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Technisches Gebiet der Erfindung
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Das
technische Gebiet ist die Herstellung von Faserplatten, bei der
aus Lignozellulose haltigen Ausgangsstoffen z. B. Holz oder Einjahrespflanzen durch
Einwirkung von Druck und Temperatur Fasern in Druckzerfaserungsmaschinen
Fasern hergestellt werden, die mit Bindemittel versehen werden und aus
denen nach mehreren Verfahrenschritten Formkörper oder
plattenförmige Produkte hergestellt werden.
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Stand der Technik
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Bei
der Herstellung von Formkörpern und plattenförmigen
Produkten aus beleimten Fasern muss vor dem Verpressen ein Bindemittel
auf die Fasern aufgebracht werden. Da die Faserherstellung unter
Druck- und Temperatureinwirkung erfolgt, werden üblicherweise
die Fasern nach der Zerfaserung in der Suspension aus Wasserdampf
und Holzfasern durch Eindüsen des Bindemittels in der so
genannten Blasleitung beleimt, anschließend in einem Stromtrockner
getrocknet und in einer beheizten Presse verdichtet.
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Um
einer Separierung der als Suspension vorliegenden Stoffe, nämlich
Wasserdampf und Holzfasern, entgegenzuwirken, wird zur Erhöhung
der Turbulenzen, die sich aus Rohrleitungsbögen in der Blasleitung
und aus dem ungleichmäßigen Austrag aus dem Zerfaserer
ergeben, üblicherweise der Rohrquerschnitt im Bereich des
Bindemitteleintrags eingeengt. Unabhängig davon besteht
in der Blasleitung zwischen dem Zerfaserer und dem Trockner eine
Druckdifferenz. Der Druck hat am Austritt des Zerfaserers das Maximum
und entspannt sich am Ende des Blasrohres, das in den Trockner führt,
auf annähernden Atmosphärendruck.
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Ein
Nachteil der Blasrohrbeleimung ist der erhöhte Verbrauch
an Bindemittel, der über dem Bindemittelverbrauch der zu
Beginn der Faserplattenherstellung üblichen Beleimung in
mechanischen Mischeinrichtungen liegt, bei denen die Fasern erst nach
dem Trocknen beleimt wurden. Die mechanischen Mischverfahren, wurden
wegen des ungleichmäßigen Bindemitteleintrags,
den sich dadurch einstellenden Faser-/Leimklumpen und den daraus
resultierenden unerwünschten Leimflecken auf den Oberflächen
der Faserplatten inzwischen weitgehend aufgegeben. Als besonders
nachteilig haben sich die Anbackungsprobleme mit den beleimten Fasern
in den mechanischen Misch- und Transporteinrichtungen herausgestellt,
weil dadurch die Verfügbarkeit der Anlagen sehr stark eingeschränkt
wird. Ein nicht unerheblicher Nachteil besteht darin, dass mit jeder
Leimaufgabe Feuchtigkeit eingetragen wird, die über teilweise
aufwendige Trocknungseinheiten entfernt werden muss. Wegen des erheblichen
Leimeinsparpotentials gegenüber der Blasrohrbeleimung gab
es eine Reihe von Verfahrensentwicklungen, mit denen diese Nachteile
verhindert werden sollten. Beispiele für diese so genannten
Trockenbeleimungverfahren sind in
DE 101 53 593 B4 ,
DE 103 36 533 A1 ,
DE 103 56 775 A1 und
DE 195 06 353 A1 beschrieben.
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Ein
wesentlicher Grund für den höheren Bindemittelverbrauch
bei der Blasrohrbeleimung ergibt sich, weil aufgrund der hohen kinetischen
Energie des von Sattdampf getragenen Faserstroms das Eindringen
des eingedüsten Bindemittels bis in die Mitte des Faserstroms
nicht in ausreichendem Maße möglich ist. Der Leim
wird von der Dampf-Faser-Suspension abgelenkt und an die Rohrwandung
gedrückt. Da der Leim kälter als die Suspension
ist, entsteht beim Eindüsen des Leimes in die Blasleitung
zusätzliches Kondensat, das an der Rohrwandung wie ein Gleitfilm
wirkt und das Nebeneinander von Bindemittel und Fasern begünstigt.
Nur ein vergleichsweise geringer Teil des Bindemittels findet den
direkten Weg zu den Fasern, die zudem tendenziell nicht über den
Querschnitt gleichmäßig verteilt sind, sondern als
Faserbündel auftreten. Um die Bindemittelverteilung in
der Blasleitung zu verbessern, werden in der Regel über
eine Blasleitungslänge von 1,5 bis 2 m am Umfang verteilt
4 bis 10 Leimdüsen angeordnet.
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Eine
gleichmäßige Verteilung des Leimes und dadurch
eine Erhöhung der statistischen Wahrscheinlichkeit, dass
Leimtröpfchen und Faser aufeinander treffen scheitern in
der Praxis erfahrungsgemäß daran, dass der Leim
wegen der Wandreibung und der Aushärtung durch Temperatureinfluss
in den Düsen anhaftet. Nach kurzer Betriebszeit führt
dies – je feiner die Düsen sind umso schneller – zu
ungleichmäßigem Bindemitteleintrag und unter Umständen
zu starker Beeinträchtigung der Verleimungsqualität
bei dem Endprodukt.
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Eine
Verbesserung der Blasrohrbeleimung konnte dadurch erreicht werden,
weil die Blasleitung auf dem Weg zum Trockner über 90° Ecken – sog. Umlenktöpfe – geführt
wird, bei denen der frei schwebende Leimanteil in der Umlenkung
mit den Fasern in Berührung kommt. Nachteile dieser Umlenktöpfe sind
zum Einen, dass sie den Druckverlust erhöhen und zum Andern,
dass sie sehr stark verschleißen, da sowohl der Leim als
auch die Fasern mit hoher Geschwindigkeit auf das Umlenkblech aufprallen. Die
verschleißende Wirkung rührt im Wesentlichen aus
den Inhaltstoffen des Holzes.
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Bei
der Standard-Blasrohrbeleimung findet die eigentliche Beleimung
der Holzfasern erst im Trockner statt. Die Vorgänge die
dort ablaufen erklären den erwähnten höheren
Leimverbrauch. Beim Eintritt der Blasleitung in das im Durchmesser
rd. 30-mal größere Trocknerrohr tritt das Dampf-/Bindemittel-/Fasergemisch
aus der Blasleitung strahlförmig aus. Die vorhandene kinetische
Energie des Dampfes beschleunigt nach Passieren des Blasleitungsendes
die noch nassen Fasern und den Leim wegen des unterschiedlichen
spez. Gewichts unterschiedlich schnell. Bindemittel bzw. Bindemitteltröpfchen
haben eine Dichte von rd. 1,25 g/cm3 bis
1,3 g/cm3, die Holzfaser im gesättigten
Zustand dagegen eine Dichte von 0,8 g/cm3 bis
0,9 g/cm3 hat. Die sich dadurch einstellenden
relativen Geschwindigkeiten begünstigen das Aufeinandertreffen
von Fasern und Bindemitteltröpfchen. Am Rande des Austrittstrahls unterstützt
eintretende Trocknerheißluft die Auflockerung des Fasergemisches.
Die Länge des strahlförmigen Austritts der Suspension
aus Leim und Fasern nach dem Eintritt in den Trockner beträgt
je nach Druck in der Blasleitung das 20 bis 30 fache des Blasrohrdurchmessers.
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Alle
Bindemitteltröpfchen, die weder in der Blasleitung nach
der Beleimung noch im Eintrittsbereich in den Trockner mit Holzfasern
in Berührung gekommen sind, werden von der heißen
Trocknerluft erfasst und entweder wegen der auftretenden Turbulenzen
an die Wandung des Trocknerrohres geschleudert oder mit dem heißen
Luftstrom mitgerissen und sind wegen der raschen Aushärtung
für die eigentliche Faserbeleimung verloren. Beide Effekte stellen
die bekannten Bindemittelverluste dar. Belege für die beschriebenen
Abläufe sind Bindemittelanbackungen an den Wandungen des
Trocknerrohres im Bereich der Einblasung und an Rohrbögen
im Verlauf der Trocknungsstrecke, die durch regelmäßige
Reinigungsarbeiten beseitigt werden müssen.
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Der
Bindemittelanteil hingegen, der an den Fasern anhaftet, wird durch
die Verdunstungskühlung des verdampfenden Wassers soweit
gekühlt, dass keine vorzeitige Aushärtung durch
die hohen Temperaturen zu Beginn des Trocknungsvorgangs stattfindet.
Bei Luftgeschwindigkeiten von 30 m/s und Trocknerrohrlängen
von rd. 90 m ist der kritische Temperaturbereich sehr schnell durchlaufen
so dass die eigentliche Fasertrocknung innerhalb von ca. 3 Sekunden
mit dem Eintritt in die Abscheidezyklone beendet ist.
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Aus
der
EP 1 862 214 A2 ist
ein Verfahren bekannt, mit der das Bindemittel mittels einer Ein- oder
Zweistoffdüse auf der Achse des Blasrohres in Hauptbewegungsrichtung
der Fasern eingedüst wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil
der guten Verteilung der Leimtröpfchen im Faserstrom, ist
aber mit dem erheblichen Nachteil behaftet, dass die Bindemittelzuführung
im heißen Trägerdampfstrom angeordnet ist damit
das Aushärtungsrisiko für das Bindemittel tendenziell
noch größer ist. Dies führt noch häufiger zu
Betriebsunterbrechungen, da auch diese Bindemittel-Eintragsdüsen
nicht im laufenden Betrieb zu reinigen oder zu wechseln sind.
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In
DE 10 2006 013 567
A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die übliche
Blasrohrbeleimung dergestalt modifiziert wird, dass ein variables
Druckverhältnis im Blasrohr eingestellt werden kann, der Suspensionsstrom
vor dem Einblasen durch eine Schikane geteilt wird und das Eindüsen
des Bindemittels in einer Zweistoffdüse mit Außenmischung
erfolgt. Das kurzfristige Zusetzen der Bindemitteldüse gilt
auch für dieses Verfahren.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung aufzuzeigen,
mit deren Umsetzung die beschriebenen Nachteile verhindert werden
und eine signifikante Einsparung von Bindemittel bei der Beleimung
von Fasern in einer Wasserdampfsuspension ermöglicht wird
sowie als Folge davon – bei Verwendung von Formaldehydharzleimen – eine
Reduzierung der Formaldehydemission in der Trocknerabluft eintritt.
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Lösung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
der neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen
2 und 3 beschrieben.
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Beschreibung der Erfindung
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Bei
der Beschreibung der Erfindung wird wie bei der Würdigung
des Stands der Technik auf die Faserplattenherstellung Bezug genommen.
Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, da es
darum geht, ein Bindemittel in eine unter Temperatur und Druck stehende
Suspension so auf den Feststoff aufzubringen, dass eine möglichst
gleichmäßige Verteilung stattfindet und die Verluste
minimiert werden.
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Erfindungsgemäß wird
dies durch eine Vorrichtung dadurch erreicht, dass in einer Blasleitung, die
zwischen Zerfaserer und Trocknereingang positioniert ist, jeweils
nach der eigentlichen Bindemittelzugabe über eine Düse
oder mehrere versetzt angeordnete Düsen ein Zerstäubermedium
vorzugsweise rechtwinklig zur Fließrichtung der Suspension
unter Druck in der Blasleitung eingedüst wird. Der Druck mit
dem das Medium eingedüst wird bemisst sich nach dem Innendruck
und der Fließgeschwindigkeit der Suspension in der Blasleitung,
dem Durchmesser des Rohres, ferner nach der Fasermenge, die pro Zeiteinheit
beleimt werden soll sowie nach der Größe der verwendeten
Bindemitteleintragsdüse. Als erste Näherung kann
man von einer erforderlichen Druckdifferenz gegenüber dem
Druck in der Blasleitung von 3 bis 7 bar ausgehen. Damit ergibt
sich im Normalfall ein notwendiger Überdruck für
das Eindüsen des Zerstäubermediums zwischen 8
bar und 12 bar. Wie bei der Beschreibung des Stands der Technik dargelegt,
orientiert sich das im Blasrohr eingedüste Bindemittel
wegen der Kinetik der Suspension und der durch partielle Abkühlung
des Trägerdampfes eintretenden Kondensation vorzugsweise
am Rohrrand. Durch die Kinetik des über mindestens eine Düse
mit hohem Druck eingetragenen Zerstäubermediums und bei
Einsatz von überhitzten Dampf durch das schlagartige Verdampfen
von Bindemittelwasser noch verstärkt wird das Bindemittel
in feine Tropfen aufgeteilt und mit hoher Geschwindigkeit in Richtung
Rohrmitte transportiert. Dadurch ergibt sich eine intensive Durchmischung
der zu beleimenden Fasern bei gleichzeitiger Benetzung mit sehr
feinen Bindemitteltröpfchen. Die übliche Blasrohrbeleimung wird
wie oben beschrieben dergestalt modifiziert, dass in Fließrichtung
nach jedem Bindemitteleintrag ein Zerstäubermedium über
eine oder mehrere Düsen eingetragen wird. Da zweckmäßigerweise
die hintereinander angebrachten Bindemitteleinträge gleichmäßig
auf dem Blasleitungsmantel verteilt sind, kann durch Zerstäuben
der Bindemittelschicht an der Blasrohrwandung und die Durchmischung
mit den Fasern auch in der Blasleitungsmitte eine optimale Beleimung
der Faser erreicht werden.
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Zum
Eintrag des Zerstäubermittels werden erfindungsgemäß eine
oder mehrere Zerstäubermitteldüsen vorzugsweise
rechtwinklig zur Fließrichtung der Suspension angeordnet,
durch die unter hohem Druck je nach örtlichen Gegebenheiten
und der geforderten Wirtschaftlichkeit Dampf, überhitzter Dampf,
Druckluft oder Wasser als Zerstäubermittel zugeführt
wird. Die möglichen Zerstäubermedien haben unterschiedliche
Vor- und Nachteile. Druckluft ist gut geeignet, hat aber die Nachteile,
dass die eingedüste Luft in der Blasleitung abkühlt
und relativ hohe Betriebskosten verursacht. Wasser hat unter Druck eine
hohe kinetische Energie, was der Zerteilung und Durchmischung der
Leimtröpfchen zugute kommt, aber den Nachteil, dass dieses
Zusatzwasser im Trockner verdampft werden muss. Sattdampf und überhitzter
Dampf sind für das erfindungsgemäße Verfahren
besonders geeignet, zumal beispielsweise spezielle Lavaldüsen
eine optimale Zerstäubung der Leimschicht ermöglichen.
Eine besonders wirtschaftliche Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, dass vor dem Eindüsen ein Dampfstrahl-Verdichter
angeordnet ist, dessen Unterdruck aus der Blasleitung vor dem Bindemitteleintrag
Trägerdampf absaugt und nach dem Bindemitteleintrag als
Zerstäuberdampf einbringt. Als Zerstäubermedium
kann vorzugsweise Dampf oder Druckluft verwendet werden. Der Vorteil
dieser Ausführungsvariante liegt darin, dass bei der Verwendung
von Druckluft kein und bei Dampf ein deutlich geringerer Feuchtigkeitseintrag
in die Blasleitung stattfindet. Darüber hinaus kann bei
Eindüsen von Dampf als Zerstäubermedium ein Teil
des Wassers, das üblicherweise zum Verdünnen des
Bindemittels zugegeben wird, entfallen kann, wodurch der Trockner
entlastet, d. h. die Trocknerleistung erhöht werden kann.
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Eine
weitere Ausführungsvariante besteht darin, den aus der
Blasleitung entnommenen Dampf vor dem Bindemitteleintrag über
einen Verdichter zu führen und den hochgespannten Dampf
als Zerstäubermedium zu verwenden.
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Durch
die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird der Bindemittelverbrauch bei der Beleimung von Fasern gesenkt.
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Kurzbeschreibung zu den 1 bis 3
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten
bevorzugten Ausführungsformen weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
einen Längsschnitt durch eine Blasleitung mit Bindemittel-Eintragsdüse
und Zerstäubermedium-Eintrag im Bereich der Blasleitungsverengung.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf die Blasleitung mit Bindemittel-Eintragsdüse
und 3 Zerstäubermedium-Eintragsdüsen.
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3 zeigt
die Einbindung eines Dampfstrahl-Verdichters, mit dem aus der Blasleitung
vor dem Bindemitteleintrag Trägerdampf absaugt und dieser
gemeinsam mit einem Treibmedium nach dem Bindemitteleintrag als
Zerstäubermedium wieder in die Blasleitung eingedüst
wird.
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Beschreibung zu den 1 bis 3
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In 1 ist
ein Ausschnitt einer Blasleitung (3) mit einem von Trägerdampf
(2) geförderten Faserstrom (1) skizziert.
Die Blasleitung (3) stellt die Verbindung zwischen einer
zur Herstellung von Fasern vorgesehenen Einrichtung, einem so genannten Zerfaserer
oder Refiner, und einem Fasertrockner dar. In einem üblicherweise
eingeengten Abschnitt der Blasleitung (3) erfolgt die Eindüsung
eines Bindemittels (4) unter einem 30 bis 45 Grad Winkel
(5) zum Faserstrom in Förderrichtung. Die schräge
Anordnung und der mit 10 bis 15 mm relativ große Durchmesser
der Bindemittel-Eintragsdüse sind ein Kompromiss, der sich
aus einer angestrebten möglichst langen Standzeit ergibt.
Das Risiko des Zusetzens der Bindemitteldüsen ist deshalb
besonders groß, weil je nach Produktionsleistung die Bindemitteldurchflüsse
schwanken und vor allem bei geringen Durchflussgeschwindigkeiten
Trägerdampf in den Austrittsquerschnitt des Bindemittels
(4) drückt. Das führt dazu, dass durch
Aushärtung des Bindemittels sich der Austrittsquerschnitt
zunehmend verengt und schließlich verstopft. Dieser Effekt
nimmt mit größer werdendem Eintragswinkel (5)
zu. In sofern hat sich mit Blick auf längere Standzeiten
die schräge Anordnung des Bindemitteleintrags (8)
bewährt, obgleich damit ein wesentlicher Nachteil verbunden
ist, nämlich der, dass ein Teil des Bindemittels an die
Wandung (6) der Blasleitung (3) abgelenkt wird
und für die Beleimung der Fasern nicht mehr zur Verfügung steht.
Dieser Nachteil wird durch die vorliegende Erfindung beseitigt und
zwar indem nach dem Bindemitteleintrag (8) ein Zerstäubermedium
(9) eingedüst wird, das die abgelenkte Bindemittelschicht
aufreißt und die Bindemitteltröpfchen in den inneren
Bereich der Blasleitung (3) fördert.
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2 zeigt
den gleichen Ausschnitt der Blasleitung allerdings als Draufsicht
auf den Bindemitteleintrag und die beispielhafte Anordnung von drei
Düsen (11a, 11b u. 11c) zum
Eintrag des Zerstäubermediums.
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In 3 ist
eine optimierte Variante der Erfindung dargestellt. Dabei wird ein
Teil des Trägerdampfes (2) mittels eines Dampfstrahlverdichters (14)
vor dem Bindemitteleintrag (8) aus der Blasleitung (3)
abgezogen und als Zerstäubermedium (9) nach dem
Bindemitteleintrag (8) wieder eingedüst. Der restliche
Anteil des Zerstäubermediums (9) ergibt sich aus
dem Treibdampf (13). Um eine bessere Verteilung der Fasern
(1) im Trägerdampf (2) zu erreichen wird
im Bereich des Bindemitteleintrags (8) die Turbulenz im
Blasrohr durch Querschnittseinengung erhöht.
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- 1
- Faserstrom
- 2
- Trägerdampf
- 3
- Blasleitung
- 4
- Bindemittel
- 5
- Bindemittel-Eintragswinkel
- 6
- Innenwandung
Blasrohr
- 7
- Blasrohrmitte
- 8
- Bindemitteleintrag
- 9
- Zerstäubermedium
- 10
- Zerstäubermedium-Eintragswinkel
- 11
- Düse
- 12
- Zerfaserer
- 13
- Treibmedium
- 14
- Dampfstrahl-Verdichter
- 15
- Trägerdampf-Entnahme
- 16
- Beleimte
Fasern
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10153593
B4 [0004]
- - DE 10336533 A1 [0004]
- - DE 10356775 A1 [0004]
- - DE 19506353 A1 [0004]
- - EP 1862214 A2 [0011]
- - DE 102006013567 A1 [0012]