EP2300221B1

EP2300221B1 - Verfahren zum aufschluss von lignozellulosen zu faserstoffen

Info

Publication number: EP2300221B1
Application number: EP09777105.9A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Naundorf; Werner Sitzmann; Stephan Sternowsky
Original assignee: Amandus Kahl GmbH and Co KG
Current assignee: Amandus Kahl GmbH and Co KG
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: AU2009268287A1; EP2300221A2; US20110108641A1; WO2010003685A4; PL2300221T3; US8608095B2; WO2010003685A3; WO2010003685A2; RU2462320C1; EP2300221B8; WO2010003685A9; TR201909437T4; RU2011104698A; EP2143554A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufschluss von Lignozellulosen enthaltenden Materialien zu Faserstoffen und ein Verfahren zur Weiterverarbeitung dieser Faserstoffe.
Lignozellulosen werden vor ihrer Verarbeitung zu Werk- und Dämmstoffen, zu Bewehrungs- oder Füllstoffen, zu Kartonagen oder zu Brennstoffen entweder zu Spänen oder zu Faserstoffen zerkleinert. Die dünnen und zumeist gekrümmten Faserstoffe gewinnen im Vergleich zu den geraden, steifen und stark elastischen Spänen eine zunehmende wirtschaftliche Bedeutung, weil sie bessere Verarbeitungseigenschaften haben und die mit ihnen hergestellten Produkte höherwertig sind.
Die wichtigsten Maschinen zur Zerfaserung der Lignozellulosen sind Schleifsteine, Doppelschneckenextruder sowie Kegel- oder Scheibenrefiner. Gegenwärtig dominieren die Doppelscheibenrefiner. Beim Doppelscheibenrefiner erfolgt der zerfasernde Aufschluss hauptsächlich durch Scherbeanspruchung zwischen den beiden parallel angeordneten und innenseitig mit Rippen profilierten Mahlscheiben, von denen eine starr angeordnet ist und die andere mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Beim Aufschlussprozess strömen die Lignozellulosen als wässrig-fließfähige Masse nach dem radialen Eintrag in den Refiner durch den sich zunehmend verengenden Spalt zwischen den Mahlscheiben nach außen. Dabei werden die Lignozellulosen durch Scherkräfte sukzessive zu Fasern mit hoher bis sehr hoher Feinheit aufgespalten.
Wichtige Nachteile der benannten Zerfaserungsmaschinen sind niedrige Durchsatzleistungen und/oder hoher Elektroenergiebedarf. Das gegenwärtig dominierende Refinerverfahren hat zudem den Nachteil, dass die Zerfaserung von härteren Lignozellulosen, wie z. B. Holz, erst dann möglich ist, wenn der Rohstoff zuvor durch einen Kochprozess bei hohen Drücken von etwa 10 bis 20 bar und Temperaturen von etwa 160 bis 220°C hydrothermal aufgeweicht wird. Dafür wird teure Apparatetechnik und viel Wärmeenergie benötigt. Des Weiteren fallen bei der notwendigen Entwässerung der Faserpülpe große Mengen an belastetem Abwasser an.
Beim Aufschluss der Lignozellulosen mit Refinern entstehen Faserstoffe, die innerlich wenig veredelt sind, weil der Zerfaserungsprozess hauptsächlich durch Scherbeanspruchung erfolgt. Die hohe Porosität in den Fasern bleibt deshalb weitgehend erhalten. Außerdem werden beigemischte Stoffe, wie z. B. Binde- und/oder Hydrophobierungsmittel, hauptsächlich auf die Oberfläche der Fasern verteilt. Im Porenvolumen der Fasern befinden sich nach der Abtrocknung des Wassers Gase. Die Poren in den Fasern verringern die Festigkeit der Fasern, und sie verschlechtern die Kompressionseigenschaften des Faserstoffes z. B. bei der Herstellung von Faserwerkstoffen durch Pressverdichtung, weil die in den Poren eingeschlossenen Gase den Verdichtungswiderstand erhöhen und die Rückexpansion nach der Druckentlastung des gepressten Werkstoffes verstärken. Letzteres kann sogar zur Zerstörung des Werkstoffes durch Expansionsrisse führen.
Das Dokument DE-B-1074390 offenbart ein Verfahren zum Aufschluss von Lignozellulosen enthaltenden Materialien zu Faserstoffen unter Verwendung von Kollerrollen nach der Mischung und Behandlung mit Chemikalien.
Das Porenvolumen begünstigt zudem die Schädigung der Produkte durch das Eindringen von Wasser und/oder von Mikroorganismen.
Aufgabe der Erfindung ist im Rahmen der Herstellung neuer Werkstoffe auf Lignozellulosebasis die Schaffung eines Verfahrens zum Aufschluss dieser Lignozellulosen mit verbesserten und zudem flexibel einstellbaren Eigenschaften, das sich zugleich durch eine geringe Anzahl an Prozessstufen sowie niedrigen Wärme- und Elektroenergiebedarf auszeichnet und bei dem keine stark belasteten Abwässer aus einem Kochprozess anfallen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Unter "Faserverbesserungsstoffen" werden hier Stoffe verstanden, die nicht nur die Verbreiterung und Zerkleinerung des Materials fördern, sondern reaktionsfähige Stoffe sind, die den Faserstoffen im Hinblick auf ihre weitere Verwendung als Werkstoffe neue, deutlich verbesserte Eigenschaften verleihen. Sie wirken modifizierend, verändernd, veredelnd. Die Veredelung der Fasern erfolgt während des Ausschlusses in der Pelletpresse und vor allem auch danach während der Trocknung und/oder Lagerung.
Unter "oberflächenfeuchter Zustand" wird dabei ein Zustand verstanden, bei dem der Wassergehalt ungefähr 5 bis 15% höher ist als der Sättigungswassergehalt. Dieser wiederum gibt den Feuchtegehalt an, den ein Rohstoff hat, wenn sein inneres Porenvolumen vollständig mit Wasser ausgefüllt ist, aber keine zusätzliche Oberflächenfeuchte vorliegt. Alle Braunkohlen aus unterschiedlichen Tagebauen oder aus verschiedenen Flözen in einem Tagebau, jede Holz- oder Strohart und auch gleiche Hölzer mit unterschiedlichem Alter haben jeweils ihren von der Stoff- und Porenstruktur abhängigen "Sättigungswassergehalt". Deshalb ist diese Größe rohstoffspezifisch. Diese Sättigungsfeuchtegehalte sind für die Ausbildung von hochwertigen Faserstoffen in der Pelletpresse eine Mindestbedingung. Bei der Verkleinerung von teilweise oder stark vorgetrockneten Lignozellulosen mit Pelletpressen entsteht immer hauptsächlich ein "spanartiges" Zerkleinerungsprodukt.
Dies ist auch bei einem vorbekannten Verfahren der Fall ( EP 0 143 415 ). Dort wird nämlich das zerkleinerte Produkt unmittelbar nach der Zerkleinerung in einer ersten Pelletpresse in einer weiteren Pelletpresse zu Pellets verarbeitet, was bedingt, dass das Material von Anfang an nur eine sehr geringe Feuchte haben kann, da sonst in den Bohrungen der Matrize der zweiten Pelletpresse kein Druck aufgebaut werden kann, der für die Herstellung von wenigstens halbwegs festen Pellets erforderlich ist. Außerdem würde bei einem zu hohen Wassergehalt infolge der Erwärmung in der zweiten Pelletpresse dieses beim Austreten aus den Presskanälen, in denen hoher Druck herrscht, schlagartig verdampfen, was zu unannehmbaren Rissen der Pellets und dazu führen würde, dass diese leicht zerfallen oder insbesondere bei der weiteren Handhabung zerbröckeln. Die Zielrichtung dieses vorbekannten Verfahrens unterscheidet sich auch grundsätzlich vom erfindungsgemäßen Verfahren, durch das weder eine Zerkleinerung des grobstückigen langfaserigen Materials bewirkt noch Pellets hergestellt werden sollen, sondern ein faserförmiger Werkstoff mit neuartigen Eigenschaften hergestellt werden soll.
Auch bei einem anderen vorbekannten Verfahren ( DE 199 55 844 A1 ) sollen im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren Pellets aus gepresster Biomasse hergestellt werden. Um diese Pellets herstellen zu können, ist eine Holzfeuchte von 11 - 14% zwingend erforderlich. Im Gegensatz dazu wird beim erfindungsgemäßen Verfahren mit wesentlich größerer Feuchte, nämlich dem erwähnten oberflächenfeuchten Zustand, gearbeitet, also einem Zustand, wo nicht nur die Poren vollständig mit Wasser gefüllt sind, - dies entspräche einer Feuchte von bis zu 50 Gew.-% - sondern darüber hinaus mit einer Überschußfeuchte von 5 bis 15% Wasser gearbeitet wird, die als Oberflächenfeuchte vorliegt. Als Zuschlagstoff wird bei dem vorbekannten Verfahren auch kein Faserverbesserungsmaterial mit den oben erwähnten Eigenschaften verwendet, sondern Maisstärke, durch die der Pressdruck abgesenkt wird, die Gleitwirkung erhöht wird und Bindemitteleigenschaften erhalten werden. Durch die erfindungsgemäß verwendeten Faserverbesserungsstoffe werden dagegen die Eigenschaften der Fasern verändert, da die Faserverbesserungsstoffe in die Fasern eindringen und sie so modifizieren. Dieses Eindringen wird nicht nur durch die mechanische Bearbeitung, sondern auch durch die höhere Feuchtigkeit bewirkt, so dass nasschemische Reaktionen stattfinden können, was bei den vorbekannten Pellets wegen der geringen Feuchte von nur 11 - 14% nicht möglich ist. Weiter muss man bei der Herstellung von Pellets aus Holz mit sehr geringer Größe des Pressspalts (Abstand der Kollerrollen von der Matrize) arbeiten, nämlich bis 0,2 mm. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind dagegen größere Abstände bis zu 2 mm oder sogar bis zu 5 mm und damit geringere Wälzdrücke möglich.
Für den Aufschlussprozess werden Flachmatrizen-Pelletpressen verwendet, bei denen auf die Presswalzen ein hoher und gezielt veränderbarer Vordruck eingestellt werden kann. Dies kann zum Beispiel durch einstellbare Druckfedern oder mit einer Hydraulikanlage bewirkt werden. Die Flachmatrizen-Pelletpresse ist für den Zerfaserungsprozess vorteilhaft geeignet, weil die Presskraft im engsten Spalt zwischen der Flachmatrize und der Presswalze auf eine sehr kleine Linienfläche, der sogenannten Pressnaht, konzentriert wird. Das ermöglicht, durch den Vordruck z.B. mit der Hydraulikanlage verstärkt, die Einstellung besonders hoher und zugleich gezielt variierbarer spezifischer Pressdrücke in der Pressnaht. Die hohe Druckbeanspruchung des Gutes in der schmalen Pressnaht zwischen einer ebenen Fläche und der gerundeten Fläche der Presswalze bewirkt eine ziehharmonikaähnliche Aufspreizung der Lignozellulosen zu einzelnen Faserbündeln, weil bei den Lignozellulosen die Zugfestigkeit senkrecht zu der Faserrichtung wesentlich geringer als in der Faserrichtung ist und das Pressgut in die sich beidseitig zur Pressnaht erweiternden Pressräume ausweichen kann.
Das Aufgabegut muss den Zustand eines oberflächenfeuchten Feststoffgemisches haben, weil die Lignozellulosen durch den hohen Wassergehalt aufweichen, was den Aufspaltungsprozess zu Faserbündeln ermöglicht. Der oberflächenfeuchte Zustand ist zudem auch deshalb erforderlich, weil die Lignozellulosen erst dann die notwendige Druckplastizität haben, die für ein seitliches Herausquetschen des Stoffes aus dem Pressspalt erforderlich ist und damit das Auflösen zu einzelnen Faserbündeln überhaupt erst ermöglicht. Wenn die Lignozellulosen zu trocken sind, dann werden sie ohne Ausweichströmung vollständig in den engsten Pressspalt eingezogen, dort durch Hochdruckverdichtung versprödet und als feste Folie oder in Form von spanförmigem Gut ausgetragen. Andererseits darf das Aufgabegut nicht zu feucht sein, weil es sonst unter Druck die Eigenschaft eines in Wasser dispergierten Feststoffes annimmt und sich jeglicher Pressverdichtung im Pressspalt zwischen der Flachmatrize und den Kollerwalzen durch vorzeitiges Wegfließen entzieht. Das Aufgabegut würde dann ohne Vorverdichtung und ohne Aufspaltung zu Faserbündeln schnell durch die Löcher der Flachmatrize abfließen.
Die Flachmatrizen-Pelletpresse ist für die Herstellung von hochwertigen Faserstoffen aus Lignozellulosen auch deshalb vorteilhaft geeignet, weil das Aufgabegut nicht nur mit relativ hohen, aber gezielt einstellbaren spezifischen Pressdrücken im engsten Pressspalt verdichtet wird, sondern der Aufschlussprozess durch eine mehrfach das Gut überrollende Wälzdruckbeanspruchung realisiert wird. Das ermöglicht die Herstellung von stark verdichteten porenarmen Fasern ohne Schwächung durch lokales Überpressen des Feststoffes, weil der Verdichtungsprozess durch das mehrfache Überrollen des Gutes durch die Presswalzen sukzessive und damit schonender realisiert wird.
Durch die mehrfache Wälzdruckbeanspruchung des Aufgabegutes mit hohen, aber gezielt einstellbaren spezifischen Pressdrücken wird zudem erreicht, dass die zugemischten Faserverbesserungsstoffe unter den feucht-pastösen Milieubedingungen sukzessive in das innere Porenvolumen der zunehmend dünner werdenden Faserbündel eingepresst werden und eine weitgehend durchgängige Vermischung bis zur Fasermitte gelingt.
Die Flachmatrizen-Pelletpresse hat dabei gegenüber der Ringmatrizen-Pelletpresse den Vorteil, dass die Kollerrollen nicht ohne Reibung auf der Flachmatrize abrollen können, da nahe der Achse eine Relativbewegung zwischen Kollerrollenoberfläche und Flachmatrizenpresse in einer Richtung stattfindet, die der Richtung der Relativbewegung im Randbereich der Flachmatrizenpresse entgegengesetzt ist.
Die Art der Faserverbesserungsstoffe ist vom Einsatzgebiet der herzustellenden Faserstoffe und den dabei zu erfüllenden Eigenschaften abhängig. Als Faserverbesserungsstoffe sind Substanzen geeignet, die während des Aufschlussprozesses in der Flachmatrizen-Pelletpresse und/oder danach den Fasern durch physikalische und/oder chemische Reaktionen sowie durch partielles Ausfüllen von innerem Porenvolumen letztlich die angestrebten Eigenschaften verleihen. Die Faserverbesserungsstoffe können Lösungen, Flüssigkeiten und/oder dispergierte Feststoffe sein. Die qualitätsbildenden Reaktionen laufen zwischen dem entstehenden Faserstoff und den Faserverbesserungsstoffen bzw. einigen Inhaltsstoffen beider Stoffe sowie teilweise auch in den Faserverbesserungsstoffen selbst ab. Die erforderliche Intensität und die Tiefenwirkung der Reaktionen in den Fasern wird nur durch den gemeinsamen Aufschluss von Lignozellulosen und Faserverbesserungsstoffen in der Flachmatrizen-Pelletpresse unter den Bedingungen der anhaltenden intensiven Wälzdruckbeanspruchung und das für die Reaktionen erforderliche wässrige Milieu erreicht.
Für die Durchführung des Aufschlussprozesses in der Flachmatrizen-Pelletpresse sind erhöhte Guttemperaturen nicht verfahrensbedingt notwendig, aber vorteilhaft. Mit steigender Guttemperatur werden der Aufschluss- und der Durchtränkungsprozess der Fasern erleichtert und die auflaufenden Reaktionen intensiviert.
Die Flachmatrizen-Pelletpressen sind auch deshalb für den Aufschluss von Lignozellulosen zu hochwertigen Faserstoffen mit flexibel einstellbaren Eigenschaften vorteilhaft geeignet, weil ein Teil der aktiven Aufschlussorgane aus einer Flachmatrize mit einer großen Anzahl von Löchern besteht, deren Öffnungsweite, Form und Abstand innerhalb großer Bereiche wählbar sind. Durch die große Anzahl von Löchern in der Flachscheibe werden hohe Durchsatzleistungen möglich. Des Weiteren wird durch die Lochöffnungen eine Schädigung der Fasern durch mechanische Überbeanspruchung vermieden, weil die Fasern nach dem Erreichen der erforderlichen Feinheit durch die Lochöffnungen ausgetragen werden. Der rechtzeitige Austrag wird durch die hohe Plastizität des oberflächenfeuchten Aufschlussgutes ermöglicht. Die Lochöffnungen werden so gestaltet, dass ihr Durchlasswiderstand einen zu schnellen Austrag des Gutes aus dem Aufschlussraum verhindert und zugleich eine mechanische Überbeanspruchung der Fasern durch zu langsamen Austrag vermieden wird. Durch den Abstand zwischen den Löchern, durch das Format und durch die Öffnungsweite der Löcher sowie durch die Matrizenstärke kann die Intensität des Aufschluss- und Reaktionsprozesses so eingestellt werden, dass die vorgegebene Faserqualität erreicht wird. Die Löcher in der Flachmatrize sind ein wichtiger Grund dafür, dass das Aufschlussgut ohne Gefahr der Überbeanspruchung mit den hohen spezifischen Pressdrücken in den Pressnähten aufgeschlossen werden kann. Ihre Öffnungsweite kann in Abhängigkeit von der gewünschten Faserqualität zwischen etwa 2 bis etwa 15 mm betragen. Des Weiteren sind die Länge und die Geometrie der Lochkanäle so zu gestalten, dass keine hohen Verschiebewiderstände, die zur Pelletbildung führen würden, auftreten. Das Aufschlussgut wird als feucht verklebte Bröckelmasse ausgetragen.
Das Aufschlussgut wird immer vorrangig durch die Löcher der Flachmatrize ausgetragen. Eine weitere Erhöhung der Durchsatzleistung der Aufschlussmaschine ist durch einen ergänzenden Austrag eines Teiles des Aufschlussgutes über ein schräg gestelltes Randwehr möglich.
Mit Flachmatrizen-Pelletpressen wird auch deshalb ein intensiver Aufschluss der Lignozellulosen bei gleichzeitig hoher Durchsatzleistung erreicht, weil sich die Presswalzen oder Kollerrollen mit hoher Geschwindigkeit von etwa 2,1 - 2,6 m/sec auf der mittleren Kreisbahn bewegen und die Pressen in Abhängigkeit von ihrer Baugröße mit 2 bis 5 Presswalzen bestückt sind. Des Weiteren haben die größten Pressen eine große aktive Matrizenfläche von etwa 6.000 cm².
Die Flachmatrizen-Pelletpresse ist für den Aufschlussprozess auch deshalb vorteilhaft geeignet, weil bei ihr die Presswalzen direkt angetrieben werden können. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass das Aufgabegut durch die erforderliche überrollende Wälzdruckbeanspruchung aufgeschlossen wird. Bei Presswalzen ohne direkten Antrieb, wie z. B. bei Ringmatrizenpressen, besteht die Gefahr, dass die Kollerwalze ohne Eigenrotation schlittenartig über das feuchte Gut ohne echte Zerfaserungswirkung rutschen.
Die wichtigsten Gründe für die hohe Qualität der hergestellten Faserstoffe und für die flexibel einstellbaren Eigenschaften sind die starke Reduzierung des Porenvolumens in den Fasern sowie die modifizierende Wirkung der Faserverbesserungsstoffe. Die Art der Faserverbesserungsstoffe ist vom Einsatzgebiet der Faserstoffe abhängig. Die Anzahl der geeigneten Stoffe ist deshalb sehr groß. Als Faserverbesserungsstoffe sind z. B. Weichbraunkohlen, Schwarztorf, mit Wasser angemaischte Zement-Löschkalk-, Gips- und/oder Aschebreie, Säuren, Salzlösungen, Peche, Bitumina, Wachse, Harze, Leime sowie eine große Anzahl an stärke-, zucker- und/oder eiweißreichen Naturstoffen geeignet.
Das Aufschlussgut wird aus der Flachmatrizen-Pelletpresse als ein mehr oder weniger stark verklebtes Gut mit hohem Wassergehalt ausgetragen. Das Austragsgut kann z. B. als Faserstoff für die Herstellung von Silagen, als voraufgeschlossener Futterstoff oder für die Herstellung von Faserwerkstoffen nach dem nassen Heißpressverfahren direkt genutzt werden. Bei anderen Anwendungsfällen ist eine Nachbehandlung durch Trocknung und/oder durch auflockernd wirkende Zerkleinerung erforderlich. Durch die Trocknung wird der für die Weiterverarbeitung des Faserstoffes erforderliche Endwassergehalt eingestellt. Des Weiteren werden durch die Aufheizung des Gutes bei der Trocknung sowie durch den Wasserentzug viele wichtige Reaktionen zwischen dem Faserstoff und den Faserverbesserungsstoffen und/oder in dem Faserverbesserungsstoff ausgelöst oder verstärkt und abgeschlossen. Durch die auflockernd wirkende Zerkleinerung werden Verklebungen, Zwickelbrücken und formschlüssige Verbindungen zwischen den Fasern aufgelöst. Bei der Trocknung des erfindungsgemäß behandelten Materials tritt der Vorteil auf, dass z.B. Holz nach der mechanischen Bearbeitung schneller trocknet, da das Wasser nicht mehr in Zellen eingeschlossen ist.
Für die auflockernd wirkende Nachzerkleinerung sind z. B. mechanische Wirbelmischer, Scheibenmühlen, Stiftmühlen, Schlagplattenmühlen und Schlägermühlen mit einem oder zwei Rotoren geeignet. Für die Trocknung sind z. B. Konvektionstrockner mit mechanischen Auflockerungselementen am besten geeignet.
Durch das beschriebene Aufschlussverfahren entstehen hochwertige Faserstoffe mit flexibel einstellbaren Eigenschaften, wie z. B. hohes Bindevermögen, hohe Trocknungsgeschwindigkeit, verbesserte Verdauungseigenschaften, hohe Wasserbeständigkeit, wahlweise hohe Resistenz gegen biologischen Abbau oder Beschleunigung der mikrobiologischen Umwandlungsreaktionen, hohe Mischungsstabilität, verbesserte Kompressionseigenschaften durch Verringerung des Verdichtungswiderstande und durch Reduzierung der elastischen Rückexpansion nach der Pressdruckentlastung, Umwandlung von hydrophilen zu hydrophoben Stoffen, hohe Strukturfestigkeit, geringen Leimbedarf, Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit, u. a. m. Aus den Faserstoffen können z. B. selbst dann hochwertige Faserwerkstoffe hergestellt werden, wenn die Feinheit der Faserstoffe geringer als bei der Verwendung von konventionellen Refinerfaserstoffen ist.
Das neue Aufschlussverfahren für die Herstellung von Faserstoffen aus Lignozellulosen zeichnet sich zusätzlich zu den schon benannten Vorteilen im Vergleich zu den anderen Zerfaserungsverfahren durch niedrigen Elektroenergiebedarf von ≤50 %, niedrigen Bedarf an Wärmeenergie, geringe Anzahl an Prozessstufen und durch keinen Anfall von belastetem Abwasser durch den Wegfall der Druckkochung vor dem Aufschlussprozess aus.
Weitere Vorteile des Verfahrens sind die Robustheit der Flachmatrizen-Pelletpresse gegenüber harten Fremdstoffen. Der Maschinenverschleiß ist niedrig, weil bei der Gutbeanspruchung durch rotierende Presswalzen der Verschleiß durch Reibung gering ist. Die Fremdstoffe werden durch die Presswalzen entweder zerdrückt oder ausgetragen, weil die Presswalzen bei Überbelastung nach oben ausweichen. Das Verfahren ist für die Herstellung von Faserstoffen aus rezenten und/oder fossilen Lignozellulosen in Form von Braunkohlenxylit oder Faserstoff geeignet.
Die Beifügung und Vermischung der Lignozellulosen bzw. der Lignozellulosen enthaltenden Materialien mit den geeigneten Faserverbesserungsstoffen kann in Form von Lösungen, Flüssigkeiten und/oder dispergierten Feststoffen in dem vom Anwendungsfall der Faserstoffe abhängigen Masseverhältnis und einer Wasserzuführung, damit insgesamt ein oberflächenfeuchtes Mischgut entsteht, erfolgen.
Die veredelnde Wirkung der Faserverbesserungsstoffe kann durch physikalische und/oder chemische Reaktionen zwischen den neu entstehenden Fasern und dem Faserverbesserungsstoffen bzw. zwischen Inhaltsstoffen beider Aufgabegüter, durch Reaktionen in den Faserverbesserungsstoffen sowie durch das partielle Ausfüllen von Porenvolumina in den Fasern realisiert werden.
Durch die flexible Einstellung der Aufschlussbedingungen und durch die Art und den Anteil der Faserverbesserungsstoffe können hochwertige Faserstoffe mit den jeweils erforderlichen Eigenschaften wie z. B. verbesserten Trocknungs- und/oder Verdauungs- und/oder Binde- und/oder Kompressionseigenschaften und/oder mit hoher Mischungsstabilität und/oder je nach Bedarf mit hoher Resistenz gegenüber biologischem Abbau bzw. mit verbesserten Eigenschaften für schnelle mikrobiologische Umwandlungsreaktionen erzeugt werden.
Vorteilhafterweise wird eine Pelletpresse verwendet, bei der die Kollerrollen nicht nur auf der Matrize abrollen, sondern mit einem eigenen Antrieb versehen sind. Dieser kann über den Antrieb der Drehbewegung (Königswelle) oder über eigene Antriebsmotoren erfolgen.
Der Austrag des Aufschlussgutes aus der Flachmatrizen-Pelletpresse kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform nicht nur durch die Löcher in der Matrize erfolgen, sondern auch über den Rand der Flachmatrizenpresse, die dort zweckmäßigerweise mit einem Randwehr versehen ist.
Als Flachmatrize wird eine solche mit einer von der zu erzielenden Faserqualität abhängigen Lochgeometrie hinsichtlich Format, Öffnungsweite, Lochabstand und Lochkanallängsgeometrie sowie mit einer Matrizenstärke gewählt, die eine intensive Wälzdruckverdichtung ohne Schädigung der Fasern, hohe Durchsatzleitungen und den Gutaustrag im lockeren Zustand ohne Bildung fester Pellets gestattet
Die Faserverbesserungsstoffe werden vorteilhafterweise einzeln oder zu mehreren zugleich aus den folgenden Materialien ausgewählt:

a) 5 bis 60 Gew.-% Weichbraunkohlen mit lagerstättenabhängigen Sättigungswassergehalten von 50 bis 60 %
b) 10 bis 40 Gew.-% Zement (trocken) nach Befeuchtung zu Mörtel
c) 1 bis 40 Gew.-% Löschkalk (trocken) nach Befeuchtung zu Mörtel
d) 5 bis 40 Gew.-% Gips (trocken) nach Befeuchtung zu Mörtel
e) 5 bis 50 Gew.-% Kraftwerksfilteraschen (trocken) nach Nassaufschlussmahlung zu einer Mörtelmasse
f) 5 bis 60 Gew.-% Magerquark oder quarkreiche Veredlungsprodukte
g) 5 bis 25 Gew.-% eiweißreiche Extraktionsschrote von Ölsaaten (trocken) nach Nassaufschlussvermahlung zu einer feindispersen Masse und/oder durch Kochen der breiigen Masse
h) 3 bis 15 % Gew.-% Stärke bzw. stärkereiche Rohstoffe (trocken) nach Aufschluss zu Kleistern oder nach Dünnkochung
i) 1 bis 15 % Gew.-% Zucker oder zuckerreiche Rohstoffe nach Auflösung
j) 1 bis 15 Gew.-% natürliche oder synthetische Leime
k) 0,5 bis 10 Gew.-% Paraffine und/oder Bitumina, Peche, Wachse, Harze nach ihrer Verflüssigung
l) Feinkörnige oder flüssige Nährstoffe, Mineralsalze und/oder Vitamine in Art und Menge nach dem Bedarf des Anwendungsfalles
m) Salz zur Herstellung von Faserstoffen für Silagen
n) 1 bis 20 Gew.-% Säuren und/oder Salze mit konservierender Wirkung
o) Düngestoffe hinsichtlich Anteil und Art nach Bedarf des Einsatzgebietes
p) Ton- und Lehmmineralien in vom Anwendungsfall abhängigen Anteilen.

Zweckmäßigerweise werden zur Weiterverarbeitung die aus der Flachmatrizen-Pelletpresse ausgetragenen feuchten und verklebten Faserstoffe durch Lagerung und/oder Trocknung und/oder auflockernd wirkende Zerkleinerung zu einem Faserstoff mit watteähnlicher Struktur verarbeitet. Dabei können für die auflockernde Zerkleinerung des verklebten Faserstoffes zu einem Faserstoff mit watteähnlicher Struktur nach einer Vortrocknung auf Feuchtegehalte von w ≤50 % mechanische Wirbelmischer, Scheibenmühlen, Stiftmühlen, Schlagnasenmühlen, Schlagplattenmühlen oder Schlägermühlen mit einem bzw. mit zwei Rotoren eingesetzt werden. Die Trocknung und Auflockerung des Faserstoffes kann gleichzeitig z. B. mit Trocknern durchgeführt werden, die mit mechanischen Auflockerungseinrichtungen ausgerüstet sind.
Das so erzeugte Material kann mit geringerem Energieverbrauch getrocknet werden, da die Ausgangsfeuchte geringer ist als bei der Verwendung von Refinern. Der Faserstoff kann dann verpresst werden, insbesondere zu Pellets, Strängen, Platten oder dergleichen. Das so erzeugte Produkt kann dann vielfältig je nach Zusammensetzung verwendet werden. Anwendungsmöglichkeiten sind z.B. Werk- und Dämmstoffe, Baumaterialien, Bewehrungs- oder Füllstoffe, Kartonagen, Porenbildner oder Brennstoffe.
Je nach Anwendung können Pelletpressen mit glatten oder profilierten (geriffelten) Oberflächen der Kollerrollen und/oder Matrizen verwendet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die folgenden Eigenschaften erreicht bzw. eingestellt werden:

Feinheit und Länge der Fasern sind variabel einstellbar
die Intensität der Verdichtung des inneren Porenvolumens
stärkere oder verminderte Hygroskopizität (Wasseraufnahmevermögen) der Faserstoffe
Resistenz der Faserstoffe gegen Abbau durch Mikroorganismen
Adhäsionseigenschaften der Faseroberflächen gegenüber Leimen oder anderen Bindestoffen können nach Bedarf eingestellt werden
Besonders gute Kompressionseigenschaften der Faserstoffe z. B bei der Pressverdichtung zu Werkstoffen (geringer Widerstand der Fasern bei der Pressverdichtung und keine Rückexpansion nach der Pressverdichtung)
Hohe Stabilität von Mischungen (keine Entmischung z. B. bei Faserstoffen, die als Futterstoffe verwendet werden). Feste Einbindung von z. B. Vitaminen, Mineralien, Schroten, Mehlen, Salzen in die Fasern
Beschleunigung des Silierprozesses (Zerfaserung der Lignozellulosen bei Zugabe von Salz und evtl. anderen Hilfsstoffen)
Deutliche Verbesserung der Trocknungseigenschaften gegenüber Spänen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäß verwendeten Pelletpresse; und
Fig. 2: eine Draufsicht in Richtung des Zylinderachse der Kollerrolle der Pelletpresse der Fig. 1.

In Fig. 1 ist das Prinzip einer Pelletpresse gezeigt, bei der auf einer Flachmatrize 1 Kollerrollen 2 abrollen, die in Richtung des Pfeils 3 mit einer Druckkraft beaufschlagt werden. Die Kollerrollen 2 werden dabei durch die Drehung der Königswelle 9 in Richtung des Pfeiles 4 auf der Matrize 1 abgerollt. Das Gut 7 wird in Richtung der Pfeile 6 aufgegeben, durch Bohrungen der Matrize 1 gedrückt, tritt an der Unterseite derselben aus und wird durch einen Abschneider 5 zerteilt. Im Unterschied zum normalen Betrieb einer Pelletpresse kann ein Teil des Gutes bei 8 auch über ein Randwehr über den Rand der Matrize 1 austreten.
In Fig. 2 sind die Bohrungen 10 der Matrize 1 gezeigt, durch die das Material 7 gedrückt wird. Die Pressnaht 12 bezeichnet die Stelle, an der die Kollerrolle 2 die Matrize 1 berührt bzw. derselben am nächsten kommt. Das Material weicht hier in Richtung der Pfeile 11 von der Pressnaht 12 nach außen aus, soweit es nicht durch die Bohrungen 10 gedrückt wird, was die intensive Scherbeanspruchung des Materials bewirkt.

Beispiel 1

Herstellung des Aufgabegutes für den Aufschlussprozess durch Vermischen von 60 Gew.-% Holzhackschnitzel aus Fichtenholz mit einem Sättigungswassergehalt von w = 58 % und 40 Gew.-% Weichbraunkohle mit einer Körnung von 0 - 20 mm und einem Sättigungswassergehalt von w = 54 %. Weitere Befeuchtung des Rohstoffgemisches bei der Vermischung im Eirichmischer mit Wasser bis zum Erreichen des stark oberflächenfeuchten Zustandes des Mischgutes von w = 62 %. Aufschluss des Mischgutes mit einer Flachmatrizen-Pelletpresse, die mit einer Flachmatritze mit 4 mm-Rundlöchern und einer Stärke von 20 mm bestückt ist. Die Rundlöcher in der Matrize haben zueinander einen äquidistanten Abstand von 4 mm. Der Lochkanal hat im oberen Teil eine Zylinderlänge von 5 mm. Danach erweitert sich der Kanal auf einen Durchmesser von 6 mm. Die Rundlöcher sind oberseitig nicht eingefräst. Der Druck in der Hydraulikanlage beträgt bis zu 200 bar. Durch den Aufschlussprozess in der Flachmatrizen-Pelletpresse entsteht ein Faserstoff, der als verklebte Masse ohne Pelletbildung durch die Löcher der Flachmatrize ausgetragen wird. Das Aufschlussgut wird bis zum oberflächenfeuchten Zustand auf Wassergehalte von etwa w≈45 bis 50 % vorgetrocknet und danach mit einer Schlagnasenmühle mit einem 4 mm-Austragssieb aus Conidurblech zu einem lockeren Faserstoff mit watteähnlicher Struktur dispergiert. Nach der Resttrocknung des Faserstoffes auf einen Wassergehalt von w = 10 % steht ein Feinfaserstoff zur Verfügung, dessen Fasern aus einem irreversiblen Verbund von Holz und Weichbraunkohle besteht. Die neuen Holz/Kohle-Fasern zeichnen sich durch sehr gute Kompressions- und Bindeeigenschaften sowie durch hohe Resistenz gegenüber Mikro- und Makroorganismen aus. Die Fasern sind im Gegensatz zu reinen Holzfasern hydrophob. Der Holz/Kohle-Faserstoff schwimmt im Gegensatz zu Refinerfaserstoff mindestens 4 Monate auf dem Wasser. Bei der Verarbeitung zu Faserwerkstoffen entstehen feste und wasserbeständige Endprodukte.

Beispiel 2

Vermischung von 75 Gew.-% Holzspänen mit Spanlängen von 5 bis 20 mm und mit einem Sättigungswassergehalt von w = 54 % und 25 Gew.-% Zement (trocken) nach dessen Befeuchtung zu Mörtel mit einem Eirichmischer bei gleichzeitiger Zuführung von Wasser bis zur Einstellung des oberflächenfeuchten Zustandes des Mischgutes von w = 61 %. Aufschluss des Mischgutes mit einer Flachmatrizen-Pelletpresse unter den im Beispiel 1 benannten Bedingungen. 7 Tage Lagerung des feuchten Faserstoffes zum Abbinden des Zementes in den Fasern. Auflockerung des verklebten Faserstoffes mit einer Schlagnasenmühle mit 4 mm-Conidur-Austragssieb und Resttrocknung des Faserstoffes auf w = 20 % für die Herstellung von leimgebundenen Faserwerkstoffen.

Beispiel 3

Vermischung von 70 Gew.-% Holzhackschnitzeln mit einem Sättigungswassergehalt von w = 57 % und 30 Gew.-% gehäckseltem und befeuchtetem Rapsstroh mit einem Sättigungswassergehalt von w = 68 %. Das Rapsstroh ist selbst eine Lignozellulose, es wirkt hier aber auch als Faserverbesserungsstoff. Aufschluss des Mischgutes mit einer Flachmatrizen-Pelletpresse unter den in Beispiel 1 benannten Bedingungen. Auflockerung des leicht verklebten Faserstoffes mit einem mechanischen Wirbelmischer. Aus dem feuchten Faserstoff entstehen bei Zusatz von nur 4 Gew.-% Harnstoff-Formaldehyd-Leim nach feuchten Heißpressverfahren mit Formtemperaturen von 180 bis 200°C besonders feste Werkstoffe, weil der Faserstoff durch die modifizierende Wirkung des Rapsstrohes ein hohes Eigenbindungsvermögen erlangt hat.

Beispiel 4

Gehäckselte Maispflanzen im Mischreifezustand mit einem Wassergehalt von w = 59 % und einem geringen Anteil Steinsalz (trocken) in aufgelöster Form werden vermischt. Gleichzeitig wird durch die Zumischung von Wasser der oberflächenfeuchte Zustand des Mischgutes mit w = 68 % eingestellt. Durch den Aufschluss mit der Flachmatrizen-Pelletpresse, die mit einer Matrize mit 15 mm-Rundlöchern bestückt ist, entsteht ein Faserstoff, der schneller durchgängig siliert und wegen des intensiven Aufschlusses der groben Maisstängel einen höheren Verdauungswert hat.

Beispiel 5

98 Gew.-% Holzhackschnitzel mit einem Wassergehalt von w = 45 % und 2 Gew.-% Löschkalk (trocken), der zuvor in Wasser aufgelöst und dispergiert wird, werden vermischt. Durch zusätzliche Befeuchtung wird der oberflächenfeuchte Zustand von w = 61 % eingestellt. Die Löschkalklösung verstärkt durch seine alkalische Wirkung den Aufschluss des Holzes zu einem Faserstoff. Außerdem reagieren die Ca-Ionen während des Aufschlusses mit Holzinhaltsstoffen. Durch den Aufschluss der löschkalkhaltigen Holzhackschnitzel mit der Flachmatrizen-Pelletpresse, die mit einer Matrize mit 6 mm-Rundlöchern belegt ist, entsteht ein Faserstoff, der schnell trocknet. Die Trocknungsdauer verkürzt sich im Vergleich zu Holzspänen mit ähnlicher Spanlänge um 40 %. Der Faserstoff zeichnet sich zudem durch sehr gute Pelletiereigenschaften aus und die daraus hergestellten Pellets verbrennen besonders emissionsarm, weil die Pellets eine höhere Feuerstandfestigkeit haben und der Löschkalk als Additiv wirksam wird.

Beispiel 6

40 Gew.-% gehäckseltes Weizenstroh mit einem Wassergehalt von w = 18 % und 60 Gew.-% von den Zuckerrüben abgeköpfte Rübenblätter mit einem Wassergehalt von w = 76 % werden vermischt. Durch den Aufschluss des Mischgutes mit der Flachmatrizen-Pelletpresse unter den in Beispiel 1 benannten Prozessbedingungen entsteht unter der anhaltend einwirkenden Wälzdruckbeanspruchung ein oberflächenfeuchtes zerfasertes Aufschlussgut. Die breiartige Masse, die aus den Rübenblättern entsteht, durchdringt die Strohfasern und wird von diesen vollständig ohne Absonderung von Flüssigkeit absorbiert. Es entsteht ein Stroh/Rübenblatt-Faserstoff, der schnell und ohne Ausbildung von Wassergehaltsspannen trocknet und gute Pelletiereigenschaften besitzt. Die Pellets sind ein hochwertiges und lagerfähiges Futtermittel.

Claims

Verfahren zum Aufschluss von Lignozellulosen enthaltenden Materialien zu Faserstoffen, wobei die Lignozellulosen enthaltenden Materialien im Gemisch mit Faserverbesserungsstoffen im oberflächenfeuchten Zustand, in dem der Wassergehalt ungefähr 5-15 % größer ist als der Sättigungswassergehalt, in einer Flachmatrizen-Pelletpresse durch Kollerrollen (2) mit einstellbarem Wälzdruck beaufschlagt werden, wodurch -unterstützt durch die Feuchtigkeit im Inneren der Poren des Fasermaterials- die Faserverbesserungsstoffe in das Innere des Fasermaterials eindringen und dort reagieren, wobei dann anschließend das aufgeschlossene und veredelte Material (7) durch die Bohrungen (10) der Flachmatrize (1) gedrückt wird, so dass die Faserverbesserungsstoffe den Fasern durch physikalische und/oder chemische Reaktionen sowie durch partielles Auffüllen von innerem Porenvolumen verbesserte Eigenschaften für die Verwendung als Werk-, Dämm, Bewehrungs- oder Füllstoff verleihen.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aufschluss des oberflächenfeuchten Materials durch eine hinsichtlich Intensität und Einwirkdauer gezielt einstellbare Wälzdruckbeanspruchung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollerrollen (2) und/oder die Matrize (1) der Flachmatrizenpresse durch einstellbare Federkraft beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollerrollen (2) und/oder die Matrize (1) der Flachmatrizenpresse durch einstellbaren Hydraulikdruck beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Vorzerkleinerung der ausgewählten rezenten und/oder fossilen Lignozellulosen auf eine Partikelgröße von ≤200 mm und vorzugsweise ≤50 mm sowie, falls erforderlich, Befeuchtung der Rohstoffe bis zum Erreichen der rohstoffspezifischen Sättigungswassergehalts.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pelletpresse mit Kollerrollen (2) verwendet wird, die angetrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrag des Aufschlussgutes aus der Flachmatrizen-Pelletpresse nicht nur durch die Löcher in der Matrize (1) erfolgt, sondern zusätzlich über ein Randwehr.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Faserverbesserungsstoffe verwendet werden, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind:
a. 5 bis 60 Gew.-% Weichbraunkohlen mit lagerstättenabhängigen Sättigungswassergehalten von 50 bis 60 %

b. 10 bis 40 Gew.-% Zement (trocken) nach Befeuchtung zu Mörtel

c. 1 bis 40 Gew.-% Löschkalk (trocken) nach Befeuchtung zu Mörtel

d. 5 bis 40 Gew.-% Gips (trocken) nach Befeuchtung zu Mörtel

e. 5 bis 50 Gew.-% Kraftwerksfilteraschen (trocken) nach Nassaufschlussmahlung zu einer Mörtelmasse

f. 5 bis 60 Gew.-% Magerquark oder quarkreiche Veredlungsprodukte

g. 5 bis 25 Gew.-% eiweißreiche Extraktionsschrote von Ölsaaten (trocken) nach Nassaufschlussvermahlung zu einer feindispersen Masse und/oder durch Kochen der breiigen Masse

h. 3 bis 15 Gew.-% Stärke bzw. stärkereiche Rohstoffe (trocken) nach Aufschluss zu Kleistern oder nach Dünnkochung

i. 1 bis 15 % Gew.-% Zucker oder zuckerreiche Rohstoffe nach Auflösung

j. 1 bis 15 Gew.-% natürliche oder synthetische Leime

k. 0,5 bis 10 Gew.-% Paraffine und/oder Bitumina, Peche, Wachse, Harze nach ihrer Verflüssigung

l. feinkörnige oder flüssige Nährstoffe, Mineralsalze und/oder Vitamine in Art und Menge nach dem Bedarf des Anwendungsfalls

m. Salz zur Herstellung von Faserstoffen für Silagen

n. 1 bis 20 Gew.-% Säuren und/oder Salze mit konservierender Wirkung

o. Düngestoffe hinsichtlich Anteil und Art nach Bedarf des Einsatzgebietes

p. Ton- und Lehmmineralien in vom Anwendungsfall abhängigen Anteilen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Nachbehandlung des aus der Flachmatrizen-Pelletpresse ausgetragenen feuchten und verklebten Faserstoffes durch Lagerung und/oder Trocknung und/oder auflockernd wirkende Zerkleinerung.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die auflockernde Zerkleinerung des verklebten Faserstoffes zu einem Faserstoff mit watteähnlicher Struktur nach einer Vortrocknung auf Feuchtegehalte von w ≤50 % mechanische Wirbelmischer, Scheibenmühlen, Stiftmühlen, Schlagnasenmühlen, Schlagplattenmühlen oder Schlägermühlen mit einem bzw. mit zwei Rotoren eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung und Auflockerung des Faserstoffes gleichzeitig z. B. mit Trocknern durchgeführt werden, die mit mechanischen Auflockerungseinrichtungen ausgerüstet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dass der Faserstoff verpresst wird, insbesondere zu Pellets, Strängen, Platten oder dergleichen.