Verlängertes und modifiziertes Kochen (diskontinuierlich oder kontinuierlich) auf niedrige Kappa-Zahl

Beschreibung der Technik: Vor der Bleichanlage wird die Delignifizierung in Kvon Hackschnitzeln in Kochern durchgeführt, in vielen Fabriken auch unter Einsatz von Sauerstoff. Deshalb sollten die Maßnahmen

“Verlängertes modifiziertes Kochen” nach 2.3.2 und “Delignifizierung mit Sauerstoff” nach 2.3.4 als eine Einheit betrachtet werden, da umweltseitig der gesamte Delignifizierungsgrad wichtig ist, der sich als Ergebnis der Delignifizierung in den Prozessstufen vor der Bleichanlage ergibt. Es sollte ein Gleichgewicht zwischen der Reduktion der Kappa-Zahl beim Kochen und der Delignifizierung mit Sauerstoff bestehen, da bei letzterem eine viel höhere Selektivität gegeben ist (siehe 2.3.4). Für die Zellstofffabrik ist die Steuerung der verschiedenen Prozesse wichtig, um bei gegebenem Restligningehalt die Ausbeute und die Festigkeitseigenschaften zu optimieren.

Zur Verringerung des Restligningehaltes (niedrigere Kappa-Zahl) des der Bleichanlage zugeführten Zellstoffs sowie zur Reduzierung des Verbrauchs teuerer Bleichchemikalien wurde Ende der 70er und Anfang der 80er Jahre das Verfahren der verlängerten Delignifizierung (oder des modifizierten Sulfatzellstoffkochens) eingeführt. Die Reduktion des Restligningehaltes führt zu einer Verminderung der abgeleiteten Schadstofffrachten, während sich gleichzeitig die dem Laugen-Rückgewinnungskessel zugeführte Menge an organischen Stoffen erhöht. Zur Herstellung von Sulfatzellstoff wurden mehrere modifizierte, sowohl kontinuierliche als auch diskontinuierliche Verfahren entwickelt und großtechnisch angewandt.

Kontinuierliches Kochen

Bei den kontinuierlichen Verfahren stellen das modifizierte kontinuierliche Kochen (MCC), das verlängerte modifizierte kontinuierliche Kochen (EMCC) und das isothermische Kochen (ITC) die drei Alternativen dar.

Beim MCC-Verfahren ist die Kochzone des Kochers in zwei Zonen unterteilt, die so genannte Gleichstromzone als ersten Schritt, gefolgt von der Gegenstromzone. Die Zugabe von Weißlauge wird zwischen den beiden Zonen aufgeteilt. Der Zweck dieser Modifikation besteht darin, die Alkali-Anfangskonzentration zu verringern,

auf der Basis des MCC-Verfahrens entwickelt. Der Unterschied beim EMCC-Verfahren besteht darin, dass Weißlauge auch zur Waschzone zugegeben wird, um die weitere Delignifizierung im Kocher zu verlängern.

Die neueste Entwicklung bei der Technik des Kochens ist das isothermische Kochen (ITC), das eine weitere Verbesserung des MCC-Verfahrens darstellt. Beim ITC-Verfahren wird der gesamte Kocherinhalt zur Delignifizierung genutzt, was mildere Bedingungen bedeutet (niedrigere Kochtemperatur), wodurch die Zellstofffestigkeit erhalten bleibt. In Abhängigkeit von der angestrebten Kappa-Zahl ist die Menge an zugegebenen Kochchemikalien entweder unverändert oder leicht erhöht. Da das ITC-Verfahren bei niedrigerer Kochtemperatur erfolgt, ergibt sich keine Erhöhung des Dampfverbrauches und der Einfluss auf die Ausbeute ist nicht wesentlich.

Diskontinuierliches Kochen

Bei den diskontinuierlichen Systemen gibt es drei großtechnisch angewandte Verfahren: Das Rapid Displacement Heating (RDH), das SuperBatch und das EnerBatch. Beim RDH- und Superbatch-Verfahren wird eine Vorbehandlung (Imprägnierung) mit Schwarzlauge durchgeführt, um den Wärmeverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Sulfid-Anfangskonzentration zu erhöhen und die Alkalizugabe zu vermindern. Beim EnerBatch-Verfahren wird eine Vorbehandlung mit Weißlauge mit nachfolgender Vorbehandlung mit Schwarzlauge durchgeführt. Alle diese Verdrängungskochprozesse weisen eine wesentliche Energieeinsparung und eine verbesserte Zellstoffqualität auf.

Der Ligningehalt wird üblicherweise als Kappa-Zahl nach einer standardisierten Methode bestimmt.

Herkömmliche Kochprozesse haben bezüglich des Erreichens möglichst niedriger Kappa-Zahlen ohne Verschlechterung der Zellstoffqualität ihre Grenzen (diese Kappa-Zahl liegt bei 30 - 32 für Nadelholz und 18 - 20 für Laubholz). Durch Einsatz mehrerer Modifikationen des Kochprozesses konnte die Kappa-Zahl beim Kochen von Nadelholz auf ein Niveau von 18 - 22 und für Laubholz auf 14 - 16 reduziert werden, während die Ausbeute und die Festigkeitseigenschaften dennoch erhalten bleiben. Die Reduzierung der Kappa-Zahl hängt neben anderen Faktoren von den angewandten Kochtechnologien ab und davon, ob nachgerüstete oder neue Anlagen zum Einsatz kommen.

Beispielhaft werden die zeitlichen Trends der Kappa-Zahlen in finnischen Sulfatzellstofffabriken in Abbildung 2.8 dargestellt.

Abbildung 2.8: Zeitliche Trends für die Kappa-Zahl in finnischen Sulfatzellstofffabriken [Finnish BAT Report, 1997]

Kappa number = Kappa-Zahl; SW = softwood = Nadelholz; HW = hardwood = Laubholz; after cooking = nach dem Kochen; to bleaching = vor dem Bleichen; after O2-delign. = nach der Delignifizierung mit Sauerstoff;

year = Jahr

Anwendbarkeit und Charakterisierung der Maßnahme: Es handelt sich um eine prozessintegrierte Maßnahme. Die Maßnahme kann in neuen Sulfatzellstofffabriken eingesetzt werden und in begrenztem Umfang in bestehenden Fabriken.

Mehrere kontinuierliche Kocher wurden auf das ITC-Verfahren umgerüstet, ohne in die Produktion massiv einzugreifen. Allerdings ist diese Möglichkeit in jedem Einzelfall genau zu untersuchen (das hat mit den Abmessungen der Druckbehälter in Bezug auf die Kapazität zu tun). Einige andere kontinuierliche Kocher wurden zum MCC-Verfahren umgebaut. Um dies zu erreichen, wird in den Kocher an verschiedenen Stellen Weißlauge gepumpt. Mit dem MCC- und ITC-Verfahren ist es möglich, den Zellstoff auf niedrigere Kappa-Zahlen ohne Qualitätsverlust zu kochen (Kappa-Kappa-Zahlen von 20 - 24 für Nadelhölzer und 14 - 18 für Laubhölzer). Bei kontinuierlichen Kochersystemen würde durch das verlängerte Kochen die Anlagenkapazität zurückgehen, was eine höhere Kostenbelastung für die Zellstofffabrik bedeutet.

Beim diskontinuierlichen Kochen wird die verlängerte Delignifizierung mittels Verdrängung und Techniken zum Recycling der Schwarzlauge durchgeführt. Wenn die Kocherkapazität groß genug ist, ist die Nachrüstung herkömmlicher Anlagen mit diesem Verfahren möglich. Bei neuen Anlagen kann die Kappa-Zahl nach dem Kochen für Nadelhölzer bei 15 - 16 und für Laubhölzer bei 12 gehalten werden. In der Praxis ist die Modifikation eines bestehenden diskontinuierlichen Kochverfahrens durch zusätzliche diskontinuierliche Kocher und zusätzliche Investitionskosten ohne Kapazitätsverluste bei der Kochanlage möglich.

Wichtigste erreichte Emissionswerte/Umweltnutzen: Ein niedrigrer Restligningehalt bedeutet weniger Ableitungen aus der Bleichanlage und damit nicht nur weniger organische Stoffe, sondern auch weniger Nährstoffe im Abwasser. Eine Einheit entspricht ungefähr 0,15 % Lignin im Zellstoff. Wenn die Kappa-Zahl im Zellstoff beim Kochen bei der Delignifizierung mit Sauerstoff (siehe 2.1.6) um eine Einheit erniedrigt werden kann, würde sich die emittierte CSB-Fracht um ungefähr 2 kg/t Zellstoff erniedrigen (die CSB-Fracht aus der TCF-Bleiche kann bis zu 3 kg CSB/Kappa-Einheit betragen). Um eine Zahl für die gesamte Emission aus der Bleichanlage zu bekommen, muss man die Schadstofffracht addieren, die im geschlossenen Teil des Verfahrens nicht ausgewaschen wurde (siehe 2.3.10).

Verlagerungseffekte: Das verlängerte Kochen beeinträchtigt verschiedene Elemente des Prozesses zur Herstellung von Sulfatzellstoff:

• der Verbrauch an wirksamem Alkali (NaOH + Na2S) kann sich leicht erhöhen

• die Menge der dem Rückgewinnungssystem zugeführten gelösten Stoffe steigt an

• die Wärmeerzeugung im Laugen-Rückgewinnungskessel steigt

• der Bedarf an Bleichchemikalien nimmt ab

• aus dem Bleichen resultiert eine geringere Schadstofffracht im Abwasser

• beim modifizierten diskontinuierlichen Kochen sinken der Energieverbrauch und die Menge an Abblasdampf in der Kochstufe, aber der Dampfverbrauch für die Schwarzlauge-eindampfung kann steigen.

Die Auswirkung des verlängerten Kochens auf die Produktion ist sehr standortspezifisch.

Betriebserfahrungen: Reduktionen der Kappa-Zahlen um 6 - 7 Einheiten für Nadelholz und um 4 - 5 für Laubholz wurden ohne Abfall der Festigkeitseigenschaften erreicht.

Angaben zur Wirtschaftlichkeit: Bei einer Fabrik mit einer Produktion von 1500 t Zellstoff/d liegen die Investitionskosten für die Modifikation eines bestehenden herkömmlichen Kochsystems in ein System mit verlängerter Delignifizierung bei 4 - 5 Mio. EUR. Um sich die BSB- und CSB-Reduktion zu Nutze zu machen, sollte auch die Wascheffizienz erhöht werden. Dies würde zu Mehrkosten von 2 - 4 Mio. EUR führen. Soweit die Nachrüstung bei gleichbleibender Kapazität durchgeführt wird, bedarf es jedoch beim ITC-Verfahren keiner zusätzlichen Wascheinrichtungen. Bei kontinuierlich betriebenen Kochern oder im Falle, dass der Laugen-Rückgewinnungskessel bereits bei maximaler Kapazität betrieben wird, kann der Produktionsverlust 4 - 8 % betragen. In solchen Fällen müssen Wege zur Anpassung an die höhere Feststoffkonzentration gefunden werden wie zusätzliche Eindampfungsstufen zur Erhöhung der Feststoffkonzentration in der Schwarzlauge, Anthraquinonzugabe zum Aufschluss oder Installation einer größeren Kesselkapazität.

Im Allgemeinen ist die Auswirkung des verlängerten Kochens auf die Produktion sehr standortspezifisch.

Wichtiger Grund für die Einführung dieser Technik: Die Reduktion der Abwasserbelastung ist der Hauptgrund für die Einführung dieser Technik. Ein Vorteil ist auch die Reduzierung des Verbrauchs an teueren Bleichchemikalien. Diese Reduzierung muss mit dem möglichen Verlust an Ausbeute bzw. erhöhtem Holzverbrauch verglichen werden, um so mögliche Nettokosten-einsparungen für jeden Einzelfall ermitteln zu können.

Referenzanlagen: Zahlreiche Anlagen in Europa.

Literatur:

[J. Pöyry, 1997a], [J. Pöyry, 1997b], [Finnish BAT Report, 1997], [Bowen, 1990]