SE470555B - Förfarande för tillverkning av mekanisk och kemimekanisk massa med ett utbyte av över 85 % från lignocellulosahaltigt fibermaterial - Google Patents

Description

2 tidningspapper från barrved. I många arbeten, som genomförts under senare tid och som syftat till att försöka sänka elenergi- förbrukningen i TMP-processen, har man kunnat konstatera att den initiala bearbetningsfasen tycks vara helt avgörande för den totala energiförbrukningen i olika processvarianter och för den erhållna massans karaktär. Detta tycks gälla trots att endast en mindre del av den totala elenergiförbrukningen i raffinerings- processen åtgår för själva fiberfriläggningen, dvs omvandlingen från flis till fria enskilda fibrer (även kallad defibrering).

En i sig energieffektiv fiberfriläggning, som har åstad- kommits med en effektiv termisk eller kemisk mjukgöring av flisens ligninrika områden, visar sig dock inte vara någon garanti för att den totala energiförbrukningen blir låg. Det har tvärt om visat sig vara så att TMP-processvarianter som inleds med en mild energisnål fiberfriläggning, ofta kräver en hög total energiinsats.

Orsaken till det beskrivna förhållandet tycks vara att milt frilagda men obearbetade fibrer, erhållna genom att defib- reringen utförts vid temperaturer över vedligninets mjuknings- temperatur, är svåra att fibrillera under den fortsatta bearbet- ningen i raffineringsprocessen. Det senare är nödvändigt för att öka fibrernas flexibilitet till önskad nivå och skapa det fin- material som kännetecknar en god TMP-kvalitet. En intensiv bearbetning under vedligninets mjukningstemperatur initialt och under den fortsatta raffineringsprocessen medför å andra sidan lätt att massans långfiberhalt och därmed styrkeegenskaper försämras. Detta är i många fall oacceptabelt ur kvalitetssyn- punkt. En minskning av energiförbrukningen från en etablerad nivå i TMP-processen har som regel varit förknippad med en försämring av vissa kvalitetsegenskaper hos den erhållna massan t ex lägre långfiberhalt, lägre rivstyrka, lägre dragstyrka och högre spethalt. Dagens höga energiförbrukning i TMP- och CTMP- processen har därför ansetts nödvändig för att åstadkomma de önskade massaegenskaperna.

Det har nu emellertid överraskande visat sig att det går att förena en låg energiförbrukning i en mekanisk eller kemime- kanisk massaframställningsprocess med bibehållna kvalitetsegen- skaper. Föreliggande uppfinning avser således ett förfarande där ff* Öfï Oj fifiïïš 3 den mekaniska bearbetningen, exempelvis raffineríng, sker i minst två steg. Enligt uppfinningen har materialet när det inmatas i det första bearbetningssteget en temperatur som under- stiger ligninets mjukningstemperatur och har när det inmatas i åtminstone ett efterföljande bearbetningssteg en temperatur som överstiger ligninets mjukningstemperatur. I det följande skall uppfinningen beskrivas närmare i anslutning till några lämpliga utföringsformer samt utföringsexempel med tillhörande figurer 1-8.

I en TMP-process enligt uppfinningen sker raffinering i minst två steg. I det första steget matas flisen in i raffinörer med en temperatur som understiger ligninets mjukningstemperatur och bearbetas sedan under relativt intensiva betingelser, t ex i en dubbeldiskraffinör med ett varvtal av minst 1200 rpm eller i en singeldiskraffinör med hög relativhastighet mellan raffinör- skivorna (minst 1800 rpm, lämpligen minst 2400 rpm). Man väljer här att hålla energiinsatsen i det första steget på en så hög nivå att massans långfiberhalt, som bl a ger potentialen för senare styrkeutveckling vid raffineringen, inte avsevärt försäm- ras. Massans freeness (CSF) ska därför efter det första steget vara hög, helst >500 ml. Ett efterföljande raffineringssteg utförs därefter under betingelser där fibermaterialets lignin är väl mjukgjort. Fibermaterialet matas då in i raffinören med en temperatur som är högre än ligninets mjukningstemperatur. I de fall då materialet utgöres av ej kemikaliebehandlad barrved bör temperaturen överstiga 150%, lämpligen över 160% och företrä- desvis över 170%. När materialet är kemikaliebehandlat bör temperaturen överstiga 130%, lämpligen över 150% och företrä- desvis över 160%. Beträffande en övre temperaturgräns bör tempe- raturer över 200% undvikas bl a med hänsyn till mörkfärgning av fibermaterialet. Bearbetningsfrekvensen kan lämpligen vara hög (relativa varvtalet minst 2400 rpm) vid bearbetning av det väl mjukgjorda fibermaterialet, vilket visat sig vara speciellt gynnsamt ur energisynpunkt.

Temperaturdifferensen mellan materialets temperaturer när det inmatas i det första resp ett efterföljande bearbetningssteg bör vara minst 10%, lämpligen 29 och företrädesvis minst 39%. f 'nn n l ' i' ¿Ä!=1 *~Q z i L) \. ' CT! 4 I en process enligt uppfinningen styr man initialt brott och brottanvisningarna i materialet i huvudsak mot icke lignin- rika skikt i fiberväggen. Under den slutliga raffineringen kan man sedan utnyttja det kända faktum att fibermaterial kan sär- skiljas med låga energiinsatser i ligninrika områden vid tempe- raturer över vedligninets mjukningstemperatur. Eftersom man initialt har styrt brotten till icke ligninrika områden undviker man att få ett fibermaterial med enbart lignintäckta fiberytor, som är svåra att fibrillera. Detta har tidigare varit det stora problemet när man försökt utnyttja raffineringstemperaturer över ligninets mjukningstemperatur vid framställning av mekaniska massor för tryckpapper eller kartongprodukter. Finmaterial från områden mellan den initiala brottzonen och fiberns ligninrika mittlamell lösgörs också lätt vid temperaturer över ligninets mjukningstemperatur i det senare raffineringssteget, vilket kan förklara den totalt låga energiförbrukningen till en viss free- ness (CFS) i detta processteg och i processen som helhet enligt uppfinningen. Produktion av finmaterial är annars den mest energikrävande delen av den mekaniska massaprocessen med kon- ventionell teknik.

Exempel Termomekanisk massa från granflis framställdes efter raffinering i två steg i en 20" singeldiskraffinör vid en välut- rustad försöksanläggning. Det första raffineringssteget (defib- reringen) genomfördes efter förvärmning av flisen vid ll5¶2 i ca 3 min dvs vid en temperatur under ligninets mjukningstemperatur.

Raffinören drevs av en 3000-varvsmotor, vilket skulle säkerstäl- la att den initiala defibreringen inte skulle ske under för milda betingelser. Effektinsatsen i det första steget var 640 kWh/t, vilket gav en massa med freeness (CSF) 518 ml. I det andra raffineringssteget varierades betingelserna enligt följan- de tabell: Û *JJ šïš 01 Å 4 Försök Förvärmningstid Raffineringstemp Motorvarvtal min °c*) rum A ca 1 115 ( B ca 1 160 (>Tg) 1500 c ca 1 160 (>Tg) 3000 D ca 1 170 (>Tg) 3000 *) Temperatur vid förvärmning och inmatning i raffinören Effekten av de varierande betingelserna framgår av fig 1-6, där de väsentligaste massaegenskaperna har värderats, och kommenteras enligt följande: Fig. 1 visar freeness som funktion av energiförbrukning.

Där framgår att man genom att utföra andrastegsraffineringen vid temperaturer över ligninets mjukningstemperatur, väsentligt kan sänka energiinsatsen vid raffinering till viss freeness i jäm- förelse med konventionell andrastegsraffinering vid temperaturer under ligninets mjukningstemperatur. (Jfr försök A och B). Ener- gireduktionen blir än större om dessutom varvtalet höjs från 1500 till 3000 rpm. (Jfr försök B med försök C och D).

Fig. 2 visar spethalt som funktion av energiförbrukning.

Där framgår att andrastegsraffinering vid temperaturer över ligninets mjukningstemperatur ger en klart lägre spethalt vid viss energiinsats än raffinering vid en temperatur under ligni- nets mjukningstemperatur. (Jfr försök A med försök B-D). Även här ger det högre varvtalet de mest gynnsamma värdena. Detta visar på ytterligare en fördel vid utnyttjande av uppfinningens betingelser.

Fig. 3 visar långfiberhalt som funktion av freeness. Där framgår att massans långfiberhalt i stort sett kan bevaras ända ner till freenessområdet 150-200 ml trots den kraftiga energire- duktionen vid raffinering enligt uppfinningens betingelser.

Fig. 4 visar rivindex som funktion av freeness. Där framgår att massans rivindex kan bevaras ända ner till freeness- området 150-200 ml trots den stora energireduktionen vid raffi- nering enligt uppfinningens betingelser.

Fig. 5 och 6 visar dragindex resp ljusspridning som funktion av freeness. Där framgår att alla undersökta massor ¿š7 x' i CD (IW (TI CT' 6 utvecklar dragindex resp ljusspridningskoefficient på likartat sätt, när de på konventionellt sätt utvärderas mot freeness.

Parallellt med de beskrivna försöken och som en referens till dem undersöktes också hur energiförbrukning och massakvali- të pâverkas om en raffineringsprocess tvärt emot uppfinningens betingelser startas med ett raffineringssteg, där temperaturen vid inmatning till förstastegsraffinören är högre än ligninets mjukningstemperatur. Även här framställdes den termomekaniska massan från granflis efter raffinering i två steg med singel- diskraffinörer. Det första raffineringssteget genomfördes vid temperaturer över ligninets mjukningstemperatur i samma utrust- ning som användes tidigare i försöket. Betingelserna i det första raffineringssteget samt freeness efter raffinering med viss energiinsats beskrivs i följande tabell: Försök Förvärnningstid Raffineringstenp Motorvartal Energiinsats Freeness min oC*) rn! kWh[ton nl E ca 1 150 (>Tg) 3000 940 450 F aa 1 160 (>mg) 1500 900 580 G aa 1 160 (>mg) 3000 790 415 *) Temperatur vid förvärnning och innatníng i raffinören I ett andra raffineringssteg, som utförs under atmosfä- riska betingelser i en 20"-raffinör dvs vid temperaturer under ligninets mjukningstemperatur, sänktes freeness till ett in- tressant område för tryckpappersmassor. Raffinörens varvtal i detta steg var 1500 rpm.

Effekten av de varierande betingelserna på energiförbruk- ning och ljusspridningsförmåga framgår av fig. 7 och 8 som visar freeness som funktion av energiförbrukning resp ljusspridning som funktion av freeness.

Fig. 7 visar att energiförbrukningen blir betydligt högre när TNF-processen inleds med ett raffineringssteg vid temperatur över ligninets mjukningstemperatur än de vi fick med betingelser enligt uppfinningen. (Jfr fig. 1).

Fig. 8 visar att massans ljusspridningskoefficient blir betydligt lägre när TMP-processen inleds med ett raffinerings- steg vid temperaturer över ligninets mjukningstemperatur än de vi fick med betingelser enligt uppfinningen. (Jfr fig. 6). 7 4?fi aëë Massorna som tillverkats enligt uppfinningen är därför klart mest lämpade för användning som tryckpappersmassor, där just ljusspridningskoefficienten måste vara tillräckligt hög för att man ska nå de eftersökta optiska egenskaperna.

Det beskrivna exemplet visar klart att det med uppfin- ningens betingelser går att tillverka mekaniska massor vid låg energiförbrukning samtidigt som väsentliga egenskaper som spet- halt, långfiberhalt, rivstyrka, dragstyrka och ljusspridning uppfyller högt ställda kvalitetskrav för denna typ av massor.

Energiförbrukningen vid framställning av tidningspapper kan exempelvis reduceras med cirka 40% i förhållande till konventio- nella framställningsmetoder.

I processen enligt uppfinningen kan kemikalietillsats med fördel tillföras efter eller i det första raffineringssteget för att undvika mörkfärgning vid raffinering vid de höga temperatu- rerna över ligninets mjukningstemperatur i efterföljande raffi- neringssteg. Kemikalierna kan även ha en blekande inverkan.

Exempel på sådana kemikalier är natrimsulfit, natriumbisulfit, natriumditionit, peroxid etc.

Enligt uppfinningen kan den initiala bearbetningen förutom i raffinörer även genomföras i slipstol, komprimerande skruv eller annan mekaniskt bearbetande utrustning.

I de fall då en från det bearbetade materialet avskiljd rejektfraktion utsätts för ytterligare mekanisk bearbetning skall detta rejekt med en temperatur över ligninets mjuknings- temperatur inmatas i åtminstone ett efterföljande bearbetnings- steg.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad till de visade utföringsformerna utan kan varieras inom ramen för uppfinnings- tanken.

Claims (10)

ß- ~. __! (ID (f: C ä' fJ-'A 8 Patentkrav

1. Förfarande för tillverkning av mekanisk och kemimekanisk massa med ett utbyte av över 85% från lignocellulosahaltigt fibermaterial för framställning av pappers- eller kartongpro- dukter, varvid förfarandet innefattar mekanisk bearbetning i minst två steg, k ä n n e t e c k n a t av att materialet när det inmatas i det första bearbetningssteget har en temperatur under ligninets mjukningstemperatur och när det inmatas i åt- minstone ett efterföljande bearbetningssteg har en temperatur över ligninets mjukningstemparatur.

2. Förfarande enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att temperaturdifferensen mellan materialets temperaturer när det inmatas i det första steget och när det inmatas åtminstone i ett efterföljande steg är minst lät, lämpligen minst 25%Ioch företrädesvis minst Sšfi.

3. Förfarande enligt kravet 1 eller 2 varvid materialet utgörs av ej kemikaliebehandlad barrved, k ä n n e t e c k - n a t av att materialets temperatur när det inmatas i åtminsto- ne ett efterföljande steg överstiger ISNT, lämpligen över 160 och företrädesvis över 17GT.

4. Förfarande enligt kravet 1 eller 2 varvid materialet är kemikaliebehandlat, k ä n n e t e c k n a t av att materialets temperatur när det inmatas i åtminstone ett efterföljande steg överstiger 135°C, lämpligen 150°C och företrädesvis 160°C.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att den mekaniska bearbetningen i åtminstone ett efterföljande steg utförs medelst raffinör.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att samtliga bearbetningssteg utförs medelst raffinörer. f) v11 V! 9 @?s sas

7. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att en från det mekaniskt bearbetade materia- let avskiljd rejektfraktion med en temperatur över ligninets mjukningstemperatur inmatas i åtminstone ett efterföljande bearbetningssteg.

8. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att första bearbetningssteget genomförs i en dubbeldiskraffinör med ett varvtal av minst 1200 rpm eller i en singeldiskraffinör med ett varvtal av minst 1800 rpm, lämpligen 2400 rpm.

9. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att åtminstone ett efterföljande steg genom- förs i en raffinör med ett relativt varvtal av minst 2400 rpm.

10. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att ljushetsbevarande eller blekande kemikali- er såsom natrimsulfit, natriumbisulfit, natriumditionit, perox- id, etc tillsätts efter eller i det första bearbetningssteget.