Projekt 09369/01

Umweltfreundliche Aufbereitung von Altpapier durch Schalleinsatz

Projektdurchführung

ECCO Gleittechnik GmbH
Salzsteinstr. 4
82402 Seeshaupt

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Altpapieraufbereitung wird der Rohstoff mit hohem Chemikalienaufwand (z.B.: Natronlauge, Tenside, Wasserstoffperoxid u.a.) und einem Wasserverbrauch von etwa 8,5 m³/to Endprodukt bei 40 bis 90°C (je nach Prozessschritt) aufbereitet. Dabei werden die Cellulosefasern stark eingekürzt, so dass die Altpapiercellulose meist mit Frischcellulose für eine bessere Papierbildung vermischt werden muss. Ziele des Projektes sind, mittels Schalleinsatz (1) den Wirkungsgrad und damit die Umweltbilanz bestehender Altpapieraufbereitungsanlagen und (2) die Eigenschaften der Endprodukte zu verbessern. Dabei liegt der Schwerpunkt auf dem Deinkingprozess.
Zusätzlich soll die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Teilprozesse zur Celluloseherstellung untersucht werden. Es sollte weiterhin festgestellt werden, welche Auswirkungen die Schallunterstützung in einem bestimmten Verfahrensschritt auf Folgeprozesse wie Flotieren und Bleichen hat und somit der optimale Einsatzpunkt bei der Altpapieraufbereitung gefunden werden. Im Vergleich mit einem Dispergersystem, mit dem Ziel, dieses ggf. zu ersetzten, sollten die Rahmenbedingungen und Grenzen dieser Methode ermittelt werden. Angestrebt war, Energie-, Wasserverbrauch oder zugemischte Substanzen (Frischcellulose und chemischer Begleitstoffe, z.B. beim Bleichen) bei der Papierbildung zu verringern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Versuche bei HAINDL wurde ein Standardlaborgerät (LamDeinkit), geeignet für Pulpen und Deinken, für den Einbau von drei 40 kHz-Schallgebern umgerüstet und eingesetzt. Eine neue Beschallungsstation für bereits gepulptes Material wurde entworfen, gebaut und eingefahren. Pulpen und Deinken für Versuche erfolgte extern bei VOITH SULZER mit speziellen Laborgeräten. Untersucht wurde der Einfluss verschiedener Chemikalien, der Beschallungszeit, der Verarbeitungstemperatur, der SD (SD = Schmutzpunktdichte), der Anlagengeometrie und des Beschallungszeitpunktes (vor dem Pulpen, bzw. vor dem Flotieren). Parallel dazu wurden auf vorhandenen und eigens für das Projekt umgebauten Ultraschallanlagen Versuche zur prinzipiellen Wirksamkeit des Schalleinsatzes bei der Papierbildung sowie zur Imprägnierung von Holzhackschnitzeln durchgeführt.
Weiter wurden - ausschließlich bei VOITH SULZER - die Arbeiten zur Verbesserung der Ergebnisse (Weißgrad und Schmutzpunktflächen) systematisiert. Beschallt wurde vor dem Flotieren. Proben bei 0, 3 und 6 min Flotierzeit wurden untersucht. Außer Weißgrad (mit und ohne UV-Anteil), einer detaillierten Schmutzpunktanalyse und dem Verlust wurden Papierkennwerte, °SR, Verlust, Aschegehalt und z.T. CSF (Canadian Standard Freeness) und Porosität bestimmt. Variiert wurden Papiersorte, Beschallungsintensität und -temperatur, SD, Schallfrequenz, Energieeintrag und Anlagengeometrie. In weiteren Versuchen wurde gebleicht sowie der Direktvergleich mit einem Disperger durchgeführt. Bei der SETRAL wurde, versuchsbegleitend, die Pulpe untersucht.


Ergebnisse und Diskussion

Versuchsergebnisse:
Die Reduktion der Schmutzpunktflächen (SPF) war zunächst (Versuche bei HAINDL und Einfahrversuche bei VOITH SULZER) leichter zu erreichen als die Steigerung des Weißgrades. Bereits vor dem Flotieren wurde bis zu 18% bzw. 29% Reduktion beobachtet, wobei die durchschnittlichen Schmutzpunktgrößen sanken. Dabei brachten das Setup bei VOITH SULZER und der neue Versuchs-stand sowohl eine Verbesserung als auch eine Stabilisierung der Ergebnisse.
Nach dem Flotieren (erst bei VOITH SULZER untersucht) ist dieser Effekt noch deutlicher: Für Laser-Copy-Papier sind die SPF um bis zu 70%, verglichen mit der Nullprobe, reduziert, obwohl die Energieaufnahme pro kg atro Papier gegenüber den HAINDL-Versuchen auf ca. die Hälfte gesenkt wurde. Damit wird fast die Wirksamkeit eines Dispergersystems erzielt, das zwischen 50 und 70% (allerdings meist bei geringerer Leistungsaufnahme) Reduktion der SPF bringt. Der Wirkungsgrad der Flotation bezüglich die-ser Reduktion wird offenbar für Laser-Copy-Papier durch die Beschallung verbessert. Bei Mischungen aus reinem Zeitungs- und Illustriertenpapier wurde ein solcher Effekt nicht untersucht; eine Reduktion der SPF bis 20% vor und 30% nach dem Flotieren wurde bei einer 2/3-Mischung auch hier beobachtet.
Weißgradsteigerungen wurden sowohl bei Mischungen aus Zeitungs- und Illustriertenpapier (2%) als auch bei Laser-Copy-Papier (0,4%; erwartungsgemäß geringer aufgrund der hohen Ausgangsweiße) er-reicht, die Werte schwankten jedoch zunächst (HAINDL) stark. Durch den neuen Prüfstand und die neuartige Laborflotationszelle bei VOITH SULZER wurden die Werte für Zeitungs- und Illustriertenpapier nun reproduzierbar, waren allerdings, besonders bei sehr frischem Altpapier, noch nicht ausreichend.
Zwei verschiedene Standardchemikaliensysteme für die Sekundärzellstoffgewinnung wurden getestet: bei einem mit SERFAX MT 90, beim anderen mit INCOPUR als Seife. Beide Systeme werden durch Ultraschall in ihrer Wirkung verstärkt. Ersteres ist jedoch vorzuziehen, da es zu höheren Weißgradsteigerungen und einer stärkeren SPF-Reduzierung führt. Alle Ergebnisse sind weitgehend unabhängig von der Behandlungstemperatur. Auch Versuche mit einer Schallfrequenz von 25 kHz gaben im Gegensatz zur Literatur keine signifikanten Änderungen der Resultate, jedoch war der Verlust im Schnitt deutlich kleiner.
Bisher wurden die Versuche hauptsächlich bei 1 min effektiver Beschallungszeit und 70% Intensität gefahren. Vergleichsversuche (16 und 32 s Beschallungszeit, bzw. 50% Intensität) zeigten aber, dass eine deutliche Verminderung der Beschallungszeit und / oder -intensität (wichtig für einen wirtschaftlichen Schalleinsatz) realisierbar ist. Ein Verzicht auf die Seife beim Flotieren und eine Erhöhung der Stoffdichte (SD) auf über 2% (normal 1 - 1,4%) beeinträchtigten die Ergebnisse nicht, wohl hingegen eine veränderte Geometrie des Prüfstandes. Damit waren Optimierungspotentiale durch bessere Ausnutzung der Schallenergie gegeben: Eine Beschallung bei höherer SD ermöglicht das Nachrüsten vorhandener Stofftürme mit Ultraschallgebern; entscheidend ist jedoch eine Verbesserung der Anlagengeometrie.
Die Versuche mit einem weiterentwickelten Prüfstand ergaben, dass nun für eine 50-prozentigen SPF-verringerung der Energieaufwand (elektrisch + Wärme) bei Dispergersystemen (DS; theoretischer Richtwert für Industrieanlagen) und bei Ultraschallbehandlung (USB) - jeweils mit Flotation - nahezu identisch ist. Für diesen Vergleich spielt der eingesetzte Rohstoff (100% mixed office waste MOW-Kemsley, oder 70% MOW-Kemsley + 30% Laser-Copy-Papier) keine Rolle. Um die Gesamtsysteme USB + Flotation und DS + Flotation in der Praxis zu vergleichen, wurde im letzten Quartal Rohstoff aus einem industriellen Großversuch parallel mittels einer USB bzw. eines DS, bei gleichen Randbedingungen (Energie- und Chemikalieneinsatz), aufbereitet und untersucht.
Der Vergleich beider Systeme zeigte bei gleicher elektrischer Leistungsaufnahme pro to atro deutliche Vorteile des DS bei der Schmutzpunktzerkleinerung (28%, bei Dispergierung + Flotation 50% geringere SPF gg. USB), jedoch ebenso deutliche Vorteile der USB beim Weißgrad (+2% ISO, bei Dispergierung+Flotation +3% ISO gg. DS). Bei zusätzlichen durchgeführten Laborbleichen verschwanden interessanterweise diese Unterschiede, unabhängig davon, ob vor oder nach der Flotation gebleicht wurde. Die Festigkeitswerte wurden weder durch die USB, noch durch die darauf folgende Laborbleiche beeinflusst.


Fazit

Die Versuche zeigten, dass der Einsatz von Ultraschall bei der Altpapieraufbereitung sinnvoll ist. Bei zahlreichen Versuchsreihen zur Optimierung der Parameter und durch konstruktive Verbesserungen des Ultraschallprüfstandes wurde das Ziel, durch Schalleinsatz bei der Aufbereitung von Altpapier ein konventionelles Dispergersystem zu ersetzen, nahezu erreicht. Bei gleichen Rahmenbedingungen und anschließender Bleiche wurden gleiche Werte für Weißgrad und Schmutzpunktentwicklung erzielt. Ohne Bleiche ergaben sich Vorteile der USB beim Weißgrad, hingegen Nachteile bei den Schmutzpunkten. Jedoch ist anzumerken, dass der Vergleich bei gleicher elektrischer Leistungsaufnahme durchgeführt wurde. Da beim DS eine ca. gleiche Energiemenge zusätzlich in Form von Dampf eingesetzt wird, bringt ein Ersatz durch USB eine deutliche Energieeinsparung und damit einen Umweltvorteil (bei zusätzlicher Bleiche). Ohne Bleiche ermöglicht diese Einsparung einen Spielraum für weitere SPF-Verbesserungen.