesamtaufschluß insgesamt zugeführten Alkalimenge enthält. Bei diesem Prozeß
wird eine auf iod°' vorgewärmte Lauge verwendet und; gegebenenfalls diese Temperatur
durch Zusatz von Abdampf gehalten, z. B. eine 6,5o/oige Natronlauge, derein Gewicht
das 2,2fache der Holzsubstanz beträgt.
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Natürlich sinkt dabei die Konzentration der Lauge, und die überstehende
Lauge, die nach der Durchdringung abgezogen wird und bei der nächsten Charge wiederverwendet
werden soll, muß durch Zusatz von entsprechenden Alkalimengen aufgefrischt werden.
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Die Dauer dies Tränkungsvorganges hängt naturgemäß von der Art des
Rohmaterials und der Lau:genkonzentration ab, die sich ihrerseits wieder nach dem
angestrebten Gesamtaufschlußgra,d: richtet.
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Nun wird das alkalisierte verholzte Material in einfacher Weise aus
dem Vorkochbehälter in den Druckkocher gebracht. Hierbei wird' eine höhere Fülldichte
erreicht, als. wenn urivorbehandeltes Material eingebracht würde. Da das Material
selbst zusammen mit einem erheblichen Laugenanteil schon auf Kochtemperatur vorgewärmt
ist, wird außerdem die Ankochperiode der D:ruckkochung wesentlich verkürzt.
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Vor der Druckkochung wird die überstehende Lauge als Lösung von neutralen
Salzen, wie Alkalimonos-ulfit u. ä., eingebracht, und zwar auch auf ioo° vorgewärmt.
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Die Kochurig wird bis zu einem pg-W fiert nicht unter 7,1 durchgeführt,
und falls überwiegend neutrale Salze verwendet werden, wird gegebenenfalls die Unterschreitung
dieses pH-Wertes durch Zugabe geringer Mengen: von Alkali verhindert.
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Die Kochurig kann von 2 bis zu 7 Stunden geführt werden. Nach beendeter
Kochurig wird zunächst der Druck abgeblasen und erst dann die Lauge abgelassen.
Es wurde gefunden., daß es für Farbe und Eigenschaften der hergestellten Stoffe
nachteilig ist, wenn das Material ohne umgebende Flüssigkeit mit Dampf von über
io5'°' in Berührung kommt.
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Anschließend wird im Kocher einmal ausgewaschen, und dieses Waschwasser
wird mit der Lauge zusammen im Vorprozeß verwendet.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Menge und Verdünnung
der im Stoff verbleibenden Ablaugeteile so gehalten, daß sie genügt, um die bei
der Zerfaserungsarbeit auftretende Säure zu neutralisieren.
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Die Entleerung des Kochers erfolgt in einen unter dem Kocher angeordneten
Bunker, dessen Seitenwändie zum Teil aus Beton und zum Teil aus Eisenblech bestehen,
wobei die letzteren unter Einbringung von dicken, weichen, elastischen Streifen
aus Gummi od. ä. Material so befestigt sind, daß sie mit Rüttlern oder Vibratoren
gerüttelt werden können, um Brückenbildung zu vermeiden und das Nachrutschen des
Materials mit Sicherheit zu gewährleisten. Am Boden des Bunkers ist eine Doppel-oder
Dreifachschnecke von mindestens qoo mm Durchmesser oder ein Raupenband oder ein
Stokerrost angeordnet, um das Material stetig und automatisch zum Bunkerauslauf
zu fördern. Durch Regelgetriebe kann hierbei die Fördermenge pro Zeiteinheit genau
geregelt werden. Eier Bunker faßt etwas mehr als eine Kocherfüllung.
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Die Zerfaserung wird erfindungsgemäß unter Vermeidung von Reib- und
Schneidwirkungen durch Quetschen und Aufprallen entweder in Stampfwerken oder in
sogenannten Prellmühlen durchgeführt. In diesen Prellmühlen oder Pralltellermühlen
ist eine enge Mahlscheibenberührung und die damit verbundene Quetschschneidwirkung
vermieden und durch eine starke Aufprallwirkung auf eine gegenläufige Scheibe ersetzt.
Hierdurch wird nicht nur das Zerfaserungsergebnis unabhängig vom Zustand der Mahlscheibenschärfe,
der infolge Abnutzung mit wachsender Laufdauer ein immer schlechter werdendes Ergebnis
bezüglich des Zerfaserungsgrades zeigt, sondern es wird vor allein auch die Bildung
kurz geschnittener splitterartiger dicker Faserbündel vermieden, die dann erfahrungsgemäß
bei der üblichen Weiterverarbeitung,des Stoffes schwer aufzulösen sind und infolge
ihrer
für die Verfilzung ungünstigen Form die Festigkeit der aus solchen Halbstoffen erzeugten
Papiere oder Pappen herabsetzen. Erfindungsgemäß wird der zerfaserte Stoff durch
Sortierung von dien nicht genügend fein zerfaserten Faserbündeln mit üblichen Sortierern
bei starker Verdünnung getrennt und diese Faserbündel einer erneuten Prallzerfaserung,
gegebenenfalls bei kleineren Betrieben, im Rücklauf zugeführt, während bei genügend
großer Kapazität des Betriebes auch hierfür eine Prallmühle mit erhöhter Gieschwindigkeit
benutzt werden kann. Bei bewußt primitiv gehaltenen Kleinanlagen kann erfindungsgemäß
auch unter Fortfall jeder Sortierung der gesamte Stoff in einer zweiten Stufe so
weit feinzerfasert werden, daß er den Anforderungen der Weiterverarbeitung genügt.
Erfindungsgemäß wird die Zerfaserung mit höchstens 15- bis, 2ofacher Verdünnung
durchgeführt, da geringere Stoffdichten erfahrungsgemäß die Prallwirkung abschwächen
und dien Kraftverbrauch stark erhöhen, wobei die Splitterbildung eher begünstigt
wird.
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Durch .die erfindungsgemäße Kombination von Vordämpfung, Neutralisation
und, Vorkochung mit Ablauge, Vorweichung mit relativ hoher Alkalikonzen.tration
und anschließende: Druckkochung mit neutralen Salzen der Alkalien gelingt es, im
Zusammenhang mit der Splitterbildung vermeidenden Prallze@rfaserung Halbzellstoffe
von guten Eigenschaften bei hoher Ausbeute zu erzeugen, die in ihrem Verhalten bei
der Weiterverarbeitung, insbesondere der Holländermahlung und Blattbildung, weitgehend
voll gekochtem, Zellstoffen ähneln. Sie sind also nicht als billiger Zusatzstoff
zu betrachten, sondern dazu bestimmt, allein oder in Mischung mit aufbereitetem
Altpapier Pappen und Papier von höherer Festigkeit herzustellen, obwohl sie entweder
aus Schälspänen u. ä. Abfallholzsortimenten oder aus für die Papiererzeugung weniger
geeigneten Holzarten, wie Buche und sonistige kurzfaserigen Hölzer, oder auch .aus
Stroh und anderen Einjahrespflanzen hergestellt werden.
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Wärmewirtschaftlich ist durch das erfindungsgemäße Verfahren ein denkbar
günstiges Arbeiten gesichert, weil sowohl der Abdampf aus der Kochurig -wie auch
die Abwärme der Lauge und des Waschwassers, zum Vordämpfen der nächsten Charge verwendet
werden. 'Weiter wird eine besonders gute Wärmewirtschaft auch dadurch erreicht,
daß einmal der Kocher mit besonders hoher Fülldichte benutzt wird, was bei Spänen
u: ä. Material besonders wichtig ist, und ferner der für die Nachheizung bzw. Aufheizung
der Behandlungslaugen in der Vorkochung erforderliche Dampf billiger Abdampf von
geringem Überdruck von o,2 atü sein kann.
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Schließlich ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, durch Vorschalten
eines; zweiten Vorkochbehälters die Vördämpf-, Vorkoch- und Tränkvorgänge zu intensivieren
und hierdurch entweder einen weitergehenden Aufschluß oder eine erhöhte Kapazität
des Druckkochers zu erreichen, wobei die Vordämpfurig zunächst in Gegenwart von
überschüssigern Wasser durchgeführt werden kann, mit dem schön beträchtliche gelöste
Holzanteile vor der Vorkochung mit Ablauge abgeführt werden.
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In der Zeichnung ist ein Vörkocher i zur Ausführung des Verfahrens
der Erfindung in Fg. i geöffnet und in Fig. 2, geschlossen dargestellt. Er kann
sowohl über dem Druckkocher wie auch zu ebener Erde oder tiefer angeordnet sein.
Bei rundem, krei-sfö.rrnigem (Querschnitt ist seine Höhe mindestens gleich dem doppelten
Durchmesser. Der untere Boden 2 ist als Dbppelboden ausgeführt, mit gleichmäßigem
Gefälle des geschlossenen Abflußbodens nach einem Punkt, von dem die Lauge abgezogen
wird. Der darüber mit etwa 8o mm Abstand liegende Zwischenboden 3 ist als. perforiertes
Blech mit Löchern von io mm Durchmesser und 30 mm Teilung ausgeführt. Ferner ist
zwischen dem unteren Siebboden und dem Abschlußboden eine doppelte spiralförmige
Rohrschlange: 4 mit Bohrungen von, je 1,5 mm)Durchmesser auf jeder Rohrseite in
4o mm Abstand angeordnet, die dazu dient, den zur Vordämpfung und zur Nachheizung
einzuführenden Abdampf gleichmäßig zu verteilen. Diese gesamte Vorrichtung ist in
dem nach unten wegklappbaren Boden 2, der als Schnellvarschlußdeckel mit Bajonettverschluß
ausgebildet ist, untergebracht und somit für Reinigungszwecke usw. leicht zugänglich.
Hierdurch wird gleichzeitig eine rasche; Ehtleerung gewährleistet, wobei erfindungsgemäß
durch an den Bunkerwänden angebrachte Vibratoren das rasche Nachrutschen durch die
mit mindestens 2ooo- mm Durchmesser ausgeführte Bodenöffnung gesichert wird. Erfindungsgemäß
wird der offene Behälter so kräftig ausgeführt, daß zur Beschleunigung der Reaktionen
Ultraschallschwingungen im Behälter angewendet werden, können. Oben auf dem Behälter
ist eine ebenfalls zur Füllung wegklappbare Dunsthaube 5 angeordnet, .die einen
Anschluß 6 ins Freie bekommt. Ferner sind ein F1üss;ibS#,eitsstanidanizeiger° 7
und ein Überlauf 8 angeordnet, dessen Einlauf durch ein Sieb 9 das Mitführen von
Fasermaterial verhindert. Zum Anheben der -Dunsthaube 5 dient das Gestänge io. Mit
i i ist der Einfülltrichter bezeichnet" während durch die Rohrleitung 12 Dampf und
Lauge zugeführt werden.
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Der Abzug des Materials kann von Händ oder mit Schnecke -und Elevator
erfolgen. Falls der Vorkochbehälter unter dem Niveau der Köcherfüllöffnung angeordnet
ist, wird naturgemäß ein Elevator benutzt. Alle Aggregate sind< in Eisen geschweißt
ausgeführt, da wegen des alkalischen Arbeitens keine Korrosionsgefahr besteht.