Pts-Forschungsbericht igF 15905
bewertung des einFlusses der altPaPierqualität
auF die eFFizienz von deinking-anlagen als basis
Bewertung des Einflusses der Altpapierqualität auf die Effizienz von Deinking-Anlagen als Basis für eine dynamische Optimierung
E. Pigorsch, K. Blasius und E. Hanecker
Inhaltsverzeichnis
Seite
1 Zusammenfassung ...3
2 Abstract ...5
3 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung ...6
3.1 Ausgangssituation ...6
3.2 Stand der Technik...8
3.2.1 Onlinemessung und Prozesssteuerung...8
3.2.2 Einfluss der Effizienz der Prozessstufen auf die Suspensionseigenschaften ...9
3.3 Forschungsbedarf... 11
4 Forschungsziel ...12
4.1.1 Angestrebte Forschungsergebnisse ... 13
4.1.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse... 13
4.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels... 14
5 Material und Methoden inkl. Projektbegleitung...15
5.1 NIR-Online-Messungen ... 15
5.1.1 NIR-Messsystem... 15
5.1.2 Mess- und Auswertesoftware... 15
5.2 Analyse der Stoffproben ... 17
6 Online-Analyse der Altpapierzusammensetzung mit Modell-AP-Mischungen und Analyse der Suspensionseigenschaften ...17
6.1 Entwicklung der Klassifikations- und Aschebestimmungsmethoden ... 18
6.2 Online-Messungen und Analyse von AP-Modellmischungen ... 19
7 Korrelation zwischen der Zusammensetzung der AP-Modellmischungen und Suspensionseigenschaften ...22
8 Online-NIR-Messungen an den Altpapierzuführungen in zwei Papierfabriken...26
8.1 Installation und Einrichtung des Online-NIR-Messsystems in den Papierfabriken... 26
8.2 Durchführung von Online-Messungen an der Altpapierzuführung in der Papierfabrik A... 27
8.2.1 Charakteristik der Papierfabrik A und Installation der Messeinrichtung ... 27
8.2.2 Aufnahme und Auswertung der NIR-Messdaten vom Altpapier in Papierfabrik A... 28
8.3 Durchführung von Online-Messungen an der Altpapierzuführung in der Papierfabrik B... 31
8.3.1 Charakteristik der Papierfabrik B und Installation der Messeinrichtung ... 31
8.3.2 Aufnahme und Auswertung der NIR-Messdaten am Altpapier in Papierfabrik B... 32
9 Analytische Bewertung der Stoffproben aus den Papierfabriken... 40
9.1 Analytische Bewertung der Stoffproben aus der Papierfabrik A ... 40
9.2 Analytische Bewertung der Stoffproben aus der Papierfabrik B ... 42
9.3 Zusammenfassung der Ergebnisse zur Analyse der Zusammenhänge zwischen der AP- Zusammensetzung und den Stoffeigenschaften... 45
10 Datenanalyse und Auswertung... 46
11 Entwurf einer Optimierungsstrategie, Abschätzung vorhandener Optimierungspotenziale... 52
12 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen... 54
Literaturverzeichnis ... 57
Glossar... 59
1 Zusammenfassung
Zielstellung Ziel des Forschungsprojektes war die Ermittlung, welche Auswirkungen Schwankungen in der Altpapierzusammensetzung auf die resultierenden initia- len Stoffparameter und auf den Deinkingprozess haben. Darauf aufbauend soll- ten Möglichkeiten für eine praxisrelevante Online-Kontrolle der Altpapierzu- sammensetzung und zur Steuerung der Deinkingprozesse beschrieben werden.
Ergebnisse Im Forschungsprojekt wurden die folgenden wesentlichen Teilergebnisse erzielt:
• Es wurde zum ersten Mal ein Messverfahren eingesetzt, dass es ermöglicht die Altpapierzusammensetzung kontinuierlich online qualitativ und quantita- tiv zu bestimmen. Die bestimmten Parameter sind, die Zusammensetzung nach Papiersorten, der Aschgehalt und die Anwesenheit von Flexodruckzei- tungen.
• Nachweisbare signifikante Auswirkungen auf die initialen Stoffparameter und den Deinkingprozess wurden nur für Änderungen im Verhältnis Zeitun- gen / Illustrierte festgestellt.
• Die stärksten Korrelationen wurden zwischen dem Verhältnis Zeitungen / Illustrierte und dem Aschgehalt sowie dem Weißgrad nachgewiesen.
• Für die Stoffparameter Schmutzpunkte- und Makrosticky-Gehalt konnten innerhalb der normalen Schwankungsbreite der Altpapierzusammensetzung keine signifikante Abhängigkeit vom Verhältnis Zeitungen / Illustrierte nach- gewiesen werden.
• Es wurden Möglichkeiten und Potenziale zur Verbesserung der Steuerung des Deinkingprozesses demonstriert.
Schluss-
folgerung Die Hersteller grafischer Papiere erhalten durch das Online-Monitoring des Alt- papiers ein Instrument, mit dessen Hilfe sie eine höhere Konstanz ihrer Produk- tionsprozesse und eine höhere Produktqualität erreichen können. Weitere An- wendungsmöglichkeiten des Messverfahrens liegen in Altpapierwareneingangs- und Ausgangskontrolle bei den Papierfabriken bzw. Altpapierzulieferern.
Zielerreichung Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 15905 BG der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferin- dustrie für die Unterstützung der Arbeiten.
2 Abstract
Objectives The objectives of the research project were the online measurement of the com- position of recovered paper (RP) for deinking (1.11) by NIR spectroscopy in a paper mill and the use of the measured parameter for the control of the deinking process.
Results The following results have been achieved in the project:
• For the first time an online NIR measurement system was used to deter- mine important qualitative and quantitative parameters of recovered paper for deinking (1.11) in a paper mill. The follow parameters were determined:
- RP Composition (Old newspapers (ONP), old magazines (OMG), old corrugated board and packacking (OCC), plastics (NON)) - ash content
- presence of flexo printed newspapers (FXN)
• The most significant effects on the deinked pulp properties had the changes in the ratio newspapers (ONP)/magazines (OMG)
• The strongest correlations could be determined between the ratio newspa- pers (ONP)/magazines (OMG) and the ash content and the brightness.
• Possibilities and potentials for the use of the online measured RP monitor- ring parameters for the control of the deinking process have been demon- strated.
Conclusions The results of the research project can be used to bring about improved con- sistency and economy of the overall process in the deinking plant and ulti- mately enhanced product quality. In detail, the advantages are as follows:
consistent sub-processes, efficient checks of performance data (efficiency, speed), savings of chemicals, energy, water and effluents and reduction in re- pair and maintenance costs.
The NIR measurement system can also be used for the quality of recovered paper in paper mills or at sorting plants.
Acknowledge-
ment The IGF 15905 BG research project of the AiF research association PTS was funded within the program of promoting “pre-competitive joint research (IGF)” by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi and carried out under the umbrella of the German Federation of Industrial Co-operative Re- search Associations (AiF) in Cologne. We would like to express our warm grati- tude for this support.
We would also like to express our thank to the involved companies for support- ing project performance.
3 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung 3.1 Ausgangssituation
Altpapiereinsatz bei grafischen Papieren
Für den Einsatz bei grafischen Papieren ist die Deinkingware (1.11) die wich- tigste Altpapiersorte. In Deinkinganlagen müssen daraus die Druckfarben, übli- cherweise durch Flotation, und weitere störende papierfremde Bestandteile, vor allem Stickies, über die Sortierstufen, entfernt werden. Dabei spielt die stoffliche Zusammensetzung der Deinkingware, die Sortenreinheit und der Anteil uner- wünschter Stoffe eine wichtige Rolle.
Schwankungen in der Zusam- mensetzung von Deinkingware
Die Zusammensetzung der Deinkingware kann erheblich schwanken. Dies be- trifft sowohl das Verhältnis von Zeitungen und Zeitschriften als auch den Anteil an Papieren und Pappen, die für das Recycling in Deinkinganlagen ungeeignet sind (unerwünschte Papiere). Dies zeigen Untersuchungsergebnisse, die nach einer Sortierung unterschiedlicher Proben von Deinkingware in Altpapiersortier- betrieben und in Papierfabriken durchgeführt wurden [1, 2].
Beispiel:
Schwankungen des Verhältnis- ses zwischen Zeitungen und Zeitschriften
Die Abbildung 1 zeigt die Schwankungsbreite des Verhältnisses zwischen Zei- tungen und Zeitschriften anhand von zwei Beispielen [1].
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 20 40 60 80 100 120 140 Probenahme in min
AP-Zusammensetzung in %
Beispiel Lose Ware
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 50 100 150 200 250 300 Probenahme in min
AP-Zusammensetzung in %
Beispiel Ballenware
Zeitschriften
Zeitungen Unerwünschte Papiere
Zeitschriften
Zeitungen Unerwünschte Papiere
Anteil Verpa- ckungspapiere und Eigenschaf- ten des Altpa- pierstoffs
Zunehmende Verpackungsanteile in der Deinkingware führen neben einer Ver- schlechterung des Weißgrades auch zu einer Zunahme an Melierungsfasern im deinkten Stoff [3]. Melierungsfasern, die durch braune Fasern hervorgerufen werden, beeinträchtigen die optische Homogenität. Anlagen, die einen hohen Anteil an Verpackungspapieren und Karton haben, benötigen mehr Chemika- lien, um die geforderten optischen Eigenschaften zu erreichen. Die zusätzlichen Kosten zur Produktion von deinkten Stoffen aus Deinkingware mit maximal 5 % Verpackungsanteil und einem Zielweißgrad von 60 % wurden mit etwa 32 €/t DIP ermittelt [3].
Einfluß von Flexodruckpapie- ren
Auch steigende Mengen an wasserbasierenden Druckprodukten, vor allem Flexozeitungen und im Flexodruck bedruckte Verpackungen in grafischem Alt- papier stellen Betreiber von Deinkinganlagen vor ein wesentliches Problem. Be- reits geringe Mengen an flexobedruckten Papieren können die Qualität der deinkten Faserstoffe in hohem Maße negativ beeinflussen [4, 5]. Der Fle- xodruck für Zeitungen hat sich in Europa vor allem in Großbritannien und Italien etabliert [6]. Steigende Nachfrage nach dem Rohstoff Altpapier birgt die Gefahr, dass auch Chargen von Flexodruckzeitungen über Altpapieranteile aus diesen Ländern in die Deinkingware gelangen und die Qualität des deinkten Stoffs nachhaltig verschlechtern bzw. unbrauchbar machen.
Einfluß klebender Verunreinigun- gen
Verpackungsmaterial ist zusätzlich hoch kontaminiert mit klebenden Bestandtei- len aus dem Verarbeitungsprozess, Etiketten und Klebebändern. Ein höherer Anteil an Verpackungen in der Deinkingware ist zusätzlich mit einem höheren Makrostickygehalt des zerfaserten Altpapierstoffs verbunden. Untersuchungen an Altpapier aus einer Deinkinganlage zeigten, dass der Makrostickygehalt in folgender Reihenfolge abfällt: Karton > Zeitschriften > Zeitungen [7, 8].
Auswirkungen von Qualitäts- schwankungen im Rohstoff
Die Altpapierzusammensetzung bestimmt im Wesentlichen den Aschegehalt und die Deinkbarkeit [9, 10], die optischen Eigenschaften [3] sowie den Gehalt an Makrostickies [7] eines Altpapiers. Schwankungen der Zusammensetzung resultieren in entsprechenden Schwankungen der Qualität des Altpapierstoffs.
Gegenwärtige Möglichkeiten der Analyse und Regelung
Labormessungen dokumentieren die Qualitätsschwankungen bis hin zum Fer- tigstoff und liefern Informationen zum Anlagenzustand sowie Trends. Für eine effektive Regelung von Prozessstufen sind sie zu zeitaufwändig und daher un- geeignet. Auf Qualitätsschwankungen kann nur verzögert und in relativ niedri- ger Frequenz reagiert werden. Vereinzelt wird in Papierfabriken versucht, durch das Mischen des Altpapiereintrags, z.B. mit höherwertigen Sorten, Qualitätsein- brüche zu verhindern oder zumindest abzuschwächen.
Neue Messver- fahren zur Altpa- pierbewertung
Mit den gegenwärtigen Mitteln der Beeinflussung der Altpapierzusammenset- zung bzw. -qualität kann das Potenzial der Anlage und des Faserstoffs nicht ausgereizt werden. Die Herausforderung liegt in einer dynamischen Abstim- mung der einzelnen Prozessstufen auf Variationen im Altpapiereintrag unter Berücksichtigung der Gesamteffizienz. Dazu ist es notwendig Parameter des Altpapiers bereits im Wareneingang oder direkt an der Altpapierzuführung zu bestimmen. Gute Möglichkeiten dafür bieten Nahinfrarot (NIR)-spektros- kopische Messverfahren, wie es bereits durch die PTS demonstriert wurde [17, 18 ].
Berücksichtigt man die Kosten für den Rohstoff Altpapier, für Chemikalien, Energie und Entsorgung von Reststoffen, so ergeben sich durch diese Mess- verfahren neue Perspektiven bei der Bewertung von Qualitätsparametern in Abhängigkeit vom Anlagenzustand und den Vorgaben an den Fertigstoff.
3.2 Stand der Technik
3.2.1 Onlinemessung und Prozesssteuerung Prozesssteue-
rung Von der Abstimmung der einzelnen Aufbereitungsstufen hängt es ab, wie stark sich Qualitätsschwankungen im Altpapier im deinkten Faserstoff niederschla- gen. Klassische Regelgrößen für den Aufbereitungs- und Deinkingprozess sind Stoffdichte, Volumenstrom / Durchsatzmenge, Rejektrate und Einsatzmenge an Chemikalien. Basis ist immer die Verfügbarkeit geeigneter Ist-Werte durch Onli- ne-Messungen.
Online-Messung
in Anlagen Für die Bestimmung der Qualitätsparameter wie Weißgrad, ERIC-Wert und Schmutzpunkte sowie Stoffdichte, Feinstoff- und Füllstoffgehalt, Fasermorpho- logie sind Online-Sensoren verfügbar. In den letzten Jahren [11, 12] wurden verschiedene Online-Messverfahren entwickelt, mit denen es möglich ist, den Deinkingprozess ohne Zeitverzögerung durch Probenpräparationen in Echtzeit zu überwachen.
Steuerung und Überwachung von Druckfar- benentfernung und Bleiche
Basierend auf Online-Messungen der Gesamt-Stoffdichte, des Aschegehalts, des Weißgrades und der sich im ERIC-Wert widerspiegelnden Restdruckfar- benmenge wurden in jüngerer Zeit neue Modell basierte Regelsysteme und Regelstrategien zur Druckfarbenflotation und Weißgradregelung in der Disper- gierbleiche entwickelt, die auch bereits eingesetzt werden [11, 13, 14].
Online Bestim- mung der Quali- tätsparameter von Altpapier
Im Jahr 2003 wurde in der Papierfabrik Stora Enso Sachsen GmbH eine Anlage zur Online-NIR-Aschegehaltsmessung in der Altpapierzuführung entwickelt, in- stalliert und erfolgreich in Betrieb genommen [15]. Der Aschegehalt im Eintrag wird durch Zumischung entsprechender Altpapierqualitäten noch auf dem För- derband so geregelt, dass er annähernd konstant bleibt.
Vom Centre Technique du Papier (CTP), Grenoble wurde ein bildanalytisches Online-Messverfahren (NewsMag-Sensor) zur Bestimmung des Verhältnisses von Zeitungen und Illustrierten in der Altpapierzuführung entwickelt [16].
NIR-Messung des Altpapiers
Die Möglichkeiten bei der Altpapiereingangskontrolle mittels Nahinfrarot (NIR)- spektroskopischer Messtechnik wurden an der PTS in den vorangegangenen Jahren umfangreich untersucht [17, 18, 19]. Diese Arbeiten bildeten die Grund- lage für die im Forschungsprojekt angewendete Messtechnik und Auswerteme- thoden. Die entwickelten NIR-Klassifizierungsalgorithmen bieten die Möglichkeit die unterschiedlichen Altpapiersorten mit einer Präzision von über 80 bis zu 100 % zu identifizieren. Quantitative Methoden ermöglichen die Bestimmung des Asche- und Feuchtegehaltes im Altpapier.
Online-NIR- Monitoring und Prozesssteue- rung
Der Ansatz, das Online-NIR-Monitoring der Altpapierzuführung für die Prozess- steuerung der Stoffaufbereitung zu nutzen, wurde in Patenten der Siemens AG beschrieben [20, 21, 22]. Es sind jedoch keine Realisierungen der Patente be- kannt. Im Unterschied zu der Herangehensweise im Projekt, wird in den Paten- ten nur die Auswertung von wenigen einzelnen Wellenlängen des NIR-
Spektrums beschrieben. Des Weiteren werden nur Spektrenänderungen aus- gewertet und keine Klassifizierungen und Quantifizierungen durchgeführt.
3.2.2 Einfluss der Effizienz der Prozessstufen auf die Suspensionseigenschaften Betriebliche
Praxis Um trotz der Schwankungen im Eintrag die Qualitätsanforderungen stets zu er- füllen, muss die Deinking-Anlage „auf der sicheren Seite“ gefahren werden.
Dies führt zwangsläufig zu höheren Faserstoffverlusten, einem höheren Ener- gieverbrauch sowie zu höheren Dosierungen von Deinking- und Bleichchemika- lien.
Altpapierzusam- mensetzung und Prozessstufen
In der Tabelle 1 sind die Auswirkungen von Schwankungen im Altpapier, beein- flusste Prozessstufen und Optimierungsmöglichkeiten zusammengefasst.
Komponenten im Altpapier Beeinflusst bzw. trägt bei zu Relevante Prozessstufe Optimierungsmöglichkeit Wellpappen/Kartonanteil Gehalt an Melierungsfasern,
Reduzierung der optischen Eigenschaften
Dispergerbleiche bzw.
Nachbleiche
Erhöhter Bleichmitteleinsatz z.B. bei Dispergierung u.U.
höhere Bleichtemperatur Gehalt an Makrostickys Austrag durch
Schlitzsortierung
Steuerung der Rejektrate bei Schlitzsortierung
Flexodruckanteil Unzureichender Druckfarbenaustrag und damit Weißgradreduzierung
Zerfaserungbedingungen und Flotation
Chemikaliendosierung beim Deinking z.B. Reduzierung des pH Wertes im Loop 1 Dispergierung und Bleiche Alkalische H2O2 Bleiche bei
der Dispergierung Anreicherung im
Kreislaufwasser
Kreislaufwasserreinigung Wassermenge zur KWR (Vollstrom / Teilstrom) Chemikalieneinsatz und Dosierung
Anteil Zeitungen zu Illustrierten Ascheghalt und damit Festigkeitseigenschaften
Flotation Rejektrate
Deinkbarkeit und damit optische Eigenschaften
Druckfarbenablösung bei Zerfaserung
Chemikalieneinsatzmenge Flotation Rejektrate, Stoffdichte,
Steuerung durch Nachbleiche Gehalt an Makrostickys Austrag durch
Schlitzsortierung
Steuerung der Rejektrate bei Schlitzsortierung
Prozessstufen zur Erhöhung der optischen Eigen- schaften
Der Weißgrad des deinkten Stoffs wird durch Druckfarbenentfernung und Fa- serstoffbleiche erreicht, wie der Korridor der Weißgradentwicklung über die Prozessstufen Vorflotation, oxidative Dispergerbleiche, Nachflotation und Nachdispergierung mit abschließender reduktiver Bleiche aufzeigt [13].
45 50 55 60 65 70
Pos. I Pos. III Pos. IV Pos. VI Pos. VII
pre- flotation disperger bleaching stage 1 post- flotation disperger bleaching stage 2 Brigthness RWeißgrad [%]457
Vorflotation Disperger-
bleiche 1 Nachflotation Disperger- bleiche 2
Abbildung 2: Korridor der Weißgradentwicklung über die Prozessstufen [13]
Prozessstufen zur Reduzierung des Gehalts an Makrostickys
Die Zunahme an klebenden Verunreinigungen, aber auch die Schwankungen im Altpapiereintrag verlangen aufwändigere Aufbereitungsprozesse [23, 24, 25].
In erster Linie sind es die Abtrennprozesse in der Vor- und Nachsortierung, die wesentlich zur Stickyentfernung beitragen. Der Korridor in der Entwicklung des Gehalts an Makrostickies über die Prozessstufen zeigt, dass durch eine adapti- ve Fahrweise die Effizienz der Anlage hinsichtlich einer Reduzierung der Stoff- verluste verbessert werden könnte.
0 5000 10000 15000 20000
Pos I Pos II Pos III Pos IV Pos V
Gehalt an Makrostickys [mm²/kg] Vorsortierung Feinsortierung
Flotation Dispegierung
Nachflotation
Abbildung 3: Korridor in der Entwicklung des Gehalts an Makrostickies über die Prozessstufen
3.3 Forschungsbedarf Steigerung der
Effizienz der Produktion
Um den wachsenden Anforderungen an die Produktqualität und dem steigen- den Kostendruck zu begegnen, muss die Papierindustrie versuchen, die Effi- zienz ihrer Produktionsanlagen weiter zu steigern. Für eine wirtschaftlich- technologisch optimale Lösung genügt es dabei jedoch nicht, einzelne Prozess- stufen im Optimum zu fahren.
Vor diesem Hintergrund wäre es wünschenswert, die Qualität des Altpapiers schon vor seinem Eintrag zu bestimmen, um die einzelnen Prozessstufen opti- mal auf zusammensetzungsbedingte Qualitätsschwankungen des Rohstoffs abzustimmen und die Prozesse so fahren zu können, dass die Anforderungen an die Fertigstoffqualität zuverlässig erfüllt werden.
Mit der in Deinkinganlagen in den einzelnen Prozessstufen einstellbaren Effi- zienzen und den vorhandenen Verweilzeiten kann davon ausgegangen werden, dass der Prozess grundsätzlich an die Schwankungen des Eintrags angepasst werden kann.
Eine adaptive Fahrweise der Stoffaufbereitung gelingt derzeit nicht, wegen
• der unzureichenden Online-Messbarkeit der qualitätsrelevanten Parameter
• der Ungeklärtheit der Auswirkungen von Schwankungen auf die Prozessef- fizienz und die resultierenden Suspensionseigenschaften
Quantitative Auf- klärung der Ein- flüsse auf die Fertigstoffquali- tät
Dies erfordert eine differenzierte Aufklärung der Einflüsse der o.g. Schwankun- gen auf die Suspensions- sowie die späteren Stoffeigenschaften und auf bisher nicht online gemessener oder online messbarer Parameter (z. B. Stickies), wie:
• Einfluss der AP-Schwankungen auf die initialen Suspensionseigenschaften
• Einfluss der Prozessstufen, der Volumina, Verweilzeiten und der Durchmi- schung auf die Veränderung des Konzentrations-Zeitverhaltens qualitäts- mindernder Ingredienzien.
Schaffung einer geeigneten Füh- rungsgröße
Die NIR-Spektroskopie zeichnet sich durch Schnelligkeit und Stabilität bei An- gaben von Messergebnissen aus. Sie bietet die Möglichkeit, mit einem Mess- verfahren wichtige Qualitätsparameter des Altpapiers wie Wellpappen / Karton- anteil, Zeitungs- und Zeitschriftenanteil sowie Flexodruckerzeugnisse zu identi- fizieren und quantifizieren. Um die Online-Messung des Altpapiers mittels NIR am Beginn des Prozesses als Inputgröße für Optimierungsmaßnahmen einset- zen zu können, ist zu klären:
• Lässt sich mit der Onlineerfassung der kritischen Parameter mit ausrei- chender Genauigkeit eine Eigenschaftsänderung bzw. Beeinträchtigung des Altpapierstoffs erfassen?
• Welches Potenzial bietet die Onlinemessung von Schwankungen im Altpa- pier am Beginn des Prozesses zur Steuerung relevanter Prozesse, vor al- lem zur Reduzierung von Makrostickies und Schmutzpunkten?
4 Forschungsziel
Gesamtziel Ziel des Projektes ist die Ermittlung der Auswirkungen der Schwankungen der Altpapierzusammensetzung auf die Effizienz der Prozessstufen und die resultie- rende Schwankung der Qualität des Faserstoffs und andererseits die Verbesse- rung der Online-Messbarkeit dieser Schwankungen zum frühestmöglichen Zeit- punkt im Prozessverlauf. Darauf aufbauend werden Möglichkeiten für eine pra- xisrelevante Online-Kontrolle der Altpapierzusammensetzung und zur Steue- rung der Deinkingprozesse beschrieben.
Teilziel • Ermittlung der in der Praxis auftretenden Breite der Schwankungen der Alt- papierzusammensetzung, ihrer Frequenz und ihrer Fortpflanzung innerhalb der Prozesskette
• Aufstellung von quantitativen Beziehungen zwischen der zeitlichen Ände- rung der Altpapiereigenschaften und der Prozessperformance
• Auswertung der Ergebnisse und Aufzeigen der daraus sich ergebenden neuen Möglichkeiten zur Verbesserung der Prozesssteuerung beim Deinking
4.1.1 Angestrebte Forschungsergebnisse Wissenschaft-
lich-technische Ergebnisse
Die wissenschaftlich-technischen Untersuchungen liefern als Ergebnisse
• Aussagen zur tatsächlichen Schwankung der Altpapierzusammensetzung über kurze und längere Zeiträume
• Erkenntnisse zur Korrelation zwischen der Altpapierzusammensetzung und den Qualitätsparametern des Altpapierstoffs
• Aussagen zur Steuerbarkeit des Deinkingprozesses durch die im Rahmen des Monitoring der Altpapierzusammensetzung erfassten Informationen.
Wirtschaftliche Ergebnisse
Die Umsetzung der Ergebnisse in die Prozesssteuerung einer Deinkinganlage sollen Möglichkeiten zur Kostensenkung für den Rohstoff Altpapier, die Rest- stoffentsorgung und Chemikalien durch die optimierte Abstimmung der Pro- zessstufen auf Qualitätsschwankungen im Rohstoff Altpapier eröffnen, z.B.
• durch Variation der Rejektrate in Abhängigkeit von der Altpapierzusammen- setzung (Potenzial zur Minimierung der Verluste, insbesondere von Faser- stoff)
• durch Optimierung der Bleichmitteldosierung, angepasst an die Altpapierzu- sammensetzung.
4.1.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse Wissens-
synthese Die Forschungsergebnisse ermöglichen eine Synthese des Wissens um die Messung der AP-Zusammensetzung und -Qualität mit dem umfangreichen Wis- sen aus den verschiedenen Stufen des Deinkingprozesses
Verfügbarma- chung eines re- levanten Steuer- parameters
Die Forschungsergebnisse ermöglichen die Messbarkeit der aktuellen und tat- sächlichen , dem Aufbereitungsprozess zugeführten Rohstoffqualität und ma- chen damit einen extrem relevanten Steuerparameter für den Betrieb von Dein- kinganlagen erstmals verfügbar.
Basis für Pro- zessregelung und Gesamtop- timierung
Die Aufstellung von quantitativen Beziehungen zwischen der zeitlichen Ände- rung der Altpapier-Eigenschaften und der Prozessperformance (Ausbeute, Fer- tigstoffqualität) bilden die Basis für eine Prozessregelung im Sinne einer Ge- samtoptimierung. Es kann erstmals eine Zielfunktion formuliert und der Nutzen einer Einhaltung der beschriebenen Grenzen quantifiziert werden.
4.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels
Übersicht Das Schema gibt einen Überblick über den vorgesehenen Lösungsweg:
1. Altpapierzusammensetzung und Suspensionseigenschaften AP 1: Online-Analyse der Altpapierzusammensetzung und Analyse
der Suspensionseigenschaften
AP 2: Korrelation zwischen Messgrössen des Altpapiers und Suspensionseigenschaften
2. Erfassung der Schwankungsbreite der Altpapierzusammensetzung
AP 3: Installation des Online-Messsystems an der Altpapierzuführung in der Papierfabrik AP 4: Aufnahme von NIR-Messdaten am Altpapier, Registrierung von Prozessdaten und
Probenahme
AP 5: Analytische Bewertung der Stoffproben
3. Quantitative Beziehungen zwischen Altpapiereigenschaften und Prozessperformance
AP 6: Datenanalyse und Auswertung
AP 7: Entwurf einer Optimierungsstrategie; Abschätzung vorhandener Optimierungspotenziale 1. Altpapierzusammensetzung und Suspensionseigenschaften AP 1: Online-Analyse der Altpapierzusammensetzung und Analyse
der Suspensionseigenschaften
AP 2: Korrelation zwischen Messgrössen des Altpapiers und Suspensionseigenschaften
2. Erfassung der Schwankungsbreite der Altpapierzusammensetzung
AP 3: Installation des Online-Messsystems an der Altpapierzuführung in der Papierfabrik AP 4: Aufnahme von NIR-Messdaten am Altpapier, Registrierung von Prozessdaten und
Probenahme
AP 5: Analytische Bewertung der Stoffproben
3. Quantitative Beziehungen zwischen Altpapiereigenschaften und Prozessperformance
AP 6: Datenanalyse und Auswertung
AP 7: Entwurf einer Optimierungsstrategie; Abschätzung vorhandener Optimierungspotenziale
1. Schritt Altpapierzusam- mensetzung und Suspensionsei- genschaften
Mit dem Messsystem (Messzeile mit NIR-Spektrometer) wurden an einer Ver- suchsanlage Online-Messungen an Altpapiermischungen durchgeführt. Die mit NIR ermittelten Parameter des Altpapiers wurden mit entsprechenden Suspen- sionseigenschaften korreliert.
Ergebnis: zeitnahe Erfassung der Qualitätsparameter Altpapier und ihre Bewer- tung hinsichtlich der Zusammenhänge zwischen
• Aschegehalt und Altpapierzusammensetzung
• Weißgrad und Anteil Wellpappe/Karton bzw. Zeitschriften/Zeitungen
• Schmutzpunkte und Anteil Wellpappe/Karton bzw. Zeitschriften/Zeitungen
• Makrostickys und Anteil Wellpappe/Karton bzw. Zeitschriften/Zeitungen
2. Schritt Erfassung der Schwankungs- breite der Altpa- pierzusammen- setzung
In diesem Abschnitt wurden durch Messungen in zwei Papierfabriken ermittelt:
• die Art der Schwankungen der Altpapierzusammensetzung
• die Bandbreite der auftretenden Schwankungen
• die Frequenzen der auftretenden Schwankungen
Nach Installation des Messsystems (NIR-Spektrometer) in den Papierfabriken wurden kontinuierlich über einen längeren Zeitraum NIR- und Prozessdaten aufgenommen. Parallel dazu wurden zeitversetzt Stoffproben entnommen und hinsichtlich relevanter Suspensionskennwerte charakterisiert.
Ergebnis: Schwankungsbreite der Altpapierzusammensetzung, Aufenthaltszei- ten von Störungen und Fortsetzung von Störungen in der Prozesskette
3. Schritt Quantitative Be- ziehungen zwi- schen Altpapier- eigenschaften und Prozessper- formance
Die in der Papierfabrik ermittelten Daten wurden unter den Aspekten ausgewertet:
• Für welche mit NIR-gemessenen AP-Parameter lassen sich im realen Dein- kingprozess Korrelationen mit Stoffparametern nachweisen?
• Wie stark und relevant sind die Schwankungen der Stoffparameter in Ab- hängigkeit von der AP-Zusammensetzung?
• Welche Online gemessenen AP-Parameter können als relevante Steuer- und Regelgrössen für den Deinkingprozess genutzt werden?
Ergebnis: Aufzeigen von Möglichkeiten zur Steuerung der Deinkingprozesses durch ein Online-Monitorimng der Altpapierzusammensetzung
5 Material und Methoden inkl. Projektbegleitung
5.1 NIR-Online-Messungen 5.1.1 NIR-Messsystem
NIR-Messsystem Das NIR-Messsystem besteht aus einer 80 cm langen Messzeile PM (LLA In- struments GmbH) mit 20 Messstellen, die über Glasfaserkabel mit einem NIR- Prozessspektrometer verbunden sind. Das Spektrometer ist ein Multiplexer KUSTA 4004 (LLA Instruments GmbH) mit einem spektralen Messbereich von 1370 bis1870 nm.
Online-
Messeinrichtung Für die Online-Messungen an einer Altpapierzuführung war die Messzeile auf einem Schlitten montiert, der auf dem Altpapierstrom glitt. Dadurch konnte ein relativ gleichmäßiger Messabstand gewährleistet werden. Der Schlitten selbst wurde durch ein Trägergerüst gehalten, das auf den Aussenwänden des För- derbandes montiert war. Das Gerüst kann flexibel an verschiedene Fördeband- breiten angepasst werden.
Durchführung
der Messungen Die NIR-Messungen erfolgten in der Weise, dass von der Oberfläche des Alt- papierstroms im Abstand von 4 cm quer zum Band und aller 2 cm in Bandrich- tung ein Messwert (NIR-Spektrum) aufgenommen wurde. Aus jedem NIR- Spektrum wurde die Altpapiersorte klassifiziert und der Aschegehalt bestimmt.
5.1.2 Mess- und Auswertesoftware
Messsoftware Das Spektrometer wird durch die Messsoftware Kusta-MPL (LLA Instruments GmbH) gesteuert. Ein spezielles Messtool ermöglicht die Mittelung von Spekt- ren pro Messspur in einem bestimmbaren Zeitintervall.
Auswertesoft- ware - Chemo- metrische Me- thoden
Für die Auswertung der NIR-Spektren wurden chemometrische Methoden ent- wickelt mit denen die Spektren den Papiersorten zugeordnet werden können (Klassifikation) und der Aschegehalt bestimmt werden kann. Mit der Auswerte- software werden die Spektren den folgenden Klassen zugeordnet:
Deinkingpapiere Zeitungen (ungestrichene Papiere) ONP
Illustrierte (gestrichene Papiere) OMG
Unerwünschte Papiere Wellpappe, Karton, Verpackungen OCC
Flexodruckzeitungen FXN
Papierfremde Stoffe Kunststoffe NON
Die Klassifizierungsergebnisse bilden die Grundlage für die Berechnung der prozentualen Zusammensetzung des gesamten Altpapiers.
Auswertesoft- ware – Online- Anzeige
Die Ergebnisse aus den chemometrischen Methoden werden in ein Datenpro- tokoll abgespeichert und über den Monitor eines Auswerterechners online dar- gestellt. Die Abbildung zeigt die Anzeige mit dem Verlauf des Aschegehaltes und der prozentualen Zusammensetzung des Altpapiers (gelbe Anzeige).
Abbildung 4: Online-Anzeige des Aschegehalts und der AP-Zusammensetzung
Auswertesoft- ware – Offline- Anzeige
In einem weiteren Anzeigefenster kann im Offline-Modus der zeitliche Verlauf der Änderung der Altpapierzusammensetzung und die Oberfläche der Altpa- pierzuführung grafisch, farbkodiert dargestellt werden.
Abbildung 5: Anzeige der Offline-Auswertung der Messergebnisse
5.2 Analyse der Stoffproben Bestimmte Pa-
rameter der Stoffproben
Parallel zu den NIR-Messungen wurden zeitversetzt Proben aus der Stoffaufbe- reitung entnommen. Im Folgenden sind die bestimmten Parameter der Stoff- proben und die angewendeten Methoden zusammengefasst.
Aschegehalt mit TGA 701 (LECO Instrumente GmbH) bei 525 °C Weißgrad Elrepho, R457, D65
Schmutzpunkte DOMAS-Bildanalysemesssystem Makrostickies INGEDE-Methode 4
6 Online-Analyse der Altpapierzusammensetzung mit Modell-AP-Mischungen und Analyse der Suspensionseigenschaften
Inhalt Zur Vorbereitung der eigentlichen Messungen in den Papierfabriken wurden Probemessungen an einer Versuchsförderanlage für Altpapier durchgeführt.
Dabei wurden die Altpapierproben bzw.-mischungen mit einem kleinen Förder- band an der Messzeile vorbeigeführt. Ziele der Messungen waren:
• Entwicklung von NIR-Klassifikations- und Aschebestimmungsmethoden
• NIR-Testmessungen und Bestimmung von Altpapierparametern an Modell-AP-Mischungen
6.1 Entwicklung der Klassifikations- und Aschebestimmungsmethoden Entwicklung der
Klassifikations- methoden
Für die Entwicklung der NIR-Klassifikationsmethoden wurden jeweils ca. 100 Referenzproben der verschiedenen AP-Kategorien zusammengestellt und de- ren NIR-Spektren aufgenommen (siehe Abb.). Mit den Spektren wurden mittels chemometrischer Methoden Klassifikationsalgorithmen entwickelt. Eine genaue Beschreibung des Verfahrens ist im PTS-Forschungsbericht „Entwicklung eines automatisierten Messverfahrens zur Erkennung von Papiersorten und papier- fremde Bestandteile für die Qualitätsbewertung der Altpapiersorte Deinkingware (1.11) (E. Pigorsch)“ [18] enthalten.
Strichbinder
ONP Zeitung
FS Faltschachtel (gestrichen) Kaolin
Strichbinder
ONP Zeitung
FS Faltschachtel (gestrichen) Strichbinder
ONP Zeitung
FS Faltschachtel (gestrichen) Kaolin
Abbildung 6: NIR-Spektren der Altpapiersorten Zeitung und Faltschachtel
Entwicklung der Aschebestim- mungsmethode
Für die Entwicklung der Aschebestimmungsmethode wurden von ca. 350 Refe- renzproben NIR-Spektren gemessen. Die Referenzaschewerte (525 °C) lagen im Bereich von 0 bis 50 %. Die quantitative Bestimmungsmethode wurde mit dem chemometrischen PLS-Verfahren berechnet [18]. Die Validierung der Me- thode ergab einen Bestimmungsfehler (SEP- Standard Error of Prediction) von +/- 4,0 %.
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 Referenzaschewert(525 °C) [%]
NIR-bestimmte Asche [%]
Abbildung 7: Validierungsergebnisse für Aschebestimmungsmethode.
SEP= +/- 4,0 % (---)
6.2 Online-Messungen und Analyse von AP-Modellmischungen Herstellung der
AP-Modell- mischungen
Es wurden AP-Mischungen von je 10 kg für die folgenden drei Grundzusam- mensetzungen hergestellt:
• Zeitungen / Illustrierte (ONP/OMG)
• Deinkingpapiere (Zeitungen /Illustrierte) (DP) / braune Wellpappe (OCC)
• Deinkingpapiere (Zeitungen /Illustrierte) (DP)/ gestrichene Faltschachteln (FS) Bei den Deinkingpapieren (DP) in den letzten beiden Grundzusammensetzun- gen wurden Zeitungen und Illustrierte im Massenverhältnis von 60 zu 40 % ge- mischt [10].
Anzahl und Zu- sammensetzung der AP-
Mischungen
In der Tabelle 2 sind die einzelnen AP-Mischungen und deren Zusammenset- zung zusammengefasst. Die maximalen prozentualen Anteile von 10 % für die braunen Wellpappen (OCC) und der Faltschachteln (FS) wurden auf Grund der in Deinkingware maximal zu erwartenden Anteile gewählt [2].
Mischung ONP/OMG
Zeitungen Masse %
Mischung DP/OCC
Wellpappe Masse %
Mischung DP/FS
Faltschach- teln Masse %
ONP00 0 OCC00 0 FS00 0
ONP01 10 OCC03 3 FS03 3
ONP02 20 OCC05 5 FS05 5
ONP03 30 OCC07 7 FS07 7
ONP04 40 OCC10 10 FS10 10
ONP05 50 ONP06 60 ONP07 70 ONP08 80 ONP09 90 ONP10 100
Online-NIR-
Messungen Die Altpapiermischungen wurden an der Versuchsförderanlage mit dem NIR- Messsystem gemessen. Dabei wurden die AP-Objekte klassifiziert und der Aschegehalt bestimmt.
Klassifizierungs-
genauigkeit Die durchgeführten Messungen bildeten gleichzeitig einen Test für die Genau- igkeit der Klassifizierungsmethoden. Für die einzelnen AP-Kategorien wurden folgende mittlere Genauigkeiten erzielt.
AP-Kategorie Klassifikationsgenauigkeit
ONP 95 %
OMG 90 %
OCC 95 %
FS 90 %
Diese Klassifizierungsgenauigkeiten werden als ausreichend eingeschätzt, um eine genaue Bestimmung der Gesamtaltpapierzusammensetzung zu erreichen [18]. Die Berechnung der Masseprozente der einzelnen AP-Kategorien erfolgt auf der Grundlage der Anzahl der klassifizierten Spektren pro Zeit und Fläche in der Auswertesoftware (siehe Abschnitt 4.2).
Zusätzlich wurde eine Klassifizierungsmethode zur Erkennung von Flexodruck- zeitungen erstellt [18, 26] mit der es möglich ist, den relativen Anteil von Fle- xodruckzeitungen bzw. dessen Änderung in der Deinkingware über einen „Fle- xodruck“-Index online zu verfolgen.
Bestimmung von Stoffparametern der AP-
Mischungen – Zeitungen /Illustrierte
Alle 10 kg-AP-Modellmischungen wurden jeweils in einem Technikumspulper zerfasert. Von den so gewonnenen Stoffmischungen wurden die Parameter Asche, Weißgrad, Schmutzpunkte und Makrostickies bestimmt.
In der Tabelle 3 sind die bestimmten Werte für die AP-Mischungen Zeitun- gen/Illustrierte zusammengefasst. (ONP00 – 0 % Zeitungen, ONP10 – 100%)
Mischung ONP/OMG
NIR- bestimmter
Aschewert [%]
Bestimmter Referenz- aschewert (LECO 525 °C)
[%]
Weißgrad Schmutz- punkte [mm2/m2]
Makro- stickies [mm2/kg]
ONP00 28 33,4 43,9 474 43 ONP01 26 31,1 46,2 ONP02 26 29,4 45,9 ONP03 24 28,3 46,3 341 605 ONP04 21 25,0 43,4 ONP05 22 25,3 44,8 ONP06 19 20,8 41,5 1288 ONP07 16 20,2 42,4 200 68 ONP08 13 18,4 41,2 ONP09 15 18,2 41,6 ONP10 16 16,4 40,8 124 104
Bestimmung von Stoffparametern der AP-
Mischungen – Deinkingpapiere/
braune Wellpap- pe
In der Tabelle 4 sind die bestimmten Werte für die AP-Mischungen Deinking- papiere/ braune Wellpappe zusammengefasst. (OCC00 – 0 % Wellpappe, OCC10 – 10%)
Mischung DP/OCC
NIR- bestimmter
Aschewert [%]
Bestimmter Referenz- aschewert (LECO 525 °C)
[%]
Weißgrad Schmutz- punkte [mm2/m2]
Makro- stickies [mm2/kg]
OCC00 22 21,2 41,7 185 1288 OCC03 21 21,0 41,3 383 209 OCC05 22 22,3 41,6 581 1497 OCC07 23 22,3 41,7 463 844 OCC10 20 21,7 41,6 491 607
Bestimmung von Stoffparametern der AP-
Mischungen – Deinkingpapiere/
Faltschachteln
In der Tabelle 5 sind die bestimmten Werte für die AP-Mischungen Deinking- papiere/ Faltschachteln zusammengefasst. (FS00 – 0 % Faltschachteln, FS10 – 10%)
Mischung DP/FS
NIR- bestimmter
Aschewert [%]
Bestimmter Referenz- aschewert (LECO 525 °C)
[%]
Weißgrad Schmutz- punkte [mm2/m2]
Makro- stickies [mm2/kg]
FS00 23 20,8 43,0 167 1058 FS03 23 22,5 44,5 197 554 FS05 20 22,7 46,2 241 1041 FS07 20 22,3 43,6 159 691 FS10 21 23,2 45,2 297 2222
Vergleich der NIR-bestimmten Aschwerte mit den Referenzwer- ten
In der Abbildung 8 sind die mit NIR bestimmten Aschewerte der 21 Stoffpro- ben mit den Referenzwerten verglichen. Der Bestimmungsfehler (SEP)
von +/- 4 % (---) entspricht dem zuvor bestimmten Fehler der Aschemethode.
0 5 10 15 20 25 30 35
0 5 10 15 20 25 30 35
Refrenzwert Asche (LECO, bei 525 °C) [%]
NR-bestimmter Aschewert [%]
Zusammen- fassung der Ergebnisse
Die Ergebnisse der Online-Messungen an der Versuchsanlage zeigten, dass mit dem NIR-Messverfahren die Altpapiere sehr gut klassifiziert werden können und der Gesamtaschegehalt des Altpapiers ausreichend genau bestimmt wer- den kann. Dies bildet die Grundlage für eine genaue Online-Bestimmung der Altpapierzusammensetzung.
7 Korrelation zwischen der Zusammensetzung der AP-Modellmischungen und Suspensionseigenschaften
Korrelation zwi- schen AP- Zusammen- setzung und Stoffeigenschaf- ten
Mit den ermittelten Stoffparametern der AP-Modellmischungen lassen sich Zu- sammenhänge zwischen der Altpapierzusammensetzung und den initialen Stoffeigenschaften darstellen. Das Vorhandensein und der prinzipielle qualitati- ve Verlauf dieser Korrelationen wurden in der Literatur beschrieben [9,10]. Die im Forschungsprojekt ermittelten Werte ermöglichen eine genauere Quantifizie- rung.
Aschegehalt in Abhängigkeit der AP-Zusammen- setzung
Der Aschegehalt von Deinkingware (1.11) wird im Wesentlichen durch das Mas- senverhältnis von Zeitungen und Illustrierten bestimmt. Mit zunehmendem Anteil an Illustrierten (gestrichenen Papieren) steigt der Aschegehalt. Die Ab- bildung 9 zeigt den Verlauf des Aschegehalts der untersuchten Stoffproben in Abhängigkeit vom Masseanteil der Illustrierten (Tabelle 3).
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Masseanteil Illustrierte [%]
Aschegehalt [%]
Der Aschegehalt steigt wie erwartet mit zunehmendem Illustriertenanteil an.
Beide Parameter zeigen eine nahezu lineare Abhängigkeit. Der Aschewert für das 50/50 %-Verhältnis Zeitungen /Illustrierte von 25,3 % entspricht sehr genau dem Wert von 25,0 %, der von Weinert und Putz [2] für reale Deinkingware mit dem gleichen Verhältnis Zeitungen /Illustrierte in europäischen Papierfabriken bestimmt wurde.
Der Aschegehalt der AP-Mischungen mit brauner Wellpappe und den Falt- schachteln zeigt nur geringe Änderungen (siehe Tabellen 4 und 5) und keinen signifikanten Einfluß durch den Anteil an Verpackungspapieren. Dieses Ergeb- nis bestätigt noch einmal, die oben getroffene Aussage, dass der Aschegehalt von Deinkingware (1.11) im Wesentlichen durch das Masseverhältnis von Zei- tungen und Illustrierten bestimmt wird.
Weissgrad in Abhängigkeit der AP-Zusammen- setzung
Der initiale Weißgrad des Deinkingstoffs wird besonders durch das Massever- hältnis von Zeitungen und Illustrierten bestimmt. Die Abbildung 10 zeigt den Verlauf des Weißgrades der untersuchten Stoffproben in Abhängigkeit des Ver- hältnisses Zeitungen / Illustrierte (Tabelle 3).
40 41 42 43 44 45 46 47
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Masseanteil Illustrierte [%]
Weißgrad [%]
Mit zunehmenden Anteil von Illustrierten (gestrichenen Papieren) steigt der Weißgrad des Stoffs. Die Schwankungen der Werte um die Ausgleichsgerade sind auf weitere Einflüsse auf den initialen Weißgrad zurückzuführen, wie dem tatsächlichen Anteil und der Art der Druckfarben in den Zeitungen und illustrier- ten.
Der Weißgrad der Stoffproben aus den AP-Mischungen mit brauner Wellpappe und den Faltschachteln zeigt nur geringe Änderungen (siehe Tabellen 4 und 5) und keine signifikanten Einflüsse durch den Anteil an Verpackungspapieren.
Schmutzpunkte in Abhängigkeit der AP-
Zusammen- setzung
Die Schmutzpunkte bzw. deren bestimmte Fläche sind neben dem Weißgrad ein wichtiger Qualitätsparameter für den Deinking-Stoff, der wiederum wesent- lich vom Massenverhältnis von Zeitungen und Illustrierten abhängt. Die Abbil- dung 11 zeigt den Verlauf der Schmutzpunkte der untersuchten Stoffproben in Abhängigkeit des Verhältnisses Zeitungen /Illustrierte (Tabelle 3).
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Masseanteil Illustrierte [%]
Schmutzpunkte [mm2/m2]
Die Schmutzpunktfläche steigt in fast linearer Abhängigkeit mit steigendem Masseanteil der Illustrierten, was sich u.a. mit einer zunehmenden Anzahl, von an Strichbruchstücken anhaftenden Farbpartikeln zurückführen lässt.
Schmutzpunkte in Abhängigkeit der AP-
Zusammen- setzung
Die AP-Mischungen mit brauner Wellpappe und den Faltschachteln zeigen mit zunehmendem Anteil der Verpackungspapiere ebenfalls eine Zunahme der Schmutzpunktfläche (siehe Tabellen 4 und 5). In der Abbildung 12 sind die Änderungsverläufe dargestellt.
0 100 200 300 400 500 600
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Masseanteil Verpackungspapiere [%]
Schmutzpunkte [mm2/m2]
OCC - braune Wellpappe FS - Faltschachteln
0 100 200 300 400 500 600
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Masseanteil Verpackungspapiere [%]
Schmutzpunkte [mm2/m2]
OCC - braune Wellpappe FS - Faltschachteln
Makrostickies in Abhängigkeit der AP-Zusammen- setzung
Aus den bestimmten Makrosticky-Werten der Stoffproben lässt sich keine direk- te Korrelation der Werte mit der AP-Zusammensetzung ableiten (Tabellen 3, 4 und 5). Die Ausgangsüberlegung, dass der Makrosticky-Gehalt mit steigendem Masseanteil an Illustrierten oder Verpackungen zunimmt, konnte so nicht nach- gewiesen werden. Dies könnte hauptsächlich drei Gründen haben. Erstens, es sind zu wenige Werte vorhanden, zweitens, die Bestimmungsmethode ist un- genau, so dass die Werte stark schwanken, und drittens, der Gehalt an Makrostickies wird nicht direkt von der allgemeinen AP-Zusammensetzung beinflusst, sondern hängt von weiteren Parametern der Altpapiere ab.
Zusammen- fassung der Ergebnisse
Als Ergebnis der Untersuchungen konnten direkte Korrelationen zwischen der AP-Zusammensetzung und initialen Parametern des Deinkingstoff nachgewie- sen werden. Die stärksten Korrelationen wurden für die folgenden Parameter ermittelt:
• Aschegehalt – Verhältnis Zeitungen/Illustrierte
• Weißgrad – Verhältnis Zeitungen/Illustrierte
• Schmutzpunkte – Verhältnis Zeitungen/Illustrierte und Anteil Verpackungspapiere
Nach diesen Ergebnissen ist zu erwarten, dass im realen Deinkingprozess das Verhältnis Zeitungen und Illustrierte den größten Einfluss auf die Stoffparameter haben wird.
8 Online-NIR-Messungen an den Altpapierzuführungen in zwei Papierfabriken Papierfabriken Die Versuche wurden in zwei Papierfabriken, die grafische Papiere aus Dein-
kingware herstellen, durchgeführt. Diese werden im weiteren Bericht als Pa- pierfabrik A bzw. B bezeichnet.
8.1 Installation und Einrichtung des Online-NIR-Messsystems in den Papierfabriken Konstruktion und
Bau der Online- Messeinrichtung
Die Online-Messungen erfolgten mit einer Messzeile, die quer über dem För- derband der Altpapierzuführung angeordnet war. Die Messzeile war mit 10 m langen Glasfaserkabeln mit dem NIR-Spektrometer verbunden.
Für die Positionierung und Halterung der Messzeile über dem Förderband wur- de in Kooperation mit der Firma RTT Steinert GmbH in Zittau ein Trägergerüst mit einem Messschlitten konstruiert und gebaut. Die Messzeile wurde auf dem Schlitten montiert, der wiederum auf dem Altpapierstrom glitt. Dadurch konnte ein relativ gleichmäßiger Messabstand zur Altpapieroberfläche gewährleistet werden. Der Schlitten selbst wurde durch das Trägergerüst gehalten, das auf den Aussenwänden der Förderbandes montiert war. Das Gerüst kann flexibel an verschiedene Fördebandbreiten angepasst werden.
Die jeweiligen Installationen in den beiden untersuchten Papierfabriken werden in den folgenden Kapiteln dargestellt.
Einstellung der Messeinrichtung und Anpassung der Messparame- ter
Die Einstellungen der Messeinrichtung und der Messparameter müssen den jeweiligen Fahrbedingungen des Altpapierförderbands und dem Befüllungsre- gime für einen Pulper bzw. einer Trommel angepasst werden. Diese Anpas- sungen wurden jeweils vor Ort in den Papierfabriken durchgeführt. Im Wesentli- chen wurden folgende Parameter angepasst:
• Einstellung der optimalen Aufhängungshöhe des Messschlittens – Ist ab- hängig von Füllhöhe des Bandes und dem Vorhandensein einer Egalisier- trommel.
• Zeit der Spektrenmittelung für einen Messwert – Ist abhängig von Bandge- schwindigkeit, um einen Wert für je ca. 2 cm zu erhalten.
• Zeit der Mittelung von Einzelwerten für die Online-Anzeige – Ist abhängig, ob die Messung kontinuierlich (Trommel) oder diskontinuierlich (Pulper) ist.
Zusammenfas- sung und Schlußfolgerung
Der konstruktive Aufbau der Messeinrichtung hatte sich bei den Messungen in beiden Papierfabriken bewährt. Die Konstruktion ist für kontinuierliche Online- Messungen geeignet. Die besten Messergebnisse werden erzielt, wenn die Füllhöhe und Packungsdichte des losen Altpapiers durch eine Egalisiertrommel relativ konstant gehalten wird.
8.2 Durchführung von Online-Messungen an der Altpapierzuführung in der Papierfabrik A
8.2.1 Charakteristik der Papierfabrik A und Installation der Messeinrichtung Produktion der
Papierfabrik A Die Papierfabrik A produziert gestrichene Druckpapiere verschiedener Sorten (Glanz, Weiße, Flächengewicht) aus deinkten Rohpapieren mit einer Jahres- produktion von ca. 85.000 t. Das Streichen des Papiers erfolgt direkt nach der Papiermaschine.
Verwendetes
Altpapier Die Papierfabrik verwendet als Altpapier hauptsächlich Deinkingware (1.11) in loser Form. Zusätzlich werden geringe Anteile an weißen gestrichenen Drucke- reiabfällen aus Ballenware zugemischt.
Altpapierzufüh- rung und Stoff- aufbereitung
Die Stoffaufbereitung erfolgt über einen Pulper mit 30 m3 (ca. 5 t Altpapier).
Die Altpapierzuführung läuft über ein Förderband mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,1 m/s. Die Beschickung des Pulpers dauert ca. 100 s.
Die Füllhöhe des Altpapier wird nach der Aufgabe auf das Band nicht weiter egalisert. Dadurch entstanden bei zu geringen Füllhöhen Lücken in der Mes- sung bzw. in der Auswertung.
Installation der
Messeinrichtung In der Abbildung 13 ist die Installation der Messeinrichtung in der Papierfabrik A dargestellt.
8.2.2 Aufnahme und Auswertung der NIR-Messdaten vom Altpapier in Papierfabrik A Durchführung
der Messungen Die NIR-Online-Messungen in der Papierfabrik A erfolgten an sechs Tagen.
Für die Auswertung wurden jeweils die Messungen bei einer Pulperfüllung (ca. 100 s) zusammengefasst. Für insgesamt 17 Pulperfüllungen wurden Pro- ben direkt am Pulperausgang genommen. Des Weiteren erfolgten Probenah- men entlang des Deinkingprozesses. Genauere Angaben dazu werden in Ab- schnitt 8.1 gemacht.
Visuelle Darstel- lung der Pulper- füllungen
Die Auswertesoftware bietet die Möglichkeit die gemessene Oberfläche des Alt- papiers farbkodiert darzustellen. Anhand dieser Darstellung lässt sich die Zu- sammensetzung des Altpapiers sehr gut visualisieren. Die Abbildung 14 zeigt ein Bespiel für eine Pulperfüllung. Die dargestellte Bandlänge beträgt ca. 10 m.
Jeder Bildpunkt entspricht einer Fläche von 2 x 4 cm.
ONP OMG OCC NON Band
ONP OMG OCC NON Band
Deutlich ist zu sehen, dass die Deinkingware hauptsächlich aus Zeitungen (ONP) und Illustrierten (OMG) besteht. Es sind nur wenige Verpackungspapiere (OCC, Wellpappe und Faltschachteln) und Kunststoffteile (NON) zu erkennen.
Einige schwarze Bereiche zeigen zu geringe Füllhöhen bei der Messung an, d. h. nicht auswertbare Spektren.
Nutzen der visuellen Darstellung
Die visuelle Darstellung der Altpapieroberfläche kann folgendermaßen genutzt werden:
• sofortige und Langzeitqualitätskontrolle für Altpapier
• Kontrolle der Pulperbeschickung und somit Möglichkeit zur Einfluss- nahme in der Stoffaufbereitung durch das Wissen über die Zusammen- setzung des Altpapiers bzw. des Aschegehalts im Altpapier
• Hilfe bei schneller Ursachenfindung von Störungen in der Stoffauf- bereitung
Ergebnisse zur Altpapierzusam- mensetzung
In der Abbildung 15 sind die Durchschnittswerte der mit NIR-bestimmten Antei- le der Altpapierkomponenten an fünf Messtagen vom 23. bis 29. April 2010 zu- sammengefasst. Das Diagramm gibt keinen direkten zeitlichen Verlauf wieder, sondern zeigt das durchschnittliche Niveau der Werte pro Pulperfüllung.
Durchschnittswerte für die Anteile der Altpapierkomponenten für jede Messung an den sechs Versuchstagen
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
23-01 23-03 26-01 26-03 26-05 26-07 26-09 26-11 26-13 26-15 27-01 27-03 27-05 27-07 27-09 27-11 27-13 28-02 28-04 28-06 28-08 28-10 28-12 29-01 29-03 29-06 29-08 29-10 29-12
Probe (Tag-Messung)
Masse [%]
Asche Deinkingpapiere OCC-Pappe, Karton OMG-Illustrierte NON-Papierfremd
Schwankungen der AP-Zusam- mensetzung
Die Ergebnisse in der Abbildung 15 zeigen dass sich die Gesamtaltpapierzu- sammensetzung (Deinkingpapier / Rest) und der Aschegehalt der einzelnen Pulperfüllungen nur wenig ändert. Die größten Schwankungen gibt es beim Verhältnis Zeitungen / Illustrierte. Bei dem dargestellten Masseanteil der Illust- rierten (OMG) kam es zu Schwankungen um bis zu 25 %.
Einordnung der ermittelten Werte
In der Tabelle 6 sind die über alle Pulperfüllungen gemittelten NIR-bestimmten Messwerte zusammengefasst und mit Untersuchungsergebnissen von Weinert und Putz [2] zur tatsächlichen durchschnittlichen Zusammensetzung von Dein- kingware 1.11 in Deutschland und Europa verglichen.
Durchschnittliche Werte aus NIR-Messungen
[%]
Tatsächliche durch- schnittliche Zusam- mensetzung von Deinkingware [2]
[%]
Aschegehalt 27 25
ONP+OMG - Deinkingpapiere 93 94
OCC - Pappen, Karton 7 6
NON – Papierfremd (Kunststoff) 0,5 0,7
Verhältnis ONP/OMG 50 / 50 50 / 50
Die mit NIR gemessenen Werte stimmen sehr gut mit der erwarteten Zusam- mensetzung von Deinkingware (1.11) überein. Der Anteil an Verpackungspa- pieren liegt mit 7 % etwas über den Vorgaben des EU-Standards EN643 [18].
Der Anteil papierfremder Stoffe ist mit einem Wert von deutlich unter 1 % prak-
Aschewerte Der mit NIR bestimmte durchschnittliche Aschegehalt des Altpapiers pro Pul- perfüllung beträgt 27,0 %. Dieser Wert stimmt sehr gut mit dem Durchschnitts- wert von 26,5 % überein, der für die Pulperproben mit dem LECO-Gerät ermit- telt wurde. Ein detaillierter Vergleich der einzelnen Aschwerte ist in der folgen- den Abbildung 16 dargestellt.
Vergleich der Online-NIR-bestimmtem Aschewerte mit Aschewerten der entsprechenden Pulperproben
10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 30.0 32.0 34.0 36.0 38.0 40.0
15-08 15-11 26-01 26-02 26-03 26-04 27-01 27-02 27-03 27-04 28-01 28-02 28-04 28-05 29-01 29-02 29-03 Probe (Tag-Messung)
Aschewert [%]
NIR-Asche LECO
Daraus ergibt sich eine Standardabweichung für die Aschebestimmungsmetho- de von 1,6 %. Die maximale absolute Abweichung des NIR-bestimmten Wertes zum Vergleichswert betrug 3,1 %.
Zusammen- fassung der Ergebnisse
Die Ergebnisse zeigen:
• Mit dem NIR-Messverfahren kann die Altpapierzusammensetzung und de- ren Änderung sehr genau bestimmt werden.
• Die Messmethode erlaubt eine genaue absolute Aschbestimmung sowie ei- ne präzise Abbildung der Ascheänderungen.
• Die Schwankungen der Gesamtzusammensetzung der Deinkingware sind nur relativ gering. Die maximale Änderung des Gesamtanteils an Deinking- papieren betrug 5 %.
• Die größten Schwankungen treten im Verhältnis Zeitungen / Illustrierte mit max. 25 % auf.
