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Möglichkeiten zur Ressourceneinsparung bei der Papierproduktion am Beispiel von Feinpapierproduktionslinien
Art der Abschlussarbeit
Dissertation
Autoren
- Zelm, Roland
Betreuer
- Prof. Dr.-Ing. Harald Großmann
Weitere Betreuer
Prof. Dr.-Ing. A. Wagenführ (TU Dresden, Professur für Holz- und Faserwerkstofftechnik), Prof. Dr.-Ing. S. Schabel (TU Darmstadt, Papierfabrikation und Mechanische Verfahrenstechnik)
Abstract
In den letzten Jahren ist es der Papierindustrie durch konsequente Umsetzung der Maßnahmen zur Verbesserung der Umweltkompatibilität ihrer Produktionstechniken gelungen, das weit verbreitete Vorurteil, zu den besonders umweltverbrauchenden und umweltverschmutzenden Branchen zu gehören, ausgeräumt. Allerdings gehört diese Industrie nach wie vor zu den besonders energieintensiven. Mit einem Anteil von 6,8 % des gesamten industriellen Energieverbrauchs nimmt sie hier in Deutschland die 5. Stelle ein.
Nachhaltigkeit für eine zukunftsorientierte Papiererzeugung heißt bessere Rohstoffnutzung, Energieeinsparung und Kreislaufschließung. In der Papierindustrie werden in hohem Maße nachwachsende Rohstoffe verwendet, das Papier wird nach seinem Gebrauch rezykliert, es wird mit weitgehend geschlossenen Wasserkreisläufen gearbeitet und die Abwässer werden wirkungsvoll gereinigt. Es sind jedoch weitere Entwicklungen für eine gesunde Umwelt erforderlich, die noch vorhandenen Einsparpotenziale beim Einsatz von Rohstoffen und Energie zu realisieren, Emissionen zu reduzieren und die Abfallmengen, die schließlich entsorgt werden müssen, zu verringern.
In den letzten Jahren ist die Umweltpolitik immer stärker in das Zentrum des Interesses von Staat, Öffentlichkeit und Unternehmen gerückt. Umweltzeichen wie der grüne Punkt oder der blaue Engel haben hierzu ihren sichtbaren Beitrag geleistet. Ca. 85 % der Bevölkerung akzeptieren das damit zum Ausdruck gebrachte Bestreben nach einer „nachhaltigen“ Berücksichtigung der berechtigten Interessen der nachwachsenden Generationen. Für große Teile der Bevölkerung stellt der Klimaschutz die wichtigste umweltpolitische Aufgabe dar.
Eine Umfrage in der deutschen Papierindustrie ergab, dass der Umweltschutz einen bedeutenden Stellenwert in den Unternehmen einnimmt. Umweltmanagementsysteme sind wichtige Werkzeuge für die Umsetzung der Umweltziele. Umweltbewusstsein und PR-Arbeit nehmen heute einen wichtigen Platz in der Firmenphilosophie vieler Unternehmen ein.
In der Papierindustrie besteht ein ausgeprägtes Interesse an der Einsparung von Rohstoffen, Wasser und vor allem Energie. Nicht zuletzt durch die freiwillige Verpflichtung der Bundesrepublik zum Klimaschutz im Rahmen des Kyoto-Abkommens werden die kurz- und mittelfristig zu erwartenden gesetzlichen Rahmenbedingungen zu weiteren intensiven Anstrengungen zur Erschließung vorhandener Energieeinsparpotenziale motivieren.
Die Liberalisierung des Strommarktes in Deutschland führte zu einer Annäherung der Wettbewerbsbedingungen in Europa. Das Gesetz über erneuerbare Energien (EEG) mit seinen untergesetzlichen Regelwerken führt jedoch zu einer subventionierten Verbrennung von Holz und könnte diesen für die Papierindustrie so wichtigen Rohstoff verknappen. Dies steht im Widerspruch zu der Forderung der Umweltorganisationen an die Papierindustrie, den Holzverbrauch zu senken. Selbst bei einer vollständigen Wiederverwertung allen erfassbaren Altpapiers würde die Papierproduktion wegen der unvermeidlichen Ausbeuteverluste und der Steigerung des absoluten Papierverbrauchs nicht auf den Einsatz von Primärfasern verzichten können.
Zur Ermittlung des aktuellen Stoff-, Wasser-, Energie- und Luftbedarfs wurde am Beispiel von Feinpapierproduktionslinien eine Bestandsaufnahme durchgeführt. Dazu wurde in verschiedenen Werken jeweils eine Produktionslinie ausgewählt und von der Stoffaufbereitung bis zum fertigen Produkt für die Herstellung von zweiseitig zweifach gestrichenem Bilderdruckpapier ausgewählt und bilanziert.
Die Produktionslinien wurden in Subsysteme unterteilt und anschließend modelliert. Dabei wurden innerhalb der Stoffaufbereitung folgende Subsysteme unterschieden: Zellstoff-, Mineralstoff-, Rückstoff-, Stärke-, Zusatzstoffe- und Streichfarbenaufbereitung. Die Papiermaschine wurde unterteilt in Konstantteil, Siebpartie, Pressenpartie, Vortrockenpartie, Oberflächenleimung, Nachtrockenpartie und Siebwassersystem. Die Streichmaschine wurde in Vorderseitenvorstrich- und Trocknungssystem, das Rückseitenvorstrich- und Trocknungssystem, das Vorderseitendeckstrich- und Trocknungssystem und das Rückseiten-deckstrich- und Trocknungssystem unterteilt. Die Ausrüstung und Verpackung wird durch das Superkalander- sowie das Rollenschneider- und Verpackungssystem repräsentiert. Die weiteren, nicht direkt mit der Produktion verbundenen, Systeme wurden als Hilfssysteme bezeichnet. Dies sind das Frischwassersystem, das Kühlwassersystem, die Abwasserreinigung, das Dampfsystem, das Trocknungsluftsystem, das Hallenluftsystem, das Vakuumsystem, das Druckluftsystem und das Elektroenergiesystem.
Der Stoff-, Wasser-, Luft- und Energiebedarf der gewählten Feinpapierproduktionslinien wurde analysiert. Die Bestandsaufnahme ergab, dass zur Herstellung der ausgewählten Papiersorten in den untersuchten Produktionslinien durchschnittlich 47 % Zellstoff, 51 % Mineralstoffe, 2 % Stärke und Additive eingesetzt werden. Der normierte Frischwasserbedarf der untersuchten Produktionslinien betrug im Mittel ca. 8,8 kg/kg (otro) produziertes Basispapier. Großen Energiebedarf haben sowohl die Vortrockenpartie als auch die (erweiterte) Nachtrockenpartie. Der spezifische elektrische Energiebedarf ist für die Zellstoff- und Rückstoffaufbereitung, sowie die Vakuumerzeugung am größten.
Der Energiepreis ist nicht zuletzt durch die Ökosteuer gestiegen. Die Liberalisierung des Energiemarktes, die diese Steigerung in gewissem Maße unterbrach, ist inzwischen abgeschlossen und ab 2003 ist bereits wieder ein Anstieg des Energiepreises zu verzeichnen. Eine Erhöhung des Elektroenergiepreises hat den größten Einfluss auf die Gesamtkosten – unter der Voraussetzung, dass der Zellstoffpreis weiterhin relativ konstant bleibt.
Bei den Bemühungen, den Bedarf an Stoff, Wasser, Energie und zukünftig auch an Luft bei der Herstellung von Papier und Karton zu reduzieren, können grundsätzlich verfahrens-, produktions- und maschinentechnische Lösungswege beschritten werden. Einige Lösungsansätze wurden in einem kurzen Überblick dargestellt. Dies sind z. B. die Schaffung von Hochtemperaturkreisläufen zur verstärkten Rückgewinnung der Prozessabwärme, Niederdruckdampferzeugung, die Verringerung der Puffervolumina, die Verringerung der Masse der bewegten Teile, der weitere Einbau von drehzahlgesteuerten Pumpen und energieeffizienten Motoren.
Die gewählten Produktionslinien wurden dem Stand der Technik gegenübergestellt und so der aktuelle Forschungsbedarf ermittelt. Es hat sich ergeben, dass – in Abhängigkeit vom Mahlkonzept der jeweiligen Produktionslinie – ein deutlicher Forschungsbedarf in der Mahltechnologie besteht. Weiterhin wurde unter-strichen, dass die Vortrockenpartie nach wie vor ein bedeutender Energieverbraucher ist. Das beim Stand der Technik angewendete Onlinestreichkonzept ergibt eine wesentlich bessere Energiebilanz. Daher ist hier kein For-schungs- sondern vor allem Handlungsbedarf gegeben. Die Bereitstellung des für die Papiererzeugung notwendigen Vakuums stellt immer noch eine große energetische Herausforderung dar.
Mit dem Ziel Energie bei der Zellstoffmahlung zu sparen, wurde der Einfluss verschiedener Mahlparameter, wie Temperatur, Vor- und Nachquellzeit, sowie spezifische Mahlarbeit bei einem Kurz- und einem Langfaserstoff sowohl mit einem Kegel- als auch einem Scheibenrefiner untersucht. Dabei ergaben sich Extremwerte bei einer Mahltemperatur von ca. 40 °C und Quellzeiten von rund 60 bis 90 min. Damit liegen die meisten heutigen Mahlanlagen im optimalen Temperatur- und Quellzeitbereich.
Weiterhin wurden verschiedene Lösungsansätze zur Energieeinsparung bei der TMP-Erzeugung gegenübergestellt. Als neuer Ansatz wurde der Einfluss einer Bestrahlung der Hackschnitzel mit Elektronenstrahlen in Kombination mit einer Imprägnierung mit einer Magnesiumbisulfitlösung vor der TMP-Erzeugung auf den Energiebedarf näher untersucht. Die Untersuchungen ergaben ein Energieeinsparungspotenzial von ca. 17 %. Bis zur praktischen Anwendung sind weitere Untersuchungen notwendig, um die Strahlungsdichte unter die Grenze für Strahlenschutzmaßnahmen zu senken.
Nachhaltigkeit für eine zukunftsorientierte Papiererzeugung heißt bessere Rohstoffnutzung, Energieeinsparung und Kreislaufschließung. In der Papierindustrie werden in hohem Maße nachwachsende Rohstoffe verwendet, das Papier wird nach seinem Gebrauch rezykliert, es wird mit weitgehend geschlossenen Wasserkreisläufen gearbeitet und die Abwässer werden wirkungsvoll gereinigt. Es sind jedoch weitere Entwicklungen für eine gesunde Umwelt erforderlich, die noch vorhandenen Einsparpotenziale beim Einsatz von Rohstoffen und Energie zu realisieren, Emissionen zu reduzieren und die Abfallmengen, die schließlich entsorgt werden müssen, zu verringern.
In den letzten Jahren ist die Umweltpolitik immer stärker in das Zentrum des Interesses von Staat, Öffentlichkeit und Unternehmen gerückt. Umweltzeichen wie der grüne Punkt oder der blaue Engel haben hierzu ihren sichtbaren Beitrag geleistet. Ca. 85 % der Bevölkerung akzeptieren das damit zum Ausdruck gebrachte Bestreben nach einer „nachhaltigen“ Berücksichtigung der berechtigten Interessen der nachwachsenden Generationen. Für große Teile der Bevölkerung stellt der Klimaschutz die wichtigste umweltpolitische Aufgabe dar.
Eine Umfrage in der deutschen Papierindustrie ergab, dass der Umweltschutz einen bedeutenden Stellenwert in den Unternehmen einnimmt. Umweltmanagementsysteme sind wichtige Werkzeuge für die Umsetzung der Umweltziele. Umweltbewusstsein und PR-Arbeit nehmen heute einen wichtigen Platz in der Firmenphilosophie vieler Unternehmen ein.
In der Papierindustrie besteht ein ausgeprägtes Interesse an der Einsparung von Rohstoffen, Wasser und vor allem Energie. Nicht zuletzt durch die freiwillige Verpflichtung der Bundesrepublik zum Klimaschutz im Rahmen des Kyoto-Abkommens werden die kurz- und mittelfristig zu erwartenden gesetzlichen Rahmenbedingungen zu weiteren intensiven Anstrengungen zur Erschließung vorhandener Energieeinsparpotenziale motivieren.
Die Liberalisierung des Strommarktes in Deutschland führte zu einer Annäherung der Wettbewerbsbedingungen in Europa. Das Gesetz über erneuerbare Energien (EEG) mit seinen untergesetzlichen Regelwerken führt jedoch zu einer subventionierten Verbrennung von Holz und könnte diesen für die Papierindustrie so wichtigen Rohstoff verknappen. Dies steht im Widerspruch zu der Forderung der Umweltorganisationen an die Papierindustrie, den Holzverbrauch zu senken. Selbst bei einer vollständigen Wiederverwertung allen erfassbaren Altpapiers würde die Papierproduktion wegen der unvermeidlichen Ausbeuteverluste und der Steigerung des absoluten Papierverbrauchs nicht auf den Einsatz von Primärfasern verzichten können.
Zur Ermittlung des aktuellen Stoff-, Wasser-, Energie- und Luftbedarfs wurde am Beispiel von Feinpapierproduktionslinien eine Bestandsaufnahme durchgeführt. Dazu wurde in verschiedenen Werken jeweils eine Produktionslinie ausgewählt und von der Stoffaufbereitung bis zum fertigen Produkt für die Herstellung von zweiseitig zweifach gestrichenem Bilderdruckpapier ausgewählt und bilanziert.
Die Produktionslinien wurden in Subsysteme unterteilt und anschließend modelliert. Dabei wurden innerhalb der Stoffaufbereitung folgende Subsysteme unterschieden: Zellstoff-, Mineralstoff-, Rückstoff-, Stärke-, Zusatzstoffe- und Streichfarbenaufbereitung. Die Papiermaschine wurde unterteilt in Konstantteil, Siebpartie, Pressenpartie, Vortrockenpartie, Oberflächenleimung, Nachtrockenpartie und Siebwassersystem. Die Streichmaschine wurde in Vorderseitenvorstrich- und Trocknungssystem, das Rückseitenvorstrich- und Trocknungssystem, das Vorderseitendeckstrich- und Trocknungssystem und das Rückseiten-deckstrich- und Trocknungssystem unterteilt. Die Ausrüstung und Verpackung wird durch das Superkalander- sowie das Rollenschneider- und Verpackungssystem repräsentiert. Die weiteren, nicht direkt mit der Produktion verbundenen, Systeme wurden als Hilfssysteme bezeichnet. Dies sind das Frischwassersystem, das Kühlwassersystem, die Abwasserreinigung, das Dampfsystem, das Trocknungsluftsystem, das Hallenluftsystem, das Vakuumsystem, das Druckluftsystem und das Elektroenergiesystem.
Der Stoff-, Wasser-, Luft- und Energiebedarf der gewählten Feinpapierproduktionslinien wurde analysiert. Die Bestandsaufnahme ergab, dass zur Herstellung der ausgewählten Papiersorten in den untersuchten Produktionslinien durchschnittlich 47 % Zellstoff, 51 % Mineralstoffe, 2 % Stärke und Additive eingesetzt werden. Der normierte Frischwasserbedarf der untersuchten Produktionslinien betrug im Mittel ca. 8,8 kg/kg (otro) produziertes Basispapier. Großen Energiebedarf haben sowohl die Vortrockenpartie als auch die (erweiterte) Nachtrockenpartie. Der spezifische elektrische Energiebedarf ist für die Zellstoff- und Rückstoffaufbereitung, sowie die Vakuumerzeugung am größten.
Der Energiepreis ist nicht zuletzt durch die Ökosteuer gestiegen. Die Liberalisierung des Energiemarktes, die diese Steigerung in gewissem Maße unterbrach, ist inzwischen abgeschlossen und ab 2003 ist bereits wieder ein Anstieg des Energiepreises zu verzeichnen. Eine Erhöhung des Elektroenergiepreises hat den größten Einfluss auf die Gesamtkosten – unter der Voraussetzung, dass der Zellstoffpreis weiterhin relativ konstant bleibt.
Bei den Bemühungen, den Bedarf an Stoff, Wasser, Energie und zukünftig auch an Luft bei der Herstellung von Papier und Karton zu reduzieren, können grundsätzlich verfahrens-, produktions- und maschinentechnische Lösungswege beschritten werden. Einige Lösungsansätze wurden in einem kurzen Überblick dargestellt. Dies sind z. B. die Schaffung von Hochtemperaturkreisläufen zur verstärkten Rückgewinnung der Prozessabwärme, Niederdruckdampferzeugung, die Verringerung der Puffervolumina, die Verringerung der Masse der bewegten Teile, der weitere Einbau von drehzahlgesteuerten Pumpen und energieeffizienten Motoren.
Die gewählten Produktionslinien wurden dem Stand der Technik gegenübergestellt und so der aktuelle Forschungsbedarf ermittelt. Es hat sich ergeben, dass – in Abhängigkeit vom Mahlkonzept der jeweiligen Produktionslinie – ein deutlicher Forschungsbedarf in der Mahltechnologie besteht. Weiterhin wurde unter-strichen, dass die Vortrockenpartie nach wie vor ein bedeutender Energieverbraucher ist. Das beim Stand der Technik angewendete Onlinestreichkonzept ergibt eine wesentlich bessere Energiebilanz. Daher ist hier kein For-schungs- sondern vor allem Handlungsbedarf gegeben. Die Bereitstellung des für die Papiererzeugung notwendigen Vakuums stellt immer noch eine große energetische Herausforderung dar.
Mit dem Ziel Energie bei der Zellstoffmahlung zu sparen, wurde der Einfluss verschiedener Mahlparameter, wie Temperatur, Vor- und Nachquellzeit, sowie spezifische Mahlarbeit bei einem Kurz- und einem Langfaserstoff sowohl mit einem Kegel- als auch einem Scheibenrefiner untersucht. Dabei ergaben sich Extremwerte bei einer Mahltemperatur von ca. 40 °C und Quellzeiten von rund 60 bis 90 min. Damit liegen die meisten heutigen Mahlanlagen im optimalen Temperatur- und Quellzeitbereich.
Weiterhin wurden verschiedene Lösungsansätze zur Energieeinsparung bei der TMP-Erzeugung gegenübergestellt. Als neuer Ansatz wurde der Einfluss einer Bestrahlung der Hackschnitzel mit Elektronenstrahlen in Kombination mit einer Imprägnierung mit einer Magnesiumbisulfitlösung vor der TMP-Erzeugung auf den Energiebedarf näher untersucht. Die Untersuchungen ergaben ein Energieeinsparungspotenzial von ca. 17 %. Bis zur praktischen Anwendung sind weitere Untersuchungen notwendig, um die Strahlungsdichte unter die Grenze für Strahlenschutzmaßnahmen zu senken.
Berichtsjahr
2006