89522 Heidenheim „'Fiber Design'"

Verfahren zur Aufbereitung von Altpapier enthaltenden Rohstoffen zu einer zur Erzeugung graphischer Papiere geeigneten Faserstoffsuspension

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Aufbereitung von Altpapier enthaltenden Rohstoffen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verfahren dieser Art werden benutzt, um die Altpapierfaser-Rohstoffe so weit aufzubereiten, dass sie auch zur Herstellung von graphischen Papieren verwendet werden können, also von Papiersorten, die zum Bedrucken oder

Beschreiben geeignet sind. Zumeist werden graphische Papiere, um sie mit einer glatten Oberfläche zu versehen, satiniert oder kalandriert. Hochwertige kalandrierte

Papiere werden auch SC-Papiere genannt. Eine andere wichtige graphische Papiersorte sind die LWC-Papiere. Da Papiere dieser Art relativ dünn sind, oft nur ein Zehntel Millimeter dick, ist es wichtig, dass die Rohstoffe nur solche Fasern enthalten, die bei diesen dünnen Blattformen nicht störend hervortreten oder das Papier ungleichmäßig erscheinen lassen. Auch für eine optimale Bedruckbarkeit ist eine einwandfreie Blattoberfläche entscheidend. Es ist außerdem zu vermeiden, dass weiche Fasern durch harte Fasern oder harte

Faserbruchstücke beim Satinieren oder Kalandrieren so sehr zusammengedrückt werden, dass die Opazität verloren geht ("Schwarzsatinage").

Aus der DE 101 16 368 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem aus holzstoffhaltigem Altpapier durch Fraktionierung eine Hartfraktion gewonnen und diese dann einer stark faserkürzenden Mahlung unterzogen wird. Dabei wird ebenfalls das Ziel verfolgt, den Faserstoff für hochwertige Papiersorten aufzubereiten.

Aus wirtschaftlichen Gründen wird angestrebt, Altpapier in möglichst hohem Maße auch bei hochwertigen graphischen Papiersorten einzusetzen. Durch Deinken erhält bedrucktes Altpapier die notwendige Weiße und Sauberkeit. Dennoch sind für den Einsatz solcher Rohstoffe, die auch „dip" (deinked pulp) genannt werden, Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Aufbereitung von Altpapier enthaltenden Rohstoffen zu schaffen, mit dem ein höherer Anteil von Altpapier auch für hochwertige graphische Papiere eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Insbesondere wird von den gebildeten Fraktionen entweder nur eine gemahlen oder bei Mahlung mehrerer Fraktionen mindestens eine Fraktion so gemahlen, dass Mahlwirkung beeinflussende Parameter anders eingestellt sind als bei der Fasermahlung einer anderen Fraktion.

Durch die beschriebenen Verfahrensschritte wird die Schädlichkeit bestimmter Fasern für das Papierprodukt beseitigt. Je nach Ausgestaltung des Verfahrens können z. B.

- Grobe/lange Fasern flexibilisiert werden,

- Feinstoffe so erzeugt werden, das das Festigkeitspotential der Fasern möglichst erhalten bleibt und/oder

- Faserfraktionen in ausgesuchten Lagen oder Schichten des erzeugten

Papiers verwendet werden.

Dadurch und insbesondere durch die Kombination dieser erfindungsgemäß erreich ba ren Wi rku ngen l ässt s ich e i n spezieller Ausgangsstoff für die

Papiererzeugung schaffen. Da sich also die aus dem Altpapiereinsatz stammenden Probleme bei Erzeugung einer bedruckbaren Papieroberfläche und beim Glätten lösen lassen, kann durch das Verfahren der Altpapiereinsatz wesentlich erhöht werden. Es ist nun ein Anteil von mindestens 80% möglich.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig.1 : ein beispielhaftes Schema zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig.2: Teilansicht von Mahlgarnituren mit kleinem Schnittwinkel

Fig.3+4: schematisch: zwei verschiedene Möglichkeiten zur Durchführung der Fraktionierung;

Fig.5: ein vereinfacht dargestelltes Anlagenschema mit zweistufiger Fraktionierung;

Fig.6: ein vereinfacht dargestelltes Anlagenschema mit Vollstrom- Nachmahlung; Fig.7+8: je ein Beispiel einer Kombination von Sieb- und Hydrozyklonfraktionierung;

Fig.9: eine besonders vorteilhafte Verwendung der Fraktionen bei der Papierherstellung.

Das in der Fig. 1 gezeigte Verfahrensschema stellt die wesentlichen Verfahrensschritte der Erfindung an Hand eines Beispiels dar. Zunächst erfolgt die Stofflösung 1 , bei der das holzstoffhaltige Altpapier M zusammen mit Wasser W so behandelt wird, dass sich eine wässrige Faserstoffsuspension S bildet. Oft ist anschl ießend eine mehr oder weniger aufwendige Reinigung 2 der Faserstoffsuspension S notwendig. Welcher Aufwand zur Herstellung eines sauberen Papierstoffes erforderlich ist, ist an sich bekannt. Zur Reinigung 2 können z. B. Sortierer, Hydrozyklone und Flotationsanlagen verwendet werden (zumeist in Kombination). In Fällen, in denen ein von vorneherein sauberer Rohstoff (z.B. Papiermaschinen-Aussch uss) eingesetzt wird , kan n d ie Rei n ig u ng auch entfal l en . - A -

In der sich anschließenden Fraktionierung 3 werden mindestens zwei Faserfraktionen F1 und F2 gebildet, wobei hier die gröbere mit F1 und die feinere mit F2 bezeichnet werden. Bei dem gezeigten Beispiel wird zusätzlich eine dritte Fraktion F3, die Feinstfraktion, gebildet, die noch feiner ist. Die Fra ktion ierung 3 kann ein- oder mehrstufig sein, worauf später noch eingegangen wird. In der gröberen Fraktion F1 werden insbesondere die groben Fasern aufkonzentriert, die für die Probleme beim Satinieren oder Kalandrieren verantwortlich sind. Diese Fraktion 1 wird durch eine schonende Fasermahlung 4 bearbeitet. Durch die schonende Fasermahlung 4 werden die Fasern ohne größere Einbuße an Faserlänge flexibler, wodurch sie sich leichter in das später daraus gebildete Papierblatt einfügen lassen. Dem Fachmann ist der Begriff „schonende Mahlung" bekannt. Im Gegensatz zur „schneidenden Mahlung" werden die Fasern gegeneinander gerieben, hydratisiert und ihre Oberfläche fibrilliert. Eine Fasermahlung wird schonender mit geringerer sekundlicher Kantenbelastung (gemessen z.B. in J/m), schrägeren Schnittwinkeln, und zunehmender Konsistenz

(Hochkonsistenzmahlung). Hochkonsistenter Faserstoff kann im Allgemeinen nicht mit Kreiselpumpen gefördert werden („nicht pumpfähig"). Zur Hochkonsistenzmahlung werden die Mahlvorrichtungen so betrieben, dass die zusammenwirkenden Mahlgarnituren voneinander einen mehrfach größeren Abstand haben als bei der Niedrigkonsistenzmahlung.

Die in der Fraktionierung 3 gebildete feinere (mittlere) Fraktion F2 gelangt in eine kürzende Fasermahlung 5. Das heißt, diese Fasern einer nur wenig Langfasern enthaltenen Mittelfraktion werden unter Bildung von Feinstoffen stark gekürzt. Die Feinstoffe sind besonders wichtig für graphische Papiere. Die Wirkung einer kürzenden Mahlung wird besonders in einem Messerrefiner und besonders dann erreicht, wenn die Konsistenz der Suspension bei ca. 4 %, nicht über 8 %, liegt, wenn der Schnittwinkel α (s. Fig. 2) klein oder gleich 0 ist und wenn eine relativ hohe spezifische Kantenbelastung eingestellt wird. Größenordnungsmäßig können mehr als 1 J/m, noch besser mehr als 1 ,5 J/m übertragen werden. Bei einer solchen kürzenden Fasermahlung 5 wird z. B. eine spezifische Mahlarbeit zwischen 30 und 120 kWh/t vorzugsweise zwischen 40 und 1 00 kWh/t übertragen . In manchen Fällen gilt eine solche Mahlung, die auch als aggressiv bezeichnet werden kann, als nicht zweckdienlich, weil dadurch das Festigkeitspotential der Fasern nur ungenügend genutzt wird. Es hat sich aber gezeigt, dass sich dadurch im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens die Oberflächen-Qualität des fertigen Papiers beträchtlich steigern lässt. Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass diese aggressive Mahlung nur bei einem Teil der eingesetzten Fasern durchgeführt wird und dass d ie eigentl ichen Festigkeitsträger, nämlich die flexiblen, zumeist auch längeren Zellstofffasern nicht geschädigt werden.

Auch die dritte Fraktion F3 (als Option gestrichelt eingezeichnet) kann separat gemahlen werden, wobei vorzugsweise ein schonende Fasermahlung 6 im Niedrigkonsistenzbereich (z. B. Konsistenz 3% bis 6%, Schnittwinkel α ca. 60 Grad, spezifische Kantenbelastung ca. 0,5 bis 0,8 J/m, spezifische Mahlarbeit höchstens 60 kWh/t vorzugsweise höchstens 40 kWh/t) durchgeführt wird. Die gemahlenen Faserstoffe werden hier miteinander vermischt. Die nachfolgende Prod u ktionsan l age 1 0 erzeugt daraus nach weiteren Bearbeitungsschritten auf einer Papiermaschine das gewünschte hochwertige Papier P.

Fig. 2 erläutert die Definition des Schnittwinkels α. Dieser entsteht bekanntlich dadurch, dass die aneinander vorbeibewegten Mahlgarnituren 22 und 23 (nur teilweise gezeichnet) mit Leisten 24 bzw. 25 (Auch Messer genannt) versehen sind, die gegenüber dem Radius jeweils in bestimmten Winkeln stehen. Diese Winkel addieren sich rotor- und statorseitig zum Schnittwinkel α.

Die erwähnte Fraktionierung 3 wird mit mindestens einer Fraktioniermaschine durchgeführt. Wegen der hohen Anforderung an die Trennwirkung sind jedoch mehrere Stufen vorteilhaft, wozu in den Fig. 3 und 4 wichtige Beispiele gezeigt werden. Die Fig. 3 zeigt, wie die Papierfasersuspension S einer ersten Fra ktion ierstufe 7 zugel eitet u nd d ari n i n ei n e g röbere Fra ktion F 1 u nd eine feinere Fraktion F2 ^' aufgeteilt wird . Die feinere Fraktion F2 ^' der ersten Fraktionierstufe 7 wird in einer weiteren Fraktionierstufe 8 erneut fraktioniert, und zwar in der Weise, dass eine mittlere Fraktion F2 mit Fasern von mittlerer Länge entsteht. Fein- und Füllstoffe werden in der Feinstfraktion F3 der weiteren Fraktionierstufe 8 angereichert, was eine vorteilhafte Verarmung dieser Stoffe in der mittleren Fraktion F2 bedeutet.

Ein zu diesem Zweck besonders geeigneter Fraktionator ist ein Druckapparat zur Nasssiebung von der Art eines Drucksortierers. Aber auch mit hochwirksamen Hydrozyklonen, sogenannten Cleanern, ist es möglich, eine Fraktionierung vorzunehmen. Beispiele für spezielle Fraktionierverfahren mit erhöhter Trennwirkung sind in der DE 199 60 218 A1 aufgeführt.

In anderen Fällen (s. Fig. 4) kann die gröbere Fraktion FV der ersten Fraktionierstufe 7 so viel steife Fasern enthalten, dass es sich lohnt, diese in einer weiteren Fraktionierstufe 9 erneut, z.B. nach Flexibilität zu fraktionieren. Die dabei anfallende gröbere (steifere) Fraktion F1 wird schonend, insbesondere flexibilisierend gemahlen, während die feinere (weichere) Fraktion F2 kürzend gemahlen wird, evt. zusammen mit der Feinstfraktion F3 der ersten Fraktionierstufe 7.

Die in Fig. 2 schematisch gezeigte zweistufige Fraktionierung wird in Fig. 5 etwas ausführlicher dargestellt unter exemplarischer Verwendung von Drucksortieren 1 1 und 12. In diesen wird die gröbere Fraktion an den Sieböffnungen abgewiesen (Überlauf), während die feinere Fraktion das Sieb passiert (Durchlauf). Die gröbere Fraktion F1 der ersten Fraktionierstufe 7 wird in einer Schneckenpresse 13 oder einem anderen Eindickungsapparat eingedickt und danach zum ersten Schritt der schonenden Fasermahlung 4 einem Hochkonsistenzrefiner 14 zugeführt. Bei einer schonenden Fasermahlung im Hochkonsistenzbereich (Konsistenz zwischen 8% und 35%) wird z. B. eine spezifische Mahlarbeit zwischen 50 und 500 kWh/t vorzugsweise zwischen 80 und 350 kWh/t übertragen. Mit Vorteil kann der so gemahlene Faserstoff zur Festigkeitserhöhung in einem nachfolgenden zweiten Schritt in einem Niedrigkonsistenzrefiner 19 nachgemahlen werden. Dabei werden die Fasern wiederum nicht oder nur wenig gekürzt, was ohne weiteres durch Garnituren mit schrägen Messern (z. B. Schnittwinkel α = 30 Grad + 30 Grad) und eine relativ geringe sekundliche Kantenbelastung (z. B. u n ter 1 J/m ) mög l i ch i st . Be i e i n er scho n en d en Fa serm a h l u n g i m Niedrigkonsistenzbereich wird z. B. eine spezifische Mahlarbeit zwischen 10 und 60 kWh/t vorzugsweise zwischen 10 und 40 kWh/t übertragen. Das Filtrat 16 aus der Schneckenpresse 13 kann zur Verdünnung des hochkonsistenten Stoffes zwischen d iesen beiden Mahlschritten eingesetzt werden . Zu r Verdeutlichung der Förderbedingungen sind hier vor dem Hochkonsistenzrefiner 14 eine Hochkonsistenz-Zuführschnecke 15 und vor dem Niedrigkonsistenzrefiner 19 eine Kreiselpumpe 20 eingezeichnet. Ansonsten werden bei diesen Schemazeichnungen Pumpen und Bütten zumeist nicht angegeben.

Die in der zweiten Fraktionierstufe 8 als Überlauf des Drucksortierers 12 erzeugte mittlere Fraktion F2 wird zur stark kürzenden Mahlung 5 in einem Niedrigkonsistenzrefiner 17 bearbeitet. Die bearbeiteten Fraktionen gelangen in einen weiteren Anlagenteil 21 , in dem sie vermischt oder separat weiter behandelt werden können.

Vor dem Hochkonsistenzrefiner 14 kann der bereits eingedickte Faserstoff dispergiert werden, insbesondere um die Fasern zu flexibilisieren und ihre Homogenität zu verbessern. Unter Umständen kann die Dispergierung als schonende Mahlung ausgelegt werden, so dass die benötigte Flexibilisierung und Hydratisierung der groben Fasern bereits erreicht wird, wobei dann aber im Normalfall ein schonend arbeitender Niedrigkonsistenzrefiner 17 folgen muss.

Wie in Fig . 6 gezeigt, kann auch eine Zusammenführung der gemahlenen Fraktionen F1 und F2 mit der - vorzugsweise ungemahlenen - Feinstfraktion F3 und anschließender gemeinsamer Niedrigkonsistenzmahlung 19 durchgeführt werden. Letztere wäre vorzugsweise schonend auszulegen, da die m ittlere Fraktion F2 bereits kürzend gemahlen worden ist. Diese Kombination kann sowohl wirtschaftlich als auch technologisch besonders günstig sein.

Zusätzlich kann im Konstanten Teil der Papiermaschine eine gemeinsame - hier nicht gezeigte - Egal isiermahlung aller Faserstoffe durchgeführt werden. Die Egalisiermahlung dient bekanntlich der Vergleichmäßigung der Fasern.

Die in den Figuren 5 und 6 gezeigten Fraktionierstufen können gemäß Beispiel der Fig . 7 auch eine Kombination von Siebmasch inen (Drucksortieren 1 1 ) und Hydrozyklonen 18 sein. Letztere sind besonders geeignet, eine in der ersten Fraktionierstufe 7 erzeugte feinere Fraktion F2 ^' weiter aufzuteilen: an der Leichtstofföffnung fallen die feinen und flexiblen Fasern (zweite feinere Fraktion F3) und an der Schwerstofföffnung die steifen Fasern (Fraktion F2) an.

Die Hydrozyklone 18, 18 ^' und 18 ^" können auch mehrstufig geschaltet werden, indem der als Schwerstoff bei einem stromaufwärtigen Hydrozyklon 18 oder 18 ^' anfallende Stoffstrom 31 bzw. 32 in den Zulauf eines stromabwärtigen Hydrozyklons 18 ^' bzw. 18 ^" geführt wird. Dabei kann der ab der zweiten Stufe als Leichtstoff anfallende Stoffstrom 29 bzw. 30 jeweils in den Zulauf zur stromaufwärtigen Hydrozyklonstufe zurückgeführt wird (Fig. 8). Dadurch lässt sich eine noch bessere Trennschärfe erreichen.

In bestimmten Fällen kann die über die Fraktionierung 3 geführte Stoffmenge dadurch verkleinert werden, dass vorher ein Teilstrom 33 (s. Fig. 1 ) abgezweigt wird. Dieser Teilstrom kann an späterer Stelle wieder zugegeben werden, also die Fraktionierung 3 und evt. auch dieser nachgeschaltete Behandlungsstufen (Fasermahlung, Dispergierung, ... ) entlasten.

Es ist ein weiterer Vorteil des Verfahrens, dass die gebildeten Fraktionen F1 F2 und F3 zumindest teilweise separat in unterschiedliche Schichten oder Lagen L1 , L2 und L3 des Papiers eingebracht werden können (Fig. 9). Das ist z. B. mit einem Mehrschichtstoffauflauf 27 möglich. Dabei sind die störenden Fasern, insbesondere die der groben Fraktion F1 vorzugsweise in die mittlere Lage L2 zu fahren. In günstigen Fällen kann die schonende Mahlung 4 dieser Fraktion F1 dann reduziert werden oder ganz entfallen.