Kraftzellstoffherstellung in der Papierindustrie

Der Kraftzellstoffprozess ist das weltweit dominierende Verfahren zur Herstellung von chemischem Holzzellstoff. Dabei wird das Lignin aus den Holzfasern mithilfe einer stark alkalischen Kochlauge entfernt. Für den Aufschluss wird Weißlauge eingesetzt, die im Wesentlichen aus Natriumhydroxid und Natriumsulfid besteht.

Während des Prozesses entsteht Schwarzlauge. Sie enthält gelöste organische Bestandteile sowie verbrauchte Kochchemikalien. Die effiziente Rückgewinnung dieser Chemikalien ist ein wichtiger Bestandteil des Kraftprozesses und trägt zu einer energieeffizienten Produktion, einer konstanten Zellstoffqualität und einem wirtschaftlichen Anlagenbetrieb bei.

Mit einem KxS Prozessrefraktometer lassen sich relevante Prozessströme kontinuierlich und direkt inline überwachen. Dadurch stehen aktuelle Messwerte zur Verfügung, ohne dass die Prozesskontrolle ausschließlich auf manuellen Proben und nachgelagerten Laboranalysen basiert.

Die Schwarzlauge verändert während des Rückgewinnungsprozesses kontinuierlich ihre Zusammensetzung und ihren Feststoffgehalt. Für einen stabilen Anlagenbetrieb ist es deshalb wichtig, die Konzentration der Prozessströme zuverlässig zu überwachen.

Die Schwarzlauge enthält neben organischen Bestandteilen unter anderem Ligninfragmente, Kohlenhydrate, Natriumcarbonat und Natriumsulfat. Vor der Verbrennung wird sie über mehrere Verdampferstufen auf einen deutlich höheren Feststoffgehalt konzentriert.

Eine zuverlässige Messung unterstützt dabei insbesondere:

• die Optimierung der Verdampferleistung
• die Kontrolle des Schwarzlaugen-Feststoffgehalts
• die effiziente Nutzung von Energie
• die Vermeidung einer übermäßigen Viskosität
• die Optimierung der Chemikalienrückgewinnung
• eine konstante Prozessführung
• die Reduzierung von Chemikalienverlusten

Ein zu hoher Feststoffgehalt kann zwar die Rückgewinnungseffizienz erhöhen, gleichzeitig aber zu einer höheren Viskosität und damit zu Verschmutzungen oder Verstopfungen in der Anlage führen.

Zu Beginn des Prozesses werden Holzstämme entrindet, zu Hackschnitzeln verarbeitet und anschließend gesiebt. Die aufbereiteten Hackschnitzel werden dem Fermenter zugeführt und mit Kochlaugen imprägniert.

Dabei kommen unter anderem warme Schwarzlauge und Weißlauge zum Einsatz. Im Fermenter findet die Delignifizierung statt: Lignin und Hemizellulose werden bei erhöhten Temperaturen zu löslichen Bestandteilen abgebaut. Der verbleibende feste Zellstoff wird anschließend als Braunstoff bezeichnet.

Nach dem Aufschluss gelangt der Zellstoff in den Blasbehälter und anschließend in die Waschstufe. Bei der Braunstoffwäsche werden die verbrauchten Kochlaugen von den Zellstofffasern getrennt. Das dabei entstehende Schwarzlaugen-Gemisch wird dem Chemikalienrückgewinnungsprozess zugeführt.

Typische Prozessschritte

• Entrinden der Holzstämme
• Hacken und Sieben der Hackschnitzel
• Aufschluss im Fermenter
• Entleerung in den Blasbehälter
• Braunstoffwäsche
• Sammlung und Lagerung der Schwarzlauge
• Eindickung in Verdampfern
• Verbrennung der konzentrierten Schwarzlauge im Rückgewinnungskessel
• Aufbereitung der grünen Lauge
• Rekautisierung und Rückgewinnung der Weißlauge

Die Grafik wurde mithilfe von KI erstellt.

Die Schwarzlauge verändert während des Rückgewinnungsprozesses kontinuierlich ihre Zusammensetzung und ihren Feststoffgehalt. Für einen stabilen Anlagenbetrieb ist es deshalb wichtig, die Konzentration der Prozessströme zuverlässig zu überwachen.

Die Schwarzlauge enthält neben organischen Bestandteilen unter anderem Ligninfragmente, Kohlenhydrate, Natriumcarbonat und Natriumsulfat. Vor der Verbrennung wird sie über mehrere Verdampferstufen auf einen deutlich höheren Feststoffgehalt konzentriert.

Eine zuverlässige Messung unterstützt dabei insbesondere:

• die Optimierung der Verdampferleistung
• die Kontrolle des Schwarzlaugen-Feststoffgehalts
• die effiziente Nutzung von Energie
• die Vermeidung einer übermäßigen Viskosität
• die Optimierung der Chemikalienrückgewinnung
• eine konstante Prozessführung
• die Reduzierung von Chemikalienverlusten

Ein zu hoher Feststoffgehalt kann zwar die Rückgewinnungseffizienz erhöhen, gleichzeitig aber zu einer höheren Viskosität und damit zu Verschmutzungen oder Verstopfungen in der Anlage führen.

Nach dem Aufschluss wird der Zellstoff gewaschen, um die verbrauchte Kochlauge möglichst vollständig von den Fasern zu trennen.

In Zellstoffwerken kommen typischerweise mehrere Waschstufen hintereinander zum Einsatz. Neben der eigentlichen Trennung von Zellstoff und Kochlauge spielt dabei auch die effiziente Nutzung von Wasser und Energie eine wichtige Rolle.

Eine optimierte Braunstoffwäsche reduziert die Menge an organischen Bestandteilen in der Zellstoffsuspension und kann dadurch den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB/COD) reduzieren. Gleichzeitig wird die Grundlage für eine effiziente Chemikalienrückgewinnung geschaffen.

Inline-Messung statt verzögerter Laboranalyse

Eine kontinuierliche Inline-Messung ermöglicht es, Veränderungen der Prozessströme unmittelbar zu erkennen. Statt einzelne Proben zu entnehmen und anschließend im Labor auszuwerten, stehen die Messwerte direkt im laufenden Prozess zur Verfügung.

Dadurch können Prozessabweichungen schneller erkannt und entsprechende Prozessparameter angepasst werden.

Die bei der Braunstoffwäsche anfallende Schwarzlauge wird zunächst gesammelt und anschließend in mehreren Verdampferstufen konzentriert.

Der Feststoffgehalt steigt dabei zunächst von etwa 15 % auf 20–30 % und kann durch weitere Verdampfung auf etwa 60–80 % erhöht werden. Die hochkonzentrierte Schwarzlauge wird anschließend dem Rückgewinnungskessel zugeführt.

Gerade vor und während der Eindickung ist eine zuverlässige Konzentrationsmessung wichtig. Das KxS Prozessrefraktometer ermöglicht die kontinuierliche Überwachung der Schwarzlaugenkonzentration und unterstützt damit eine kontrollierte Fahrweise der Verdampfer.

Eine zu hohe Konzentration beziehungsweise Viskosität kann Ablagerungen und Betriebsprobleme verursachen. Eine präzise Prozessmessung hilft dabei, diesen Bereich zuverlässig zu überwachen.

Die konzentrierte Schwarzlauge wird im Rückgewinnungskessel verbrannt. Dabei werden die anorganischen Chemikalien zurückgewonnen.
Die dabei entstehende Schmelze wird anschließend in Prozesswasser gelöst. Es entsteht eine Lösung, die unter anderem Natriumcarbonat und Natriumsulfid enthält und als grüne Lauge bezeichnet wird.
Durch die Rekautisierung mit Calciumhydroxid wird daraus wieder Weißlauge für den Kraftaufschluss erzeugt. Damit schließt sich der Chemikalienkreislauf des Kraftprozesses.
Der Rückgewinnungskessel erzeugt zusätzlich Hochdruckdampf, der zur Stromerzeugung und für den Betrieb des Zellstoffwerks genutzt werden kann.

Für die Überwachung der relevanten Prozessströme kommt ein KxS DCM-20 PASVE® Prozessrefraktometer zum Einsatz.

Das Messgerät bestimmt den Brechungsindex des Prozessmediums. Da dieser von der Zusammensetzung des Mediums abhängt, kann er zur Bestimmung der Konzentration genutzt werden.

Im Kraftzellstoffprozess ermöglicht die Refraktometrie beispielsweise die Überwachung des Feststoffgehalts der Schwarzlauge sowie Messungen in der grünen Lauge.

Die Messung erfolgt direkt im Prozess und liefert dadurch kontinuierliche Informationen über den aktuellen Zustand des Mediums.

Die kontinuierliche Inline-Messung bietet insbesondere folgende Vorteile:

• Kontinuierliche Messung direkt im Prozess
• Echtzeitdaten für die Prozessüberwachung
• Optimierung der Braunstoffwäsche
• Überwachung des Schwarzlaugen-Feststoffgehalts
• Optimierung der Verdampferleistung
• Unterstützung einer effizienten Chemikalienrückgewinnung
• Reduzierung von Chemikalien- und Energieverbrauch
• Schnellere Erkennung von Prozessveränderungen
• Verbesserung der Prozessstabilität
• Integration der Messwerte in die Prozesssteuerung

Die Messung von Schwarz- und Grünlauge stellt besondere Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik.

Hohe Temperaturen, hohe Drücke, aggressive Prozessmedien sowie Ablagerungen können die Messstabilität beeinflussen. Bei Schwarzlauge können insbesondere organische Bestandteile und gelöstes Lignin einen Belag auf dem Sensorprisma bilden. Bei grüner Lauge können starke Ablagerungen die Messgenauigkeit beeinträchtigen.

Das DCM-20 PASVE® ist für den Einsatz in diesen anspruchsvollen Prozessumgebungen ausgelegt. Das System verfügt über das KxS PASVE®-Absperrventil und ermöglicht eine sichere Prozessanbindung sowie Servicearbeiten ohne notwendige Prozessabschaltung.

Je nach Messstelle können unterschiedliche Messaufgaben im Kraftzellstoffprozess relevant sein:

Schwarzlauge

Bei Schwarzlauge steht insbesondere die Überwachung des Feststoffgehalts im Vordergrund. Die Messung unterstützt die Prozessführung vor der Verdampfung sowie die optimale Einstellung für die Beschickung des Rückgewinnungskessels.

Grüne Lauge

Bei der grünen Lauge kann die Messung der gelösten Feststoffe beziehungsweise der titrierbaren Gesamtalkalität (TTA) zur Überwachung und Optimierung des Rekautisierungsprozesses eingesetzt werden.

Damit kann die Refraktometrie an mehreren Stellen des Chemikalienkreislaufs einen Beitrag zu einer stabilen Prozessführung leisten.

Die konkrete Installation hängt von der jeweiligen Prozessleitung und den vorhandenen Anlagenbedingungen ab.

Das KxS DCM-20 PASVE® ist als einziehbares Prozessrefraktometer für anspruchsvolle industrielle Anwendungen ausgelegt. Besonders bei Medien mit hohem Feststoffgehalt müssen die Prozessbedingungen, mögliche Ablagerungen und die mechanische Belastung des Sensors bei der Auslegung berücksichtigt werden.

Weitere Informationen zur Installation finden Sie hier!

Was wird im Kraftzellstoffprozess mit einem Refraktometer gemessen?

Mit einem Prozessrefraktometer kann der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmt und daraus – abhängig von der jeweiligen Kalibrierung und Anwendung – die Konzentration beziehungsweise der Gehalt gelöster Stoffe abgeleitet werden. Im Kraftzellstoffprozess ist insbesondere die Überwachung von Schwarzlauge und grüner Lauge relevant.

Warum ist die Messung der Schwarzlaugenkonzentration wichtig?

Der Feststoffgehalt der Schwarzlauge beeinflusst die weitere Verarbeitung und die Effizienz der Chemikalienrückgewinnung. Eine zu hohe Konzentration kann gleichzeitig zu einer erhöhten Viskosität und damit zu Ablagerungen oder Verstopfungen führen.

Wo kann die Refraktometriemessung eingesetzt werden?

Bei der Braunstoffwäsche, vor der Verdampfung, im Zulauf zum Rückgewinnungskessel sowie bei der Überwachung der grünen Lauge vor der Rekautisierung.

Kann die Messung kontinuierlich erfolgen?

Ja. Das DCM-20 PASVE® ist für die Inline-Messung ausgelegt und liefert kontinuierliche Prozessdaten. Dadurch können Veränderungen im Prozess unmittelbar erkannt und für die Prozessführung genutzt werden.

Welche Herausforderungen gibt es bei der Messung?

Zu den Herausforderungen zählen unter anderem hohe Temperaturen und Drücke, aggressive Medien sowie Ablagerungen auf dem Sensorprisma. Bei Schwarzlauge können organische Bestandteile und Lignin Beläge bilden; bei grüner Lauge können mineralische Ablagerungen auftreten.