FI121629B - Menetelmä mekaanisen massan valmistamiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä mekaanisen massan valmistamiseksi

Keksintö kohdistuu menetelmään mekaanisen massan valmistamiseksi, jossa kuituraaka-aineen partikkeleita muokataan kuitujen irrottamiseksi siten, että 5 kuituraaka-ainetta puristetaan kokoon samalla kun sitä hierretään kuitujen pääasiallisesta suunnasta poikkeavassa suunnassa.

Mekaanista massaa valmistetaan teollisesti hiomalla tai hiertämällä puuraaka-aineesta. Hionnassa kokonaisia puita painetaan pyörivää lieriöpintaa vasten, 10 jonka pintarakenne on muodostettu sellaiseksi, että se irrottaa kuituja puusta. Saatu massa poistuu jauhimesta suihkuvesien mukana lajitteluun, ja rejekti jauhetaan levyjauhimen avulla. Tällä menetelmällä tuotetaan lyhytkuituista, valoa hyvin sirottavaa massaa. Tyypillisenä esimerkkinä hiontaprosessista voidaan mainita US-patentti 4381217. Hierteen valmistuksessa lähtöaineena on puu-15 hake, joka ohjataan levyjauhimen keskustaan, josta se keskipakovoiman ja höy-ryvirtauksen vaikutuksesta kulkeutuu levyn pinnassa olevien terien pienentämänä jauhimen kehälle. Tyypillisesti tässä prosessissa tarvitaan useampi-vaiheinen jauhatus valmiin massan saamiseksi. Prosessissa erottunut karkea jae voidaan ohjata ns. rejektijauhatukseen. Edellä kuvattuun hiokkeeseen ver-20 rattuna menetelmällä saadaan pitkäkuituisempaa massaa. Hiertoprosesseja on esitetty mm. julkaisuissa WO-9850623, US-4421595 ja US-7237733

Molemmille mekaanisen massan valmistusmenetelmille on ominaista korkea energiankulutus. Esimerkiksi hiokkeen valmistuksessa energiankulutus LWC-25 paperin massaa varten on noin 2 MWh/tonni, minkä lisäksi lyhytkuituisuudesta ^ johtuen tarvitaan vielä rakennetta lujittavaa kemiallista kuitua paperiradan riittä- vän ajettavuuden saavuttamiseksi. Hierteen valmistuksessa tyypillinen ener- C\| 7 giankulutus on LWC-paperimassalle noin 3 MWh/tonni. Tällä menetelmällä saadun tuotteen pitkäkuituisuudesta johtuen paperin rakenteen lujittamiseen ei g 30 välttämättä tarvita kemiallista massaa.

CL

O

m Maissa, joissa on vahva metsäteollisuus, voi mekaanisen massan valmistus m § muodostaa merkittävän osan teollisuuden kokonaisenergiatarpeesta, ja se voi ™ vaikuttaa jopa maan energiapoliittisiin ratkaisuihin. Kuidutusprosessin ener- 35 giaintensiivisyydestä johtuen keinot, joilla vähennetään tuotetonnia kohti tarvit- 2 tavaa energiaa vaikka vain muutamalla prosentilla saattavat johtaa huomattaviin säästöihin tuotantokustannuksista.

Tämä keksintö kohdistuu juuri hierteen valmistusprosessin, jossa prosessiin 5 syötettävä kuituraaka-aine on partikkelimuodossa, esimerkiksi puuhaketta tai vastaavaa, ja sitä jauhetaan saattamalla se teräväliin, jossa liikkuvien pintojen muokkaustyö hienontaa sitä ja irrottaa siitä kuituja. On havaittu, että perinteisen hiertämisen suuri energiankulutus johtuu elastisen työn suuresta osuudesta ja paksuseinäisten kuitujen ohentamistarpeesta ja taipuisuuden lisäämistarpeesta. 10 Elastisen työn suuri osuus juontaa juurensa puumateriaalin kokoonpuristuvuudesta ja siitä, ettei esimerkiksi levyjauhimessa kuituihin voida kohdistaa tarpeeksi suurta puristusta terien kontaktivaaran takia. Tyypillisesti teräväli on tällaisessa jauhatuksessa alimmillaan noin 0,2 mm, mikä vastaa 5-10 kuidun paksuutta.

15

Lisäksi nykyisin käytössä olevissa levyjauhimissa kuitujen viipymä jauhatus-vyöhykkeellä jää liian lyhyeksi jauhimen suuren keskipakovoiman ja kehittyvän höyryn ansiosta, minkä johdosta massaa joudutaan lajittelemaan ja jälkijauha-maan kaksivaiheisenkin jauhatuksen jälkeen riittävien laatuominaisuuksien ta-20 kaamiseksi.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa em. epäkohdat ja esittää menetelmä ja laitteisto, joilla saavutetaan energiasäästöjä hierteen valmistuksessa samat massan laatuominaisuudet säilyttäen, ja samaan paperin sileyteen voidaan 25 päästä 25 % alemmalla energiankulutuksella, jopa alhaisempaankin energian-° kulutukseen jos olosuhteet optimoidaan.

(M

C\] v Näiden tavoitteiden toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on pää- asiallisesti tunnusomaista se, että puristuskohtaan syötettävien kuituraaka-£ 30 ainepartikkelien paksuus puristussuunnassa on 2-6 mm.

CL

O

ro Kun kuitumateriaalia olevaan kappaleeseen, esimerkiksi puukappaleeseen, LT) § kohdistetaan kokoonpuristuksen kanssa samanaikaisesti hiertoa kuituihin näh- ° den poikittain saadaan jauhimen terävälin suorittama työ tehokkaammaksi kui- 35 tuja irrottavaksi ja litistäväksi työksi, eikä työtä tuhlaudu kuitumateriaalin elasti-sesti palautuvaan muodonmuutokseen. Tämä käsittely suoritetaan jossakin vai- 3 heessa partikkelien käsittelyä, kun hakkeesta tai vastaavasta valmistetaan massaa paperinvalmistusta varten. Tähän prosessiin voidaan syöttää sopivan-kokoisia kuitumateriaalin partikkeleita, jotka on mahdollisesti pienennetty suurempikokoisesta raaka-aineesta, esimerkiksi teollisuushakkeesta, mekaanisella 5 menetelmällä, joka ei vie paljon energiaa. Samoin em. ’’puristushiertoprosessin” jälkeen voidaan hierretylle materiaalille suorittaa lopuksi korkeasakeusjauhatus sopivaan freeness-tasoon pääsemiseksi. Kaikkien mahdollisten käsittelyvaiheiden yhteenlaskettu energiankulutus valmista massatonnia kohti on kuitenkin pienempi kuin perinteisellä samankokoista lähtöraaka-ainetta (haketta) käyttä-10 väliä hiertomenetelmällä.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 15 kuva 1 esittää keksinnön periaatetta kuitumateriaalia muokkaavia pintoja vastaan kohtisuorassa suunnassa, kuva 2 esittää samaa pintojen suunnassa, ja kuva 3 esittää laitteistoa, jolla keksinnön edut on voitu todentaa.

20 Tässä selityksessä terävälillä tarkoitetaan kahden vastapäisen, toisiinsa nähden liikkuvan pinnan muodostamaa kitaa. Tällaiset terävälit toistuvat sopivimmin useita kertoja kuitumateriaalin kulkeutumissuunnassa, jolloin sama materiaali joutuu toistuvasti terävälissä tapahtuvaan muokkaukseen. Kuitumateriaalin kul-keutumissuunta on likimain sama kuin kuitujen suunta Tässä muokkauksessa 25 kuitumateraaliin kohdistuu terävälissä samanaikaisesti sekä kokoonpuristavaa ^ voimaa että likimain kuidun kulkusuuntaa ja kokoonpuristavaa voimaa vastaan ^ kohtisuorassa olevaa leikkausvoimaa (hiertoa).

C\l ^ Kuvassa 1 on esitetty muokkaukseen menevä kuitumateriaalin partikkeli 1, joka g 30 voi olla puusta peräisin oleva hakepala, tikku tai vastaava kappale, jossa kuidut

CL

ovat yhdessä ja jossa on havaittavissa tietty kuitusuunta. Partikkeli johdetaan ro kitaan 2, joka muodostuu pinnasta 3 ja pinnasta 4. Liikkuvan pinnan 4 liike-

LO

§ suuntaa on merkitty kirjaimella S. Syöttösuunta vastaa kuvan tapauksessa par- ^ tikkelin 1 kuitusuuntaa. Käytännössä pintojen 3 ja 4 muodostamaan teräväliin 35 menee samanaikaisesti useampia partikkeleita. Samalla kun partikkeli kiilautuu teräväliin ja puristuu kokoon, siihen kohdistuu hiertoa partikkelien syöttösuuntaa 4 ja kokoonpuristussuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa H. Käytännössä tämä saadaan aikaan liikesuunnasta S poikkeavalla toisen pinnan liikekom-ponentilla terävälissä. Liikkuva pinta 4 liikesuunta on kidan 2 avautumissuun-taan, jolloin kuitumateriaalin partikkeli 1 kiilautuu vähitellen kapeammaksi käy-5 vään kitaan ja puristuu kokoon. Kun puhutaan pintojen liikkeestä, on huomattava että molempien pintojen ei tarvitse välttämättä liikkua, vaan sama ilmiö voidaan saada aikaan pintojen suhteellisella liikkeellä.

Kuvassa 1 on kaavamaisesti havainnollistettu, kuinka terävälissä tapahtuva liike 10 levittää kuituja tai kuitukimppuja irralleen partikkelista 1 samalla kun partikkeli menee syvemmälle kitaan 2. Kun partikkeli poistuu kidasta, on se paksuus-suunnassaan litistynyt ja kuidut tai kuitukimput ovat erottuneet siitä hiertosuun-nassa, ollen joko kiinni partikkelissa tai kokonaan irrallaan siitä.

15 Kuvassa 2 on esitetty vastaava tilanne syöttösuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa ja terävälin pintojen suunnassa nähtynä. Partikkeli 1 kiilautuu syöt-tösuunnassaan teräväliin (kitaan 2) litistyen samalla. Kuituja erilleen levittävän ja/tai irrottavan hierron aikaansaava liikekomponentti H on kohtisuorassa kuvan tasoa vastaan. Oleellista on, että menetelmässä ei käytetä leikkaavia särmiä, 20 jotka katkoisivat kuituja, vaan partikkelit 1 pääsevät kokonaisina teräväliin ja vasta sen toisiaan lähenevien pintojen ja toisen pinnan hiertävän liikkeen (liike-komponentin H) vaikutuksesta kappaleessa tapahtuu muodonmuutosta ja kuitujen erkaantumista toisistaan.

25 Kuvassa 2 kapeneva kita muodostuu liikkuvan pinnan 4 kahdesta kulmassa 2 tosiinsa olevasta taso-osiosta. Kapeneva kita voi muodostua myös kaarevasta ^ pinnasta, jota on havainnollistettu katkoviivalla.

(M

^ Teräväli on kapeimmillaan tyypillisesti 0,1 - 0,5 mm, tarkoittaen partikkelin 1 g 30 kokoonpuristumista vastaavaan paksuuteen. Terävälin mitoitus riippuu muo-

CL

kattavien kuitumateriaalipartikkelien 1 paksuudesta ja halutusta puristussuh- oö teestä (paksuus litistymisen jälkeen/alkuperäinen paksuus samassa suunnas- m g sa). Väli on n. 2 -20 % partikkelin alkuperäisestä paksuudesta, edullisesti 3-15 ° %, eli ’’puristussuhde” on 2 - 20 %, edullisesti 3-15 %.

35 5

Kuvassa 3 on esitetty laitteisto, jolla keksinnön teho on voitu todentaa. Suuntaan S pyörivä tasomainen pöytä 3 muodostaa puristushiertovälin ensimmäisen pinnan ja sen suhteen nopeammin samaan suuntaan pyörivä tela 4 puristushiertovälin toisen pinnan. Pöydän pinnan kehänopeus riippuu etäisyydestä sen 5 pyörimisakseliin, ja telojen kartiomuodolla kompensoidaan tätä eroa niin, että telan kehän tangentiaalinopeuden suhde pöydän pinnan tangentiaalinopeuteen pysyy samana eri kohdilla pöydän sädettä R. Pöydän ja telan tangentiaali-nopeuksien ero on n. 30 %. Tela on sijoitettu terävälin tai kidan aikaansaavalle välykselle pöydän pinnalle, jolloin pöydän suoran pinnan ja telan pinnan väliin 10 muodostuu geometrian johdosta viivamainen puristusnippi. Telan pyörimisakseli A ja samalla puristusnippi on kulmassa pöydän säteeseen R nähden, jolloin syntyy em. hiertävä liikekomponentti H. Teloja 4 on useampia pöydän kehällä. Kuvassa 3 on esitetty toisen telan akseli A, joka on kulmassa säteeseen R nähden mutta siten, että liikekomponenti H suuntautuu vastakkaiseen suuntaan 15 kuin edellisen telan 4 kohdalla. Kuvassa 3 ensimmäisen telan 4 akseli on kulmassa niin, että liikekomponentti H suuntautuu ulospäin (pöydän kehälle), ja seuraavan telan akseli on kulmassa vastakkaiseen suuntaan niin, että liikekomponentti H suuntautuu sisäänpäin (pöydän keskustaan). Hiertosuunta H voikin vaihdella peräkkäisissä teräväleissä keksinnön mukaisessa menetelmässä, 20 esimerkiksi vuorotellen, mutta kuitumateriaalia voidaan hiertää myös samaan suuntaan. Nippiviiva voi olla n. 30 asteen kulmassa pöydän säteeseen nähden.

Kuvassa 3 on esitetty myös partikkeleita 1 pöydälle 3 syöttävä syöttökuljetin 5, jonka syöttönopeus on hitaampi kuin pöydän liikenopeus. Pöydän nopeampi 25 liike saa partikkelit 1 orientoitumaan pöydän liikesuuntaan S, jolloin niiden kuitu-2 suunta tulee myös liikesuuntaan S, jossa ne syötetään puristushiertoväleihin.

^ Lisäksi syöttö on järjestetty niin, ettei teräväliin joudu partikkeleita päällekkäin.

CM

Kuvan 3 laitteisto ei ole ainoa mahdollinen keksinnön toteuttamiseksi. Teollisesti; 30 sa toteutuksessa kuituraaka-aineen partikkeleita johdetaan jauhimen roottorin

CL

terien ja staattorin välisiin, roottorin liikesuuntaan avautuviin kitoihin, joissa niitä S samanaikaisesti puristetaan ja hierretään. Tällaisen jauhimen teräväli voi olla m § esimerkiksi kuvassa 2 esitetyn kaltainen. Hierto sivuttaissuunnassa voidaan saada aikaan terävälin vastapäisten pintojen muotoilulla, esimerkiksi staattorin 35 ja/tai roottorin pintojen urituksella, jonka suunta poikkeaa roottorin liikesuun- 6 nasta. Kuvassa 1 on havainnollistettu katkoviivoilla tällaista liikesuunnasta pok-keavaa muotoilua pinnassa 4.

Luonnollisesti voidaan menetelmässä käyttää hyväksi hierteen tavallisesta val-5 mistuksesta tunnettuja muuttujia, kuten lämpötilaa ja höyryn painetta, ja mahdollisesti partikkelien tai niiden lähtöaineena toimivan hakkeen kemiallista esikäsittelyä.

Jos kuitumateriaali on partikkelikooltaan liian suurta, se voidaan pienentää te-10 rillä lohkomalla vähän energiaa vievällä menetelmällä, jossa materiaalia ei hierretä. Partikkelien paksuus (dimensio puristuksen suunnassa) säädetään mieluiten 2-6 mm välille ja leveys (dimensio puristussuuntaa ja kuitujen pääasiallista suuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa) välille 2-6 mm. Lähtöraaka-ai-neen pituus (dimensio kuitujen pääasiallisessa suunnassa) säilytetään ennal-15 laan. Säätämällä paksuus ja leveys sopivalle tasolle puristushierto voidaan kohdistaa kuitumateriaaliin optimaalisesti terävälissä., esimerkiksi kuiduilla on riittävästi tilaa levitä. Lohkominen voidaan suorittaa esimerkiksi veitsimyllyllä, jonne hake syötetään, ja saadusta ’’tikkuhakkeesta” voidaan erottaa kooltaan sopiva fraktio seulalla.

20

Keksinnön mukainen menetelmä voi olla esivaihe kuitumateriaalin jauhatukselle haluttuun laatuun, esimerkiksi oikeaan Freeness-tasoon pääsemiseksi. Menetelmällä saadulle kuitumassalle voidaan suorittaa lopuksi korkeasakeusjauha-tus, esimerkiksi n. 30 % kuiva-ainepitoisuudessa.

25 ^ Laboratoriojauhimella, jossa terävän oli n. 1 mm, voitiin todeta korkeasakeus- ^ jauhatuksessa 30% kuiva-ainepitoisuudessa huomattava energiansäästö, kun C\| 7 syötteenä oli kuvan 3 mukaisella menetelmällä puristushierretty ’’tikkuhake”, joka oli saatu viemällä 4 mm kokoinen tikkuhake neljän peräkkäisen telanipin i 30 läpi. Puristushierretyn tikkuhakkeen kemikäsittelyllä voitiin energiankulutusta

CL

edelleen pienentää. Kun tällaisen puristushiertokäsittelyn energiankulutus on S3 vain 100 kWh/t, on kokonaissäästö edelleen huomattava. Jos lähtöaineena on

LO

§ suurikokoinen teollisuushake, sen pienentäminen lohkomalla vie energiaa ar- ™ vioita vain 50-100 kWh/t, mikä ei myöskään vaikuta ratkaisevasti kokonaisener- 35 giasäästöön, jos vertailukohtana pidetään suurikokoisen hakkeen käsittelyä samaan Freeness-tasoon perinteisillä menetelmillä. Voidaan osoittaa, että käy- 7 tännössä tikkuhakkeen puristushiertokäsittelyllä ja sitä seuraavalla korkea-sakeusjauhatuksella voidaan päästä yli 30 % kokonaisenergiasäästöön CF-freenessissä 70 ml.

5 o δ

(M

(M

h-· x en

CL

O

δ m oo o o

(M

Claims (13)

1. Menetelmä mekaanisen massan valmistamiseksi, jossa kuituraaka-aineen partikkeleita (1) muokataan kuitujen irrottamiseksi siten, että kuituraaka-ainetta 5 puristetaan kokoon samalla kun sitä hierretään kuitujen pääasiallisesta suunnasta poikkeavassa suunnassa (H), tunnettu siitä, että puristuskohtaan syötettävien kuituraaka-ainepartikkelien paksuus puristussuunnassa on 2-6 mm.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että samaa kui-10 turaaka-ainetta puristetaan kokoon ja hierretään samanaikaisesti toistuvasti peräkkäisissä vaiheissa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että partikkeleita muokataan johtamalla ne puristukseen kahden toisiaan lähenevän pin- 15 nan väliin samalla kun pinnoilla aiheutetaan niihin hiertoa partikkeleiden (1) syöttösuunnasta (S) poikkeavassa suunnassa (H).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puristus-kohdassa pinnat liikkuvat eri nopeudella partikkeleiden syöttösuuntaan ja niiden 20 liikesuunnat poikkeavat toisistaan.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että partikkeleita johdetaan liikkuvien pintojen muodostamaan puristusnippiin, jossa niihin aiheutetaan syöttösuunnasta poikkeava sivuttaissuuntainen (H) hiertoliike. 25

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että partikkeleita ^ johdetaan oleellisesti suoran pinnan (3) ja pyörivän elimen (4) muodostamaan C\J V puristusnippiin, jolloin pyörivän elimen akseli (A) on järjestetty kulmaan suoran pinnan liikkeeseen nähden. Ϊ 30 CL

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, oö että puristuskohtaan syötettävien kuituraaka-ainepartikkelien leveys on 2-6 mm. m 00 o <m

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 35 että puristuskohdassa materiaali puristetaan 2 - 20% paksuuteen, edullisesti 3 - 15 % paksuuteen alkuperäisestä.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuituraaka-ainepartikkelit (1) syötetään pääasiallisesti pituussuunnassaan puristukseen. 5

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muokattavat kuituraaka-ainepartikkelit valmistetaan kooltaan suuremmasta hakkeesta pienentämällä, edullisesti terillä lohkomalla.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuituraaka-ainepartikkeleista muokkaamalla saatu kuitumateriaali jälkikäsi-tellään jauhamalla, erityisesti korkeasakeusjauhatuksessa.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että kuituraaka-aineen partikkeleita (1) johdetaan jauhimen roottorin terien ja staattorin välisiin, roottorin liikkeen suuntaan aukeneviin kitoihin (2), joissa ne samanaikaisesti puristuvat ja hiertyvät.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että staattorin 20 ja/tai roottorin pinnat on uritettu niiden liikesuunnasta poikkeavalla muotoilulla. o δ (M i (M h-· x en CL O δ m oo o o (M