Modellgestützte Kreislaufoptimierung unter besonderer Berück- sichtigung des Parameters CSB

(1)

Modellgestützte Kreislaufoptimierung unter besonderer Berück- sichtigung des Parameters CSB

R. SPÖRL u. A. WAGENKNECHT

1 Zusammenfassung

Die Papiererzeugung ist mit einer sehr intensiven Wassernutzung verbunden. Der spezifische Frischwasserverbrauch konnte durch technologische Maßnahmen in den letzten Jahrzehnten deutlich gesenkt werden. Durch die Kreislaufeinengung kommt es jedoch zur Anreicherung von gelösten Stoffen, die zur Beeinträchtigung der Produktqualität und der Produktivität führen. Infolge dessen wurden nach Erreichen eines spezifischen Frischwas- sereinsatzes von durchschnittlich ca. 15 l/kg im Jahre 1990 nur noch geringe Verminde- rungen erzielt.

Die Optimierung von Wasserkreislaufsystemen in Papierfabriken war bislang durch über- wiegend individuelle Lösungsansätze gekennzeichnet. Untersuchungen waren in der Re- gel auf Teilaspekte, z.B. die Optimierung des Hilfsmitteleinsatzes oder Teilsysteme, ausgerichtet. Arbeiten der Forschungsstelle dienten der Entwicklung einer ganzheitlichen Me- thodik zur Beurteilung und Systemoptimierung u.a. unter Nutzung der Simulationstechnik.

Die zur Charakterisierung der Kreislaufwasserbelastung wichtige Kenngröße „Chemischer Sauerstoffbedarf“ (CSB) konnte in den bisher genutzten Modellen nur in vereinfachter Form abgebildet werden. Die bekannten Wechselwirkungseffekte zwischen CSB und Fa- serstoff blieben unberücksichtigt.

Durch prozess- und systemanalytische Untersuchungen für wichtige verfahrenstechnische Grundoperationen sollte eine Datenbasis für die praxisnahe Modellierung der Sorpti- on/Desorption von CSB am Faserstoff geschaffen werden, um in Bilanzmodellen von Wasserkreisläufen die Wechselwirkungen der als CSB erfassbaren organischen Wasser- inhaltsstoffe mit dem Faserstoff berücksichtigen zu können.

Für ausgewählte Prozessstufen der Papiererzeugung wurden durch Versuche an Pro- zesswasser/Altpapierstoffsystemen entsprechende Modelle abgeleitet. Unter deren Nut- zung wurden für drei Altpapier verarbeitende Papierfabriken Simulationsmodelle erarbeitet, berechnet und mit Daten von Prozessanalysen verglichen.

Die Modelluntersuchungen zeigten, dass es in den Prozessstufen Dispergieren und Eindi- cken grundsätzlich zur Desorption organischer Verbindungen (CSB) vom Faserstoff kam.

In den Prozessstufen Lösen und Verdünnen war, abhängig von den Randbedingungen Ad- bzw. Desorption zu beobachten. Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit Pro- zessanalysen der untersuchten Werke ergab, dass die Sorptionseffekte im Gleich- gewichtszustand durch die Rückkopplung in den Kreisläufen nahezu egalisiert werden.

Daraus folgt, dass für die statische Betrachtung eine Berücksichtigung dieser Effekte nicht zwingend erforderlich ist. Mit diesen Ergebnissen konnten die simulationstechnischen Grundlagen und Kenntnisse verbessert und gesichert werden.

2 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Ausgangssituation

Für die Papierherstellung werden abhängig vom erzeugten Sortiment zwischen 250 und 1.000 l Wasser pro kg Produkt benötigt. Der größte Teil des Wassers wird in Wasserkreis- läufen mehrfach wiederverwendet, so dass der eigentliche Wasserbedarf einer Papierfab- rik deutlich niedriger liegt. Der spezifische Frischwasserbedarf wird vor allem durch die Qualität der erzeugten Produkte und die verwendeten Rohstoffe bestimmt.

(2)

In den letzten Jahrzehnten konnte der Wasserverbrauch und der Abwasseranfall dank der Verbesserung der Anlagentechnik, der Herstellungsverfahren und durch den Einsatz chemischer Hilfsmitte deutlich vermindert werden.

Eine Folge der Kreislaufeinengung ist die Anreicherung von gelösten organischen und an- organischen Stoffen im Kreislaufwasser /1, 2/. Dies führt aufgrund eines unerwünschten Mikroorganismenwachstums zu Schleimbildung, Geruchsentwicklung, Korrosion bzw. zu Ausfällungen und Verkrustungen, was die Produktivität der Anlagen und die Qualität des erzeugten Produktes beeinflusst.

Die weitere Reduzierung des Frischwasserverbrauchs und die Optimierung der Wasser- kreisläufe erfolgen sowohl aus wirtschaftlichen als auch ökologischen Gründen. Rohstoff- verluste, Energieverbrauch, Aufwendungen für Aufbereitung des Frischwassers und Be- handlung des Abwassers können reduziert werden. Mit abnehmender spezifischer Abwas- sermenge verringert sich, besonders deutlich bei Werten < 10 l/kg, auch die spezifische CSB-Fracht des Abwassers /3/. Wie Abbildung 1 zeigt, ist damit jedoch ein drastischer Anstieg der Belastung der Kreislaufwässer verbunden.

CSB im Kreislaufwasser in g/l

0 2 4 6 8 10 12

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

spezifische Abwassermenge in l/kg

Abbildung 1 Einfluss der Kreislaufeinengung auf die Belastung des Kreislauf- wassers

Durch die Kreislaufeinengung verursachte Probleme erschweren die Verringerung des Frischwassereinsatzes. Um weiteres Optimierungspotenzial zur Verbesserung der Was- sernutzung zu erschließen, sind die komplexen Zusammenhänge zwischen Rohstoff-, Produkt- und Prozesswasserqualität, Wasserverbrauch und -belastung, Anlagentechnik und -schaltung zu untersuchen, wobei der CSB als eine Kennziffer der Wasserbelastung hierbei zu berücksichtigen ist. Die Simulationstechnik stellt dabei ein geeignetes Werkzeug dar, mit dessen Hilfe diese Zusammenhänge erklärt, geeignete Veränderungsvorschlage abgeleitet und in ihren Auswirkungen überprüft werden können.

Untersuchungen zur Optimierung von Wasserkreislaufsystemen in Papierfabriken waren bisher in der Regel auf Teilaspekte, z.B. den Hilfsmitteleinsatz, ausgerichtet. Die erreich- ten Verbesserungen wurden dabei zumeist durch die Veränderung von Teilsystemen erzielt. Eine umfassende, ganzheitliche Methodik zur Systemoptimierung existiert bisher nur in Ansätzen. Im Rahmen von Forschungsvorhaben in Papierfabriken durchgeführte Unter- suchungen zur Wasserkreislaufproblematik zeigten, dass in den Produktionsanlagen ein teilweise erhebliches Potenzial zur Frischwassereinsparung und effektiven Wassernutzung

(3)

besteht. Die zur Charakterisierung der Kreislaufsysteme entwickelten Kennziffern gestat- ten dabei eine schnelle Abschätzung dieses Optimierungspotenzials /4, 5, 6, 7/.

Die Beurteilung von Maßnahmen zur Verbesserung von Wasserkreislaufsystemen erfolgt im allgemeinen über eine Abschätzung der Konsequenzen mittels mathematischer Model- le. Diese Methode hat den Vorteil, dass verschiedene Varianten der Kreislaufgestaltung mit relativ geringem Aufwand und risikoarm verglichen werden können. Weiterhin erlaubt dieses Vorgehen die Betrachtung komplizierter, verflochtener Prozesse, welche mittels konventioneller Untersuchungsmethoden im Labor nicht nachvollziehbar sind.

Schwierig ist jedoch noch die modellhafte Betrachtung der Kreislaufwasserqualität unter Nutzung des Parameters CSB. Während die Wasser- und Feststoffströme in den komplexen Produktionssystemen recht gut in Modellen beschrieben werden können, bereitet die Behandlung des Summenparameters CSB, als eine Kenngröße für die Prozesswasserbe- lastung mit störenden organischen Inhaltsstoffen große Probleme. Die bislang verwendeten Modelle beschreiben den CSB als eine gelöste Komponente des Stoffstroms, die keine Wechselwirkung mit anderen Komponenten des Stroms erfährt. Änderungen der Kon- zentration des CSB resultieren nur aus der Mischung von Strömen. Praxisuntersuchungen haben aber häufig gezeigt, dass die so bilanzierten Werte deutlich von den gemessenen Werten abweichen. Dies wird u.a. auf die Wechselwirkungen der gelösten organischen Stoffen mit dem Faserstoff zurückgeführt. Mit dem Ansteigen des Belastungsniveaus der Kreisläufe treten diese Sorptions-/Desorptionseffekte deutlicher in Erscheinung.

Um die Möglichkeiten der Prozesssimulation bei der Optimierung von Wasserkreisläufen umfassend nutzen zu können, ist neben der Wasser- und Faserstoffbilanz eine Bilanzie- rung der über den CSB erfassten Belastung der Kreisläufe mit organischen Stoffen unter Berücksichtigung dieser Wechselwirkungseffekte erforderlich. Diesbezügliche Erfahrungen fehlen derzeit, allerdings sollten die dank der schnellen Entwicklung von Hard- und Soft- ware heute zur Verfügung stehende nutzerfreundlichen Simulationswerkzeuge eine Mo- dellierung und Simulation dieser relativ komplexen Prozesse ermöglichen.

3 Zielsetzung und Lösungsweg

Ziel des Vorhabens war es, die an der Forschungsstelle in der Entwicklung befindliche Me- thodik zur Beurteilung und Optimierung von Wasserkreisläufen zu erweitern und Vorschlä- ge zur Verbesserung der Kreislaufführung zu erarbeiten. Die Arbeiten waren dabei auf die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, der Produktqualität und die Verminderung der CSB-Fracht des Produktionsabwassers gerichtet.

Durch prozess- und systemanalytische Untersuchungen für wichtige verfahrenstechnische Grundoperationen sollte eine Datenbasis für die praxisnahe Modellierung der Sorpti- on/Desorption von CSB am Faserstoff geschaffen werden. Auf dieser Grundlage waren Bi- lanzmodelle von Wasserkreisläufen zu erstellen, die die Wechselwirkungen der als CSB erfassbaren organischen Wasserinhaltsstoffe mit dem Faserstoff berücksichtigen.

(4)

4 Methodik

4.1 Vereinheitlichung der Datenbasis

Um eine einheitliche Bezugsbasis für die Modellierung zu schaffen, war eine Korrektur von an Filtraten bestimmten CSB-Konzentrationen vorzunehmen.

Betrachtet werden die Komponenten Faserstoff, Wasser und CSB eines Massestroms, der durch folgende Werte charakterisiert ist:

• CSB^F_n CSB-Konzentration des Filtrats im Strom n (Messwert)

• SDn Stoffdichte im Strom n (rel. Wert)

• V^•^S_n Volumenstrom n

• ρ^S ≈ 1 kg/l Dichte der Suspension (Näherung)

Die CSB-Messwerte, gemessen in einem Filtrat der Suspension des Stroms n, berechnen sich nach:

n CSB, n

Wasser, n CSB, F

n m m

CSB m

&

= +

Die CSB-Konzentration in der Stoffsuspension eines Stroms n berechnet sich nach:

n CSB, n

Wasser, n

Stoff,

n CSB, S

n m m m

CSB m

&

+

= +

Die gemessenen CSB^F-Konzentrationen können unter Berücksichtigung der Stoffdichte der Suspension auf den Gesamtmassenstrom wie folgt umgerechnet werden:

F n n

CSB, n

Wasser, n

Stoff,

n CSB, n

Wasser, S

n CSB ( SD )*CSB

m m

m

CSB m ∗ = −

+ +

= + 1

&

Für die Berechnung der Komponente CSB im Strom n gilt:

m^•CSB, n = CSB^S_n* V^•^S_n

Faser-

stoff Wasser CSB

Massestrom n

Filtrat zur CSB-Bestimmung

(5)

4.2 Definition der Modellfunktion ∆-CSB

Die durch die Wechselwirkung der organischen Substanz mit dem Faserstoff resultierende Änderung des CSB-Massenstroms im Gesamtstrom wird im Weiteren als ∆-CSB bezeich- net und in mg/kg Suspension angegeben.

Der ∆-CSB-Wert wird als Differenz der CSB-input- und CSB-output-Massenströme bezogen auf den Gesamtstrom ermittelt.

Nachfolgend sind Beispiele für die Berechnung des ∆-CSB-Werts für Misch- bzw. Trenn- prozesse aufgeführt. Auf die Darstellung des einfachen Falls mit jeweils einem Eingangs- bzw. Ausgangsstrom kann verzichtet werden

Mischprozesse:

Berechnung der Volumenströme 1 und 2 nach:

V^•^S₁= (SD₃ – SD₂)/(SD₁ – SD₂) _*V^•^S₃ V^•^S₂= (SD₁ – SD₃)/(SD₁ – SD₂) _*V^•^S₃ V^•^S₁+ V^•₂^S= V^•₃^S

Berechnung des ∆-CSB-Effektes nach

∆-CSB = (m^•3 – (m^• 1 + m^•2))*(V^•₃^S* ρ^S)^-1 bzw.

∆-CSB= (CSB₃^F*(1-SD3)–(CSB^F₁*(1-SD1)*(SD3–SD2)/(SD1–SD2) +CSB₂^F*(1-SD2)*(SD1–SD3)/(SD1–SD2)))*(ρ^S)^-1

Trennprozesse:

Berechnung der Volumenströme 2 und 3 nach:

V^•^S₂= (SD1 – SD3)/(SD2 – SD3) *V^•^S₁ V^•^S₃= (SD₂ – SD₁)/(SD₂ – SD₃) _*V^•^S₁ V^•^S₁= V^•₂^S+ V^•₃^S

Prozessstufe Mischen

Wasser , 2 Stoff 2, CSB

2, m m

m& + & + &

Wasser 3, Stoff 3, CSB

3, m m

m& + & + &

1, m m

m& + & + &

Strom 1

Strom 3 Strom 2

Strom 3 Prozessstufe

Trennen

2, m m

m& + & + &

3, m m

m& + & + &

1, m m

m& + & + &

Strom 1

Strom 2

(6)

Berechnung des ∆-CSB-Effektes nach

∆-CSB = ((m^•2 + m^•3) - m^•1)*(V^•^S₁* ρ^S)^-1 bzw.

∆-CSB= ((CSB₂^F*(1-SD2)*(SD1–SD3)/(SD2–SD3)

+CSB₃^F*(1-SD3)*(SD2–SD1)/(SD2–SD3))-CSB^F₁*(1-SD1))*(ρ^S)^-1

Die Berechnung der Modellfunktionen, welche die Abhängigkeit des Sorptionseffekts

∆-CSB von den jeweiligen Randbedingungen (Temperatur, Stoffdichte, CSB, etc.) beschreiben, wurde mit Hilfe des Verfahrens der schrittweisen auf- und abbauenden Regres- sion (multiple stepwise regression) durchgeführt. Dieser Algorithmus gilt als qualifizierte Standardmethode für statistisches Modellieren.

4.3 Ermittlung von Basisdaten für die zu modellierenden Prozessstufen

Für die ausgewählten Prozessstufen der Papiererzeugung wurden Untersuchungen zur Bestimmung des ∆-CSB-Wertes, die der Erfassung der CSB-Ad- und Desorptions- phänomene dienten, durchgeführt. Dazu erfolgten Probenahmen und Analysen der relevanten Stoffströme an Anlagen und Teilsystemen.

Da die direkte Ermittlung des ∆-CSB-Effekts in der Praxis im technischen Prozess Schwie- rigkeiten bereitete, weil nicht immer alle zur Bilanzierung nötigen Daten mit der erforderli- chen Präzision gemessen werden konnten, wurden für die entsprechenden Prozessstufen Untersuchungen im Labor und an in der Forschungsstelle vorhandenen Technikumsanla- gen durchgeführt. Dabei wurde mit den Prozessmedien unter weitestgehend prozessna- hen Konditionen gearbeitet.

4.4 Prozessanalyse zur Ermittlung von Betriebsdaten, Analysenmethoden

Zur Bewertung der erstellten Simulationsmodelle wurden Betriebsdaten in Papierfabriken erfasst. Dazu wurde der Anlagen-Ist-Zustand auf der Grundlage von Informationen zur in- stallierten Anlagentechnik (Fließbilder, technologische Dokumentationen) und der im Rahmen von Anlagenbegehungen gesammelten Informationen zu aktuellen Verfahrens- weisen dokumentiert. Anschließend erfolgte die Erstellung eines verfahrenstechnischen Blockschaltbilds, das Grundlage für die Erarbeitung des Probenahmeplanes und letztendlich für die Erstellung des Simulationsmodells war.

Der Probenahmeplan wurde so erstellt, dass die zu modellierenden Verfahrensschritte bzw. wichtige Funktionselemente, die Einfluss auf die CSB-Belastung des Kreislaufwas- sers haben, erfasst werden. Ermittelt wurden jeweils die Stoffdichten und CSB- Konzentrationen der Filtrate. Darüber hinaus erfolgten nach Möglichkeit Volumenstrom- messungen an relevanten Prozessströmen.

Im Rahmen der Labor- und Technikumversuche sowie der betrieblichen Untersuchungen wurden die in Tabelle 1 aufgeführten Methoden angewandt:

(7)

Tabelle 1 Parameter und analytische Methoden

Parameter Methode

CSB DIN 38 409, Teil 41 bzw.

Dr. Lange-Küvettentest (filtrierte Probe, Schwarz- bandfilter, schnellfiltrierend) Abfiltrierbare Stoffe DIN 38 409, Teil 2

Temperatur DIN 38 404, Teil 4

pH-Wert DIN 38 404, Teil 5

Leitfähigkeit DIN 38 404, Teil 8 Volumenstrom Ultraschall-Messtechnik

5 Forschungsergebnisse

5.1 Modellfunktion ∆-CSB der Prozessstufen

Zum Zweck der modellhaften Beschreibung machte sich eine weitgehende Vereinfachung der zu modellierenden Prozessschritte der Papiererzeugung erforderlich. Diese wurden zunächst ausgewählt und einer der drei in Tabelle 2 aufgelisteten Grundstrukturen zuge- ordnet.

Tabelle 2 Zuordnung der Modellstruktur zu Prozessschritten

Struktur Prozessstufe Prozessströme

Mahlen

Dispergieren Suspension / Suspension nach Mahlen Suspension / Susp. nach Dispergierung Sortieren/Cleanern

Deinking Eindicken Flotation Mikrofiltration

Suspension / Accept - Reject Suspension / Gutstoff - Schaum Suspension / Dickstoff - Filtrat Prozesswasser / Klarwasser - Flotat Prozesswasser / Klarwasser - Reject Lösen

Verdünnen Stoff - Lösewasser / Suspension

Suspension - Prozesswasser / Susp., verdünnt

Nachfolgend sind die Untersuchungsergebnisse für die einzelnen Prozessschritte zusam- menfassend aufgeführt. Als ∆-CSB-Effekt wurde die unter den jeweiligen Versuchsbedin- gungen beobachtete Zu- bzw. Abnahme des CSB-Massenstroms, bezogen auf den Ge- samtmassenstrom berechnet (siehe Abschnitt 4.2). Die ermittelten Modellfunktionen dienten im Weiteren zur Erstellung der Simulationsmodelle.

(8)

5.1.1 Prozessstufen mit vernachlässigbaren CSB-Sorptionseffekten

In den Prozessstufen Sortieren/Cleanern, Deinken, Mahlung und Kreislaufwasserreinigung (Flotation, Mikrofiltration) wurden CSB-Sorptionseffekte beobachtet, deren Absolutwerte geringer als 50 mg CSB pro kg Stoffsuspension waren. Die CSB-Konzentration in den untersuchten Medien betrug 2.000…5.000 mg/l. Damit liegen diese Effekte innerhalb des Fehlerbereichs der CSB-Bestimmung und können demnach vernachlässigt werden, so- lange in diesen Stufen keine Verdünnungsprozesse auftreten (siehe 5.1.2).

Eine Übersicht über die in den oben genannten Prozessstufen ermittelten ∆-CSB-Werte enthält Tabelle 3.

Tabelle 3 ∆-CSB-Werte in den Prozessstufen Sortieren/Cleanern, Deinken, Mahlung u. Kreislaufwasserreinigung

Prozessschritt

(Versuch-Nr.) Faserstoff / Wasser Einflussgrößen ∆-CSB in mg/kg Suspension Cleanern

(V1)

Altpapier (B12) / Frischwasser

konstant: SD1, T, CSB^F₁

variabel: Rejectrate -41…-66 Cleanern

(V2)

Altpapier (B19) / Frischwasser

konstant: SD₁, T, CSB^F₁

variabel: Rejectrate -0,1…-1,1 Deinken

(V3)

Altpapier (Zeitungen, Illustrierte) /

Prozesswasser

konstant: SD1 T,

variabel: CSB^F₁ 46 Mahlung

(M1)

Zellstoff (Sa-ungebleicht) /

Frischwasser

konstant: SD₁, T, CSB^F₁

variabel: Energie 10…40 Kreislaufwasser-

reinigung /Flotation/

(F1)

Altpapier (gemischt) / Prozesswasser

konstant: SD1 , T

variabel: CSB^F₁ -15 Kreislaufwasser-

reinigung /Mikrofiltration/

(MF1)

Altpapier (B12, B19) / Frischwasser

konstant: SD1, T, CSB^F₁ , Rejectrate, Filtrations-

Porengröße variabel: Additivzusatz

-11 ... -13

Kreislaufwasser- reinigung /Mikrofiltration/

(MF2)

Altpapier (B12+B19) / Prozesswasser

konstant: SD1, T, CSB^F₁ , Rejectrate, Filtrations-

Porengröße variabel: Additivzusatz

-17 ... -20

5.1.2 Prozessstufen mit deutlichen CSB-Sorptionseffekten

Deutliche ∆-CSB-Effekte waren in den Prozessstufen Dispergieren, Lösen, Eindicken und Verdünnen zu registrieren. Eine Übersicht über die in den oben genannten Prozessstufen ermittelten ∆-CSB-Werte enthält Tabelle 4.

(9)

Tabelle 4 ∆-CSB-Effekte in den Prozessstufen Dispergieren, Lösen, Eindicken und Verdünnen

Prozessschritt

(Versuch-Nr.) Faserstoff / Wasser Einflussgrößen ∆-CSB in mg/kg Suspension Dispergieren

(D1)

konstant. CSB^F₁ , Zeit t

variabel: SD1, T 0…5500 Lösen

(L1)

konstant: SD3, Lösezeit t

variabel : T, CSB^F₂ 10…800

Lösen (L2)

Altpapier (Wellpappenabfälle,

Verpackungen, Zeitungen-Illustrierte) /

Frischwasser

konstant: SD3, T, CSB^F₂ variabel : Lösezeit t

1087 832 594

Lösen (L3)

konstant: SD3, T, CSB^F₂

variabel : – 450

Lösen (L4)

konstant: SD3, T, CSB^F₂

variabel : – 460

Eindicken /Filtration/

/Pressen/

(E1)

konstant: SD1 variabel : CSB^F₁ , SD3

Filtration:

230…450 Pressen:

900…1270 Verdünnen

(V1) Testliner / Prozesswasser

konstant: SD1, Zeit t variabel: SD3, T, CSB^F₁ ,

CSB^F₂

-1300…780

Verdünnen (V2)

konstant: SD₁, SD₃ , Zeit t, CSB^F₁

variabel: --

190…320

Verdünnen (V3)

Altpapier (gemischt) / Frischwasser

konstant: SD1, T, Zeit t, CSB^F₁

variabel: SD₃

30…145

Diese Sorptionseffekte sind nachfolgend im Einzelnen beschrieben.

Die Prozessstufe Dispergieren verfügt nur über jeweils einen Strom im Eingang und Aus- gang, wie folgendes Schema zeigt:

Der ∆-CSB berechnet sich nach:

Wasser 2, Stoff 2, CSB 2,

CSB , CSB ,

m m

m

m CSB m

&

+ +

= −

−

∆ ² ¹

Der Prozess der Dispergierung läuft im Bereich höherer Stoffdichten ab, wobei keine Än- derung der Stoffdichte auftritt. Es wird lediglich durch die thermische und mechanische Beanspruchung des Faserstoffs „CSB“ von der Oberfläche der Fasern desorbiert bzw. aus

2, m m

m& + & + &

Dispergieren

1, m m

m& + & + &

Suspension Suspension

nach Dispergierung

(10)

dem Inneren der Faser freigesetzt. Die in Laborversuchen gefundenen sehr hohen Effekte (vor allem im Bereich hoher Stoffdichten) konnten allerdings in der Praxis nicht in gleichem Maße wiedergefunden werden. Offensichtlich sind die aus den hochkonsistenten Stoffpro- ben für die Analyse mit sehr hohem Druck abgepressten Filtrate nicht repräsentativ für das Stoffwasser im Gleichgewichtszustand.

Die ermittelten ∆-CSB-Einzelwerte der Versuchsreihe D1 sind in Tabelle 5 zusammenge- stellt.

Tabelle 5 ∆^-CSB-Werte, Dispergieren

∆^-CSB in mg/kg Suspension SD₁

T 10,0% 18,8% 29,8%

30°C -9 840 3068

60°C 383 1726 4303

75°C 779 2671 5251

90°C 945 2757 5514

Sowohl die Stoffdichte bei der Dispergierung als auch die Dispergiertemperatur haben einen deutlichen Einfluss auf die CSB-Freisetzung. Steigende Stoffdichten tragen dabei e- benso wie steigende Temperaturen zur Erhöhung des ∆-CSB-Werts bei.

Die Ermittlung des ∆^-CSB-Wertes für die Prozessstufe Lösen wurde wie folgt vorgenom- men:

Der ∆^-CSB berechnet sich nach:

CSB , CSB ,

m m

m

m CSB m

&

+ +

= −

−

∆ ³ ²

Bei dieser Berechnung bleibt der Massestrom m^•1,CSB unberücksichtigt. Es wird vereinfa- chend davon ausgegangen, dass im Rohstoff CSB nur in der an den Faserstoff gebunde- nen Form vorliegt. Ebenfalls vernachlässigt wird m^•2,Stoff , wenn die Stoffdichte des Pro- zesswassers < 0,5% ist.

Tabelle 6 enthält die ermittelten Ergebnisse der Versuchsreihe L1, in der die CSB- Belastung des Lösewassers und die Lösetemperatur variiert wurden.

Lösen

2, m m

m& + & + &

3, m m

m& + & + &

1, m m

m& + & + &

Stoff Prozesswasser

Suspension

(11)

Tabelle 6 ∆^-CSB-Werte - Lösen

∆^-CSB in mg/kg Suspension

CSB^F₂ 20°C 32°C 50 °C

1990 mg/l 490 655 776

3970 mg/l 112 276 466

5960 mg/l 73 Fehler 10

Die im Prozessschritt Lösen erfolgende Desorption organischer Stoffe wird von der CSB- Konzentration des Lösewassers und der Temperatur beeinflusst. Höhere Temperaturen bewirken steigende CSB-Freisetzungen, eine Erhöhung der CSB-Konzentration im Löse- wasser führt zur Verminderung der Desorption. Bei Konzentrationen um 6.000 mg/l war keine Desorption mehr gegeben. Daraus folgt, dass bei der Stoffauflösung mit stark be- lastetem Lösewasser kaum organische Stoffe vom Faserstoff abgelöst, sondern mit dem Faserstoff in die nachfolgenden Prozessstufen transportiert werden. Umgekehrt ist auch eine Adsorption von organischen Verbindungen an einem weniger belasteten Rohstoff in eng geschlossenen Kreislaufsystemen mit hoher Prozesswasserbelastung möglich.

Zur Erfassung des ∆^-CSB-Effekts für die verschiedenen technischen Varianten von Ein- dickprozessen (Eindicker, Filter, Presse) wurde folgendes stark vereinfachte Schema an- gewandt. Dieses Vorgehen war notwendig, um den Aufwand zur Bestimmung der erforder- lichen Daten überschaubar zu halten. Die in der Praxis anzutreffenden komplizierteren Systeme können durch eine Verknüpfung von mehreren derartigen Elementen erstellt werden.

( )

CSB , CSB , CSB ,

m m

m

m m

CSB m

&

+ +

−

= +

−

∆ ² ³ ¹

Als weitere Vereinfachung wurde davon ausgegangen, dass die CSB-Konzentration in der flüssigen Phase beider ausgehender Teilströme gleich ist (CSB^F₂ = CSB^F₃ ). Vorversuche hat- ten gezeigt, dass eine Bestimmung der CSB-Konzentration im Dickstoff (CSB^F₃ ), vor allem bei höheren Stoffdichten nicht exakt möglich ist, da bei der Filtratgewinnung durch das Auspressen des Dickstoffes ein zusätzlicher Effekt der CSB-Zunahme beobachtet wurde.

In den durchgeführten Versuchen (Serie E1) wurden sowohl die Vakuumfiltration (Eindi- ckung auf 15%) als auch die Druckfiltration (Eindicken auf ca. 30%) eingesetzt. In Tabelle 7 sind die berechneten ∆-CSB-Effekte aufgeführt.

Eindicken

2, m m

m& + & + &

3, m m

m& + & + &

1, m m

m& + & + &

Suspension

Filtrat Dickstoff

(12)

Tabelle 7 ∆^-CSB-Werte, Eindicken

∆-CSB in mg/kg Suspension SD₃

CSB^F₁ 15% ca. 30%

4400 mg/l 382 1057

3960 mg/l 459 898

3300 mg/l 383 1269

2200 mg/l 233 1264

Der Eindickschritt ist grundsätzlich mit einem positiven ∆-CSB-Effekt verbunden. Mit höhe- ren Endstoffdichten ergeben sich auch größere CSB-Desorptionseffekte. Der ∆-CSB- Effekt bei Eindickung auf bis zu 10 % Stoffdichte ist vernachlässigbar, was sich mit Pra- xiserfahrungen deckt.

Verdünnungsschritte finden sich im technologischen Ablauf der Papiererzeugung an vie- len Stellen. So setzen bestimmte Prozessstufen (wie z.B. Cleanern. Sortieren, Deinken) eine entsprechende Verdünnung der Faserstoffsuspension voraus. Die Verdünnung erfolgt stufenweise; in der Regel wird mit dem mehr oder weniger stark belasteten Prozess- wasser verdünnt. Die vorliegenden Erfahrungen zeigen, dass abhängig von den Randbe- dingungen - CSB des Stoffwassers (CSB^F₁ ); CSB des Prozesswassers (CSB^F₂ ); Stoffdichte (SD3) und Temperatur - sowohl Ad- als auch Desorptionsprozesse ablaufen. Der ∆-CSB wurde in Abhängigkeit dieser Einflussgrößen systematisch unter Zuhilfenahme eines statistischen Versuchsplanes entsprechend dem folgenden Schema untersucht:

CSB , CSB , CSB ,

m m

m

) m m

( CSB m

&

+ +

+

= −

−

∆ ³ ¹ ²

Eine Übersicht über die berechneten ∆-CSB-Effekte der Versuchsserie V1 ist in Tabelle 8 dargestellt.

Die Auswahl der Versuchspunkte erfolgte mittels des statistischen Versuchsplanes. Um einen möglichst weiten Bereich der Einflussgrößen abzudecken, wurde mit drei verschiedenen Prozesswasserkonzentrationen, eingestellt durch Verdünnung mit Frischwasser, gearbeitet. Um den Einfluss der Konzentration des Stoffwassers (CSB^F₁ ) untersuchen zu können, wurden sowohl ungewaschener als auch gewaschener Altpapierstoff verwendet.

Die eingemessenen Versuchsmedien (Prozesswasser, Stoffsuspension) wurden tempe- riert und unter mäßigem Rühren vermischt. Die Entnahme der Proben zur CSB- Bestimmung erfolgte nach 10 min, so dass von einer Gleichgewichtseinstellung ausgegangen werden konnte.

Verdünnen

2, m m

m& + & + &

3, m m

m& + & + &

1, m m

m& + & + &

Suspension

Suspension, verd.

Prozesswasser

(13)

Tabelle 8 ∆^-CSB-Werte, Verdünnen

Aus den ermittelten ∆-CSB-Werten wurde mit Hilfe der statistischen Regressionsrechnung ein entsprechendes Modell erstellt. Dieses berücksichtigt als wesentliche Einflussgrößen den Prozesswasser-CSB, den Stoffwasser-CSB, die Temperatur und die Stoffdichte nach der Verdünnung.

Abhängig von den Einflussgrößen treten sowohl hohe positive (hoher Stoffwasser-CSB;

niedriger Prozesswasser-CSB) als auch hohe negative ∆-CSB-Effekte (niedriger Stoffwas- ser-CSB; hoher Prozesswasser-CSB) auf. Die größten Effekte sind bei Verdünnung auf die niedrigste Stoffdichte (1%) zu erkennen. Der Temperatureffekt im untersuchten Be- reich 25…50°C war wenig ausgeprägt.

Aus diesem Verhalten folgt, dass Verdünnungsschritte im Kreislaufwassersystem eine wichtige Funktion bei der Einstellung der Gleichgewichte im System übernehmen. In einem einfachen Kreislauf stellt sich bei gegebenem CSB des Stoffwassers (Stoffdichte und Temperatur const.) eine CSB-Konzentration im Prozesswasser ein, die durch die Schnitt- stelle der Modellfunktion bei ∆-CSB = 0 bestimmt ist. Die hier dargestellten Untersuchun- gen wurden unter Bedingungen durchgeführt, die eine weitestgehende Einstellung des Sorptionsgleichgewichts erlaubten. Inwieweit in realen Prozessen derartige Gleichgewich- te vorliegen, ist nicht bekannt.

∆^-CSB in mg/kg Suspension

CSB^F₂ SD₃

CSB^F₁ T 1,0 % 3,0 % 5,1 %

1050 mg/l 135 - 494

2580 mg/l - - 262

3990 mg/l 25 °C

-150 - 57

1050 mg/l - 269 -

2580 mg/l -54 -33 -

3990 mg/l 35 °C

-1299 -958 -

1050 mg/l 175 - 237

2580 mg/l - -91 -

1420 mg/l

3990 mg/l 50 °C

- -299 -242

1,0 % 2,8 % 4,8 %

1160 mg/l 240 - 371

2640 mg/l - - 464

3860 mg/l 25 °C

781 - -169

1160 mg/l - 300 -

2640 mg/l -47 -36 -

3860 mg/l 35 °C

-254 -239 -

1160 mg/l 240 - 147

2640 mg/l - 114 -

5350 mg/l

3860 mg/l 50 °C

- -79 -674

(14)

5.2 Modellierung von Wasserkreisläufen unter Berücksichtigung von CSB- Sorptionseffekten

5.2.1 Aufbau der Modellblöcke

Grundlage der Modellierung bildet die Bilanzierung der Stoffströme im Prozess der Pa- piererzeugung. Dazu wird ein Tool zur Simulation von Prozessen der Papiererzeugung (I- DEAS, Amec Technologies) genutzt. Dieses System ist sowohl zur Simulation statischer als auch dynamischer Prozesse geeignet. Die Vorteile der statischen Modellierung beste- hen darin, dass der Datenanfall überschaubar bleibt, da sich die berechneten Daten auf Gleichgewichtszustände beziehen. Zeitabhängige Prozesse (Umstellungsvorgänge, Über- gangszustände, Einflüsse temporärer Störungen) können allerdings nicht dargestellt werden. Hinsichtlich der grundsätzlichen Aussagen zur Optimierung der Kreislaufstruktur sind diese Informationen jedoch von zumeist untergeordneter Bedeutung. Im vorliegenden Pro- jekt wurden deshalb ausschließlich statische Betrachtungen ausgeführt.

Um die Belastung des Kreislaufwassers mit gelösten organischen Stoffen zu beschreiben wurden die Stoffströme Fasern, Wasser bzw. gelöste Stoffe in den Modellen definiert. Zur Bilanzierung der Stoffstromkomponenten können die vorhandenen Systemelemente der Simulationssoftware genutzt werden. Die Elemente sind so beschaffen, dass mit ihnen die in den einzelnen Prozessstufen ablaufenden Vorgänge modelliert werden können. Das System unterscheidet Komponenten u. a. nach ihrem Phasenzustand. Diese Beschrei- bung ermöglicht die Definition unterschiedlicher Trennraten für feste und gelöste Stoffe.

Die Bilanzbedingungen im System (input=output) werden somit sowohl für den Gesamt- strom als auch für die einzelnen Teilströme eingehalten. Die beabsichtigte modellhafte Er- fassung von Ad- und Desorptionseffekten bereitet insofern simulationstechnisch Schwie- rigkeiten, da die adsorbierte Komponente des CSB der festen Phase, der gelöste CSB dagegen der flüssigen Phase zuzuordnen ist und diese Komponenten ineinander umzuwandeln sind.

Es sind demzufolge, wie in Abbildung 2 dargestellt, neben den Komponenten Wasser und Stoff zwei CSB-Komponenten, einerseits „gelöster CSB“ (in flüssiger Phase), andererseits

„ungelöster CSB“ (in fester Phase) zu definieren.

Abbildung 2 Schema der Massestromkomponenten

Die im Abschnitt 5.1 bestimmten ∆-CSB-Werte beschreiben die Änderung des Anteils der Komponente „gelöster CSB“ am Gesamtmassestroms.

Ist in einer Prozessstufe eine Änderung des Komponentenstroms „gelöster CSB“ zu be- rücksichtigen, wird für diese Komponente die Bilanzbedingung im Bilanzraum verletzt. Um die Bilanzbedingungen im System für den Gesamtmassestrom aufrecht zu erhalten, muss die Zunahme einer Komponente immer durch eine entsprechende Abnahme der anderen Komponente („ungelöster CSB“) kompensiert werden.

Stoff Wasser

CSB

gelöst CSB ungelöst C

S

Gesamtmassestrom

(15)

Mit Hilfe dieses simulationstechnischen Ansatzes wurden zunächst Teilmodelle für die ausgewählten Grundoperationen der Papiererzeugung erstellt, in denen Ad- bzw. Desorp- tionsprozesse berücksichtigt werden sollen. Die im Abschnitt 5.1 ermittelten Modellfunkti- onen werden zur Berechnung der CSB-Massenstromänderung in diesen Modellblöcken benutzt. Die variablen Einflussgrößen der Modellfunktion (z.B. CSB-Konzentrationen, Stoffdichten) werden, wenn im Simulationsmodell berechnet, aus diesem abgegriffen. Ein- zustellende Sollwerte (z.B. Temperatur, Stoffdichtevorgaben) sind extern vorzugegeben.

Ein Beispiel für einen derartigen Modellblock zeigt Abbildung 3. Die Änderung des CSB- Wertes wird im Gesamtstrom durch das Element UDF („User Defined Function“) vorge- nommen, in dem die jeweilige Modellfunktion hinterlegt ist. Der eigentliche technologische Prozessschritt (hier Verdünnung) wird durch das Prozesselement Mischer berechnet.

Abbildung 3 Beispiel Modellblock Verdünnen

In diesem Beispiel werden die CSB-Konzentrationen der eintretenden Stoffströme (CSB^F₁

und CSB^F₂) und die entsprechenden Stoffdichten SD1 und SD2 aus den Eingangsströmen abgegriffen. Die Stoffdichte nach Verdünnung SD3 sowie die Temperatur als weitere Ein- flussgrößen des Modells können manuell eingestellt werden. Die durch die Modellfunktion berechnete Änderung des „gelösten CSB“ und das Äquivalent „ungelöster CSB“ wird auf den verdünnten Stoffstrom übertragen.

Für die Prozessschritte Lösen, Verdünnen, Eindicken und Dispergieren wurden entsprechende Modellblöcke erarbeitet. Für die Prozessstufen Sortieren/Cleanern, Deinken, Mah- len u. Kreislaufwasserreinigung (Flotation, Mikrofiltration) wurde auf eine Modellierung von Ad- und Desoprtionsprozessen zunächst verzichtet, da die nachgewiesenen Effekte im Vergleich zu den o.g. Stufen vergleichsweise gering waren.

5.2.2 Aufbau von Prozessmodellen

Unter Verwendung der erstellten Modellblöcke zur Modellierung der CSB-Ad- u. Desorpti- onsprozesse und der verfügbaren Standardelemente der Simulationssoftware wurden, ausgehend von Vor-Ort durchgeführten Prozessanalysen, entsprechende Modelle erstellt.

Das prinzipielle Vorgehen zur Erstellung von Simulationsmodellen unter Nutzung der oben dargestellten Modellblöcke soll nachfolgend anhand einer beispielhaft untersuchten Pa- pierfabrik beschrieben werden.

Tabelle 8 enthält wichtige Kennziffern zu Produktion, Frischwassereinsatz und Abwasser- anfall.

(16)

Tabelle 8 Produktionsspezifische Angaben

Werk C

Produkt Kopierpapier Flächengewicht

in g/m² 60 ... 80

Rohstoff 100 % Altpapier

Bruttoproduktion in t/d 60 ... 110 Nettoproduktion

in t/d 40 ... 100

spezif. Frischwassereinsatz in

m³/t ca. 12

spezif. Abwassermenge

in m³/t ca. 11

spezif. CSB-Abwasserfracht

in kg/t ca. 16

In Tabelle 9 sind Angaben zur Anlagentechnik im Bereich Stoffaufbereitung, Papierma- schine, Kreislaufwasser- und Abwasserreinigung der betrachteten Papierfabrik aufgeführt.

Tabelle 9 Beschreibung der Anlagentechnik

Werk Stoffaufbereitung Papiermaschine Kreislauf- wasser- reinigung

Abwasser- reinigung Konstantteil Siebpartie

C Pulper u. Grobsortierung, Deinkingflotation, Clea- ner, Eindickung (Filter, Presse), Dispergierung, Bleiche

Feinsortierung, 3-stufige- Cleanerung

Langsieb,

Former Flotation Flotation

(Indirekteinl.)

Die Modellierung des Gesamtsystems erfolgte sehr detailliert, d.h. bis auf die Ebene der Einzelaggregate. Das entsprechende Blockschaltbild zeigt Abbildung 4.

(17)

Abbildung 4 Systemstruktur Werk C

5.2.3 Darstellung der Simulationsergebnisse

Für die untersuchte großtechnische Produktionsanlage wurde die Modellgüte der Simula- tionsrechnungen für den Parameter CSB anhand von in Prozessanalysen ermittelten Be- triebsdaten bewertet. Dabei wurde die Simulation sowohl unter Einbeziehung der Modelle für die CSB-Ad-/Desorption als auch zu Vergleichszwecken ohne diese Funktionalität aus- geführt. Zum Vergleich von Daten der Prozessanalyse und der Prozesssimulation wurde wie folgt verfahren:

Als Randbedingungen der Prozesssimulation wurden Produktion, spezifischer Frischwas- sereinsatz, spezifischer Abwasseranfall und spezifische CSB-Abwasserfracht (Szenario 1) wie in Tabelle 8 aufgeführt, gewählt.

Die im folgenden angegebenen Daten beziehen sich grundsätzlich auf den Output- Prozesshauptstrom. Die Simulationsergebnisse sind im Interesse der Vergleichbarkeit mit den Prozessdaten als „Filtrat-Konzentrationen“ (CSB^F_n ) angegeben.

Verdünnen-2 Stoffdichte-

regelung Konstantteil

PM Verdünnen-1

Stoffdichte- einstellung vor PM

Kreisl.-w.-rein.

Flotation Lösen

Pulper, Grobstoff- sortierung

Sort./Cleaner1 2-stufige Drucksortierg.

3-stufige Clea- neranlage

Cleanern2 Gyroclean

Eindicken-1 Scheibenfilter

Deinking Primärstufe

(5 Zellen) Sekundärstufe

(1 Zelle)

Prozess- wasser Rohstoff

Pulper- wasser

Abwasser

Sort./Cleaner3 Sortierung

Cleaner Stoffauflauf

PM Siebpartie, Trockenpartie

Produkt Frischwasser

ZP

Eindicken-2 Doppelsieb-

presse

Dispergieren Dispergieren,

Bleichen

ZP1

(18)

Die Prozesssimulation wurde nach zwei verschiedenen Szenarien durchgeführt:

•^Szenario¹ Prozesssimulation ohne Berücksichtigung von CSB-Sorptionseffekten

•Szenario 2 Prozesssimulation mit Berücksichtigung von CSB-Sorptionseffekten Die Profile für die Prozessdaten und Simulationswerte sind in Abbildung 5 dargestellt. Die Struktur des Wassersystems für Werk C ist durch die Kreislauftrennung von Stoffauf- bereitung und Papiermaschine gekennzeichnet. Szenario 1 zeigt in der Stoffaufbereitung Simulationsergebnisse, die sehr gut mit den Daten der Prozessanalyse übereinstimmen.

Im Bereich der Papiermaschine wurden im Vergleich zu den Betriebsdaten etwas geringe- re CSB-Konzentrationen ermittelt. Die unter Berücksichtigung von CSB-Sorptionseffekten (Szenario 2) erhaltenen CSB-Konzentrationen liegen dagegen deutlich höher. Abweichend von den Prozessdaten, steigen innerhalb der Stoffaufbereitung die CSB-Konzentrationen deutlich an, was letztendlich auch zu den hohen CSB-Konzentrationen im Bereich der Pa- piermaschine führt. Dafür sind die in Abschnitt 5.1.2 ermittelten und in die Simulations- rechnungen einfließenden hohen positiven ∆-CSB-Effekte (Desorption) in den Prozessstu- fen Eindicken und Dispergieren verantwortlich. Es ist davon auszugehen, dass die für diese Prozessstufen in den vereinfachten Modelluntersuchungen ermittelten Modellfunktio- nen nicht ausreichend genau die durch zahlreiche Rückkopplungen geprägten, komplexen Verhältnisse des betrachteten Wasserkreislaufsystems im stationären Zustand wiederge- ben. Eine weitere Verbesserung der Modellgüte, speziell in Prozessstufen mit deutlichen Sorptionseffekten, ist deshalb erforderlich.

Abbildung 5 Vergleich von Prozessdaten mit Simulationsszenarien, Werk C

0 2000 4000 6000 8000

Sort./Cl eaner-

1

Deinking Cleaner-

2

Eindicken-1

Eindicken-2 Dispergi

eren

Sort./Cl eaner-3

Krei sl.-w.-rein.

CSB in mg/l

Prozessdaten Szenario 1 Szenario 2

(19)

6 Diskussion - Anwendung und wirtschaftliche Bedeutung der Forschungs- ergebnisse

6.1 Diskussion

Durch Modellierung und Simulationsrechnungen können mit einem vergleichsweise gerin- gen Aufwand die Einflüsse verschiedener Kreislaufstrukturen und interessierender Pro- zessgrößen auf die resultierende (z.B. CSB-) Belastung der Kreislauf- und Abwässer systematisch untersucht und das grundsätzliche Verhalten der durch Verknüpfung und Rück- kopplung gekennzeichneten komplexen Wasserkreislaufsysteme frei von Störungen dargestellt werden. Die Ermittlung derartiger Zusammenhänge ist durch Prozessanalysen an technischen Anlagen nur mit unverhältnismäßigem Aufwand und nie frei von Überlagerun- gen durch unkontrollierbare Einflüsse möglich.

In den bisher verwendeten Modellansätzen wurde der Parameter CSB generell als eine Größe betrachtet, die keinerlei Wechselwirkungen mit anderen Komponenten zeigt und sich wie in Wasser gelöst verhält. Inwieweit die bekannten Sorptionseffekte von organischen Verbindungen am Faserstoff die Verhältnisse in realen Wasserkreislaufsystemen beeinflussen, war unbekannt.

Im Rahmen des Projekts wurde ein erster Versuch unternommen, diese Sorptionsphäno- mene in Teilmodellen zu beschreiben und ihr Wirken in Modellen von komplexen Wasser- kreislaufsystemen zu erproben. Im Unterschied zur bisherigen Modellierungsstrategie, die einen definierten CSB-Systeminput mit dem Rohstoff vorsah, geht die Modellierung unter Berücksichtigung von CSB-Sorptionseffekten davon aus, dass der CSB-Input (-Output) in den Prozessstufen erfolgt, für die entsprechende Modelle erstellt wurden. Dabei wird über die in Modelluntersuchungen ermittelten Modellfunktionen unter Berücksichtigung von Systemparametern und ggf. weiterer Einflussgrößen der CSB-Input (-Output) berechnet.

Die beim Vergleich von Simulations- und Prozessdaten realer Wasserkreislaufsysteme erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass diese Vorgehensweise grundsätzlich geeignet ist und die erstellten Modelle in der Lage sind, die komplexen Zusammenhänge in der Tendenz real abzubilden. Dabei werden jedoch hohe Anforderungen an die Modellgüte, d.h. vor allem an die in Prozessstufen mit CSB-Sorption ermittelten Modellfunktionen, gestellt.

Die Simulationsergebnisse lassen erkennen, dass sowohl der bisher praktizierte Modellie- rungsansatz ohne Berücksichtigung der CSB-Sorption als auch die im Projekt vorgestellte Modellierung unter Einbeziehung von CSB-Ad- bzw. Desorptionseffekten zu sehr ähnli- chen Resultaten führt. Die Ursache dafür ist darin zu sehen, dass die in Einzeluntersu- chungen durchaus nachweisbaren deutlichen Sorptionseffekte im Gleichgewichtszustand durch eine Vielzahl von Rückkopplungen in den komplexen, realen Wasserkreislaufsyste- men nahezu egalisiert werden. Dementsprechend ist zur statischen CSB- Prozesssimulation der bisher praktizierte Modellierungsansatz nach wie vor gültig und zweckmäßig. Für den Fall der Simulation dynamischer Prozesse sind allerdings deutliche Unterschiede zu erwarten, da neben dem Verweilzeitverhalten auch die CSB- Sorptionseffekte die Übergangszustände wesentlich beeinflussen.

Abschließend ist anzumerken, dass es zum Erreichen präziser Modellergebnisse uner- lässlich ist, Anpassungen bzw. Kalibrierungen der Teilmodelle an die praxisrelevanten Systeme vorzunehmen, was jedoch sehr aufwändige Arbeiten nach sich zieht.

(20)

6.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen, Umsetzung der Forschungsergebnisse Die wirtschaftliche Bedeutung der Ergebnisse des Projekts ist im Zusammenhang mit der in der PTS betriebenen Simulationstechnik, die ein Schwerpunkt innerhalb des Komplexes zur Optimierung von Prozess- und Umwelttechnik darstellt, zu sehen. Konkret dienen diese Arbeiten der Optimierung der Wasserkreisläufe mit dem Ziel der Reduzierung der spezifischen Abwassermenge und einer Verbesserung der Produktqualität durch gezielte Maßnahmen zur Entlastung des Papiermaschinenkreislaufs. Wirtschaftlich positive Effekte entstehen weiterhin durch verminderten Hilfsmitteleinsatz, Verringerung von Produktions- störungen und erhöhte Produktivität.

Die Einsparungs- und Optimierungspotenziale sind stark vom Optimierungszustand und den Randbedingungen einer Papierfabrik abhängig. Rechnet man mit einem durchschnitt- lichen Potenzial von 0,5...1,5%, ergibt sich eine Gewinnsteigerung von 5...15 €/t Papier auf der Basis eines Papierpreises von ca. 750 €/t . Bezogen auf eine Jahresproduktion von 150.000 t, was der Produktion eines kleinen bzw. mittelständischen Unternehmens entspricht, ergibt sich damit ein jährlicher Mehrerlös von 0,8...2,3 Mio €.

Die Verbesserung der vorhandenen Methodik zur Optimierung von Wasserkreislauf- systemen ist besonders für Altpapier verarbeitende Fabriken, die zumeist kleine und mitt- lere Unternehmen sind, von wirtschaftlichem Interesse. Aufgrund der hohen Altpapier- einsatzquote in Deutschland sind die Ergebnisse des Forschungsvorhabens für viele Un- ternehmen von Bedeutung.

Mit der Einengung der Wasserkreisläufe und Reduzierung der spezifischen Abwasser- menge auf durchschnittlich unter 15 l/kg sind Produktionsprobleme wie u. a. eine steigende Störstoffbelastung, verringerte Anlagenproduktivität durch Abrisse, verminderte Wirk- samkeit von Hilfsmitteln, beeinträchtigte Produktqualität und mikrobiologisch verursachte Störungen (Schleimbildung, Geruchsentwicklung) verbunden.

Die PTS ist in einer Vielzahl von Beratungsaufträgen für die Papier erzeugende Industrie mit der Bearbeitung derartiger Problemstellungen befasst. Die Simulationstechnik stellt ein effektives Hilfsmittel zur Bewertung von Prozessoptimierungen dar. Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse dienen direkt der Weiterentwicklung dieses wichtigen Werk- zeugs und der Verbesserung des Kenntnisstandes auf diesem Gebiet.

7 Schlussfolgerungen und Empfehlungen

Die Prozesssimulation ist ein wichtiges Werkzeug zur Optimierung von Wasserkreisläufen in Papierfabriken. Bisher wurde die Simulation der Belastung von Wasserkreisläufen mit

„partikulär“, kolloidal und echt gelösten organischen Stoffen mit Hilfe des Parameters CSB, unter Vernachlässigung der bekannten und z.T. sehr deutlich ausgeprägten Wechselwir- kungen mit den Faserstoffen praktiziert.

Die zwischen Simulations- bzw. Prozessdaten festgestellten Abweichungen konnten entweder als Fehler der Prozessanalyse oder als Folge der nicht berücksichtigten Wechsel- wirkungen interpretiert werden. Deshalb war zu klären, welche Faktoren das Verhalten von Wasserkreislaufsystemen bestimmen. Sind es entweder die Rückkopplungen der Kreisläu- fe oder die CSB-Wechselwirkungseffekte in den einzelnen Prozessstufen, bzw. wie beeinflussen sich die Systemkomponenten gegenseitig? Die Beantwortung dieser Frage ist we- gen der Komplexität der untersuchten Systeme und Prozesse ohne eine detaillierte Prob- lemanalyse des Problems nicht trivial.

Im Ergebnis der Untersuchungen war festzustellen, dass im stationären Zustand die Rückkopplungen das Prozessverhalten dominieren und Wechselwirkungseffekte von untergeordneter Bedeutung sind. Daraus folgt, dass die bisher angewandte Simulationsme- thodik nunmehr für statische Prozesse als gesichert angesehen und, wie bisher praktiziert,

(21)

angewendet werden kann. Wenn es notwendig ist, die Wechselwirkungsprozesse simulationstechnisch zu erfassen und zu beschreiben, wird es erforderlich, die entsprechenden Basisdaten für die Modellbildung durch Versuche mit Prozessmedien in der Umgebung des Arbeitspunktes zu bestimmen.

Nur einige wenige Prozessschritte tragen zu einer Veränderung der Prozesswasserbelas- tung durch Sorptionsprozesse bei. Die Stufen Eindicken und Dispergieren führen grund- sätzlich zu einer Erhöhung der Prozesswasserbelastung und stellen demzufolge CSB- Quellen im Prozess dar. Die Prozessstufen Lösen und Verdünnen können sowohl als Quelle als auch als Senke für den CSB fungieren. Diese Stufen stellen damit die Schlüs- selprozesse dar, durch die die CSB-Belastung des Prozesswassers bei der Änderung von Kreislaufstrukturen gezielt beeinflusst werden kann.

Danksagung

Dieses AiF-Vorhaben 12111 B ist aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie gefördert worden. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.

Weitere Informationen unter: r.spoerl@ptspaper.de Autoren:

Dr. R. Spörl PTS Heidenau Pirnaer Str. 37 01809 Heidenau

Dipl.-Chem. A. Wagenknecht PTS Heidenau

Pirnaer Str. 37 01809 Heidenau

Literaturverzeichnis

1 BAUMGARTEN H.L. u. U. WELCKER

Zur Technologie des Wassergebrauchs in Papierfabriken Das Papier 40, 181 - 192 (1986), Nr. 10A

2 BAUMGARTEN H.L.

Zum Einengen und Schließen von Wasserkreisläufen in Papierfabriken Wochenblatt für Papierfabriken 112, 49 - 58 (1984), Nr.2

3 MÖBIUS C.H. u. M. CORDES-TOLLE

Abwasser und Reststoffe aus dem Einsatz von Altpapier bei der Herstellung von Wellpappen- rohpapieren und Karton

Zellstoff u. Papier 41, S.201 - 211 (1992), Nr.4

(22)

4 KAPPEN J.

Bestandsaufnahme und Verbesserung von Wasserkreisläufen mit integrierter Altpapierstoffer- zeugung

München: Papiertechnische Stiftung (PTS) 1996, 149 S.

PTS-Forschungsbericht PTS-FB 03/96 5 SPÖRL R.

Optimierung der Wasserkreisläufe und Maßnahmen zur Verringerung des Frischwasserein- satzes bei der Herstellung von Verpackungspapieren

München: Papiertechnische Stiftung (PTS) 1996, 60 S.

PTS-Forschungsbericht PTS-FB 22/96 6 SPÖRL R. und A. WAGENKNECHT

Reduzierung des spezifischen Frischwasserverbrauchs durch Optimierung der Wasserkreis- läufe in altpapierverarbeitenden Druck-, Büro- und Administrationspapier-

Produktionsbetrieben

München: Papiertechnische Stiftung (PTS) 1997 PTS-Forschungsbericht PTS-FB 15/97

7 KAPPEN J. , DIETZ W.

Reduzierung der spezifischen Abwassermenge durch Optimierung der Wasserkreisläufe in Papierfabriken mit integrierter Holzstofferzeugung

PTS-Forschungsbericht PTS-FB 07/99

München: Papiertechnische Stiftung (PTS) 1999