Taschenbuch der Papiertechnik

Vorwort Jürgen Blechschmidt Taschenbuch der Papiertechnik ISBN: 978-3-446-41967-4 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41967-4 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München vorwort Die Erfindung des Papiers geht auf das Jahr 105 unserer Zeitrechnung zurück. In den vergangenen 1900 Jahren hat die Erzeugung von Papier eine rasante Entwicklung genommen. Weltweit werden jährlich 320 Mil- lionen Tonnen Papier hergestellt. Jeder Deutsche verbraucht jährlich 265 kg Papier. Moderne Papier- maschinen produzieren mit Geschwindigkeiten bis über 2000 m/min bei einer Arbeitsbreite von mehr als 10 m. Holz ist der wichtigste Rohstoff zur Papiererzeugung. Der Prozess der Verarbeitung von Holz zu den Primärfaserstoffen Zellstoff und Holz- stoff ist der Ausgangspunkt. Altpapier wird in Deutschland zu über 60 % für die Papiererzeugung genutzt. Die Faserstoffe werden für die Herstel- lung des Papiers auf der Papiermaschine zu Ganzstoff unter Zusatz von Additiven je nach zu erzeugender Papiersorte aufbereitet. Moderne Pa- piermaschinen führen über die Prozessstufen Blattbildung, Pressen und Trocknung zum fertigen Papier. Die Qualität der Papieroberfläche kann durch Streichvorgänge beidseitig verbessert werden. In der Ausrüstung erfährt das Papier die endgültige Fertigstellung. Das Taschenbuch be- fasst sich mit diesen Vorgängen und behandelt abschließend die moderne Prozess- und Qualitätskontrolle. Die Papierverarbeitung ist als besonde- rer Abschnitt aufgenommen. Das vorliegende Taschenbuch gibt als Nachschlagewerk den neuesten Stand der Technik unter Nutzung von umfangreichem Bildmaterial und Tabellen wieder. Zur Bearbeitung der Breite des Fachgebietes und Gewährleistung der er- forderlichen Kompetenz konnten ausgewiesene Fachexperten aus dem In- und Ausland als Autoren gewonnen werden. Ihnen sei für ihr aktives Mitwirken herzlich gedankt. Besonderer Dank gilt Herrn Jochen Horn vom Fachbuchverlag Leipzig, der stets mit wertvollen Ratschlägen und Hinweisen zum Gelingen beitrug. Zum Leserkreis gehören alle am komplizierten Prozess der Fertigung des Kulturgutes Papier Interessierten, vorwiegend natürlich das technisch- technologische Personal von Papierfabriken und Papierverarbeitungsbe- trieben sowie Lehrende, Forschende und Lernende an Universitäten, Fachhochschulen, Ingenieurschulen, Papiermacher-Ausbildungszentren und an Forschungsinstituten. Dresden, im November 2009 Jürgen Blechschmidt

Inhaltsverzeichnis Jürgen Blechschmidt Taschenbuch der Papiertechnik ISBN: 978-3-446-41967-4 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41967-4 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München inhaltsverzeichnis 1 Einführung – Historischer Abriss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2 Begriffe und Papiersorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2 Papiersorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3 Lexikon der Papiersorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3 Rohstoffe der Papiererzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2 Aufbau und Zusammensetzung des Holzes . . . . . . . . . . 46 3.3 Holzqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4 Holzvorbereitung für die Faserstofferzeugung . . . . . . . . . . . . . 55 4.1 Rundholzlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.2 Entrindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3 Hacken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.3.1 Einflussgrößen der Hackschnitzel auf die Qualität des Faserstoffes . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.3.2 Einflussfaktoren auf die Qualität der Hackschnitzel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.3 Hacker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.4 Lagerung der Hackschnitzel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.5 Sortieren/Sichten des Hackgutes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.6 Rindenverwertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5 Mechanische Zerfaserung von Holz (Holzstoff) . . . . . . . . . . . 67 5.1 Einführung – Historischer Abriss . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2 Rohstoff Holz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.3 Verfahren zur mechanischen Zerfaserung von Holz zu Holzstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.3.1 Stein-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.3.1.1 Wirkprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.3.1.2 Mechanische und thermische Vorgänge beim Stein-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.3.1.3 Einfluss verschiedener Parameter auf die Eigenschaften des Stein-Holzschliffes . . . . . . . 71 5.3.1.4 Maschinen und Anlagen für die Holzstoff- erzeugung nach dem Stein-Verfahren . . . . . . . 74 5.3.2 Refiner-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.3.2.1 Wirkprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Inhaltsverzeichnis 7 5.3.2.2 Mechanische, thermische und chemische Prozesse im Refiner-Verfahren . . . . . . . . . . . . 83 5.3.2.3 Maschinen und Anlagen für das Refiner- Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.4 Aufbereitung des Holzstoffes – Sortierung und Rejektbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.4.1 Grundprinzipien und Parameter . . . . . . . . . . . 89 5.4.2 Maschinen und Anlagen für die Sortierung und Reinigung von Holzstoff . . . . . . . . . . . . . 91 5.4.3 Rejektstoffbehandlung und Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.5 Bleiche von Holzstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.6 Latenz und Eigenschaften von Holzstoff . . . . . . . . . . . . 96 5.6.1 Latenz von Holzstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.6.2 Eigenschaften von Holzstoff . . . . . . . . . . . . . . 97 6 Chemischer Aufschluss von Holz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.1 Sulfitverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.1.1 Einführung und Überblick . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.1.2 Technologie der Sulfitzellstoffherstellung . . . . 104 6.1.2.1 Sorption von Schwefeldioxid . . . . . . . . . . . . . 105 6.1.2.2 Praktische Durchführung der Kochsäureherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.1.2.3 Kochprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.1.3 Chemie des Sulfitaufschlusses . . . . . . . . . . . . . 110 6.1.3.1 Kinetik des Sulfitaufschlusses . . . . . . . . . . . . . 110 6.1.3.2 Reaktionen am Lignin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.1.3.3 Reaktionen an den Kohlenhydraten . . . . . . . . 113 6.1.4 Verwertung der Sulfitablauge . . . . . . . . . . . . . 113 6.1.5 Regenerierung der Kochchemikalien . . . . . . . 115 6.1.5.1 Zellstoffwäsche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.1.5.2 Eindampfung der Ablauge . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.1.5.3 Ablaugenverbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.2 Sulfatverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.2.1 Einführung und Überblick . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.2.2 Technologie der Sulfatzellstoffherstellung . . . 123 6.2.2.1 Kochlauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6.2.2.2 Aufschlussprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.2.3 Chemie des Sulfataufschlusses . . . . . . . . . . . . 131 6.2.3.1 Reaktionen am Lignin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 6.2.3.2 Ligninkondensation im Alkalischen . . . . . . . . 133 6.2.3.3 Reaktionen an den Kohlenhydraten . . . . . . . . 133 6.2.4 Nebenprodukte beim Sulfataufschluss . . . . . . 135 6.2.5 Regenerierung der Kochchemikalien . . . . . . . 136 8 Inhaltsverzeichnis 6.2.5.1 Eindampfung der Ablauge . . . . . . . . . . . . . . . 136 6.2.5.2 Ausführung der Ablaugeneindampfung . . . . . 137 6.2.5.3 Ablaugenverbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.3 Bleiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.3.2 Chemie und Technologie der Bleiche . . . . . . . 143 6.3.2.1 Sauerstoffbleiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.3.2.2 Chlordioxidbleiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.3.2.3 Ozonbleiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 6.3.2.4 Peroxidbleiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6.3.2.5 Bleiche mit Peressigsäure (PES) . . . . . . . . . . . 149 6.4 Eigenschaften von Sulfit- und Sulfatzellstoffen . . . . . . . 151 7 Altpapieraufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 7.1 Begriffe und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 7.1.1 Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 7.1.2 Altpapiersortenliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 7.2 Vor- und Nachteile des Altpapiereinsatzes . . . . . . . . . . . 162 7.3 Physikalisch-chemische Besonderheiten von Altpapierfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 7.4 Reaktivierbarkeit der Eigenschaftskennwerte von Altpapierstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 7.5 Reaktivierung von Altpapierstoffen für Produkte mit geringen Anforderungen an Helligkeit und optische Homogenität („Braune Linie“) . . . . . . . . . . . . . 169 7.5.

Leseprobe Jürgen Blechschmidt Taschenbuch der Papiertechnik ISBN: 978-3-446-41967-4 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41967-4 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München 10.2 Stoffzufuhrsystem 301 10.2 Stoffzufuhrsystem 10.2.1 Aufgabe und prinzipielle lösung Das Stoffzufuhrsystem, auch konstanter Teil genannt, soll dem Stoffauf- lauf eine Stoffsuspension konstanter Menge mit konstantem Druck, kon- stanter Stoffdichte und konstanter, vorgegebener Zusammensetzung zuführen. Dazu sind erforderlich n konstante Dosierung der Stoffkomponenten, besonders des Dick- stoffs und des Siebwassers, aber auch der Rückführungen, n effektives Mischen der Komponenten und Vermischen mit dem Siebwasser, um daraus ein zeitlich konstantes Gemisch zu erzeugen, n konstantes Zuführen dieser Mischung zum Stoffauflauf. Jede Ungleichförmigkeit in Suspensionsmenge, Stoffdichte oder Stoffzu- sammensetzung äußert sich in Längsschwankungen des Otro-Bahnge- wichts (flächenbezogene Masse der Bahn). 10.2.2 Ausführung Das Stoffzufuhrsystem beginnt an den Maschinenbütten, umfasst Dosier- und Mischvorrichtungen für die Dickstoffkomponenten wie auch von Fer- tigstoff und Siebwasser, sodann das Siebwassersystem, die Mischpumpe und endet mit der Rohrleitung am Stoffauflaufverteiler. Zur Qualitäts- verbesserung des Produkts und zum Schutz der Papiermaschine werden im Stoffzufuhrsystem meist zusätzlich Drucksortierer und Cleaner einge- setzt, bei sehr schnellen Maschinen oder sehr anspruchsvollen Sorten auch Stoffentlüfter (Bild 10.10). Aus Ersparnisgründen werden insbeson- dere bei Karton und Verpackungspapieren oft noch Funktionen aus der Stoffaufbereitung in das Stoffzufuhrsystem übernommen. Das Dosieren der einzelnen Komponenten (Fasern und Füllstoffe) er- folgt bei ca. 3 … 4 %. Die Faserstoffe sind Stoffströme aus der/den Ma- schinenbütte(n) sowie solche aus der Faserrückgewinnung und vom Aus- schussstrang. Sie müssen in ihrer Zusammensetzung und Stoffdichte konstant sein. Früher konnten großräumige Bütten mit Rührern als Puf- fer und Ausgleichselemente die Stoffdichte- und Mengenkonstanz gewährleisten. Die Durchsätze bei den heutigen Maschinen liegen jedoch in der Größenordnung von 1,5 m³/s. Dies würde bei den früher üblichen Verweildauern immense Dimensionen und Kosten bedeuten. So kommt den eingesetzten Apparaturen und Verfahren sowie der MSR-Technik eine hohe Bedeutung zu. Gemischt werden die Dickstoffkomponenten 302 10 Erzeugung von Papier Bild 10.10: Stoffzufuhrsystem für eine moderne Papiermaschine hoher Geschwindigkeit (Quelle: Voith) z. B. in einem Mischrohr, wobei sie in der Reihenfolge ihres Entwässe- rungsverhaltens eingebracht werden. Dabei sollte die am leichtesten zu entwässernde Komponente in Richtung Faserrückgewinnung angeordnet sein. Anschließend erfolgt in der Mischbütte der bestmögliche Ausgleich evtl. noch vorhandener Unterschiede. Das Mischen des Dickstoffs mit dem Siebwasser (und den Rückführun- gen) erfolgt im Ansaugstutzen der Mischpumpe (Bild 10.11). Dies kann durch entsprechende Geschwindigkeitsunterschiede der einzelnen Ströme geschehen. Selbstverständlich muss auch das Siebwasser mit konstanter Stoffdichte und konstanter, vorgegebener Menge zugeführt werden. Die Fördermenge der Mischpumpe bestimmt bei konstanter Dickstoffzufuhr die abgerufene Siebwassermenge und damit die Stoffdichte der Suspen- sion, die dem Stoffauflauf zugeführt wird. Die Fördermenge wird heute über die Drehzahl des Pumpenantriebs geregelt. Früher waren Drosse- lung im Hauptstrom oder die Rückführung eines Teilstroms (fälschlich Bypass genannt) üblich, sie bringen jedoch Nachteile hinsichtlich Ener- gieverbrauch und Regelgüte [10.8]. Die mehrstufigen Cleaneranlagen (siehe Abschnitt 9) im Konstantteil ste- hen nach der Mischpumpe und übernehmen oft – wie auch die Sortierer – nur eine „Polizeifunktion“, wenn der Stoff aus der Stoffaufbereitung bereits den Qualitätsansprüchen genügt. Hier werden dann noch Sand, Splitter, Batzen und andere schwerere Partikel, z. B. aus dem Siebwasser- kreislauf oder dem Ausschusssystem, abgeschieden. Dies soll vor allem unnötigen Verschleiß oder Beschädigungen in der Papiermaschine (Siebe, Filze, Foils, Walzen, Schaber) vermeiden. Bei gestrichenen Papieren kann es zu einer stärkeren Eindickung im Cleaner-Rejekt der höheren Stufen kommen. 10.2 Stoffzufuhrsystem 303 Bild 10.11: Zusammenführung und Durchmischung der Dickstoffkomponenten vor der Misch- bütte (links) sowie (rechts) des Dickstoffs, der Rückführungen und des Siebwassers vor der Mischpumpe (Quelle: Voith) Der Drucksortierer (siehe Abschnitt 9) im Stoffzufuhrsystem steht direkt vor dem Stoffauflauf und soll vor allem Batzen und sonstige Verschmut- zungen, die sich evtl. aus Ablagerungen im Stoffzufuhrsystem gebildet haben, abscheiden und so den Betrieb der Papiermaschine und die Quali- tät des Produkts sicherstellen. Lufteinschlüsse in der Suspension können Probleme hervorrufen: n im Stoffzufuhrsystem durch verringerten Pumpen- und Sortierer- wirkungsgrad, durch Schaumprobleme sowie durch Ablagerungen von hydrophoben und klebenden Bestandteilen und durch verstärkte mikrobiologische Aktivitäten, n im Betrieb der Papiermaschine durch verringerte Entwässerungska- pazität und häufigere Papierabrisse oder n im Produkt selbst durch verstärktes Auftreten von Nadellöchern, Schmutzeinschlüssen, Verschlechterung von Formation und Otro- Bahnprofil. Die Stoffentlüftung wird vor allem bei hohen Papiermaschinengeschwin- digkeiten und für grafische Papiere eingesetzt. Das am häufigsten ange- wandte System arbeitet nach dem Siedepunktsprinzip und besteht im Wesentlichen aus einem Entlüftungstank (Bild 10.12). Dabei wird der Druck in diesem Tank so weit abgesenkt, dass der Siedepunkt bei der vorhandenen Betriebstemperatur der Suspension erreicht wird (bei 50 °C liegt der Siededruck bei ca. 0,13 bar (absolut), also bei einem Vakuum von 0,87 bar). Zusätzlich schafft man durch Aufspritzen auf die Innen- seite des Tanks eine große Suspensionsoberfläche sowie einen geringeren Steigweg für die Luftblasen und damit eine effektive Entlüftung. Außer- dem werden durch die hydraulische Entkopplung evtl. Pulsationen der Mischpumpe eliminiert. 304 10 Erzeugung von Papier Zulauf Vakuumleitung Überlauf Durchlauf Bild 10.12: Beispiel für einen Entlüftungstank nach dem Siedepunktsprinzip (Quelle: Voith) Zur Entlüftung werden auch Entgasungspumpen benutzt, die ein Zentri- fugalfeld erzeugen, aus dessen Innerem die abgeschiedene Luft abgeführt wird. Chemische Entlüftung durch Entschäumer wird ebenfalls ange- wandt. Die früher angewandte Entlüftung im Siebwasserturm ist heute meist nicht möglich, da die Sinkgeschwindigkeit des Siebwassers deutlich höher ist als die Steiggeschwindigkeit der Luftblasen. Also werden auch größere Luftblasen mitgerissen. So hat eine Luftblase von etwa 1 mm Durchmesser eine Steiggeschwindigkeit in Wasser von ca. 1 m/s. Auch offene Gerinne mit hoher Anstauung sind prinzipiell nur dann hilfreich, wenn das Verhältnis von Verweildauer der Suspension, der Suspensions- höhe und der Steiggeschwindigkeit der noch abzuscheidenden Luftblasen im Einklang steht [10.9]. Luft gelangt in die Suspension vor allem über das Siebwasser im For- mierbereich, im Siebwasserkanal und in den Bütten. Um Lufteinschlüsse in die Suspension weitgehend zu vermeiden, gelten gewisse Regeln: n Suspensionsströme aus Rohrleitungen werden unterhalb des Flüs- sigkeitsspiegels in die Bütte eingebracht. n Suspensionsströme aus offenen Gerinnen werden mit möglichst ge- ringer Geschwindigkeit in eine freie Suspensionsoberfläche einge- führt. n Einzugswirbel (Badewannenwirbel) am Behälterauslauf werden durch ein Strömungskreuz oder einen Strömungsteller über dem Auslauf (und möglichst hohen Flüssigkeitsstand) vermieden. n Schießende Strömung in offenen Gerinnen mit nachfolgendem plötzlichem Aufstau der Flüssigkeit (hydaulic jump) durch entspre- chende Strömungsführung vermeiden oder entschärfen. n In Förderrichtung ansteigende Rohrleitungsführung sicherstellen und Entlüftungsstutzen an den höchsten Punkten der Rohrleitun- gen anbringen. 10.2 Stoffzufuhrsystem 305 In Bild 10.13 sind Möglichkeiten zur Vermeidung von Luftproblemen bei- spielhaft aufgezeigt [10.10]: n Links: Ein Luft-Siebwassergemisch aus dem Formierbereich einer schnell laufenden Papiermaschine wird in einem Siebkorb in viele Einzelstrahlen zerlegt, dabei kann die Luft aus dem Gemisch ent- weichen und wird abgeführt. n Mitte: Der Einzugswirbel und damit Lufteinzug wird durch einen Wirbelbrecher verhindert. n Rechts: Auch bei unterschiedlichen Durchsätzen wird durch das an- steigende Rohrregister keine Luft in die Flüssigkeitsoberfläche ein- geschlagen. Bild 10.