DE102006029642B3

DE102006029642B3 - Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension mit Füllstoff

Info

Publication number: DE102006029642B3
Application number: DE102006029642A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Dölle; Joachim Henssler
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: KR20090031848A; EP2038477A1; US20090056888A1; WO2008000308A1; CN101479427A; JP2009541604A; CA2636454A1; BRPI0712858A2

Abstract

Das Verfahren dient zum Beladen einer Faserstoffsuspension S mit einem Füllstoff, insbesondere mit Calciumcarbonat (Fiberloading). Die beladene Faserstoffsuspension S' wird erfindungsgemäß in mindestens zwei Fraktionen, eine Leichtfraktion 1 und eine Schwerfraktion 2, aufgeteilt, wozu in einer vorteilhaften Ausführungsform Hydrozyklone (13) verwendet werden. Dabei haben die unterschiedlichen Fraktionen einen unterschiedlichen Beladungsgrad, d.h. die Menge der an den Fasern anhaftenden ausgefällten Füllstoffen ist jeweils unterschiedlich. Es besteht die Möglichkeit, die weniger stark beladenen Fasern in den Beladungsprozess zurückzuführen, um den Beladungsgrad dieser Fraktion weiter zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind bereits mehrere Verfahren der Fiber-Loading-Technologie zum Beladen von Zellstofffasern mit Calciumcarbonat bekannt. In der US 5 223 090 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Fasermaterial mit langgestreckten Fasern mit einer einen Hohlraum umgebenden Zellwand eingesetzt wird, wobei die Fasern eine Feuchtigkeit haben, die ausreicht, um einen entwässerten Brei einer Pulpe zu bilden. Dabei haben die Fasern einen Feuchtegehalt, der einem Anteil von 40 bis 50 % des Gewichts der Fasern entspricht. Das Wasser ist im Wesentlichen im Innern der Fasern und innerhalb der Faserwände vorhanden. Anschließend wird alternativ Calciumoxid oder Calciumhydroxid zu der Pulpe hinzugefügt, so dass wenigstens ein Teil des eingebrachten Calciumoxids oder Calciumhydroxids mit dem in der Pulpe vorhandenen Wasser assoziiert wird. Anschließend wird das faserförmige Zellulosematerial mit Kohlendioxid in Verbindung gebracht, wobei es gleichzeitig einem Scher-Mischverfahren unterworfen wird, um ein Fasermaterial mit einer beträchtlichen Menge Calciumcarbonat in dem hohlen Innern und innerhalb der Faserwände der Zellulosefasern durch Ausfällung zu erzeugen.
Aus der DE 102 04 254 A1 ist ein weiteres Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension bekannt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Einbringen von Calciumhydroxid in flüssiger oder trockener Form oder von Calciumoxid in die Faserstoffsuspension, Einbringen von gasförmigem Kohlendioxid in die Faserstoffsuspension, Ausfällen von Calciumcarbonat durch das Kohlendioxid.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension zu schaffen, bei dem die Vorteile des Beladungsverfahrens vergrößert werden, eventuell auch ein deutlich höherer Beladungseffekt erreichbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Maßnahmen gelöst.
Durch dieses Verfahren ist es möglich, mit Calciumcarbonat beladenen Faserstoff (FLPCC = fiber loaded precipitate calcium carbonate) herzustellen, insbesondere für die Zellstoffherstellung oder für die Zellstoffverwendung bei der Papierherstellung. Der zu beladende Faserrohstoff wird beispielsweise aus Recycling-Papier, aus DIP (= Deinked Paper), aus Sekundärfaserstoff, gebleichtem oder ungebleichtem Zellstoff, Holzstoff jeglicher Art, jeglichem Papierrohzellstoff, gebleichtem oder ungebleichtem Sulfatzellstoff, Fertigstoffausschuss, Leinen-, Baumwoll- und/oder Hanffasern (vorwiegend für Zigarettenpapier eingesetzt) und/oder jeglichem anderen Papierrohstoff hergestellt, der in einer Papiermaschine Verwendung findet. Das Verfahren lässt sich unabhängig vom zu beladenden Faserrohstoff einsetzen.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Papier- und Zellstoffherstellung und die Prozesstechnologie einschließlich des hergestellten Füllstoffes und umfasst Anwendungsgebiete aller Papiersorten einschließlich Verpackungspapiersorten und den bei der Produktion anfallenden Ausschüssen, die einen Füllstoffgehalt zwischen 1 % und 60 % haben und/oder eine weiße Deckschicht mit einem Füllstoffgehalt zwischen 1 % und 60 % besitzen. Vorzugsweise kann der Füllstoffgehalt zwischen 5 % und 50 % liegen.
Wird eine Faserstoffsuspension bei der Papierherstellung mit der Fiber-Loading-Technologie behandelt, resultiert daraus ein vollkommen neues Produkt, das neue und verbesserte Eigenschaften gegenüber den auf dem Markt bekannten Produkten hat. Ein solcher Prozess erlaubt es, direkt bei der Stoffaufbereitung in einer Papierfabrik Füllstoff (Calciumcarbonat) auszufällen, der ausschließlich an und in dem Faserstoff, insbesondere der Papierfaser, gleichmäßig verteilt und angelagert ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Fraktionierung günstigerweise mit Hydrozyklonen durchgeführt werden, die ein hohes Zentrifugalfeld erzeugen, das z.B. dem 200-Fachen des Schwerkraftfelds der Erde entspricht.
Selbstverständlich sind auch mehrstufige Trennanlagen und/oder Kombinationen verschiedener Trennprinzipien denkbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit besonderem Vorteil so durchgeführt, dass der unterschiedliche Effekt der Beladung der Faserstoffsuspension entweder genutzt oder durch entsprechende Maßnahmen teilweise oder vollständig wieder ausgeglichen wird. Bei einem Beladungsverfahren, von dem diese Erfindung ausgeht, wird z.B. eine aus verschiedenartigen Fasern zusammengesetzte Faserstoffsuspension gebildet. Auf Grund der unterschiedlichen Eigenschaften ist es möglich, dass die Beladung nicht bei allen teilnehmenden Fasern gleich ist. Außerdem ist ein statistischer Einfluss denkbar, derart, dass auf Grund von Parameterschwankungen während des Ausfällungsprozesses, seien sie nun zeitlich oder örtlich, die Ausfällung nicht gleichmäßig ist. Der unterschiedliche Beladungsgrad, also die Menge der an den Fasern anhaftenden ausgefällten Kristallen ermöglicht eine sich an den Beladungsprozess anschließende Fraktionierung, bei der mindestens zwei Fraktionen mit unterschiedlichem Beladungsgrad gebildet werden. Da davon auszugehen ist, dass stärker beladene Fasern schwerer sind als weniger stark beladene, werden hier die Bezeichnungen Schwerfraktion für Fasern mit höherem Beladungsgrad und Leichtfraktion für Fasern mit geringerem Beladungsgrad gewählt.
Je nach Anforderungen an das Verfahren sind zwei Möglichkeiten denkbar, um die unterschiedlichen Fraktionen weiter zu behandeln.
Die erste Möglichkeit liegt darin, durch Rezirkulation der Leichtfraktion in einen Anlagenteil, der vor der Beladung liegt, den Beladungsprozess erneut durchzuführen, was z.B. insbesondere dann von Vorteil ist, wenn diese in der Leichtfraktion geführten Fasern durch eine nochmalige Beladung einen signifikant höheren Beladungsgrad erreichen können. Die Ursache kann sein, dass auf Grund der Fasereigenschaften eine größere Dauer zur Beladung oder eine höhere Konzentration der Chemikalien günstiger wäre. In solchen Fällen ist es ökonomischer, den Prozess nicht auf die „schwierigsten Fasern" abzustimmen, sondern ökonomisch gesamthaft zu optimieren.
Die zweite Möglichkeit besteht darin, die gebildeten Fraktionen bei der Papier- oder Kartonproduktion gezielt unterschiedlich einzusetzen. Bekanntlich werden bei der Papiererzeugung für die einzelnen Sorten und eventuell auch Lagen auf der Papiermaschine unterschiedliche Qualitätsanforderungen gestellt. Es ist also möglich, durch die Fraktionierung den Gesamtprozess der Papiererzeugung zu verbessern.
Gegenüber herkömmlichen Prozessen zur Herstellung einer Faserstoffsuspension kann durch das Beladen ein höherer Mahlgrad energiegünstig erreicht werden; z.B. können bis zu 50 % der Mahlenergie eingespart werden. Dies wirkt sich insbesondere auf alle Papiersorten aus, die einen Mahlprozess bei ihrer Herstellung durchlaufen, und vor allem bei solchen, die einen hohen oder sehr hohen Mahlgrad haben, wie beispielsweise FL-Zigarettenpapiere (FL = Fiber Loading), FL-B&P-Papiere, FL-Sackkraftpapiere und FL-Filterpapier. Bei diesen Papieren, die keine Füllstoffe benötigen, kann freier Füllstoff, der nicht an oder in den Fasern abgelagert ist, nach dem Mahlprozess oder vor dem Einbringen der Faserstoffsuspension in die Stoffauflaufbütte oder vor der Zuführung zur Papiermaschine entfernt werden. Die Fasern selber sind jedoch außen und/oder innen und außen mit Füllstoff versehen, so dass die positiven Effekte der Fiber-Loading-Technologie bestehen bleiben.
Das Beladen wirkt sich positiv auf die Herstellung aller Papiersorten aus, da durch prozessbedingte mechanische Belastungen in den verschiedenen Sektionen der Papiermaschine, wie in der Pressenpartie, der Trockenpartie oder in dem Bereich, in dem die Papierbahn aufgerollt wird, das hergestellte Zwischenprodukt und das herzustellende Endprodukt durch die Verwendung von Aufroll-, Wickel-, Umroll- und Konvertierungsmaschinen mechanisch hoch belastet wird.
Ein weiterer Vorteil beim Einsatz der erfindungsgemäßen Technologie bei den oben aufgeführten Papiersorten besteht darin, dass diese auch in einem Kalander weiterverarbeitet werden können. Dadurch, dass beim Einsatz der Fiber-Loading-Technologie Fiber-Loading-Partikel in, um und an den Fasern angelagert werden, wird das Blackening, d. h. Schwarzsatinage, vermieden.
Im Folgenden wird ein typisches Beispiel für das Beladen einer Faserstoffsuspension beschrieben:
Als Ausgangsmaterial wird wässriges Faserstoffmaterial, insbesondere wässriger Papierstoff, von 0,1 bis 20 % Konsistenz, vorzugsweise zwischen 2 und 8 %, eingesetzt. Calciumhydroxid in wässriger oder in trockener Form oder Calciumoxid wird in einem Bereich zwischen 0,01 und 60 % des vorhandenen Feststoffanteils in den wässrigen Papierfaserstoff eingemischt. Für den Mischvorgang wird ein statischer Mischer, eine Vorlagebütte oder ein Stoffauflösesystem eingesetzt; hierbei wird ein pH-Wert im Bereich zwischen 7 und 12, vorzugsweise zwischen 9 und 12, eingesetzt. Die Reaktivität des Calciumhydroxids liegt zwischen 0,01 und 10 Minuten, vorzugsweise zwischen 1 Sekunde und 3 Minuten. Gemäß vorgegebenen Reaktionsparametern wird Verdünnungswasser eingemischt.
Kohlendioxid wird entsprechend den Reaktionsparametern in einer feuchten Papierstoffdimension eingemischt. Dabei fällt Calciumcarbonat in der Kohlendioxid-Atmosphäre aus.
Vorzugsweise liegt die Prozesstemperatur zwischen –15°C und 120°C, insbesondere zwischen 20° und 90°C. Vorzugsweise werden rhomboedrische, skalenoedrische und kugelförmige Kristalle erzeugt, wobei die Kristalle Abmessungen zwischen 0,05 und 5 μm, insbesondere zwischen 0,3 und 2,5 μm, haben.
Zur Herstellung einer mit Calciumcarbonat beladenen Faserstoffsuspension werden statische und/oder bewegliche, insbesondere rotierende, Mischelemente eingesetzt.
Das Verfahren wird vorzugsweise in einem Druckbereich zwischen 0 und 15 bar, insbesondere zwischen 0 und 6 bar, durchgeführt. Ebenso wird das Verfahren mit Vorteil bei einem pH-Wert zwischen 6 und 10, insbesondere zwischen 6,5 und 9,5, durchgeführt. Hierbei liegt die Reaktionszeit zwischen 0,03 Sekunden und 1 Minute, insbesondere zwischen 0,05 und 10 Sekunden.
Es können beispielsweise Fällungsproduktteilchen von einer rhomboedrischen Form mit einer jeweiligen Würfelgröße in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 2 μm erzeugt werden. In bestimmten Fällen ist es auch von Vorteil, Fällungsproduktteilchen von einer skalenoedrischen Form mit einer jeweiligen Länge in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 2 μm und einem jeweiligen Durchmesser in einem Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,05 μm zu erzeugen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Feststoffkonzentration der zum Ausfällen bereit gestellten Faserstoffsuspension in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 60 % und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 15 bis 35 % gewählt.
Gemäß einer zweckmäßigen praktischen Ausgestaltung des Beladungsverfahrens wird das Kohlendioxid der Faserstoffsuspension bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa –15 bis etwa 120°C und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 90°C zugesetzt.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 Anlagenschema zur Darstellung eines Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 Eine Variante des Verfahrens.
In 1 ist exemplarisch eine Anlage mit den wichtigsten Verfahrensschritten und Vorrichtungen dargestellt. Bei dieser Anlage wird der Faserstoff P, z.B. Zellstoff oder deinktes Altpapier, zusammen mit Wasser W in einen Stofflöser 10 eingetragen. Dieser Stofflöser 10 kann konventionell gebaut sein, also in seinem Bodenbereich ein Stofflösersieb 11 enthalten sowie einen Stofflöserrotor 12, welcher für den Umtrieb im Stofflöser sorgt und das Stofflösersieb 11 von Verstopfungen frei hält. Der so aufgelöste Faserstoff wird bei dem hier gezeigten Beispiel mehreren Reinigungsvorrichtungen zugeführt, die symbolisch als ein Stoffreiniger 14 und ein Stoffsortierer 15 dargestellt ist. Es folgt dann eine Schneckenpresse 16, um die Konsistenz der Faserstoffsuspension S wieder anzuheben. Das Pressenfiltrat 18 der Schneckenpresse 16 kann zur Auflösung im Stofflöser 10 zurückgeführt werden. Der eingedickte Faserstoff 19 gelangt dann in einen Kristallisator 20, der dazu dient, mit Hilfe von zugeführtem Kohlendioxid-Gas 24 die gewünscht Ausfällung von Calciumcarbonat in Form von fein verteiltem Füllstoff auszulösen. Das Kohlendioxid-Gas wird bereit gestellt durch eine Kohlendioxidversorgung 21 und kann in einem Wärmetauscher 22 mit Hilfe eines Kühl- oder Heizmittels 23 auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Es gibt aber auch andere Möglichkeiten zur Temperierung, z.B. die direkte Zugabe von Dampf, wenn eine Erhöhung der Temperatur zweckmäßig ist. In einer Vorratsbütte 26 wird die beladene Faserstoffsuspension gesammelt, eventuell mit Verdünnungswasser 27 verdünnt.
Es folgt dann direkt oder nach einer Zwischenbehandlung, wie z.B. Mahlung, eine Fraktionierung der beladenen Faserstoffsuspension S'. Dazu wird eine Cleaner-Anlage mit hochwirksamen Hydrozyklonen 13 verwendet. Diese bilden eine Schwerfraktion 2 und eine Leichtfraktion 1. Fasern, die mit anhaftenden Füllstoffen stärker beladen sind, sind spezifisch schwerer als weniger stark beladenen Fasern. Sie können auch steifer sein. Die erfindungsgemäß durchgeführte Fraktionierung nutzt diese Unterschiede. Es ist daher davon auszugehen, dass die Schwerfraktion 2 stärker mit Füllstoffen beladene Fasern enthält als die Leichtfraktion 1.
Die Leichtfraktion 1 wird hier in den Beladungsprozess rezirkuliert, d.h. in den Zulauf der Schneckenpresse 16 geführt. Die Schwerfraktion 2 steht als Faserstoffsuspension 28 z.B. einer – nicht gezeigten – Papiermaschine zur Verfügung.
Der in 1 gezeigte Anlagenteil zur Beladung mit Füllstoffen, insbesondere Calciumcarbonat, ist nur als vereinfachtes Beispiel anzusehen. In vielen Fällen kann auch eine Bleiche integriert sein. Mehr Details zur Durchführung der Beladung sind aus den eingangs genannten Publikationen ersichtlich. Der Beladungsprozess wird mit Vorteil als Online-Prozess in der Papierfabrik betrieben.
Wie bereits erwähnt, kann die Fraktionierung des beladenen Faserstoffs auch dazu verwendet werden, um unterschiedliche Stoffqualitäten zu erzeugen, bzw. unterschiedliche Qualitäten bei der Papiererzeugung zur Verfügung zu stellen. Für diese Vorgehensweise zeigt die 2 ein Anlagenschema als Beispiel, bei dem allerdings die Auflösung und die Vorreinigung der Faserstoffsuspension nicht mehr dargestellt sind. Diese kann der der 1 oder vergleichbaren an sich bekannten Anlagenteilen entsprechen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es z.B. möglich, die Leichtfraktion 1, also die mit den weniger beladenen Fasern, von der Schwerfraktion 2 bis zum Stoffauflauf 32 einer Papier- oder Kartonmaschine getrennt zu führen. Dabei hat in der Regel die Zugabe von weiteren Komponenten 30, 31 (Faserstoffe oder Zuschläge) zu erfolgen. Es ist auch möglich (hier nicht gezeigt), die Fraktionen unterschiedlich zu bearbeiten, z.B. zu mahlen.
Der Stoffauflauf 32 bildet bei diesem Beispiel drei Schichten. Mit Vorteil wird die Leichtfraktion 1 in die Innenlage und die Schwerfraktion 2 in die Außenlagen geführt, insbesondere wenn die höhere Festigkeit und/oder die bessere Retention der höher beladenen Fasern genutzt werden sollen. Mehrere Lagen können auch mit Hilfe mehrerer Stoffaufläufe gebildet werden.
Der konstante Teil der Papiermaschine ist hier nicht gezeigt.

Claims

Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension (S) mit einem Füllstoff, insbesondere mit Calciumcarbonat, wobei Calciumhydroxid in flüssiger oder trockener Form in die Faserstoffsuspension (S) eingebracht und durch eine chemische Reaktion der Füllstoff in der Faserstoffsuspension ausgefällt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die beladene Faserstoffsuspension in (S') mindestens zwei Fraktionen mit unterschiedlichem Beladungsgrad fraktioniert wird, dass die Fraktionierung durch Anwendung von Zentrifugalkräften durchgeführt wird und dass diese Fraktionen unterschiedlich weiterbehandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fraktionierung in Hydrozyklonen (13) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrozyklone (13) ein Zentrifugalfeld erzeugen, das mindestens so groß ist wie 200 Mal Erdbeschleunigung.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leichtfraktion (1) mit geringerem Beladungsgrad und mindestens eine Schwerfraktion (2) mit höherem Beladungsgrad gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtfraktion (1) erneut beladen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtfraktion (1) in denselben Beladungsprozess rezirkuliert wird, in dem sie bereits beladen wurde.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtfraktion (1) in einem anderen Beladungsprozess beladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Leichtfraktion (1) und Schwerfraktion (2) in unterschiedlicher Weise gemahlen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Leichtfraktion (1) und Schwerfraktion (2) für unterschiedliche Papier- oder Kartonprodukte verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Leichtfraktion (1) und Schwerfraktion (2) in unterschiedlichen Lagen bei der Papier- oder Kartonproduktion verwendet werden.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial wässriges Faserstoffmaterial, insbesondere wässriger Papierstoff, von 0,1 bis 20 % Konsistenz, vorzugsweise zwischen 2 und 8 %, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur bei der Ausfällung zwischen –15°C und 120°C, insbesondere zwischen 20° und 90°C, beträgt.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Ausfällen der Füllstoffe durch gasförmiges Kohlendioxid durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass rhomboedrische, skalenoedrische und kugelförmige Kristalle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle Abmessungen zwischen 0,05 und 5 μm, insbesondere zwischen 0,3 und 2,5 μm, haben.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beladung in einem Druckbereich zwischen 0 und 15 bar, insbesondere zwischen 0 und 6 bar, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beladung bei einem pH-Wert zwischen 6 und 10, insbesondere zwischen 6,5 und 9,5, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beladung bei einem Trockengehalt zwischen 0,1 % und 60 %, vorzugsweise 15 % bis 35 %, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszeit der Ausfällung zwischen 0,03 Sekunden und 1 Minute liegt, insbesondere zwischen 0,05 und 10 Sekunden.