DK147694B - Fremgangsmaade og apparat til behandling af fiberholdigt plantemateriale, saasom halm - Google Patents

Description

147694

Oen foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til behandling af fiberholdigt plantemateriale, såsom halm, ved hvilken fremgangsmåde plantematerialet behandles med en vandig alkaliopløsning og derefter skylles med vand til fjernelse af overskud af alkali.

Af anvendeligt plantemateriale kan udover halm nævnes tagrør, "bagesse", udtærskede majskolber, skovprodukter, specielt løvtræsved med løs struktur. Den vandige alkaliopløsning er fortrinsvis en natrium-hydroxidopløsning.

Ved behandling med alkali kan fiberholdigt plantemateriale, såsom halm, gøres mere udnyttelig som dyrefoder, og materialets næringsværdi øges betragteligt. Det er muligt mere end at fordoble næringsværdien af halm, der anvendes som dyrefoder,

Alkalibehandling af halm har to vigtige virkninger, nemlig dels at fibrenes struktur påvirkes på en sådan måde, at dyrene bedre kan fordøje og udnytte næringsstofferne i halmen, og dels at dyrenes appetit stimuleres af halmens struktur og alkaliindhold, således at de konsumerer mere foder, hvorved produktionen øges.

Den oprindelige metode til forbedring af halmens værdi er den såkaldte Beckman-metode fra 1921, hvilken metode er beskrevet i det tyske patentskrift 305.641. Ifølge denne metode lægges halmen i blød i 20-24 h i en 1,5% natriumhydroxidopløsning, hvorefter halmen skylles flere gange med ferskvand.

Denne metode er i sin oprindelige form arbejdskrævende og har desuden flere andre alvorlige ulemper. En alvorlig ulempe er det store vandforbrug ved skylningen af den ludbehandlede halm (5000-10000 I pr. 100 kg tør halm). Denne ulempe er så meget alvorligere, som disponible vandindvindingssteder ofte allerede er maksimalt udnyttede, I områder, hvor vandudvindingsmuligheden er begrænset, kan en halm-ludningsmetode med stort vandforbrug naturligvis overhovedet ikke komme på tale. En anden meget alvorlig ulempe ved denne metode er de store mængder forurenet affaldsvand, som enten må udledes med risiko for miljøforstyrrelser eller tilbageholdes og destrueres, hvilket ikke lader sig gøre uden store omkostninger.

Desuden går en stor del af de næringsstoffer, som findes i halmen, tabt, nemlig dem, der er opløselige i vand eller i en svagt alkalisk vandig opløsning. Det drejer sig om ikke mindre end 20-30% af halmens tørsubstans, som følger med skyllevandet. Dette stærkt biologisk aktive "affald" er en alvorlig forureningskilde.

Halmludningsfremgangsmåden ifølge den ovenfor beskrevne Beck- 2 147694 man-metode medfører siledes væsentlige ulemper i form af et stort •vandforbrug/ tab af substanser, som frigøres fra halmen, samt et behov for at komme af med store mængder forurenede væsker, hvilke væsker omfatter bide forbrugte behandlingsopløsninger og vaskevæsker, der kan indeholde både alkalirester og fra halmen opløste stoffer eller i væsken opslemmede partikler, hvilke væsker sædvanligvis udledes i forekommende vandløb, hvad der medfører alvorlige miljøforstyrrelser.

Størsteparten af disse ulemper undgås ved den halmludningsfrem-gangsmåde, der er beskrevet i svensk patentskrift nr. 388.111. Ifølge dette patentskrift undgås al udslip af forurenede behandlingsvæsker og vaskevæsker ved anvendelse af et lukket system, hvori halmen behandles med alkaliopløsninger af forskellig koncentration. Halmen behandles således først ved forludning med alkaliske behandlingsopløsninger af stigende koncentration, hvorefter den afsluttende behandling udføres med såkaldt stærklud, der har den største al kali koncentration. Derefter efterbehandles eller skylles halmen med alkaliopløsninger af aftagende koncentration, hvorved de opløsninger, der tidligere blev anvendt til forludning, udnyttes som skylleopløsninger. Til slut skylles halmen med rent vand, idet der ved slutskylningen kun tilsættes så meget rent vand, som medgår til erstatning af den væske, som halmen optager under behandlingen. Ved denne fremgangsmåde opnås et helt lukket system, som i forhold til tidligere har et betydeligt reduceret vandbehov, og udslip af forurenede væsker i det omgivende miljø forekommer ikke, samtidig med, at de anvendte behandlingsvæsker udnyttes pi bedste måde. Metoden indebærer derfor store fordele i forhold til den tidligere teknik på området.

Imidlertid er metoden ifølge svensk patentskrift nr. 388.111 også behæftet med visse begrænsninger. Ifølge patentskriftet anvendes nemlig en flerhed af opløsninger med forskellig koncentration, hvorved hver opløsning kræver en særskilt beholder. Dette medfører, at den væskeoverflade, der er i berøring med luft, bliver stor, hvilket er en ulempe, eftersom luftens indhold af kuldioxid danner carbonat med alkalien i væsken, hvorved alkali forbruges til ingen nytte. Desuden er alkaliopiøsningerne kraftigt skummende, hvilket medfører problemer ved pumpningen af opløsningerne mellem de forskellige beholdere. En yderligere ulempe i den forbindelse er, at hvis kapaciteten øges ud over en vis størrelse, bliver håndteringen af materialet mere komplicereret og samtidig stiger den nødvendige arbejdsindsats, hvilket pi grund af de høje arbejdsomkostninger mindsker lønsomheden.

147694 3

Den foreliggende opfindelse har til formål at tilvejebringe en ny fremgangsmåde til alkalibehandling af fiberholdigt plantemateriale, såsom halm, ved hvilken fremgangsmåde der benyttes et anlæg med lille, fri væskeoverflade, hvilket giver ringe kontakt mellem alkali og luft med påfølgende ringe carbonatdannelse. Carbonatdannelsen mindskes yderligere ved, at den væskeoverflade, som er i kontakt med luften, har det laveste alkajiindhold. Desuden medfører opfindelsen mindskede arbejdsomkostninger i forhold til tidligere kendte luftbehandlingsfremgangsmåder samt større mulighed for at regulere skylningsgraden af det behandlede plantemateriale.

Disse fordele muliggøres ved, at fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at den vandige alkaliopløsning og plantematerialet tilføres ved bunden af en søjle af en vandig alkaliopløsning med en alkaligradient, som er af en sådan beskaffenhed, at alkaliindholdet er højest ved søjlens bund og lavest ved søjlens top, at den vandige alkaliopløsnings niveau reguleres med mindst én niveaubeholder, og at plantematerialet ved egen kraft flyder opad gennem søjlen, hvorpå det behandlede plantemateriale udtages ved søjlens top,

Til grund for fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse ligger det forhold, at hvis der til en beholder med halm tilføres en alkaliopløsning, og opløsningen derefter overlades til henstand, dannes der i alkaliopløsningen en koncentrationsgradient, således at alkali-koncentrationen er størst ved bunden af opløsningen, hvorfra den gradvist aftager, således at den er lavest ved opløsningens overflade.

På grundlag af dette forhold er ifølge den foreliggende opfindelse samtlige behandlingebeholdere og alkaliopløsninger af varierende koncentration ifølge det ovennævnte svenske patentskrift nr. 388.111 blevet erstattet med én eneste behandlingsbehoider, som indeholder én eneste behandlingsopløsning, der har den egenskab, at den har en opad aftagende alkalikoncentration. Ifølge opfindelsen udnyttes endvidere halmens egen flydeevne til transport af halmen gennem behandlingsopløsningen.

Under halmens transport gennem behandlingsopløsningen fremkommer der lidt efter lidt en neutralisation af opløsningen, hvilket bidrager til den nævnte koncentrationsgradient.

Opfindelsen tilvejebringer også et apparat til udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, hvilket apparat omfatter en i det væsentlige vertikal beholder, som ved sin nedre del har tilførselsorganer for plantemateriale og vandig alkaliopløsning af høj koncentration, og som ved sin øvre del har et aflukningsorgan til aflukning af den øvre ende, 4 147694 samt skylleorganer til tilførsel af ferskvand og skyllevand samt transportorgan til behandlet plantemateriale, og hvilket apparat er ejendommeligt ved, at beholderen mellem den nedre og den øvre del er forsynet med mindst én niveaubeholder til regulering af væskeniveuaet i beholderen mellem et nedre og et øvre niveau ved aftapning henholdsvis tilførsel af vandig alkaliopløsning.

Yderligere træk og fordele ved opfindelsen vil fremgå af den efterfølgende detaljerede beskrivelse under henvisning til den tilhørende tegning, der skematisk viser et foretrukket apparat ifølge opfindelsen.

Det på tegningen viste apparat består alment af en i det væsentlige vertikal beholder 1, som ved sin nedre del har tilførselsorganer 2 for plantemateriale 3, såsom halm, samt tilførselsorganer 4 for alkali-opløsning af høj koncentration, såsom ca. 30% NaOH. Tilførselsorganerne 4 består af en beholder 5 til alkali, såsom natriumhydroxidopløsning, hvilken beholder via en ventil 6 og en ledning 7 med en pumpe 8 står i forbindelse med den nedre del af beholderen 1. Ved hjælp af pumpen 8 kan alkaliopløsning af høj koncentration således tilføres den nedre del af beholderen 1 fra beholderen 5 i forhold til mængden af indfødet plantemateriale til frembringelse af et ønsket alkaliindhold, såsom 1,5-3%

NaOH, i den nedre del af beholderen 1. Som det vises på tegningen, er ledningen 7 desuden fortrinsvis udformet som en cirkulationsledning til cirkulation af væske i beholderens nedre del ved hjælp af pumpen 8.

Ved denne cirkulationspumpning åbnes den ellers lukkede ventil 23.

De tidligere nævnte tilførselsorganer 2 for plantemateriale kan udgøres af forskellige og iøvrigt i og for sig kendte organer, der er egnede til tilførsel af plantemateriale. Som eksempel på sådanne tilførselsorganer kan nævnes transportør- eller indfødningssnegle, som ved skruefødning indpresser plantematerialet i den nedre del af beholderen 1, som det er vist på tegningen. Indfødningssneglen må i dette tilfælde være udformet under hensyntagen til den væskesøjle, som findes i beholderen 1. Som et alternativ til den på tegningen viste indfødnings-snegi, kan der anvendes en skråtstillet indfødningssnegl. Sneglens indfødningsåbning er i så fald anbragt i et niveau, der ligger over væskeoverfladen i beholderen 1, og sneglen strækker sig skråt nedad og ind i beholderen gennem dennes yderkappe ved beholderens nedre del. Sneglen er endvidere hensigtsmæssigt forsynet med en krave eller tragt, der omgiver indfødningsåbningen. Tilførselsorganerne 2 kan også være af den såkaldte sluseventiltype, hvorved plantematerialet først indføres i en mod beholderen 1 lukket, men for indføring åben sluse, 147694 5 som derefter lukkes på indføringssiden og åbnes på udføringssiden til udføring af plantematerialet fra slusen og til beholderen 1. Yderligere udførelsesformer for tilførselsorganerne 2, såsom pumper, vil let kunne indses af fagfolk indenfor området.

Foruden den særskilte tilførsel af alkaliopløsning af høj koncentration ved hjælp af tilførselsorganet 4, som beskrevet ovenfor, kan denne tilførsel også foregå i kombination med tilførsel af plantematerialet, hvorved plantematerialet f.eks. transporteres fra en beholder med alkaliopløsning af høj koncentration til beholderen 1 via tilførselsorganet 2.

Beholderen 1 udgøres af en beholder med tværsnit som en cylinder eller et parallelepipedum og er ved sin øvre ende forsynet med et aflukningsorgan 9, såsom et gennembrudt låg, eller et gitter til ned- holdning af halmen. Som eksempel på dimensionerne for en cylindrisk beholder kan nævnes en diameter på 1-3 m og en højde på 4-6 m.

Organet 9 fjernes fra beholderens øvre ende, f.eks. ved at det skydes til siden, som det er antydet med pilen 10, til den med stiplede linier viste plads. Ovenfor beholderens øvre ende findes et transportorgan 11 til fjernelse af færdigludbehandlet og forskyllet plantemateriale. Ligesom tilførselsorganerne 2 kan transportorganet 11 udgøres af en i og for sig kendt anordning, såsom en kædetransportør med medbringere, f.eks. tværstillede afskrabningsorganer eller pigge, eller af frem- og tilbagegående afskrabningsorganer af stempeltypen.

Ved beholderens øvre ende findes endvidere et gennembrudt eller perforeret transportbånd 12 til modtagelse og borttransport af fjernet, færdigludet og færdigskyllet plantemateriale. Regulering af skylningsgraden af det behandlede plantemateriale tilvejebringes ved hjælp af oven over båndet 12 anbragte sprøjtemundstykker 13 til bortskylning af overskud af alkali ved påsprøjtning af ferskvand ud over plantematerialet. Transportbåndet er, som det fremgår af tegningen, omgivet af sidevægge og en bundvæg, der er forsynet med et afløb 14, hvori skyllevæsken opsamles og via en opsamlingsbeholder og en pumpe 15 ledes til sprøjtemundstykker 16, der er anbragt over beholderen 1 til forskylning af det færdigludede plantemateriale i den øvre del af beholderen 1, inden det fjernes derfra. Som det også vises på tegningen kan ferskvandsskylningen gennem mundstykkerne 13 suppleres med skylning med returneret skyllevæske. Omstilling til en sådan skylning med returvæske sker ved hjælp af ventiler og Vg, dér indstilles således, at skyllevæske fra afløbet 14 via pumpen 15 ledes til mundstykkerne 13, 6 147694 samtidigt med at forbindelsen til mundstykkerne 16 og ferskvandstilførslen aflukkes.

Mellem den øvre og nedre del af beholderen 1 findes endvidere mindst én niveaubeholder 17, 18, som ved hjælp af pumper 19, 20 er indrettet til at aftappe og tilføre aikaliopløsning fra henholdsvis til beholderen 1. Denne aftapning og tilførsel af alkaliopløsning kan også ske ved hjælp af overtryk, hvorved ledninger for overtrykket anbringes i toppen af hver niveaubeholder, og overtrykket (trykluft) tilføres de respektive niveaubeholdere, når væske i niveaubeholderen skal tilføres beholderen 1, medens væske aftappes fra beholderen 1 ved hjælp af selvtryk. Ved at benytte overtryk i stedet for pumper til fød-ning af væsken undgås problemet med skumning af væsken. Formålet og fordelene ved niveaubeholderne 17, 18 samt øvrige detaljer ved appa-ratet ifølge opfindelsen belyses nærmere nedenfor i forbindelse med en detaljeret beskrivelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen. For at opnå en simpel fremstilling beskrives fremgangsmåden under henvisning til ludning af halm, men det indses, at opfindelsen også omfatter behandling af andre fiberholdige plantematerialer, såsom dem, der er nævnt indledningsvis. Det skal endvidere påpeges, at det heri anvendte udtryk “aikaliopløsning11 omfatter alle alkalisk reagerende vandopløsninger, idet dog natriumhydroxidopløsning (natronlud eller bare lud) foretrækkes på grund af, at det er let tilgængeligt og forholdsvist billigt.

For at opfindelsen skal forstås på enkleste måde vil fremgangsmåden blive beskrevet nedenfor, efter at processen har nået den vedvarende tilstand.

Ved den nævnte vedvarende tilstand er en færdigludet og forskyllet mængde halm blevet fjernet fra beholderen 1, og efter sænkning af væskeniveauet til noget under niveauet 21 ved aftapning til niveaubeholderne 17, 18 er gitteret 9 blevet skudt hen over beholderens øvre ende. Derefter hæves væskeniveauet til niveauet 21 ved tilbageføring af væske fra niveaubeholderne 17, 18. Halmen i beholderen 1 kommer herved til at udøve et opadrettet tryk mod gitteret 9, der har til formål at tilbageholde halmen, således at alkaliopløsningens niveau kan Indstilles så højt, at halmen fuldstændigt dækkes af alkaliopløsning. Fjernelsen af halm og halmens flydeevne medfører, at den tilbageværende halm i beholderen 1 samles imod beholderens top, medens den nederste del af beholderen er fyldt med anvendt stærklud, såkaldt sortlud, som i det væsentlige er fri for halm. Ny halm indfødes i beholderen 1 ved hjælp af tilførselsorganerne 2 under cirkulation af sortlud ved hjælp af pum- 7 1Λ 7 6 9 Λ pen 8 for at opnå en så jævn fordeling og opblødning som muligt af den indførte halm. Væskeniveauet i beholderen 1 sænkes siden til det lavere niveau 22 ved aftapning af væske til niveaubeholderne 17, 18. Herved formindskes den halmfrie væskemængde i beholderens nedre del, og ved hjælp af pumpen 8 tilføres den nødvendige mængde lud af høj koncentration fra beholderen 5. Sædvanligvis kræves kun et mindre volumen til opnåelse af den tilsigtede koncentrationsgrad for stærkluden, eftersom luden i beholderen 5 har en høj koncentration. Efter at ventilen 6 tii beholderen 5 er blevet lukket, og ventilen 23 er blevet åbnet, cirkulationspumpes stærkluden med pumpen 8 i en vis tid. Gitteret 9 fjernes ved at blive skudt til siden, som vist med pilen 10. Efter forud fastlagt behandlingstid hæves væskeniveauet i beholderen 1 mod niveauet 21 ved tilbageføring af væske fra niveaubeholderne 17 og 18. De øverste halmlag, som ved den tidligere sænkning af væskeniveauet i beholderen 1 blev frilagt, forskylles med skyllevand, der pumpes til sprøjtemundstykkerne 16 fra den til pumpen 15 tilsluttede opsamlingsbeholder. Efter forud fastlagt behandlingstid hæves derefter væskeniveauet i beholderen 1 yderligere ved tilbageføring af væske fra niveaubeholderne 17, 18, hvorved den frilagte, færdigludede og forskyllede halm ved hævningen af væskeniveauet skydes opad og over kanten på beholderen 1. Den færdigludede og forskyllede halm fjernes fra beholderen 1 ved hjælp af transportorganet 11 og til transportbåndet 12, hvor halmen løber af og slutskylles med ferskvand og/eller returvæske fra sprøjtemundstykkerne 13, til der opnås en ønsket skylningsgrad (ca. 1-1,5 g NaOH/kg ludet halm). Hvis det ønskes, kan den færdigbehandlede halm næringsberiges i et efterfølgende trin ved behandling, fortrinsvis ved besprøjtning, med en næringsopløsning (ikke vist). Halmens totale opholdstid i beholderen 1 andrager i gennemsnit ca. 2 døgn.

Den mængde ferskvand, som tilføres systemet via sprøjtemundstykkerne 13, og som udgør ca. 4 gange vægten af den tilførte, tørre halm, afpasses således, at der kun tilføres så meget ferskvand, som svarer til den af halmen under ludbehandlingen optagne væskemængde. Herved opnår man et lukket system hvad angår behandlingsvæskerne, d.v.s. der udledes ikke nogen væske.

Efter at den færdigludede og forskyllede halm er blevet udtaget af beholderen 1 ved hævning af væskeniveauet, gentages de forskellige procestrin som beskrevet ovenfor, idet væskeniveauet sænkes noget, gitteret 9 påføres, væskeniveauet hæves op til niveauet 21, o.s.v.

I overensstemmelse med det indledningsvist beskrevne forhold, at 14769Λ 8 nir der tilføres en alkaliopføsning til en beholder med halm, og opløsningen derefter overlades til henstand, dannes der i opløsningen en koncentrationsgradient med opad aftagende alkali koncentration, opnås der ved ludbehandlingen i beholderen 1 forskellige I ud koncentrationer mellem beholderens nedre og øvre del. Dertil kommer virkningen af indføringen af lud i beholderens nedre del, påsprøjtningen af skyllevandet i beholderens øvre del samt halmens neutraliserende virkning under passagen gennem beholderen 1, hvorved forskellen i ludkoncen-tration mellem beholderens nedre del og øvre del yderligere forstærkes.

Der opstår således en kontinuert ludgradient med successivt aftagende ludkoncentration mellem den nedre og øvre del af beholderen 1, således at halmen først behandles med stærklud af høj koncentration og derefter med stadigt svagere lud efterhånden som halmen stiger opad i beholderen 1.

Ludgradienten påvirkes i nogen grad af den ved hjælp af niveaubeholderne 17, 18 udførte aftapning og tilbageføring af alkaliopløsningen men denne påvirkning gøres mindst mulig ved at gøre den til hver niveaubeholder udtagne væskemængde så lille som muligt. Til det formål er det hensigtsmæssigt, at apparatet har to eller flere niveaubeholdere, hvis udtag pi beholderen 1 er anbragt i forskellig højde og fortrinsvis på den øvre del af beholderen 1, således at stærkluden i den nedre del af beholderen lades upåvirket. Desuden udføres aftapningen og tilbageføringen af alkaliopløsningen ved hjælp af niveaubeholderne således, at aftapningen først foregår til den øverste niveaubeholder og sidst til den underste niveaubeholder, medens tilbageføringen foregår i omvendt orden, således at alkaliopløsningen først tilbageføres fra den underste niveaubeholder og sidst fra den øverste niveaubeholder 17.

Den halm, som tilføres ludningsbeholderen 1, kan foreligge i normalt, lufttørret tilstand. En sådan tør halm indeholder imidlertid betydelige mængder luft, som må fortrænges af alkaliopløsningen inden den egentlige ludpåvirkning kan begynde. Desuden forbruger kuldioxiden i den indelukkede luft alkali under dannelse af carbonat. Det er derfor hensigtsmæssigt at lægge halmen i blød inden den indføres i ludningsbeholderen 1, for således at fortrænge den indelukkede luft med væske inden halmen indføres i beholderen 1. Denne iblødlægning kan foretages med ferskvand, men da det er ønskeligt at reservere ferskvandet til slutskylningen af den behandlede halm, foretages iblødlægningen fortrinsvis med en al kali vandopløsning, der med fordel tages fra beholderen 1. Som tidligere nævnt kan halmen således først lægges i blød i en 147694 9 beholder med en alkaliopløsning af høj koncentration, hvorefter halmen sammen med en passende mængde alkali indfødes ved bunden af beholderen 1 ved hjælp af tilførselsorganet 2. Den nødvendige tiiføring af væske og alkali til iblødlægningsbeholderen foretages hensigtsmæssigt ved tiiføring af væske fra beholderen 1 henholdsvis tilsætning af koncentreret alkali (i fast form eller som koncentreret opløsning) til iblødlægningsbeholderen .

De substanser, som under ludbehandlingen frigøres fra halmen, kan fjernes fra behandlingsvæsken og tilbageholdes, ved at en vis del af behandlingsopløsningen aftappes fra beholderen 1 og tilsættes syre til udfældning af substanserne, hvorefter det udfældede fraskilles, f.eks. ved dekantering, og den rensede opløsning gøres alkalisk med lud og tilbageføres til beholderen.

Fortrinsvis aftappes behandlingsopløsningen fra beholderens øvre del, hvor pH-værdien er lavere end i den nedre del, og der følgelig kræves en mindre mængde syre til fældningsreaktionen. Af den grund kan det også være fordelagtigt, at aftapningen og tilbageføringen af behandlingsopløsningen udføres via niveaubeholderne 17, 18, hvis udtag fortrinsvis er anbragt på den øvre del af beholderen 1.

Opfindelsen er ovenfor blevet beskrevet under henvisning til en særligt foretrukken udførelsesform, men det indses, at der kan foretages variationer inden for opfindelsens rammer, uden at der afviges fra dens væsentlige ejendommelighed. Som tidligere anført ligger opfindelsens væsentlige ejendommelighed deri, at de ved den tidligere teknik benyttede alkaliopløsninger med forskellig alkaliindhold erstattes med en eneste alkaliopløsning, der har en alkaligradient, som er af en sådan beskaffenhed, at alkaliindholdet er højest ved bunden af alkaliopløsningen og lavest ved toppen af alkaliopløsningen. En yderligere væsentlig ejendommelighed ved opfindelsen er, at den hvad angår behandlingsvæsken omfatter et lukket system, d.v.s, der udledes ikke fra systemet nogen forurenende væske, idet den væske, der tilføres, kun udgør erstatning for den væske, der optages af halmen.