DE10115421A1

DE10115421A1 - Verfahren und Aufbereitung von Faserstoff

Info

Publication number: DE10115421A1
Application number: DE10115421A
Authority: DE
Inventors: Joerg Rheims; Klaus Doelle; Ronald Sigl; Oliver Heise; Werner Witek
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-10-02
Also published as: US7179347B2; EP1373633A1; US20040149403A1; CA2442804A1; WO2002079568A1

Abstract

Ein Verfahren zur Aufbereitung von Faserstoff zur Herstellung von Papier oder Karton umfaßt die folgenden Schritte: DOLLAR A a) Bereitstellen von Fasern in Form einer Suspension mit einer vorgebbaren Feststoffkonzentration, DOLLAR A b) Beladen der Fasern mit einem Fällungsprodukt, ohne den Stoff dabei zu mahlen, DOLLAR A c) Mahlen der Fasern nach Abschluß des Beladungsprozesses zur Erhöhung des Mahlgrades und/oder zur Veränderung der Fasereigenschaften und DOLLAR A d) Weiterführen der entsprechend den Schritten a) bis c) behandelten Faserstoffsuspension in Richtung Papiermaschine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Faserstoff zur Herstellung von Papier oder Karton.

Faserstoff zur Herstellung von Papier und Karton wird in der der Papier maschine vorgelagerten Stoffaufbereitung so aufbereitet, daß die ge wünschten Papiereigenschaften, wie z. B. mechanische Eigenschaften, op tische Eigenschaften usw., erreicht werden. Insbesondere die mechani schen Eigenschaften (Festigkeitseigenschaften) werden durch den sog. Mahlgrad der Fasersuspension beeinflußt. Dieser Mahlgrad ist ein Maß dafür, wie leicht sich die Fasersuspension entwässern läßt. Ein bestimm ter Mahlgrad läßt sich durch mehr oder weniger starkes Mahlen der Fa sern in Mahlmaschinen, sog. Refinern, erreichen. Dabei werden die Fasern gekürzt, fibrilliert und gequetscht. Durch diesen Vorgang werden die Fa sern flexibilisiert, und deren spezifische Oberfläche wird erhöht, so daß sich die Anzahl der möglichen Bindungspunkte zwischen den Fasern bei der Blattbildung erhöht. Dies führt zu einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit des aus diesen Fasern hergestellten Papiers bzw. Kartons. Die erforderliche Mahlarbeit verbraucht erhebliche Energiemengen. Abhängig von der Zellstoff- bzw. Faserart, dem Mahlgrad sowie den Mahlparametern sind 120 bis 200 kWh pro Tonne Fasermaterial und mehr notwendig. Es ist bekannt, den Faserstoff vor oder auch nach der direkten Zugabe von üblichen Füllstoffen, wie z. B. Calciumcarbonat, Titandioxid usw., zu mahlen. Hierfür sind die oben genannten hohen Energiemengen aufzu wenden.

Das Beladen mit einem Fällungsprodukt, z. B. Füllstoff, kann beispielswei se durch einen sog. Fiber Loading™-Prozeß erfolgen, wie er u. a. in der US- A-5 223 090 beschrieben ist. Bei einem solchen "Fiber Loading™"-Prozeß wird an die benetzten Faseroberflächen des Fasermaterials wenigstens ein Zusatzstoff, insbesondere Füllstoff, eingelagert. Dabei können die Fasern beispielsweise mit Calciumcarbonat beladen werden. Hierzu wird dem feuchten, desintegrierten Fasermaterial Calciumoxid und/oder Calcium hydroxid so zugesetzt, daß zumindest ein Teil davon sich mit dem im Fa sermaterial vorhandenen Wasser assoziiert. Das so behandelte Fasermate rial wird anschließend mit Kohlendioxid beaufschlagt. Beim aus dieser US-A-5 223 090 bekannten Verfahren kann der "Fiber Loading™"-Prozeß innerhalb eines Reiners stattfinden.

Es ist somit zwar bekannt, den Stoff oder Pulp einem Ladungsprozeß zu unterziehen, mit dem Calciumcarbonat erzeugt wird. Es bleibt jedoch of fen, wie dieser behandelte Stoff bezüglich seiner mechanischen, chemi schen und physikalischen Eigenschaften optimal zu behandeln, d. h. zu "reinen" ist. Es werden auch keinerlei Angaben zum Aspekt der Wirt schaftlichkeit des Mahlprozesses gemacht.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzu geben, das es ermöglicht, die Mahlenergie für Faserstoffe drastisch zu senken, ohne die Eigenschaften des aus diesen Fasern hergestellten Pa pieres wesentlich zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Auf bereitung von Faserstoff zur Herstellung von Papier oder Karton, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) Bereitstellen von Fasern in Form einer Suspension mit einer vor gebbaren Feststoffkonzentration,
b) Beladen der Fasern mit einem Fällungsprodukt, ohne den Stoff dabei zu mahlen,
c) Mahlen der Fasern nach Abschluß des Beladungsprozesses zur Erhöhung des Mahlgrades und/oder zur Veränderung der Faserei genschaften, und
d) Weiterführen der entsprechend den Schritten a) bis c) behandel ten Faserstoffsuspension in Richtung Papiermaschine.

Mit diesem Verfahren kann die Mahlenergie für Faserstoffe unter nahezu vollständiger Aufrechterhaltung der gewünschten Eigenschaften des aus diesen Fasern hergestellten Papieres deutlich gesenkt werden.

Dabei wird im Verfahrensschritt a) die Feststoffkonzentration vorzugswei se in einem Bereich von etwa 25% bis etwa 40%, insbesondere in einem Bereich von etwa 30% bis etwa 40% und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 30% bis etwa 35% gewählt.

Bei dem Fällungsprodukt, mit dem die Fasern im Verfahrensschritt c) be laden werden, kann es sich beispielsweise um Füllstoff handeln. Grund sätzlich sind jedoch auch beliebige andere Fällungsprodukte denkbar.

Beim Beladen der Fasern z. B. mit Füllstoff kann beispielsweise Calcium carbonat (CaCO₃) an die benetzen Faseroberflächen eingelagert werden, indem dem feuchten Fasermaterial Calciumoxid (CaO) und/oder Calcium hydroxid (Ca(OH)₂) zugesetzt wird, wobei zumindest ein Teil davon sich mit dem Wasser der Faserstoffmenge assoziieren kann. Das so behandelte Fasermaterial kann dann mit Kohlendioxid (CO₂) beaufschlagt werden. Überdies kann das entstandene Calciumcarbonat um und zwischen den Fasern eine Suspension bilden.

Der Begriff "benetzte Faseroberflächen" kann alle benetzten Oberflächen der einzelnen Fasern umfassen. Damit ist insbesondere auch der Fall mit erfaßt, bei dem die Fasern sowohl an ihrer Außenfläche als auch in ihrem Innern (Lumen) mit Calciumcarbonat bzw. einem beliebigen anderen Fäl lungsprodukt beladen werden.

Demnach können die Fasern z. B. mit dem Füllstoff Calciumcarbonat be laden werden, wobei die Anlagerung an die benetzten Faseroberflächen durch einen sog. "Fiber Loading™"-Prozeß erfolgt, wie er als solcher in der US-A- 5 223 090 beschrieben ist. In diesem "Fiber Loading™"-Prozeß rea giert z. B. das Kohlendioxid mit dem Calciumhydroxid zu Wasser und Calciumcarbonat.

Zweckmäßigerweise wird die Faserstoffsuspension vor dem Mahlen auf eine Feststoffmassenkonzentration (Faser- und Fällungsproduktmasse bezogen auf das Gesamtvolumen) in einem Bereich von etwa 3% bis etwa 7 %, insbesondere in einem Bereich von etwa 4% bis etwa 6% und vor zugsweise in einem Bereich von etwa 4,5% bis etwa 5,5% verdünnt. Bei diesen Konzentrationen während des Mahlprozesses (low consistency refi ning) werden optimale Festigkeitswerte (Tear- oder Durchreißfestigkeit, Berstfestigkeit, Tensile- oder Zugfestigkeit) der hergestellten Papierbahn erreicht.

Damit ergeben sich auch die optimalen Parameter für die Mahlung von reinem Zellstoff (ohne Füllstoffanteil) zur Erzielung hoher mechanischer Festigkeiten.

Der Mahlprozeß kann in mehreren Schritten erfolgen. Dabei kann die Konzentration der Faserstoffsuspension bei den verschiedenen Mahl schritten unterschiedlich oder auch gleich sein.

In bestimmten Fällen ist es von Vorteil, wenn eine Teilmahlung vor dem Beladen mit Füllstoff erfolgt. Dabei wird vorzugsweise höchstens die Hälfte der Gesamtmahlenergie vor dem Beladungsprozeß zum Mahlen aufgewen det.

Für Papiere, bei denen wenig Fällungs- bzw. Füllstoff erwünscht ist, kann nach dem Mahlen zumindest ein Teil des Fällungsproduktes ausgewa schen werden. Der dafür notwendige Aufwand wird durch die Energieein sparung beim Mahlen zumindest kompensiert.

Optimale Mahlbedingungen lassen sich insbesondere dann erzielen, wenn die Fasern in wenigstens einem Refiner gemahlen werden, dessen Mahlspalt durch strukturierte Oberflächen begrenzt ist, wobei die Fasern in dem Mahlspalt bei einer spezifischen Kantenbelastung der Oberflä chenstrukturen in einem Bereich von etwa 0,5 J/m bis etwa 5 J/m, ins besondere in einem Bereich von etwa 0,5 J/m bis etwa 2 J/m und vor zugsweise im Bereich von 1,5 J/m gemahlen werden. Die spezifische Kantenbelastung ist ein international üblicher Begriff. Sie ergibt sich aus der Division der Netto-Leistung (Watt) durch die sekundliche Gesamtkan tenlänge (m/s).

Die Schnittwinkel der vorzugsweise durch eine jeweilige Zahn- oder Mes sergarnitur gebildeten Oberflächenstrukturen liegen zweckmäßigerweise in einem Bereich von etwa 10° bis etwa 80°, insbesondere in einem Be reich von etwa 40° bis etwa 60° und vorzugsweise im Bereich von 40° bei Kurzfasern und im Bereich von 60° bei Langfasern.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich eine Einsparung von 5 bis 70%, in den meisten Fällen von 20 bis 40% der Mahlenergie, bezogen auf die reine Fasermasse. Die Festigkeiten, optischen Eigenschaften, das spezifische Volumen, die Porosität und die Formation des erzeugten Papie res bleibt erhalten, oder sie werden im Vergleich zur Mahlung von Zellstoff ohne Füllstoff oder mit auf konventionellem Wege direkt zugegebener Füll stoff Calciumcarbonat sogar verbessert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit besonderem Vorteil bei der Herstellung von Papieren mit höheren Füllstoffgehalten anwendbar, da hier der Füllstoff nicht mehr ausgewa schen werden muß.

Es sind insbesondere die folgenden Prozesssequenzen möglich:

- Partielles Refining (Teilmahlung) → "Fiber Loading™" (Beladen mit Füllstoff) → Fertigrefinen (Fertigmahlen)
- Partielles Refinen (Mahlen) → "Fiber Loading™" (Beladen mit Füll stoff) und partielles Refinen (Mahlen) → Fertigrefinen (Mahlen)

Das partielle Refinen vor dem "Fiber Loading™"-Prozeß kann vorzugswei se schonend, d. h. mit kleinerer spezifischer Kantenbelastung durchge führt werden. Die Fasern werden dadurch fibrilliert, und der Beladungs prozeß wird effizienter.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels un ter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 ein Segment einer bevorzugten Ausführungsform einer Zahn- oder Messergarnitur eines Refiners,

Fig. 2 ein Segment einer weiteren möglichen Ausführungsform einer Zahn- oder Messergarnitur eines Refiners,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt einer Zahn- oder Messergarni tur eines Refiners,

Fig. 4 eine rein schematische Darstellung eines Segments einer Zahn- oder Messergarnitur zur Erläuterung der betreffenden Winkel und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer rein beispielhaften Aus führungsform eines Refiners.

Zur Aufbereitung von Faserstoff zur Herstellung von Papier oder Karton, werden die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt:

a) Bereitstellen von Fasern in Form einer Suspension mit einer vor gebbaren Feststoffkonzentration,
b) Beladen der Fasern mit einem Fällungsprodukt, ohne den Stoff dabei zu mahlen,
c) Mahlen der Fasern nach Abschluß des Beladungsprozesses zur Erhöhung des Mahlgrades und/oder zur Veränderung der Faserei genschaften, und
d) Weiterführen der entsprechend den Schritten a) bis c) behandel ten Faserstoffsuspension in Richtung Papiermaschine, wobei sich ggf. weitere Verfahrensschritte anschließen können.

Dabei wird im Verfahrensschritt a) die Feststoffkonzentration vorzugswei se in einem Bereich von etwa 25% bis etwa 40%, insbesondere in einem Bereich von etwa 30% bis etwa 40% und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 30% bis etwa 35% gewählt. Im Verfahrensschritt c) können die Fasern mit einem beliebigen Fällungsprodukt beladen werden. So kann beispielsweise ein Beladen mit Füllstoff erfolgen. Vor dem Mahlen kann die Faserstoffsuspension z. B. auf eine Feststoffmassenkonzentation (Faser- und Fällungsproduktmasse bezogen auf das Gesamtvolumen) in einem Bereich von etwa 3% bis etwa 7%, insbesondere in einem Bereich von etwa 4% bis etwa 6% und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 4,5% bis etwa 5,5% verdünnt werden. Der Mahlprozeß kann in einem oder auch in mehreren Schritten erfolgen. Die Konzentration der Faser stoffsuspension bei den verschiedenen Mahlschritten kann unterschied lich oder gleich sein. Es ist beispielsweise eine Teilmahlung vor dem Bela den mit dem Fällungsprodukt, z. B. Füllstoff, möglich. Für Papiere, bei de nen wenig Fällungsprodukt bzw. Füllstoff erwünscht ist, kann nach dem Mahlen zumindest ein Teil des Fällungsproduktes ausgewaschen werden.

Die Fasern werden in einem Refiner gemahlen, dessen Mahlspalt durch relativ zueinander rotierende strukturierte Oberflächen begrenzt sind, die beispielsweise durch eine jeweilige Zahn- oder Messergarnitur 12 (vgl. die beiden Fig. 1 und 2) gebildet sein können.

Fig. 1 zeigt ein Segment einer bevorzugten Ausführungsform einer Zahn- oder Messergarnitur 12 eines Refiners, die zum Mahlen der Fasern ver wendet werden kann. In der Fig. 2 ist eine weitere mögliche Ausfüh rungsform einer solchen Zahn- oder Messergarnitur 12 gezeigt.

Dabei können die Fasern in dem Mahlspalt z. B. bei einer Kantenbelastung der Oberflächenstrukturen gemahlen werden, die zweckmäßigerweise in einem Bereich von etwa 0,5 J/m bis etwa 5 J/m, insbesondere in einem Bereich von etwa 0,5 J/m bis etwa 2 J/m und vorzugsweise im Bereich von 1,5 J/m liegt.

Der Schnittwinkel der Zähne bzw. Messer der betreffenden Zahn- bzw. Messergarnitur 12 kann z. B. in einem Bereich von etwa 10° bis etwa 80°, insbesondere in einem Bereich von etwa 40° bis etwa 60° und vorzugswei se im Bereich von 40° bei Kurzfasern und im Bereich von 60° bei Langfa sern liegen. Wie sich insbesondere auch aus der Fig. 4 ergibt, gilt für die sen Schnittwinkel γ:

γ = α_S + α_R,

mit α_S = Messerwinkel am Stator
α_R = Messerwinkel am Rotor; oder

γ = 2 × α, für α_S = α_R

Bei der in der Fig. 1 dargestellten bevorzugten Messergarnitur 12 beträgt die Messerbreite b = 3 mm (vgl. auch Fig. 3) und der Schnittwinkel γ (vgl. auch Fig. 4) 60°. Die Nutbreite g beträgt 4 mm.

Bei der in der Fig. 2 dargestellten Messergarnitur 12 beträgt die Messer breite 2 mm und der Schnittwinkel 40°. Die Nutbreite g ist hier 3 mm.

In der Fig. 4 sind außer dem Segmentwinkel θ auch der Sektorwinkel β und der Zahn- bzw. Messerwinkel (bar angle) α zu erkennen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem das Fa sermaterial beispielsweise mit Calciumcarbonat beladen wird, bei dem es sich um einen Füllstoff handelt.

Dabei kann dem Fasermaterial insbesondere Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid (gelöschter Kalk) so zugesetzt werden, daß zumindest ein Teil davon sich mit dem im Fasermaterial, d. h. zwischen den Fasern, in den Hohlfasern und in deren Wänden, vorhandenen Wasser assoziieren kann, wobei sich die folgende chemische Reaktion einstellt:

In dem betreffenden Reaktor wird das Fasermaterial dann derart mit Kohlendioxid (CO₂) beaufschlagt, daß Calciumcarbonat (CaCO₃) an die benetzten Faseroberflächen weitestgehend angelagert wird. Dabei stellt sich die folgende chemische Reaktion ein:

Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung eine rein beispielhafte Ausfüh rungsform eines Refiners 10, der mit einem entsprechenden Mahlspalt ausgestattet sein kann.

Wie anhand der Fig. 5 zu erkennen ist, umfaßt der Reiner 10 einen Ein laß 14 und einen Auslaß 16 für die zu mahlenden Fasern. Ein Spindella ger 18 nimmt eine Spindel auf, über die der Mahlspalt verstellbar ist (siehe Spaltverstellung 20). Ein Rotor 22 ist auf dem Spindelschaft axial beweglich. Der Rotor 22 wird über eine axial feststehende Welle 24 ange trieben, die in Lagern 26 gelagert ist. In der Fig. 5 ist auch eine entspre chende Ölschmierung 28 zu erkennen.

Es sind insbesondere die folgenden Prozesssequenzen möglich:

- Partielles Refining (Teilmahlung) → "Fiber Loading™" (Beladen mit Füllstoff → Fertigrefinen (Fertigmahlen)
- Partielles Refinen (Mahlen) → "Fiber Loading™" (Beladen mit Füll stoff) und partielles Refinen (Mahlen) → Fertigrefinen (Mahlen)

Bezugszeichenliste

10

Refiner, Mahlmaschine

12

strukturierte Oberfläche, Zahn- oder Messergarnitur

14

Einlaß

16

Auslaß

18

Spindelgetriebe

20

Spaltverstellung

22

Rotor

24

Welle

26

Lager

28

Ölschmierung
α Zahn- bzw. Messerwinkel
β Sektorwinkel
γ Schnittwinkel
θ Segmentwinkel
α_S

Messerwinkel des Stators
α_R

Messerwinkel des Rotors

Claims

1. Verfahren zur Aufbereitung von Faserstoff zur Herstellung von Pa pier oder Karton, mit den folgenden Schritten:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt a) die Feststoffkonzentration in einem Be reich von etwa 25% bis etwa 40%, insbesondere in einem Bereich von etwa 30% bis etwa 40% und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 30% bis etwa 35% gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern im Verfahrensschritt c) mit Füllstoff beladen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffsuspension vor dem Mahlen auf eine Feststoff massenkonzentation (Faser- und Fällungsproduktmasse bezogen auf das Gesamtvolumen) in einem Bereich von etwa 3% bis etwa 7 %, insbesondere in einem Bereich von etwa 4% bis etwa 6% und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 4,5% bis etwa 5,5% ver dünnt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mahlprozeß in mehreren Schritten erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Faserstoffsuspension bei den verschiede nen Mahlschritten unterschiedlich ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Faserstoffsuspension bei den verschiede nen Mahlschritten gleich ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilmahlung vor dem Beladen mit dem Fällungsprodukt erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß höchstens die Hälfte der Gesamtmahlenergie vor dem Bela dungsprozeß zum Mahlen aufgewendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Mahlen zumindest ein Teil des Fällungsproduktes ausgewaschen wird.

11. Verfahren zur Aufbereitung von Faserstoff zur Herstellung von Pa pier oder Karton, insbesondere nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei dem die Fasern in wenigstens einem Refiner (10) ge mahlen werden, dessen Mahlspalt durch strukturierte Oberflächen (12) begrenzt ist, wobei die Fasern in dem Mahlspalt bei einer Kan tenbelastung der Oberflächenstrukturen (12) in einem Bereich von etwa 0,5 J/m bis etwa 5 J/m, insbesondere in einem Bereich von etwa 0,5 J/m bis etwa 2 J/m und vorzugsweise im Bereich von 1,5 J/m gemahlen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittwinkel (γ) der vorzugsweise durch eine jeweilige Zahn- oder Messergarnitur (12) gebildeten Oberflächenstrukturen in einem Bereich von etwa 10° bis etwa 80°, insbesondere in einem Bereich von etwa 40° bis etwa 60° und vorzugsweise im Bereich von 40° bei Kurzfasern und im Bereich von 60° bei Langfasern liegen.