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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
mechanischen und chemisch-mechanischen Herstellung von Papierpulpe
unter Zerkleinern und Mahlen von Holzmaterial in mindestens 2
Stufen.
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Ein Gegenstand der Erfindung ist die Durchführung des
Zerkleinerns und Mahlens in der Weise, daß der gesamte
Energieverbrauch - wie im nachstehenden beschrieben - wesentlich
vermindert wird.
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Das Zerkleinern von Zellulose enthaltendem Material bei
niedriger Pulpenkonzentration ist eine Arbeitsweise, die schon
seit langer Zeit zur Verbesserung der papierbildenden
Eigenschaften der Fasern angewendet wird. Dies gilt jedoch nur für
ligninfreie oder im wesentlichen ligninfreie Fasern, also
z.B. für nach dem Sulfat- oder Sulfit-Verfahren hergestellte
Fasern. In Bezug auf mechanisch hergestellte Pulpen, wie eine
thermo-mechanische Pulpe (TMP) oder chemisch-mechanische
Pulpe (CTMP) wurde das Zerkleinern bei niedriger
Konzentration, das sogenannte Nachmahlen (post-refining), als nicht
anwendbar angesehen, außer als eine Arbeitsweise zum Erhöhen
der Lichtsteuungskapazität der Pulpe und zur geringen
Herabsetzung der Faserlänge zwecks Verbesserung des Faserbildes
bei der Papierfertigung.
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Es wurden schon Forschungsarbeiten zum gering-konzentrierten
Nachzerkleinern von einer in hoher Konzentration
hergestellten TMP durchgeführt. So wird in Scan Forsk Rapport 409/1984
über Arbeiten berichtet, die den Energieverbrauch beim
Nachzerkleinern bei niedriger Konzentration im Vergleich mit dem
Vermahlen bei hoher Konzentration betreffen. Die Ergebnisse
dieser Versuche zeigen, daß der Mahlgrad von TMP auf 10 bis
30 ml herabgesetzt werden kann ohne wesentliche
Verschlechterung der Festigkeitseigenschaften und daß eine
Energieeinsparung von 50 bis 150 kWh/Tonne erzielbar ist. Der
Gesamtenergieverbrauch ist jedoch beträchtlich und liegt im Bereich von
1600 bis 2300 kWh/Tonne.
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In Pulp and Paper Magazine of Canada, Vol. 81, Nr. 6, Juni
1980, Seiten 72 bis 80 (N. Hartier) wird über Experimente zur
Herabsetzung des Energieverbrauchs bei dem Zerkleinern von
Spänen berichtet. Ein dort gemachter Vorschlag betrifft die
Änderung des chemischen Milieus durch Chemikalienzugabe.
Durch Zusatz von Natriumhydroxid konnte der Energieverbrauch
um 30 % reduziert werden, indessen war der
Gesamtenergieverbrauch immer noch etwa 1300 kWh/Tonne. Bei diesen Versuchen
waren jedoch die Ausbeute gering und die ISO-Helligkeit
beträchtlich verschlechtert.
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In Svensk Papperstidning, 1982, Seiten R 132 bis 139
(P.Axelson und R. Simonson) wird der Einfluß der
Sulfitimprägnierung auf die Späne bei dem Zerkleinerungsverfahren, also
der Energieverbrauch erörtert. Bei Aufnahme einer bestimmten
Sulfitmenge zeigt das Energieverbrauchsdiagramm ein Minimum.
Insgesamt gesehen, lag jedoch der Energieverbrauch in der
Höhe von 2000 kWh/Tonne.
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Es wurden auch schon Versuche durchgeführt zur Behandlung
einer thermo-mechanischen Pulpe mit faser-modifizierenden
Chemikalien. Es wurde dabei gefunden, daß durch die
Behandlung der zerfaserten Pulpe mit Ozon vor dem Zerkleinern in
einem Zweistufenverfahren der Energieverbrauch um bis 30 %
herabgesetzt werden kann. Dies konnte jedoch nur erzielt
werden auf Kosten der Ausbeute.
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In der WC-A-87 106 280 wird die Zugabe von Alkali
beschrieben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß eine
Mechanische Herstellung von Papierpulpe mit wesentlich
reduziertem Energieverbrauch möglich ist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das
Holzmaterial in einer ersten Stufe bei einer Konzentration von mehr
als 20 % grob zerkleinert wird. Die Energiezufuhr soll
hierbei maximal 800 kWh/Tonne des Holzmaterials betragen. Die im
Holzmaterial vorhandenen Säuregruppen werden danach ganz oder
teilweise neutralisiert. Alsdann erfolgt eine Verdünnung des
Materials mit Wasser von einer mit dem Erweichungspunkt des
Lignins korrespondierenden Temperatur. Das Verdünnungswasser
soll eine Ionenstärke von maximal 0,05 Mol/l aufweisen. Das
grob zerkleinerte Material wird danach bei einer
Konzentration von 1 bis 10 % mit einem Energieaufwand von insgesamt
maximal 500 kWh/Tonne des Materials Vermahlen.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Überlegung, daß eine
Beziehung zwischen der Zerkleinerung des Holzmaterials zu
Fasern und der Art zur Übertragung der Energieimpulse auf das
Material besteht, z.B. ob die Energieimpulse in flüssiger
Phase oder Dampfphase übertragen werden. Das Augenmerk ist
auch auf den thermischen und physikalischen Zustand des Holz
materials während der Übertragung der Energieimpulse zu
richten.
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Bisher war man beim niedrig-konzentrierten Zerkleinern und
Zerfasern des Holzpacks unter Verminderung des
Energieverbrauchs bei der Herstellung von Papierpulpe nicht
erfolgreich. Der Grund dafür ist, daß man nicht wußte, wie ein
Abfall der Fasern und eine zu große Herabsetzung vom
Festigkeits- und Einreiß-Index der erhaltenen Papierpulpe zu
vermeiden und gleichzeitig verbesserte Bindungseigenschaften
der Pulpe zu erzielen waren.
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Um dies zu erreichen, ist es wichtig, Temperatur und
chemisches Milieu der Fasersuspension anläßlich von dem
Zerkleinern zu regulieren.
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Zum Erhalt eines niedrigen Gesamt-Energieverbrauchs muß die
Energiezufuhr in der ersten Grobzerkleinerungs-Stufe gering
sein. Die erste Stufe mit hoher Konzentration kann bei
Atmosphärendruck oder unter Druck erfolgen und z.B. durch
Zerreißen (Schreddern), Spanpressen, Plug-Fördern (plug screwing
vom Typ Impressafiner oder PREX) oder Zerfasern in einem
Refiner.
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Das endgültige Vermahlen erfolgt dann in einer oder mehreren
Stufen bei niedriger Pulpenkonzentration, d.h. bei einer
Konzentration von 1 bis 10 %. Bei diesem Vermahlen ist zu
beachten, daß die spezifische Eckenbelastung hinreichend niedrig
ist und daß die Temperatur und das chemische Milieu der
Fasersuspension auf den Erweichungs- und Quell-Zustand der
Holzpolymeren eingestellt ist. Dies erfolgt gemäß der
Erfindung dadurch, daß die Temperatur beim Mahlen wenigstens so
hoch wie die Erweichungstemperatur vom steifsten amorphen
Holzpolymer ist, daß die Säuregruppen der Holzpolymeren im
wesentlichen ionisiert sind und daß die Ionenstärke vom
Prozeßwasser hinreichend niedrig ist.
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Die Erfindung wird nachstehend in größerer Einzelheit anhand
einiger Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die
anliegenden Zeichnungen beschrieben; von diesen Zeichnungen
stellen dar:
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Fig. 1 ein Fließschema von einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
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Fig. 2 bis 4 Diagramme über die Eigenschaften und den
Energiegebrauch im Falle einer gemäß Fig. 1
hergestellten Pulpe,
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Fig. 5 ein Fließschema bei einer anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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Fig. 6 bis 8 Eigenschaften und Energieverbrauch im Falle des
Verfahrens gemäß der zweiten Ausführungsform.
Beispiel 1
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Das Fließschema gemäß Fig. 1 erläutert die Herstellung einer
thermo-mechanischen Pulpe für Zeitungspapier.
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Späne aus Fichtenholz werden in einer ersten Stufe gedämpft
und erwärmt. Die erwärmten Späne werden dann in einem
Druckrefiner mit einem Energieaufwand von 700 kWh/Tonne zerlegt.
Bei dieser Grobzerfaserung werden 3 kg NaOH in der
Zerkleinungszone des Refiners zur Neutralisierung der im
Holzmaterial vorhandenen Säuregruppen zugesetzt. Zu dem zerkleinerten
Material wird Verdünnungswasser mit einer Temperatur von
80 ºC und einer Ionenstärke von 2,0 mmol/l zum Erhalt einer
Pulpenkonzentration von 3 % zugesetzt.
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Bei dieser Konzentration wurde die Pulpe dann in fünf
aufeinanderfolgenden Stufen mit einer spezifischen Kantenbelastung
von 0,3 bis 0,5 ws/m und einem totalen Energieverbrauch von
150 kWh/Tonne der Pulpe bis entsprechend einem
Gesamtenergieverbrauch von 250 kWh/Tonne Pulpe auf einen Mahlgrad von
150 ml CSF und einer mittleren Faserlänge (PML) von 1,8 mm
Vermahlen, also zu einem Zustand entsprechend einer in
üblicher Weise mit einem Energieverbrauch von 1750 kWh/Tonne
Pulpe hergestellten TMP-Pulpe.
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Der Gesamtenergieverbrauch beim erfindungsgemäßen Verfahren
wurde so von 1750 und 950 kWh/Tonne reduziert.
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Die Ausbeute betrug 97 %.
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Ein Vergleich zwischen den Eigenschaften einer konventionell
hergestellten TMP-Pulpe und einer gemäß der Erfindung
hergestellten Pulpe ist in der Tabelle I wiedergegeben.
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Diesbezüglich wird angemerkt, daß als konventionelles TMP-
Verfahren das Refinersystem, d.h. ein
Zweischeiben-Druckrefiner kombiniert mit kurzer Verweilzeit bei dem Druckerhitzen,
angewendet wurde, welches bis jetzt als das am wenigsten
Energie verbrauchende bekannt ist.
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Bei den Zweistufenverfahren mit Einscheiben-Vermahlung werden
in den meisten Fällen mehr als 2000 kWh/Tonne zum Erhalt
einer Pulpe mit 150 ml/CSF benötigt.
Tabelle I
konventionell
Erfindung
Energieverbrauch, kWh/Tonne
Mahlgrad, ml/CSF
Holzsplittergehalt, Sommerville %
Zugindex, kNm/kg
Zugsteifheits-Index
Dehnung beim Bruch, %
Einreißindex, Nm²/kg
Dichte, kg/m³
ISO-Helligkeit, %
*PML = Mittlere Partikellänge, gemessen gemäß dem SIFI-Pulpen-Meßsystem
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Die Herstellung von TMP gemäß der Erfindung wird in den Fig.
2, 3 und 4 verglichen mit einer konventionellen TmP, die
einstuf ig in einem zweischeiben-Refiner, dem bis jetzt am
wenigsten Energie verbrauchenden Verfahren, hergestellt worden
war.
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Fig. 2 zeigt den Zugindex als Funktion von dem
Energieverbrauch. Aus der Figur ist klar ersichtlich, daß die Zunahme
vom Zugindex bei einem bestimmten elektrischen
Energieverbrauch bei dem erfindungsgemäß hergestellten TMP wesentlich
größer ist.
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Fig. 3 zeigt den Einreißindex als eine Funktion vom Zugindex
der TMP, hergestellt gemäß der Erfindung und gemäß der
üblichen Arbeitsweise. Es ist ersichtlich, daß die Entwicklung
vom Einreißindex für die jeweilige TMP in etwa gleich ist;
durch Optimierung bei der Niederkonzentrations-Zerkleinerung
gemäß der Erfindung werden Faserschneiden und damit
ernsthafte Abnahme vom Einreißindex im wesentlichen vollständig
vermieden, wohingegen Schneiden und Abnahme bei
konventioneller Niederkonzentrations-Zerkleinerung der mechanischen
Pulpen üblicherweise eintreten.
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Fig. 4 zeigt, wie sich der Lichtstreuungs-Kooeffizient (s)
bei konventioneller TMP und erfindungsgemäß hergestellter TmP
entwickelt. Es ist erkennbar, daß die s-Entwicklung ebenso
nur einen niedrigen Energieaufwand benötigt wie die Zugindex-
Entwicklung, d.h. die Einsparung an elektrischer Energie bis
zu einem bestimmten s-Wert liegt in gleicher Größe wie die
Einsparung bis zu einem bestimmten Zugindexwert.
Beispiel 2
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Dieses Beispiel betrifft die Herstellung einer chemische-
mechanischen Pulpe (CTMP oder CMP) gemäß dem in der Fig. 5
gezeigten Fließschema.
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Die Behandlung mit Tränkungschemikalien, wie Sulfiten,
Peroxid, Sauerstoffgas, Ozon und/oder Lauge, kann vor der
ersten Zerfaserungsstufe, nach dieser ersten Stufe, aber vor
dem abschließenden Vermahlen, nach dem abschließenden
Vermahlen oder kombiniert erfolgen. Gemäß dem Fließschema wird die
Tränkung vor der ersten Zerfaserungsstufe durchgeführt.
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Die erste Zerfaserungsstufe bei hoher Konzentration wird in
der im Beispiel 1 angeführten Weise vorgenommen.
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Bei der Herstellung einer chemisch-mechanischen Pulpe ist die
Waschstufe sehr wesentlich, so daß gemäß der Erfindung das
Vermahlen bei einer niedrigen Ionenstärke stattfinden soll.
Daher wird das Waschen vor dem Endvermahlen durchgeführt. In
den Fällen, wo die chemische Behandlung als letzte
Verfahrensstufe vorgesehen ist, erfolgt das Waschen gleich nach
dieser Stufe.
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Das abschließende Vermahlen erfolgt wie im Beispiel 1,
indessen müssen die Prozeßtemperatur und das chemische Milieu auf
die besonderen Eigenschaften eingestellt werden, die die
Holzpolymeren durch die Behandlung mit den Chemikalien
bekommen haben. So ist es wichtig, ein Augenmerk auf die Anzahl an
Sulfonsäuregruppen zu richten, die durch eine eventuelle
Sulfit-Behandlung eingebracht worden sind. Da ein zunehmender
Anteil an Sulfonsäuregruppen die Erweichungstemperatur vom
Lignin herabsetzt, kann die Temperatur vom Prozeßwasser
niedriger sein als bei der Herstellung der TMP-Pulpe gemäß
Beispiel 1. Die hinreichend hohe Temperatur bei der Herstellung
von CTMP beträgt 40 ºC. Vom Gesichtspunkt des
Helligkeitspunkts her ist es vorteilhaft, mit der niedrigst möglichen
Temperatur zu arbeiten. Bei der Natriumsulfitbehandlung sind
sowohl die Sulfonsäuregruppen als auch die Carbonsäuregruppen
von Beginn an ionisiert.
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Sofern bei der Herstellung der CTMP eine Holzmodifizierung
mit Peroxid, Sauerstoff oder Ozon gewählt wird, werden
natürlich keine Sulfonsäuregruppen erhalten, indessen steigt der
Anteil an Carbonsäuregruppen vom Holzmaterial, insbesondere
vom Lignin beträchtlich, was zu einer Herabsetzung der
Erweichungstemperatur des Lignins führt.
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Gemäß dem Beispiel nach Fig. 5 werden Späne von Fichten
gedämpft und mit einer Natriumsulfitlösung in einer Menge bis
zu 2 % der Charge getränkt und danach auf eine Temperatur von
130 ºC während 3 Minuten erhitzt. Das Material wird dann in
einem Späne-Preßrefiner bei hoher Konzentration (etwa 35 %)
und einem Energieverbrauch von etwa 600 kWh/Tonne grob
zerkleinert. Die erhaltene Ausbeute lag bei etwa 96 %. Das
erhaltene, grob zerfaserte Material wurde bis auf etwa 3 %
verdünnt und bei 80 ºC während 20 bis 30 Minuten
latenzbehandelt. Die Pulpe wurde dann auf eine Konzentration von etwa 45
bis 50 % gepreßt und nochmals auf 3 % verdünnt bei einer
Temperatur von 70 ºC. Bei dieser Konzentration wird die Pulpe
dann bei einer spezifischen Kantenbelastung von 0,3 bis 0,5
Ws/m in fünf aufeinanderfolgenden Stufen mit einem
Netto-Energieverbrauch von 150 kWh/Tonne bis zu einem
Gesamtenergieverbrauch von 250 kWh/Tonne vermahlen; es wird eine Pulpe mit
einem Mahlgrad von 250 ml CSF und einer mittleren Faserlänge
(PML) von 1,7 mm erhalten, was einer konventionellen CTMP-
Pulpe entspricht, die in einer Stufe mit einem
Energieverbrauch von 1750 kWh/Tonne hergestellt worden ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde also der
Energieverbrauch von den üblichen 1750 kWh/Tonne auf 850 kWh/Tonne
herabgesetzt.
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Die Eigenschaften der erhaltenen CTMP-Pulpe im Vergleich zu
einer konventionellen CTMP-Pulpe sind in der Tabelle II
wiedergegeben.
Tabelle II
konventionell
Erfindung
Energieverbrauch,kWh/Tonne
Zugindex, kNm/kg
Zugsteifheits-Index
Dehnung beim Bruch, %
Einreißindex, Nm²/kg
Dichte, kg/m³
ISO-Helligkeit, %
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Die Herstellung von CTMP gemäß der vorliegenden Erfindung
wird in den Fig. 6,7 und 8 verglichen mit der gemäß der
konventionellen Technik.
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In Fig. 6 ist der Zugindex als Funktion von dem
Energieverbrauch für eine gemäß der Erfindung hergestellte CTMP-Pulpe
und für eine konventionell hergestellte Pulpe dargestellt.
Bei einem bestimmten Zugindex, z.B. 40 kNm/kg, benötigt die
konventionelle Mahlung etwa 1750 kWh/Tonne Pulpe, wohingegen
bei der erf indungsgemäßen Arbeitsweise nur 850 kwh/Tonne
verbraucht werden.
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Beim Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der
konventionellen Methode in Bezug auf den Einreißindex als
Funktion vom Zugindex ist ersichtlich, daß die Beziehungen
ähnlich sind, d.h. man vermeidet das Faserschneiden, das bei
der Niederkonzentrations-Mahlung üblich ist und Anlaß für
einen wesentlich herabgesetzten Einreißindex gibt. Dies ist
aus dem Diagramm in der Fig. 7 erkennbar.
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Der Lichtstreuungs-Koeffizient der gemäß der Erfindung
hergestellten CTMP-Pulpe als Funktion vom Energieverbrauch ist im
Diagramm gemäß Fig. 8 im Vergleich mit einer konventionell
hergestellten Pulpe gezeigt. Es ist ersichtlich, daß bei
einem entsprechenden Lichtstreuungs-Index der
Energieverbrauch gemäß der Erfindung wesentlich niedriger ist.
Beispiel 3
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Dieses Beispiel betrifft die Herstellung eines
hochsulfonierten CTMP oder CMP, d.h. einer Pulpe mit einem Gehalt
von mehr als 4 g an gebundenem Schwefel pro kg Holzmaterial.
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Späne von Fichtenholz wurden mit einer Natriumsulfit-Lösung
(mit etwa 120 g Natriumsulfit pro Liter) in einer Menge bis
zu etwa 12 % getränkt. Die Späne wurden dann auf eine
Temperatur von 140 ºC während 10 Minuten erhitzt und daraufhin mit
einem Energieverbrauch von etwa 400 kWh/Tonne Holz grob
zerkleinert. Die Zerfaserung wurde in einem Späne-Druckrefiner
durchgeführt mit einer Ausbeute von 93 bis 94 %. Nach einer
Latenzbehandlung bei 60 ºC und einer Pulpenkonzentration von
3 % während 20 bis 30 Minuten wurde die Pulpe in drei Stufen
mit einer Kantenbelastung von 0,3 bis 0,5 Ws/m und einem
Netto-Energieverbrauch von 100 kWh/Tonne bis entsprechend
einem Gesamt-Energieverbrauch von 160 kWh/Tonne vermahlen.
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Die Eigenschaften der erhaltenen Pulpe wurden bestimmt; in
der nachfolgenden Tabelle III sind die erhaltenen Werte in
Vergleich gestellt mit einer CTMP, die in üblicher Weise in
einem einstufigen Verfahren mit einem Energieaufwand von 1500
kWh/Tonne hergestellt war.
Tabelle III
konventionell
Erfindung
Energieverbrauch,kWh/Tonne
Zugindex, kNm/kg
Dehnung beim Bruch, %
Einreißindex, Nm²/kg
Dichte, kg/m³
ISO-Helligkeit, %
Beispiel 4
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Diese Ausführungsform ist ein Beispiel dafür, daß in der
ersten Stufe ein Extruder für die Grobzerkleinerung des Holz
materials verwendet werden kann. Gemäß diesem Beispiel wurde
ein Extruder vom Typ "Bivis" eingesetzt.
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Fichtenholzspäne werden in der üblichen Weise bei 100 ºC
während 10 Minuten gedämpft und daraufhin in die Bivis-Maschine
eingespeist. Bei der Zerfaserung in der Maschine werden 2 bis
3 % Natriumsulfitlösung zugegeben, so daß der
Sulfonierungsgrad des Materials auf 1,5 g Schwefel je kg Holz anstieg. Der
elektrische Energieverbrauch betrug etwa 400 kWh/Tonne Holz
beim Durchgang des Materials durch die vier Kompressionszonen
der Doppelschnecke. Nach dem Entladen wurde das Fasermaterial
auf eine Pulpenkonzentration von 5 % bei etwa 70 ºC gebracht,
worauf die Suspension zum Vermahlen in sieben Stufen in einen
Niederkonzentrations-Refiner gepumpt wurde. Nach der fünften
Stufe betrugen der Mahlgrad der Pulpe etwa 250 ml CSF, der
Zugindex 55 kNm/kg und der Einreißindex 6 Nm&sub2;/kg bei einem
Netto-Energieverbrauch von 150 kWh/Tonne und einem
Gesamtenergieverbrauch von 250 kWh/Tonne.
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Demzufolge betrug der totale Energieaufwand für die
Herstellung der chemisch-mechanischen Pulpe (CTMP) bis zu einem
Mahlgrad von 250 ml CSF im Falle des erfindungsgemäßen
Verfahrens 650 kwh/Tonne, was zu vergleichen ist mit etwa 1750
kWh/Tonne gemäß der besten konventionellen Technik zum Erhalt
des entsprechenden Mahlwertes.
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Bei dem erfindungsgemäßen Vermahlen in niedriger
Konzentration mit sieben Stufen konnte ein Mahlgrad von 50 ml CSF
erreicht werden; die erhaltene CTMP-Pulpe war geeignet für
Magazine und LWC-Papier. Gleichwohl konnte der
Gesamt-Energieverbrauch unter etwa 850 kWh/Tonne gehalten werden. Pulpe der
letztgenannten Art kann mit der üblichen Technik nicht
hergestellt werden, da eine hinreichend gute Glätte nicht
erzielbar ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungen
beschränkt und kann innerhalb des Umfangs vom
Erfindungsgedanken variiert werden.