Aufschluss ist der Prozess, bei dem die Bindungen innerhalb der Holzstruktur entweder mechanisch oder chemisch aufgebrochen werden. Zellstoffe können entweder durch alkalische (dh Sulfat- oder Kraft-) oder saure (dh Sulfit-) Verfahren hergestellt werden. Der höchste Zellstoffanteil wird nach dem Sulfatverfahren hergestellt, gefolgt von mechanischen (einschließlich halbchemischen, thermomechanischen und mechanischen) und Sulfitverfahren (Abbildung 1). Aufschlussverfahren unterscheiden sich in der Ausbeute und Qualität des Produkts und bei chemischen Verfahren in den verwendeten Chemikalien und dem Anteil, der zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden kann.

Abbildung 1. Weltweite Zellstoffkapazitäten nach Zellstofftyp

Mechanischer Aufschluss

Mechanische Pulpen werden hergestellt, indem Holz gegen einen Stein oder zwischen Metallplatten gemahlen wird, wodurch das Holz in einzelne Fasern getrennt wird. Die Scherwirkung bricht Zellulosefasern, so dass der resultierende Zellstoff schwächer als chemisch getrennter Zellstoff ist. Das Lignin, das Zellulose mit Hemizellulose verbindet, wird nicht aufgelöst; es erweicht lediglich, wodurch die Fasern aus der Holzmatrix herausgeschliffen werden können. Die Ausbeute (Anteil des ursprünglichen Holzes im Zellstoff) beträgt in der Regel mehr als 85 %. Einige mechanische Aufschlussverfahren verwenden auch Chemikalien (dh die chemisch-mechanischen Pulpen); ihre Ausbeuten sind geringer, da sie mehr der Nicht-Zellulosematerialien entfernen.

Beim Steinschliff-Aufschluss (SGW), dem ältesten und historisch gebräuchlichsten mechanischen Verfahren, werden Fasern aus kurzen Stämmen entfernt, indem sie gegen einen rotierenden Schleifzylinder gepresst werden. Beim Refiner Mechanical Pulping (RMP, Abbildung 2), das an Popularität gewann, nachdem es in den 1960er Jahren kommerziell rentabel wurde, werden Holzspäne oder Sägemehl durch die Mitte eines Scheibenrefiners geführt, wo sie beim Herausschieben in feinere Stücke zerkleinert werden zunehmend schmalere Stege und Rillen. (In Abbildung 2 sind die Refiner in der Mitte des Bildes eingeschlossen und ihre großen Motoren sind auf der linken Seite. Späne werden durch die Rohre mit großem Durchmesser zugeführt und Zellstoff tritt aus den kleineren aus.) Eine Modifikation des RMP ist der thermomechanische Aufschluss (TMP ), bei dem die Hackschnitzel vor und während der Veredelung meist unter Druck gedämpft werden.

Abbildung 2. Refiner mechanischer Aufschluss

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Eines der frühesten Verfahren zur Herstellung von chemisch-mechanischen Zellstoffen bestand darin, Holzstämme vorzudämpfen, bevor sie in chemischen Zellstofflaugen gekocht und dann in Steinmühlen gemahlen wurden, um „Chemi-Holzschliff“-Zellstoffe herzustellen. Beim modernen chemisch-mechanischen Aufschluss werden Scheibenrefiner mit chemischer Behandlung (z. B. Natriumbisulfit, Natriumhydroxid) entweder vor, während oder nach dem Raffinieren verwendet. Auf diese Weise hergestellte Pulpen werden entweder als chemisch-mechanische Pulpen (CMP) oder chemisch-thermomechanische Pulpen (CTMP) bezeichnet, je nachdem, ob die Mahlung bei atmosphärischem oder erhöhtem Druck durchgeführt wurde. Spezielle Variationen von CTMP wurden von einer Reihe von Organisationen entwickelt und patentiert.

Chemischer Aufschluss und Rückgewinnung

Zellstoffe werden hergestellt, indem das Lignin zwischen den Holzfasern chemisch gelöst wird, wodurch sich die Fasern relativ unbeschädigt trennen können. Da bei diesen Verfahren die meisten nicht faserigen Holzbestandteile entfernt werden, liegen die Ausbeuten üblicherweise in der Größenordnung von 40 bis 55 %.

Beim chemischen Aufschluss werden Späne und Chemikalien in wässriger Lösung in einem Druckbehälter (Kocher, Bild 3) zusammengekocht, der chargenweise oder kontinuierlich betrieben werden kann. Beim Chargenkochen wird der Kocher durch eine obere Öffnung mit Chips gefüllt, die Aufschlusschemikalien werden hinzugefügt und der Inhalt wird bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck gekocht. Sobald der Kochvorgang abgeschlossen ist, wird der Druck abgelassen, wodurch der delignifizierte Zellstoff aus dem Zellstoffkocher in einen Vorratstank „geblasen“ wird. Die Sequenz wird dann wiederholt. Beim kontinuierlichen Aufschluss werden vorgedämpfte Hackschnitzel kontinuierlich in den Kocher eingespeist. Späne und Chemikalien werden in der Imprägnierzone oben im Kocher vermischt und durchlaufen dann die obere Kochzone, die untere Kochzone und die Waschzone, bevor sie in den Blastank geblasen werden.

Abbildung 3. Kontinuierlicher Kraftkocher mit im Bau befindlichem Späneförderer

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Die Aufschlusschemikalien werden heute in den meisten chemischen Aufschlussverfahren zurückgewonnen. Die Hauptziele sind die Rückgewinnung und Rekonstitution von Aufschlusschemikalien aus der verbrauchten Kochlauge und die Rückgewinnung von Wärmeenergie durch Verbrennen des gelösten organischen Materials aus dem Holz. Der entstehende Dampf und Strom deckt einen Teil, wenn nicht den gesamten Energiebedarf der Mühle.

Sulfataufschluss und Rückgewinnung

Das Sulfatverfahren erzeugt einen stärkeren, dunkleren Zellstoff als andere Verfahren und erfordert eine chemische Rückgewinnung, um wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu sein. Das Verfahren entwickelte sich aus dem Soda-Aufschluss (bei dem nur Natriumhydroxid zum Aufschluss verwendet wird) und gewann in den 1930er bis 1950er Jahren mit der Entwicklung von Chlordioxid-Bleich- und chemischen Rückgewinnungsverfahren, die auch Dampf und Strom für die Mühle erzeugten, in der Industrie an Bedeutung. Die Entwicklung von korrosionsbeständigen Metallen wie Edelstahl, um den sauren und alkalischen Umgebungen in Zellstofffabriken standhalten zu können, spielte ebenfalls eine Rolle.

Die Kochmischung (Weißlauge) besteht aus Natronlauge (NaOH, „ätzend“) und Natriumsulfid (Na₂S). Der moderne Kraftaufschluss wird normalerweise in kontinuierlichen Zellstoffkochern durchgeführt, die oft mit Edelstahl ausgekleidet sind (Abbildung 3). Die Temperatur des Zellstoffkochers wird langsam auf etwa 170°C erhöht und etwa 3 bis 4 Stunden lang auf diesem Niveau gehalten. Der Zellstoff (wegen seiner Farbe als Braunstoff bezeichnet) wird gesiebt, um ungekochtes Holz zu entfernen, gewaschen, um die verbrauchte Kochmischung (jetzt Schwarzlauge) zu entfernen, und entweder zur Bleichanlage oder zum Zellstoffmaschinenraum geschickt. Ungekochtes Holz wird entweder in den Kocher zurückgeführt oder zur Verbrennung in den Kraftkessel geleitet.

Die aus Kocher und Braunstoffwäscher gesammelte Schwarzlauge enthält gelöstes organisches Material, dessen genaue chemische Zusammensetzung von der aufgeschlossenen Holzart und den Kochbedingungen abhängt. Die Flüssigkeit wird in Verdampfern konzentriert, bis sie weniger als 40 % Wasser enthält, und dann in den Rückgewinnungskessel gesprüht. Die organische Komponente wird als Brennstoff verbraucht und erzeugt Wärme, die im oberen Teil des Ofens als Hochtemperaturdampf zurückgewonnen wird. Die unverbrannte anorganische Komponente sammelt sich am Boden des Kessels als geschmolzene Schmelze. Die Schmelze fließt aus dem Ofen und wird in einer schwach ätzenden Lösung gelöst, wobei eine „Grünlauge“ entsteht, die hauptsächlich gelöstes Na enthält₂S und Natriumcarbonat (Na₂CO₃). Diese Lauge wird zu einer Kaustifizierungsanlage gepumpt, wo sie geklärt und dann mit gelöschtem Kalk umgesetzt wird
(Ca(OH)₂), NaOH und Calciumcarbonat (CaCO₃). Die Weißlauge wird filtriert und zur späteren Verwendung gelagert. CaCO₃ wird zu einem Kalkofen geschickt, wo es erhitzt wird, um Kalk (CaO) zu regenerieren.

Sulfitaufschluss und Rückgewinnung

Der Sulfitaufschluss dominierte die Industrie von Ende des 1800. Jahrhunderts bis Mitte des 1900. Jahrhunderts, aber die während dieser Zeit verwendete Methode war durch die Holzarten, die aufgeschlossen werden konnten, und die Verschmutzung, die durch das Einleiten von unbehandelter Kochabfallflüssigkeit in Wasserwege verursacht wurde, begrenzt. Neuere Verfahren haben viele dieser Probleme überwunden, aber der Sulfitaufschluss ist jetzt ein kleines Segment des Zellstoffmarktes. Obwohl beim Sulfitaufschluss normalerweise ein Säureaufschluss verwendet wird, gibt es sowohl neutrale als auch basische Variationen.

Die Kochlauge der schwefeligen Säure (H₂SO₃) und Bisulfit-Ionen (HSO₃^-) wird vor Ort vorbereitet. Elementarer Schwefel wird verbrannt, um Schwefeldioxid (SO₂), der durch einen Absorptionsturm geleitet wird, der Wasser und eine von vier alkalischen Basen (CaCO₃, die ursprüngliche Sulfitbase, Na₂CO₃, Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂) oder Ammoniumhydroxid (NH₄OH)), die die Säure und das Ion produzieren und deren Anteile kontrollieren. Der Sulfitaufschluss wird üblicherweise in ausgemauerten Chargenkochern durchgeführt. Um ungewollte Reaktionen zu vermeiden, wird der Kocher langsam auf maximal 130 bis 140°C aufgeheizt und die Hackschnitzel lange gegart (6 bis 8 Stunden). Mit zunehmendem Fauldruck wird gasförmiges Schwefeldioxid (SO₂) wird abgelassen und mit der rohen Kochsäure wieder vermischt. Wenn etwa 1 bis 1.5 Stunden Garzeit verbleiben, wird das Erhitzen unterbrochen und der Druck durch Ablassen von Gas und Dampf verringert. Der Zellstoff wird in einen Vorratstank geblasen, dann gewaschen und gesiebt.

Das verbrauchte Aufschlussgemisch, Rotlauge genannt, kann zur Wärme- und Chemikalienrückgewinnung für alle Verfahren außer auf Calcium-Bisulfit-Basis verwendet werden. Beim Sulfitaufschluss auf Ammoniakbasis wird die verdünnte Rotlauge zuerst gestrippt, um restliches SO zu entfernen₂, dann konzentriert und verbrannt. Das Rauchgas enthält SO₂ wird gekühlt und durch einen Absorptionsturm geleitet, wo sich frisches Ammoniak mit ihm verbindet, um die Kochlauge zu regenerieren. Abschließend wird die Lauge filtriert, mit frischem SO angereichert₂ und gespeichert. Das Ammoniak kann nicht zurückgewonnen werden, da es im Rückgewinnungskessel in Stickstoff und Wasser umgewandelt wird.

Beim Sulfitaufschluss auf Magnesiumbasis ergibt das Verbrennen der konzentrierten Aufschlusslauge Magnesiumoxid (MgO) und SO₂, die leicht wiederhergestellt werden können. Bei diesem Verfahren entsteht keine Schmelze; vielmehr wird MgO aus dem Rauchgas gesammelt und mit Wasser gelöscht, um Magnesiumhydroxid (Mg(OH)) herzustellen₂). ALSO₂ wird gekühlt und mit dem Mg(OH) vereinigt₂ in einem Absorptionsturm, um die Kochlauge zu rekonstituieren. Das Magnesiumbisulfit (Mg(HSO₃)₂) wird dann mit frischem SO angereichert₂ und gespeichert. Eine Rückgewinnung von 80 bis 90 % der Kochchemikalien ist möglich.

Die Rückgewinnung von Sulfit-Kochlauge auf Natriumbasis ist komplizierter. Konzentrierte Ablauge wird verbrannt und ungefähr 50 % des Schwefels in SO umgewandelt₂. Der Rest des Natriums und Schwefels wird am Boden des Rückgewinnungskessels als Natriumschmelze gesammelt₂S und Na₂CO₃. Die Schmelze wird aufgelöst, um Grünlauge zu erzeugen, die in Natriumbisulfit (NaHSO) umgewandelt wird₃) in mehreren Schritten. Das NaHSO₃ wird befestigt und gelagert. Beim Regenerationsprozess entstehen reduzierte Schwefelgase, insbesondere Schwefelwasserstoff (H₂S).

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