• No results found

ATMP Process: Improved Energy Efficiency in TMP Refining Utilizing Selective Wood Disintegration and Targeted Application of Chemicals

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "ATMP Process: Improved Energy Efficiency in TMP Refining Utilizing Selective Wood Disintegration and Targeted Application of Chemicals"

Copied!
132
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

i 

   

   

Thesis for the degree of Doctor of technology, Sundsvall 2011   

 

ATMP PROCESS: IMPROVED ENERGY EFFICIENCY IN TMP REFINING UTILIZING SELECTIVE WOOD DISINTEGRATION AND

TARGETED APPLICATION OF CHEMICALS Dmitri Gorski

   

Supervisors: 

Prof. Per Engstrand  MSc. Jan Hill  Dr Lars Johansson   

FSCN ‐ Fibre Science and Communication Network  Department of Natural Sciences 

Mid Sweden University, SE‐851 70 Sundsvall, Sweden   

Norske Skog Industries, nsiFOCUS AS, Pulp Team  NO‐1756 Halden, Norway 

   

ISSN 1652‐893X 

Mid Sweden University Doctoral Thesis 108  ISBN 978‐91‐86694‐34‐0

 

 

            

 

(2)

ii 

Akademisk  avhandling  som  med  tillstånd  av  Mittuniversitetet  i  Sundsvall  framläggs  till  offentlig  granskning  för  avläggande  av  teknologie  doktorsexamen  torsdagen den 5 maj 2011, klockan 13.15 i sal M102, Mittuniversitetet Sundsvall.  

Seminariet kommer att hållas på engelska. 

                       

ATMP PROCESS: IMPROVED ENERGY EFFICIENCY IN TMP REFINING UTILIZING SELECTIVE WOOD DISINTEGRATION AND TARGETED APPLICATION OF CHEMICALS

Dmitri Gorski  

 

© Dmitri Gorski, 2011   

 

FSCN ‐ Fibre Science and Communication Network  Department of Natural Sciences  

Mid Sweden University, SE‐851 70 Sundsvall  Sweden 

 

Telephone:  +46 (0)771‐975 000   

Printed by Kopieringen Mittuniversitetet, Sundsvall, Sweden, 2011 

(3)

iii   

           

Dr.  Alf  de  Ruvo 

  I  would  like  to  ask  you,  dr.  Atack,  about  the  relationship  between  energy  and  properties  that  we  have  in  refining.  As  you  know  we  have  improved  the  properties of mechanical pulps due to TMP, CTMP, etc., but the disadvantages seem to be  that  we  always  increase  the  energy  input.  Do  you  think  there  is  any  chance  that  we  can  break this vicious circle, so as to reduce the amount of energy and still get better properties  in refining? 

 

Dr. Douglas Atack 

 Yes, I do think this can be done. But we need to do further work to  be certain. 

 

Fibre‐Water Interactions in Papermaking Symposium, Oxford, UK, 1977

(4)

iv 

ATMP PROCESS: IMPROVED ENERGY EFFICIENCY IN TMP REFINING UTILIZING SELECTIVE WOOD DISINTEGRATION AND TARGETED APPLICATION OF CHEMICALS

Dmitri Gorski

FSCN ‐ Fibre Science and Communication Network, Department of Natural  Sciences, Mid Sweden University, SE‐851 70 Sundsvall, Sweden 

ISSN 1652‐893X, Mid Sweden University Doctoral Thesis 108;  

ISBN978‐91‐86694‐34‐0   

ABSTRACT

This thesis is focused on the novel wood chip refining process called Advanced  Thermomechanical  Pulp  (ATMP)  refining.  ATMP  consists  of  mechanical  pre‐

treatment  of  chips  in  Impressafiner  and  Fiberizer  prior  to  first  stage  refining  at  increased  intensity.  Process  chemicals  (this  study  was  concentrated  on  hydrogen  peroxide and magnesium hydroxide) are introduced into the first stage refiner. 

 

It  is  known  that  the  use  of  chemicals  in  TMP  process and  first stage  refining at  elevated intensity can reduce the energy demands of refining. The downside is that  they also alter the character of the produced pulp. Reductions in fibre length and  tear index are usually the consequences of refining at elevated intensity. Addition  of  chemicals  usually  leads  to  reduction  of  the  light  scattering  coefficient.  Using  statistical methods it was shown that it is possible to maintain the TMP character of  the  pulp  using  the  ATMP  process.  This  is  explained  by  a  separation  of  the  defibration  and  the  fibre  development  phases  in  refining.  This  separation  allows  defibration  of  chips  to  fibres  and  fibre  bundles  without  addition  of  chemicals  or  increase  in  refining  intensity.  Chemicals  are  applied  in  the  fibre  development  phase  only  (first  stage  refiner).  The  energy  demand  in  refining  to  reach  tensile  index  of  25  Nm/g  was  reduced  by  up  to  1.1  MWh/odt  (42  %)  using  the  ATMP  process on Loblolly pine. The energy demand in refining of White spruce, required  to reach tensile index of 30 Nm/g, was reduced by 0.65 MWh/odt (37%). 

 

Characterizations  of  individual  fibre  properties,  properties  of  sheets  made  from  long  fibre  fractions  and  model  fibre  sheets  with  different  fines  fractions  were  carried out. It was established that both the process equipment configuration (i.e. 

the mechanical pre‐treatment and the elevated refining intensity) and the addition  of  process  chemicals  in  the  ATMP  process  influence  fibre  properties  such  as 

(5)

v 

external and internal fibrillation as well as the amount of split fibres. Improvement  of  these  properties  translated  into  improved  properties  of  sheets,  made  from  the  long  fibre  fractions  of  the  studied  pulps.  The  quality  of  the  fines  fraction  also  improved. However, the mechanisms of improvement in the fines quality seem to  be  different  for  fines,  generated  using  improved  process  configuration  and  addition of process chemicals. The first type of fines contributed to better bonding  of model long fibre sheets through the densification of the structure. Fines which  have been influenced by the addition of the process chemicals seemed in addition  to improve bonding between long fibres by enhancing the specific bond strength. 

 

The  improved  fibre  and  fines  properties  also  translated  into  better  air  permeability  and  surface  roughness  of  paper  sheets,  properties  which  are  especially  important  for  supercalendered  (SC)  printing  paper.  The  magnitude  of  fibre  roughening  after  moistening  was  mainly  influenced  by  the  process  equipment  configuration  while  the  addition  of  process  chemicals  yielded  lowest  final surface roughness due to the lowest initial surface roughness. There was no  difference  in  how  fines  fractions  from  the  studied  processes  influenced  the  fibre  roughening.  However,  fines  with  better  bonding  yielded  model  fibre  sheets  with  higher  PPS,  probably  due  to  their  consolidation  around  fibre  joints.  Hence,  the  decrease in PPS can probably be attributed to the improvements in the long fibre  fraction  properties  while  the  improvement  of  fines  quality  contributed  to  the  reduction of air permeability. 

 

The  process  chemicals,  utilized  in  the  ATMP  process  (Mg(OH)2  and  H2O2)  also  proved  to  be  an  effective  bleaching  system.  Comparable  increases  in  brightness  could  be  reached  using  the  ATMP  process  and  conventional  tower  bleaching. 

Maximum  brightness  of  the  pulp  was  reached  after  approximately  10  minutes  of  high‐consistency storage after refining or 40 minutes of conventional bleaching. 

 

This study was conducted using a pilot scale refiner system operated as a batch  process.  Most  of  the  experiments  were  performed  using  White  spruce  (Picea  glauca).  In  Paper  I,  Loblolly  pine  (Pinus  taeda)  was  used.  It  is  believed  that  the  results presented in this thesis are valid for other softwood raw materials as well,  but this limitation should be considered. 

   

Keywords: ATMP, TMP, Hydrogen Peroxide, Magnesium Hydroxide, Mechanical  Pre‐Treatment, Fibre Characterisation, Refiner Bleaching, SC paper, Newsprint 

(6)

vi  SAMMANFATTNING

Avhandlingen  är  fokuserad  på  massaegenskaper  och  energiförbrukning  hos  den  nya  processen  för  raffinering  av  mekanisk  massa,  ATMP  (Advanced  Thermomechanical Pulp). Processen består av mekanisk förbehandling av flis med  Impressafiner  och  Fiberizer  före  förstastegsraffinering.  Intensiteten  i  förstastegsraffineringen  har  ökats  genom  att  använda  matande  raffinörsegment  och/eller högre rotationshastighet hos raffinören. Processkemikalier (här har främst  väteperoxid och magnesium hydroxid använts) satsas i förstastegsraffinören efter  defibrering av flis. 

 

Det  är  känt  att  tillsats  av  kemikalier  och  förstastegsraffinering  vid  högre  intensitet leder till sänkt energiförbrukning i raffineringen.  Nackdelen är dock att  de  samtidigt  förändrar  karaktären  hos  producerad  massa.    Reducerad  fiberlängd  och rivindex är vanliga vid raffinering med högre intensitet. Tillsats av kemikalier i  raffineringsprocessen  leder  vanligen  till  att  producerad  massa  får  mer  ”CTMP‐

karaktär”,  det  vill  säga  minskad  ljusspridning  jämfört  med  TMP  vid  samma  dragindex.  Med  hjälp  av  statistisk  databehandling  (varians‐  och  principalkomponentsanalys)  har  det  visats  att  det  är  möjligt  att  behålla  TMP‐

karaktären hos ATMP massan även när kemikalier och högre raffineringsintensitet  används. Det beror på att defibrering av flis och utvecklingen av fibrer sker i olika  processteg.  Separationen  medger  att  genomföra  defibrering  av  flis  till  fibrer  och  fiberknippen  under  TMP‐liknande  förhållanden  utan  tillsats  av  kemikalier  eller  ökning  av  raffineringsintensiteten.  Kemikalierna  appliceras  endast  under  fiberutveckligsfasen  (förstastegsraffinören  och  vidare).  Med  bibehållen  TMP‐

karaktär  hos  producerad  ATMP‐massa  minskade  energiförbrukningen  till  dragindex 25 Nm/g med 1.1 MWh/odt (42 %) när ATMP processen tillämpades på  sydstatstall  (Pinus  Taeda).  Energiförbrukningen  vid  raffinering  av  gran  för  att  nå  dragindex 30  Nm/g  minskade med 0.65  MWh/odt  (37  %)  när  White  spruce (Picea  glauca) användes. 

 

Karaktärisering  av  fibrer  och  ark  inklusive  långfiberfraktions‐  och  finfraktionsark  –  de  senare  tillverkade  med  en  blandning  av  TMP‐långfiber  och  olika finfraktioner – har utförts. Både processutformningen för ATMP (det vill säga  mekanisk förbehandling och raffinering vid högre intensitet) och kemikalietillsats  påverkar  fiberegenskapsutvecklingen  exempelvis  intern‐  och  externfibrillering  samt  andel  splittrade  fibrer.  Bättre  fiberegenskaper  hos  ATMP  gav  bättre  arkegenskaper  hos  ark  tillverkade  av  långfiberfraktion  från  ATMP  än  från  TMP. 

Både processutformning och kemikalietillsats påverkade och förbättrade kvaliteten 

(7)

vii 

hos  ATMP  finfraktion.  Förbättringarna  till  följd  av  ändrad  processutformning  respektive kemikalietillsats tyder på att olika mekanismer bidrar.  

 

Förbättrade egenskaper hos fibrer och finmaterial leder också till minskning av  luftpermeabilitet  och  ytråhet  hos  pappersark.  Dessa  egenskaper  är  viktiga  för  SC  tryckpapper. Graden av fiberresning i pappersytan vid förhöjd fukthalt (mätt som  ytråhetsdifferens  före  och  efter  befuktning)  påverkas  främst  av  processutformningen.  Ark,  tillverkade  av  ATMP  med  kemikalietillsats,  har  dock  lägst ytråhet efter befuktning till följd av lägsta ytråheten för torrt ark. Både TMP  och  ATMP  finmaterial  hade  samma  inverkan  på  fiberresning.  Inblandning  av  finfraktion med bättre bidningsförmåga leder till högre ytråhet. Förmodligen kan  detta  förklaras  med  förhöjd  koncentration  av  finmaterial  kring  bindningspunkter  mellan fibrerna. Följaktligen är minskningen i ytråhet för ATMP‐massor sannolikt  relaterad  till  de  förbättrade  långfiberegenskaperna  samtidigt  som  den  bättre  finfraktionen bidrar till viss reduktion av luftpermeabilitet. 

 

ATMP  tillverkad  med  bruk  av  peroxid  och  magnesiumhydroxid  i  förstastegsraffineringen  visade  sig  ge  ett  effektivt  system  för  massablekning. 

Jämförbar  ökning  i  ljushet  kunde  nås  med  ATMP  processen  och  konventionell  peroxidblekning  i  torn  vid  samma  kemikaliesatsning.  Maximal  massaljushet  nås  för  ATMP  efter  cirka  10  minuters  lagring  vid  hög  massakoncentration  respektive  efter 40 minuter för konventionell tornblekning vid laboratoriestudium. 

 

De rapporterade försöken genomfördes i pilotskala med ett raffinörsystem som  kördes  satsvis.  White  spruce  (Picea  glauca)  användes  som  råvara  för  de  flesta  försöken. Sydstatstall (Pinus taeda) användes i försöken beskrivna i Paper I. Det är  sannolikt  att  resultaten  som  presenterats  här,  gäller  för  de  flesta  barrvedssorter. 

Denna begränsning bör dock tas i beaktning. 

(8)

viii  TABLE OF CONTENTS

ABSTRACT... IV SAMMANFATTNING... VI LIST OF PAPERS... X AUTHOR’S CONTRIBUTIONS TO THE MANUSCRIPTS...XI RELATED PUBLICATIONS... XII ABBREVIATIONS ...XIII

1 INTRODUCTION... 1

1.1BACKGROUND... 1

1.2OBJECTIVES OF THE STUDY... 2

1.3HYPOTHESES... 2

1.4OUTLINE OF THE THESIS... 3

2 LITERATURE OVERVIEW... 4

2.1RAW MATERIAL... 4

2.1.1 Wood ultrastructure ... 5

2.1.2 Chemistry and reactivity of wood ... 8

2.2CONVENTIONAL CHIP REFINING... 9

2.2.1 Softening of wood... 9

2.2.2 Mechanisms of chip refining... 11

2.2.3 Character and quality of refined pulp ... 15

2.3MECHANICAL PRE-TREATMENT... 18

2.4REFINING AT INCREASED INTENSITY... 20

2.5COMBINATION OF MECHANICAL PRE-TREATMENT WITH HIGH-INTENSITY REFINING... 23

2.6PEROXIDE AND MAGNESIUM HYDROXIDE CHEMISTRY... 23

2.7USE OF CHEMICALS IN REFINING... 26

2.8RELATIONSHIP BETWEEN FIBRE AND FINES PROPERTIES AND PAPER PROPERTIES... 28

2.8.1 Fibre development and paper quality... 28

2.8.2 Contribution of fines to the paper quality ... 29

3 MATERIALS AND METHODS... 32

3.1PILOT SCALE TRIALS... 32

3.1.1. Conditions during the trials... 33

3.1.2. Accuracy of the specific energy demand measurement... 34

3.1.3. The ATMP process ... 35

3.2STATISTICAL METHODS... 36

(9)

ix 

3.2.1 ANOVA ... 36

3.2.2. PCA ... 37

3.3LABORATORY TESTING... 37

3.3.1 Whole pulp testing... 37

3.3.2 Physical testing of laboratory sheets... 38

3.3.3. Fibre characterisation ... 39

3.3.5. Laboratory bleaching... 40

3.4ATMP PROCESS IN MILL SCALE... 41

4 RESULTS AND DISCUSSION... 42

4.1MECHANICAL PRE-TREATMENT... 42

4.2CHARACTER OF ATMP ... 47

4.3FIBRE AND FINES PROPERTIES... 54

4.3.1. Properties of individual fibres ... 54

4.3.2. Physical properties of long fibre sheets ... 58

4.3.3. Influence of fines on the paper quality ... 60

4.4ENERGY EFFICIENCY IN REFINING... 66

4.5OPTICAL PROPERTIES AND BLEACHING EFFICIENCY... 72

4.5.1. Brightness improvement... 72

4.5.2. COD generation ... 74

4.5.3. Light scattering ... 77

5 SUMMARY AND CONCLUSIONS ... 79

6 RECOMMENDATIONS FOR FUTURE WORK... 81

7 ACKNOWLEDGEMENTS ... 83

8 REFERENCES... 85

APPENDIX 1: DATA FROM PILOT TRIALS AND LABORATORY TESTING ... 105  

(10)

x  LIST OF PAPERS

This thesis is mainly based on the following six papers, herein referred to by their  Roman numerals: 

 

Paper I  Review:  reduction  of  energy  consumption  in  refining  through  mechanical pretreatment of wood chips 

  Gorski D., Hill J., Engstrand P., Johansson L. 

  International Mechanical Pulping Conference, Sundsvall, Sweden, 2009    Nordic Pulp and Paper Research Journal, 25(2), 2010, p. 156 

 

Paper II  Improvement of energy efficiency in TMP process through selective  wood disintegration and targeted addition of chemicals  

Johansson L., Hill J., Gorski D., Axelsson P. 

  Nordic Pulp and Paper Research Journal, 26(1), 2011, p. 31   

Paper III  Peroxide‐based  ATMP  refining  of  spruce:  influence  of  chemical  conditions on energy efficiency, fibre properties and pulp quality  Gorski D., Mörseburg K., Axelsson P., Engstrand P. 

Nordic Pulp and Paper Research Journal, 26(1), 2011, p. 47   

Paper IV  Role of equipment configuration and process chemicals in peroxide‐

based ATMP refining of spruce  Gorski D., Mörseburg K., Johansson L. 

Nordic Pulp and Paper Research Journal, 26(2), 2011   

Paper V  Using  ATMP  technology  to  improve  energy  efficiency  and  pulp  quality in production of SC magazine paper 

  Gorski D., Kure K.‐A., Hill J. 

Submitted to Nordic Pulp and Paper Research Journal   

Paper VI  Brightness  improvement  in  peroxide‐based  ATMP  process  compared to conventional bleaching 

  Gorski D., Johansson L., Engstrand P. 

  Submitted to Holzforschung   

(11)

xi 

AUTHOR’S CONTRIBUTIONS TO THE MANUSCRIPTS The author’s contributions to the papers in this thesis are as follows: 

 

Paper I  Literature survey, review of the literature and writing the paper   

Paper II  Literature  survey,  analyzing  the  results  in  cooperation  with  the  other authors and writing the paper 

 

Paper III  Literature survey, planning the trials together with Lars Johansson,  Patrik Axelsson and Jan Hill, helping to conduct the trials, analyzing  the  results  in  cooperation  with  the  other  authors  and  writing  the  paper 

 

Paper IV  Literature  survey,  planning  the  trials  together  with  Lars  Johansson  and  Jan  Hill,  helping  to  conduct  the  trials,  analyzing  the  results  in  cooperation with the other authors and writing the paper 

 

Paper V  Literature  survey,  planning  the  trials  together  with  Lars  Johansson  and  Jan  Hill,  helping  to  conduct  the  trials,  analyzing  the  results  in  cooperation with the other authors and writing the paper 

 

Paper VI  Literature  survey,  planning  the  trials  together  with  Lars  Johansson  and  Jan  Hill,  helping  to  conduct  the  trials,  analyzing  the  results  in  cooperation with the other authors and writing the paper 

 

(12)

xii  RELATED PUBLICATIONS

Mg(OH)2‐based  hydrogen  peroxide  refiner  bleaching:  influence  of  extractives  content in dilution water on energy efficiency 

Gorski D., Engstrand P., Hill J., Axelsson P., Johansson L. 

64th Appita Conference, Melbourne, Australia, 2010  Appita Journal, 63(3), 2010, p. 218 

 

Combining  selective  bleaching  chemistries  and  ATMP  technology  for  low  energy  mechanical pulping at higher brightness 

Hill J., Sabourin M., Johansson L., Mörseburg K., Axelsson P., Aichinger J., Braeuer  P., Gorski D. 

7th  International  Symposium  on  Fundamental  Mechanical  Pulping,  Nanjing,  China,  2010, p. 164 

 

On  the  relationship  between  improved  energy‐efficiency  in  high  consistency  refining, fibre and fines properties and critical paper properties 

Gorski D., Mörseburg K., Kure K.‐A. 

International Mechanical Pulping Conference, Xi’an, China, 2011   

(13)

xiii  ABBREVIATIONS

TMP  Thermo Mechanical Pulping 

CTMP  Chemo Thermo Mechanical Pulping 

RTS©  TMP,  where  first  stage  refining  is  conducted  at  elevated  intensity  by using higher refiner rotational speed 

ATMP  Advanced Thermo Mechanical Pulping, a novel thermo mechanical  pulping  process  consisting  of  the  following  modifications  to  the  conventional TMP process: 

‐  Mechanical  pre‐treatment  of  chips  in  Impressafiner  and    Fiberizer units 

‐ Elevated first stage intensity (using higher refiner rotational   speed and/or feeding segment pattern) 

‐ Addition of process chemicals after chip defibration  ATMP (aq.)  No process chemicals added into the dilution water  ATMP (B)  With the addition of NaHSO3 into the first stage refiner 

ATMP (Mg+P)  With the addition of Mg(OH)2 and H2O2 into the first stage refiner  ATMP (Na+P)  With the addition of NaOH and H2O2 into the first stage refiner  ATMP (AA)  With the addition of CH3COOH into the first stage refiner 

ATMP (AA+P)  With  the  addition  of  CH3COOH  and  H2O2  into  the  first  stage  refiner 

ATMP (P)  With the addition of H2O2 into the first stage refiner 

SEC  Specific Energy Consumption (also specific energy demand)  S3A  Surface  area  index,  used  in  this  study  to  estimate  the  external 

development of individual fibres 

COD  Chemical Oxygen Demand 

SC‐paper  Super Calenderd printing paper usually used for heatset‐offset and  rotogravure  printing  wish  especially  high  demand  on  the  surface  quality 

LWC‐paper  Light Weight Coated printing paper 

PPS  Parker Print Surface, a measure of surface roughness of paper 

odt  Oven Dry Tonne 

PFI  Paper and Fibre Research Institute 

(14)

1 INTRODUCTION 1.1 Background

TMP (Thermo Mechanical Pulp) refining is a very energy‐intensive process. For  example,  the  electrical  energy  demand  in  mechanical  pulping  mills  in  Sweden,  most  of  it  utilized  in  TMP  refining,  amounts  to  approximately  5%  of  the  total  electrical  energy  used  in  the  country  (www.skogsindustrierna.org).  Substantial  improvement of electrical energy efficiency in refining is needed in order to secure  the long term operation of many TMP mills. With rapidly growing energy costs the  problem of high energy demand has become acute in recent years. 

 

Norske  Skog  ASA  is  a  major  producer  of  mechanical  pulp  in  Norway.  It  has  cooperated  with  institutes  and  universities  in  the  areas  of  energy‐efficient  mechanical pulp production for more then ten years (Kure 1999, Reme 2000).  

 

During a pre‐study for a new pulping line at Norske Skog Pisa mill in Brazil in  2002, a decision was made to look into a refiner‐based solution that would satisfy  the mill’s pulp quality specifications using local raw material (Pinus taeda). Earlier  trials showed that the conventional TMP process produced pulp with inadequate  strength  properties  at  too  high  energy  demands.  The  research  conducted  by  Norske  Skog,  Paper  and  Fibre  Research  Institute  (PFI)  and  the  equipment  manufacturer Andritz resulted in the  idea  of  a novel  mechanical pulping process  named  ATMP  (Advanced  Thermomechanical  Pulp).  A  partial  ATMP  process  is  operational in the Pisa mill since 2006.  

 

The ATMP process consists of three main features: 

 

¾ Defibration of chips into fibres and fibre bundles, achieved during  mechanical pre‐treatment in Impressafiner and Fiberizer units. 

¾ Utilization of elevated refining intensity during primary refining using  higher rotational speed and a high‐intensity segment pattern. 

¾ Selective addition of chemicals after pre‐treatment during primary  refining, aimed at improving the fibre development while not influencing  the chip defibration.  

 

FSCN  (Fibre  Science  and  Communication  Network)  is  a  multi‐disciplinary  research centre at Mid Sweden University (Sundsvall, Sweden) which has an aim  of  creating  leading‐edge  knowledge  and  foresights  for  innovative  products  and  production  systems  for  the  forest  products  industry.  In  2007,  cooperation  was  established between FSCN, Andritz, PFI and Norske Skog ASA resulting in a PhD 

(15)

project  related  to  the  ATMP  process.  The  ATMP  technology  was  commercialized  for  softwood  in  2010  and  the  first  full  scale  line  has  now  been  built  in  the  Steyrermühl paper mill in Austria (UPM Kymmene Corporation). 

 

1.2 Objectives of the study

The  goal  of  this  thesis  is  to  find  a  way  to  produce  mechanical  pulp  fibres  with  improved  quality suitable for  printing papers while at  the  same time minimizing  the energy demand in mainline high‐consistency refining. Large improvements in  refining energy efficiency were shown to be possible using the ATMP process (Hill  et al. 2009, 2010). The main objectives of this study were: 

 

¾ To evaluate the potential for energy reduction using the ATMP process  compared to the conventional TMP process for pine and spruce raw  materials. 

¾ To investigate if significant energy demand reduction is possible while  preserving important mechanical pulp and printing paper properties such  as strength combined with optical properties and surface characteristics on  similar level for the ATMP and the TMP. 

¾ To study how fibre and fines properties, important for printing paper  quality, were developed in the mainline refining in the ATMP process  compared to the TMP reference. 

¾ To evaluate the bleaching efficiency of ATMP process with hydrogen  peroxide and magnesium hydroxide as process chemicals and to compare  it to conventional high‐consistency tower bleaching simulated in 

laboratory. 

 

1.3 Hypotheses

¾ By separation of chip defibration and fibre development process it is  possible to optimize those two phases of TMP refining separately. Thereby  it is possible to achieve better energy‐efficiency in the development of the  fibre properties and produce pulp with better quality at lower energy  demand.  

¾ First stage refining of wood material, which is fiberized during 

compressive pre‐treatment, can be conducted using higher intensity and  chemical treatment without altering the character of the produced pulp,  i.e. preserving strength and optical properties typical for TMP.  

¾ The chemical system used to soften the fibre material is also able to bleach  the pulp with efficiency, comparable to conventional high‐consistency  tower bleaching. 

 

(16)

1.4 Outline of the thesis

Chapter  1  includes  introduction,  objectives  of  the  study,  hypothesis  and  the  outline of the thesis. In Chapter 2, literature related to this study is reviewed. This  chapter  also  includes  results  from  Paper  I,  which  is  a  literature  review  of  mechanical pre‐treatment, one of the key unit operations in ATMP refining 

 

Chapter  3  describes  the  experimental  methods,  used  in  this  study.  Detailed  description of statistical methods can be found in Paper II and fibre characterisation  methods in Paper III. 

 

In  Chapter  4,  main  findings  in  this  study  are  presented.  The  influence  of  the  ATMP process on the energy efficiency and pulp quality in pilot scale refining of  Loblolly pine (Pinus taeda) and White spruce (Picea glauca) is described. An attempt  is  made  to  link  the  influence  of  different  mechanisms,  employed  in  the  ATMP  process,  on  individual  fibre  properties  to  pulp  quality  and  electrical  energy  efficiency in refining. The influence of long fibre fractions and fines from different  pulps, produced in this study, on properties of laboratory sheets is also described. 

Further, a possibility to use the ATMP refining process for production of pulp for  SC  printing  paper  with  its  specific  demands  on  pulp  quality  is  explored.  Finally,  the  bleaching  efficiency  and  COD  (Chemical  Oxygen  Demand)  generation  in  ATMP  process  is  studied  and  compared  to  conventional  high‐consistency  tower  bleaching. 

 

Chapter 5 contains a summary and conclusions and Chapter 6 recommendations  for future work. 

 

(17)

2 LITERATURE OVERVIEW

In this chapter, a review of related literature is conducted. The choice of reviewed  literature is based on its relevance for the ATMP process and this thesis. In‐depth  descriptions  of  wood  raw  material,  refining  and  papermaking  processes  can  be  found  elsewhere  (Panshin  and  de  Zeeuw  1980,  Fellers  and  Norman  1992,  Sundholm 1999, Fengel and Wegener 2003). 

 

2.1 Raw material

Wood  consists  of  highly  heterogeneous  anisotropic  elements  with  a  lot  of  variations  both  within  and  between  the  trees  (Lundqvist  et  al.  2003).  Large  differences  in  such  fibre  properties  as  length,  width,  content  of  extractives  and  microfibril angle can also be found in fibres originating from the same tree. These  differences  depend  on  what  height  from  the  ground  and  where  in  the  trunk  the  fibres  originate  from  (Atmer  and  Thörnqvist  1982).  Moreover,  the  age  of  the  tree  plays an important role; younger trees consist of fibres with different properties as  compared  to  older  trees  (Sundholm  1999).  Thus,  representative  sampling  is  very  important  in  evaluation  of  fibre  and  pulp  properties.  The  differences  in  fibre  structure of Norway spruce are illustrated in Fig. 1 where it can be clearly seen that  fibres from different periods in a tree’s life have different fibril alignment and wall  layer thickness. 

 

 

Figure 1. Cell wall models of Norway spruce tracheids. a). earlywood tracheid, b).

latewood tracheid from juvenile wood, c). latewood tracheid from mature wood. Different microfibril orientation is indicated in the layers of the models (Brändström 2002).

(18)

This  thesis  is  based  on  trials  performed  using  softwood  raw  material,  mainly  White  spruce.  In  one  of  the  trials,  Loblolly  pine  was  used.  There  are  some  differences between those two softwood species, see Table 1. As can be seen, pine  and  spruce  fibres  have  approximately  similar  length  but  there  are  considerable  differences  in  fibre  width,  cell  wall  thickness  and  specific  gravity.  Pine  fibres  are  thus more rigid and coarse, have higher ratio of latewood (thick‐walled) fibres to  earlywood (thin‐walled) fibres as well as higher amount of extractives (Sundholm  1999).  

 

Table 1. Properties of White spruce and Loblolly pine (Sundholm 1999)

Property  White spruce  Loblolly pine 

Average fibre length (mm)  3.5  3.6 

Average fibre width (μm)  25‐30  35‐45 

Cell wall thickness (μm)  2.4  3.3 

Specific gravity (odg/cm3)  0.42  0.54 

Extractives content, EtOH‐Benz. (%)  2.0  3.2‐5.4 

 

2.1.1 Wood ultrastructure

Wood  is  a  highly  hierarchical  composite  material,  Fig  2.    90‐95%  of  softwood  material  consists  of  tracheids,  commonly  referred  to  as  fibres  (Huber  and  Prütz  1938). The tracheids function as mechanical support structure for the wood trunk  and  also  transport  liquid  and  minerals  up  the  stem.  This  transport  is  more  important  during the initial phase of a  tree’s life  (fibres have  higher  fibril angles,  thinner  walls  and  larger  inner  diameters),  while  mechanical  support  of  the  growing  trunk  is  more  important  in  the  later  phase  (fibres  have  smaller  fibril  angles and thicker walls). This is one of the reasons for juvenile wood fibres having  different fibre dimensions compared to mature wood fibres. In the centre of each  fibre there is a cavity, called the lumen. A thin layer of the secondary wall called S3  separates  the  lumen  and  S2.  The  main  function  of  the  S3  is  to  withstand  the  negative  pressure  in  the  lumen  caused  by  the  transport  of  liquid  upwards  in  the  trunk,  which  can  be  up  to  20  bars  (Booker  and  Sell  1998).  This  conclusion  is  supported by a study which showed that S3 layer thickness and fibril orientation  are important for the transverse properties of fibres (Bergander and Salmén 2000). 

S2 is the thickest layer of the secondary wall and contributes with as much as 70‐

80%  to  the  total  fibre  mass  (Vehniäinen  2008).  It  determines  most  of  the  stiffness  and  other  mechanical  characteristics  of  the  fibre  due  to  its  high  cellulose  content  and axially oriented fibrils. The S1 layer separates S2 layer from the primary wall,  P. Middle lamellae (M) is the amorphous layer separating wood fibres from each  other. Middle lamellae determines most of the rheological characteristics of wood  due to its low glass transition temperature.  

(19)

 

Figure 2. Schematic illustration of a softwood fibre (Persson 2000)  

Approximate  content  of  the  different  polymers  contained  in  wood  fibres  is  shown  in  Fig.  3.  This  is  historically  the  figure  used  most  often  to  describe  the  polymer  composition  of  the  fibres;  however,  considerable  advances  have  been  made in characterisation of wood fibre wall polymer structure since this figure was  produced in the 1970‐s.  

 

 

Figure 3. Different polymers, contained in wood fibre wall (Panshin and de Zeeuw 1980)  

(20)

It  was  recently  proposed  that  a  double  fibre  wall  should  be  considered  as  fundamental  building  block  of  wood  (Booker  and  Sell  1998,  Corson  2001).  The  double  wall  layer  acts  as  an  effective  energy  dissipation  structure  when  a  tree  is  subjected to mechanical stresses. The main source of mechanical stress in a tree is  the  swaying  of  the  trunk  due  to  wind,  which  causes  axial  compressions  and  vibrations. The stiff cellulose matrix in the S2 layer provides mechanical support. 

This  matrix,  with  fibrils  oriented  at  an  angle  from  the  fibre  axis,  flexes  upon  the  axial compression of the tree, see Fig. 4.  

 

 

Figure 4. Flexing of the cellulose microfibril matrix upon axial compressions, caused by swaying of a tree (Corson 2001).

 

The flexing of the S2 layers of two adjustent fibres causes shearing of the middle  lamellae,  which  dissipates  this  energy  as  heat  due  to  its  amorphous  structure. 

Stresses,  activating  this  naturally  evolved  mechanism  of  energy  dissipation  in  a  tree,  are  similar  in  many  ways  to  the  stresses  originating  from  refining  of  wood  chips. In mechanical pulp refining, the wood structure is also subjected to repeated  stressing aimed  at  liberating individual fibres (i.e. breaking  up  the material).  It  is  thus important to optimize the frequency and intensity of this cyclic stress so that  the liberation of fibres from the wood matrix happens in an energy‐efficient way,  not  trigging  the  natural  defensive  mechanisms  which  took  millions  of  years  to  evolve.  

 

(21)

2.1.2 Chemistry and reactivity of wood

Wood  polymer  composition,  previously  described  in  Fig.  3,  has  been  characterized in a lot more detail in the previous 30 years. Therefore, an updated  version, based on the literature data, is suggested, see Fig. 5.  

 

 

Figure 5. Approximate distribution of different polymers in wood fibre wall (drawn based upon Lindgren and Mikawa 1957, Marton and Adler 1961, Panshin and DeZeeuw 1970, Sorvari et al. 1986, Westermark et al. 1986, Heitner and Min 1987, Bacic et al. 1988, Suckling 1991, Peng and Westermark 1997, David and Hon 2001, Fengel and Wegener 2003, Rowell 2005, Stevanic 2008)  

The main difference, compared to Fig. 3, is a much more detailed composition of  the polymer group, previously named “hemicellulose”. An increased concentration  of  the  coniferyl‐type  lignin  structures  in  the  P1  and  S1  fibre  wall  layers  is  also  accentuated. The main purpose of the figure is not to depict all details in cell wall  composition,  but  to  illustrate  that  there  is  considerable  difference  in  reactivity  of  the different areas in the fibre wall. Coniferyl lignin structures, pectin and protein,  which are all highly reactive compounds compared to relatively inert cellulose, are  all concentrated to the P1 and S1 fibre wall layers, i.e. the outer layers in the fibre  structure.  Thus,  the  outer  fibre  layers  can  be  considered  to  be  the  most  reactive  parts  of  the  fibres.  Reactions  of  fibre  components  with  hydrogen  peroxide  and  alkali are described later in this thesis. 

 

The reactivity of different chemicals towards fibre components is also influenced  by the transport mechanisms of those chemicals in the fibres. As far as traditional 

(22)

chemical  and  chemi‐mechanical  pulping  is  concerned,  there  are  two  possible  mechanisms of chemical penetration into the chip and fibre structure, see Fig. 6: 

 

¾ Penetration into the fibre lumen and then to the middle lamellae  through the pit pores (Westermark et al. 1987, Peng et al. 1992). 

¾ Penetration into the fibre lumen and then through S3, S2, S1 and P1  fibre wall layers, perpendicular to the fibre axis. 

 

 

Figure 6. The two different ways of penetration of chemicals into fibre wall structure:

through the secondary wall layers and through the pit pores (Konn 2006)  

Note  that  both  of  these  mechanisms  imply  penetration  of  chemicals  firstly  through the lumen of the fibres and then outwards, through S3, S2, S1 and P1 fibre  walls. Penetration of chemicals through pit pores and into the amorphous middle  lamellae  regions  was  previously  reported  to  be  faster  compared  to  penetration  through the secondary fibre wall layers (Konn 2006). 

 

2.2 Conventional chip refining 2.2.1 Softening of wood

Wood at room temperature is brittle and stiff; all three main groups of polymers  are below their glass transition points. In order to process wood material without  damaging it, the wood structure needs to be softened so that relatively intact fibres  can be liberated from the wood matrix. In a traditional TMP process, this is done  by  means  of  increasing  temperature.  Increased  moisture  content  was  found  to  influence the softening temperature  of  lignin  and  hemicellulose but not cellulose,  due  to  its  crystallinity  (Goring  1963).  The  plastization  of  lignin  by  water  was  proposed  to happen  due  to  the  replacement  of  intramolecular  hydrogen  bonding  within  the  lignin  by  lignin‐water  bonding  linkages  (Irvine  1984).  Both  the 

(23)

hemicellulose  and  amorphous  phases  of  the  cellulose  matrix  are  above  their  softening points under wet conditions already at 20 °C (Cousins 1978). Thus, it is  proposed that the softening behaviour of lignin influences the refining process and  the  quality  of  produced  pulp  at  the  conditions  under  which  mechanical  and  chemimechanical pulps are manufactured (Norgren 2008). 

 

Wood is a viscoelastic material, thus its softening properties are influenced by the  frequency of the mechanical action it is subjected to. The softening temperature of  lignin  is  around  90  °C  under  normal  conditions.  However,  at  higher  loading  frequencies,  the  lignin  softening  is  shifted  towards  higher  temperature.  In  a  chip  refiner,  where  frequency  can  be  around  30‐40  kHz,  the  softening  temperature  of  lignin is approximately 130 °C (Becker et al. 1977). 

 

The softening temperature of lignin is influenced by chemical modifications. The  mechanism  is  thought  to  be  swelling  of  the  polymer  structure  through  the  introduction  of  charged  groups,  which  leads  to  higher  moisture  content.  Water  uptake in native lignin is restricted to approximately 5% (Back and Salmén 1982). 

Chemical  modifications,  such  as  sulphonation,  carboxylation  and  introduction  of  other  types  of  ionic  groups,  lead  to  increased  charge  and  increased  swelling  (Salmén and Berthold 1997). The softening temperature of a polymeric material can  thereby  be  lowered  in  proportion  to  the  extent  of  the  chemical  treatment,  see  examples  in  Figs.  7  and  8  (Atack  and  Heitner  1979,  Corson  and  Fontebasso  1990,  Salmén 1995). 

 

Figure 7. Softening temperature of residual lignin in spruce as a function of the degree of sulphonation (Atack and Heitner 1979).

 

(24)

 

Figure 8. The softening index for wood having different counterions to the charged groups as a function of the content of charged groups in wood subjected to sulphonation or peroxide treatment (Salmén 1995)

 

The  wood  softening  also  depends  on  the  counter  ion  to  the  charged  groups  (Scallan 1983, Salmén 1995, Hammar et al. 1995). More then 50% of the carboxylic  groups in softwood were shown to be bound to metallic ions (Hammar et al. 1995). 

In  the  natural  state  of  the  wood  the  counter  ions  are  calcium,  if  the  wood  was  treated  with  chemicals  they  can  for  example  be  sodium  (conventional  peroxide  beaching)  or  magnesium  (bleaching  using  magnesium  hydroxide).  Swelling  of  wood fibres is influenced by the counter ions in the following order: 

 

Li> Na> K> Ca2+ > Al3+ 

 

A  metal  counter  ion  with  higher  charge  generally  leads  to  less  softening,  less  swelling and also an increased energy demand in refining (Hammar et al. 1995).  

 

2.2.2 Mechanisms of chip refining

Refining  of  wood  chips  into  pulp  can  be  described  by  three  distinct  events  (Luhde 1962): 

 

¾ Decomposition of wood chips into a coarsely reduced form, at the entrance  of the refining zone, to ensure uninterrupted feeding 

¾ Disintegration of those coarse fibre bundles into papermaking fibres 

¾ Refining of the separated fibres   

The  conventional  TMP  refining  process  can  be  concluded  to  consist  of  two  distinct phases: defibration of wood chips into fibres and fibrillation (internal and 

(25)

external) of those fibres (Campbell 1934, Koran 1981, Kano et al. 1982, Marton and  Eskelinen 1982). Thus, the goals of the refining process are (Atack 1981): 

 

¾ To reduce wood into its constituent fibres 

¾ To retain the integrity of a considerable fraction of these fibres 

¾ To induce a desired amount of flexibility and fibrillation into the separated  fibres and fine fibre fragments 

 

In  conventional  refining,  defibration  occurs  in  the  breaker  bar  zone  of  primary  refiner, where wood chips are transformed into coarse fibre bundles. This process  involves  large  plastic  deformations  where  fibres  are  liberated  from  the  wood  matrix.  Only  a  small  fraction  of  the  total  refining  energy  is  converted  during  defibration of chips into fibres and the energy demand in defibration was reported  to  be  almost  the  same  for  all  raw  materials  (Corson  1989).  Conditions  during  defibration  are  crucial  for  determining  the  final  properties  of  the  produced  pulp  (Miles and Karnis 1995). There are two main aspects of how defibration influences  the  final  pulp  properties.  The  magnitude  of  the  plastic  deformations  during  defibration  (i.e.  refining  intensity)  influences  the  particle  size  distribution  of  the  liberated  fibres.  A certain intensity  is required to initiate the  plastic deformations  and  separate  the  fibres  from  the  wood  matrix.  Increased  intensity  leads  to  increased  amount  of  plastic  deformations  but  also  to  a  decrease  in  average  fibre  length of liberated fibres (Strand 1997). Where in the chips defibration occurs also  has a strong influence on the final pulp properties. If defibration proceeds mainly  through  the  middle  lamellae,  coarse  thick  fibres  with  intact  lignin  layers  on  the  surfaces will be liberated from the wood matrix. If the defibration proceeds deeper  inside  the  fibre  structure,  through  S1  or  S2  fibre  walls,  the  resulting  fibres  are  thinner and more fibrillated. At the same time, more fine material, originating from  the outer parts of the fibres is created. Thus, the mode of defibration influences the  starting material for further fibre development in refining. Different modes of chip  defibration are depicted in  Fig. 9.  Softening  of  wood material  prior to defibration  has major influence on where the fracture zones will be located. In a conventional  TMP  process,  where  increased  moisture  content  and  temperature  are  the  mechanisms of wood softening, the fracture zones are located within the secondary  walls  of  the  fibres  (Kibblewhite  1981,  Franzén  1984,  Johnsen  et  al.  1995).  If  wood  chips are impregnated with chemicals, as in the CTMP process, the softening due  to  swelling  of  the  reactive  middle  lamellae  and  the  primary  wall  regions  is  predominant  and  the  defibration  fracture  zones  are  located  there.  Thus  it  can  be  concluded that softening of wood has a major influence on the properties of fibres  liberated from the wood matrix during the defibration of chips.  

(26)

 

Figure 9. Fracture zones forming upon defibration of wood chips under different conditions (Franzén 1984, modified by Htun and Salmén 1996).

When  wood  chips  are  separated  into  individual  fibres,  the  second  phase  of  refining  called  fibre  development  can  start,  Fig.  10.  Those  two  stages  overlap  to  some  extent.  The  vast  majority  of  the  energy  applied  in  the  refining  process  is  converted  during  fibre  development  (Campbell  1934,  Neill  and  Beath  1963,  May  1973,  Höglund  et  al.  1976,  Leider  and  Nissan  1977,  Kurdin  1979,  Atalla  and  Wharen  1980,  Koran  1981,  Eskelinen  et  al.  1982,  Kano  et  al.  1982,  Jackson  1985,  Karnis 1994). During the fibre development phase, P and S1 layers are peeled off  the  surface  of  individual  fibres,  exposing  the  S2  layer  (Reme  2000).  This  has  two  implications;  firstly,  the  fines  fraction  is  created  from  the  peeled‐off  material  and  secondly, fibrils are created on the surfaces of the long fibres which also decrease  in  their  transverse  dimensions.  Fibre  wall  thickness  was  shown  to  be  reduced  through  progressive  refining  (Jang  et  al.  1995,  Johnsen  et  al.  1995,  Kure  1997,  Mohlin  1997).  Fibres  are  also  developed  internally  through  induction  of  small  cracks  and  delamination  points  within  the  fibre  wall  structure.  Internal  fibre  development  proceeds  through  elastic,  viscoelastic  and  small  plastic  straining  (Reme 2000). All of the mechanisms mentioned above lead to development of fibre  properties  needed  in  papermaking.  Flexible,  easily  conformable  and  collapsible  fibres  with  good  bonding  surface  are  created.  The  fines  fraction  formed  in  the  refining  process  contributes  to  the  papermaking  properties  of  the  pulps  through  increasing the bonding and light scattering power of produced paper. 

 

(27)

                       

Figure 10. Phases of mechanical pulp refining (Sundholm 1993)  

First  stage  refining  was  on  many  occasions  claimed  to  create  a  “fingerprint”  in  the final  pulp  quality (Leask 1981,  Corson  1989,  Höglund  and  Wilhelmsson 1993,  Karnis 1994, Heikkurinen et al. 1993, Stationwala et al. 1993, Høydahl et al. 1995). 

Since  it  is  the  defibration  phase  that  influences  both  the  particle  size  distribution  and the character of fibres, liberated from wood matrix, it can probably be claimed  that  it  is  more  precisely  the  defibration  phase  that  creates  that  “fingerprint”. 

Although both defibration and fibre development are today conducted in the same  equipment  (first  stage  refiner)  it  would  seem  beneficial  to  separate  these  two  refining  phases.  When  defibration  and  fibre  development  are  considered  separately, they can be optimized independently to reach better energy‐efficiency  and  quality  of  produced  pulp  at  the  same  time  as  the  “fingerprint”  or,  rather,  character of the final pulp can be controlled in a more efficient way. 

 

It was earlier concluded that the degree of softening of wood matrix has a major  influence on the properties of fibres liberated during defibration of chips. Softening  of already liberated fibres should also influence their development in the process  of refining. This has not been studied so extensively in the past due to the simple  reason that, as mentioned earlier, both defibration and fibre development proceeds  today  in  the  same  equipment.  It  was  therefore  difficult  to  obtain fibres  that  were  liberated from the wood matrix (i.e. defibrated chips), but where the development  of  their  properties  had  not  yet  started.  The  energy  needed  for  defibration,  was  calculated to be in the order of magnitude of 0.05‐0.4 MWh/odt or about 10‐20% of  the total refining energy (Van der Akker 1958, Atack et al. 1961, Lamb 1962, Neill  and  Beath  1963,  Leider  et  al.  1977,  Kano  et  al.  1982,  Karnis  1994).  In  an  earlier  study,  where  development  of  already  separated  fibres  in  a  PFI  beater  was  enhanced  with  the  help  of  different  chemicals,  reduction  of  energy  demand  in 

(28)

beating by over 50% was reported (Chang et al. 1979). Fibres were liberated from  wood matrix using 470 kWh/odt of energy, which is in the range of the theoretical  estimation  of  defibration  energy  demand.  Studies  where  fibre  softening  was  increased  prior  to  reject  refining  can  also  offer  a  clue  as  to  how  much  effect  increased  softening  has  on  energy  demand  in  fibre  development.  Both  chemicals  which  introduce  sulphonic  acid  groups  (Gummerus  1987,  Goel  1987,  Nurminen  and Sundholm 1995) and carboxylic acid groups (Sferrazza 1988, Strunk et al. 1986,  1990) as well as increased refining temperature (Höglund et al. 1997, Norgren 2008)  can  be  used  to  increase  fibre  softening.  Results  suggest  improvement  in  energy  efficiency  in  refining  by  0.2‐0.5  MWh/odt  or  10‐25  %  and  improvement  in  the  quality  of  produced  pulp.  It  can  be  concluded  that  softening  of  individual  fibres  after  chip  defibration  has  a  positive  effect  on  refining  energy‐efficiency. 

Carboxylation  during  hydrogen  peroxide  bleaching  usually  increases  the  content  of  carboxylic  groups  in  the  pulp  from  approximately  100  to  150‐200  μekv/g.  This  increase should reduce the softening index from 97 to 94‐96 RH° depending on the  counter‐ion  in  the  wood  (Salmén  1995).  In  order  to  selectively  influence  the  softening of wood material prior to fibre development but after defibration, those  two  refining  phases  obviously  need  to  be  conducted  in  separate  process  stages. 

This has been suggested on multiple occasions in the literature during the last 30  years (Salmén 1982, Sabourin 2003), but no such process exists today. 

 

2.2.3 Character and quality of refined pulp

Paper made from mechanical pulps can be characterized by high light scattering  ability,  good  strength  and  smoothness,  fairly  high  brightness  and  high  bulk  (Sundholm 1999). The combination of good strength and very high light scattering  ability is what makes thermo‐mechanical pulp unique. High light scattering ability  is  obtained  through  a  high  content  of  fine  material,  produced  during  refining  of  chips  into  pulp.  Figs.  11  and  12  illustrate  the  difference  between  different  mechanical  and  chemical  pulps.  Increased  content  of  fine  material  leads  to  increased light scattering ability due to increase in the amount of available surface. 

Note  that  the  light  scattering  ability  of  pulps  produced  using  purely  mechanical  methods (TMP, PGW and GW) is considerably higher compared to CTMP, which  was  also  produced  using  refining.  The  reason  for  this  difference  was  previously  illustrated  in  Fig.  9.  Impregnation  of  chips  with  chemicals  leads  to  defibration  in  the  middle  lamellae;  this  is  unfavourable  from  the  printing  paper  point  of  view  due to decreased fines content and therefore also light scattering ability. It can be  suggested that in mechanical pulping, the conditions under which the defibration  of chips is carried out defines the character of produced pulp.  

 

(29)

 

Figure 11. Fibre fraction distributions of different mechanical pulps (Sundholm 1999)

Figure 12. Relationships between the light scattering coefficient and freeness for various pulps (Sundholm 1999).

Mechanical  pulps  are  mainly  used  for  production  of  printing  papers.  These  papers can be characterized by good opacity and printability at low basis weight. 

The  major  grades  are  newsprint,  LWC  (light  weight  coated)  and  SC  (supercalendered) papers. CTMP is mainly used for board grades, soft tissue and 

(30)

absorbent where high bulk is required and high light scattering ability is not that  important.  The  relationship  between  light  scattering  coefficient  and  tensile  index  for  TMP  and  CTMP  is  illustrated  in  Fig.  13.  As  can  be  seen,  light  scattering  decreases  at  an  equal  tensile  index  with  increasing  degree  of  chemical  pre‐

treatment of chips; the TMP pulp looses its TMP character and becomes more and  more  “CTMP‐like”.  This  happens  because  chemical  pre‐treatment  of  chips  influences the defibration mechanisms, as discussed earlier. 

 

 

Figure 13. Relationship between light scattering coefficient and tensile index for mechanical pulps without chemical pre-treatment with sulphite (TMP) and with various degrees of sulphite pre-treatment (CTMP) (Atack et al. 1980)

 

Chemical treatment in CTMP manufacturing also has an effect on the content of  shives  in  mechanical  pulps.  As  can  be  seen  in  Fig.  14,  the  content  of  shives  in  CTMP is considerably lower than TMP. This is explained by increased defibration  of  chips  and  easier  liberation  of  fibres  from  the  wood  structure  when  chips  are  softened by the swelling action of chemicals. 

 

(31)

 

Figure 14. Development of shive content as a function of pulp freeness in mechanical (TMP) and chemimechanical (CTMP) pulping (Åkerlund and Jackson 1984).

 

The most common raw material used for production of mechanical pulps today is  spruce. Pine has several disadvantages when compared to spruce as a raw material  for  mechanical  pulping:  it  requires  10‐30  %  more  energy  to  refine  and  paper  produced from it has 10‐25 % lower tensile and tear strength (Lindström et al. 1977,  Härkönen  et  al.  1989).  These  properties  can  be  explained  by  thick‐walled  fibres  (Yuan et al. 2006, Fernando and Daniel 2008) and higher extractives content (Reme  2000). In an earlier study, it was discovered that the initial defibration mechanisms  differ significantly for spruce and pine (Fernando and Daniel 2008). Pine defibrates  easier, but further out in the fibre wall towards the middle lamellae while spruce  requires more energy to defibrate, but the fracture occurs closer to the lumen. 

 

2.3 Mechanical pre-treatment

There are a number of publications dealing with compressive pre‐treatment prior  to refining but few of them give a comprehensive overview of what has been done  in this field. A review paper (Paper I) was written on this subject. 

 

There exists a certain contradiction in the description of the goals of conventional  chip refining. In the defibration phase, large plastic deformations in the chips are  desired  since  these  are  the  mechanism  of  chip  defibration.  During  the  fibre  development, on the other hand, large plastic deformations often mean that fibres  are  damaged  and  average  fibre  length  is  decreased  (Koran  1980).  Carefully  induced  small  plastic  and  elastic  cyclic  deformations  are  better  suited  for  fibre  development  (Salmén  et  al.  1985,  1997).  This  is  called  fatigue  and  it  is  the  main  mechanism  of  refining  used  today  both  for  defibration  and  fibre  development  (Hartler 1980). However, fatigue is obviously not the most effective way to induce 

(32)

large plastic deformations (i.e. to defibrate chips) since a lot of energy is converted  to heat in a cyclic fashion. It would be theoretically possible to achieve defibration  in a more effective process than refining, via a process that would utilize a lower  number  of  stressing  cycles  (thereby  minimizing  energy  conversion  to  heat)  and  higher stress amplitude to induce permanent plastic deformations. This would also  probably  be  more  energy‐efficient  in  respect  to  the  natural  energy‐dissipation  mechanism that exists in a tree and prevents the structure from being damaged by  low‐amplitude high‐frequency stresses originating from swaying of the tree trunk. 

 

Effects of compressive pretreatment on wood morphology and energy demand in  refining  were  first  described  in  a  study  of  axial  pre‐compression  of  Western  hemlock blocks (Frazier and Williams 1982). Reductions in energy demand by 0.16  MWh/odt  (9  %)  for  TMP  and  0.7  MWh/odt  (40  %)  for  CTMP  were  achieved. 

Energy‐efficient  separation  of  chips  through  cracks  within  S1  or  S2  fibre  walls,  resulting  from  the  pre‐compression,  was  thought  to  explain  the  better  pulp  properties  and  reduction  of  energy  demand  observed.  If  the  fibres  are  more  separated from one another already at the refiner inlet, more of the refiner energy  can be directed to developing fibre properties instead of separating the fibres in a  less efficient way. Formation of cracks within the S1 and S2 fibre walls as a result of  compressive pre‐treatment was described also in later studies (Sabourin 1998, Kure  et al. 1999, Johansson and Dahlqvist 2001), see example in Fig. 15. 

 

 

Figure 15. Cross-sectional SEM images of wood chips subjected to compressive pre- treatment. The chips in image “b” and “d” are treated with bromium, making the lignin-rich middle lamellae to appear bright compared to the rest of the fibre wall (Kure et al. 1999)

 

(33)

Axial  pre‐compression  was  proposed  to  lead  to  shearing  of  S1,  P  and  middle  lamellae between the S2 layers of adjacent cell walls (Booker and Sell 1998). Upon  the  shearing  action,  fibre  wall  delamination  occurs  at  the  weakest  point  which  depends  on  fibril  angle,  chemical  composition,  fibre  wall  thickness  and  ambient  conditions.  Other  studies,  where  reduction  of  electrical  energy  demand  was  achieved,  were  conducted  using  different  equipment  such  as  plug  screw  feeder  (Thornton  and  Nunn  1978),  Bi‐Vis  twin  screw  (de  Choudens  and  Anglier  1987,  Kurdin  and  Tantalo  1987,  de  Choudens  et  al  1989)  and  PREX  impregnator  (Peng  and Granfeldt 1996, Johansson et al 1999). A number of studies of compressive pre‐

treatment were conducted using the Andritz RT Impressafiner, Fig. 15, which was  also  used  as  part  of  compressive  pre‐treatment  in  this  study  (Kure  et  al.  1999,  Robertsen  et  al.  2001,  Sabourin  1998,  Sabourin  et  al.  2003).  Reduction  of  energy  demand in subsequent refining by 5‐15 % or 0.1‐0.3 MWh/odt could be achieved. 

Better  results  were  reported  to  be  obtained  with  pine  raw  material  compared  to  spruce (Robertsen et al. 2001). This could have been explained by the differences in  defibration behaviour between pine and spruce chips (Fernando and Daniel 2008). 

Other advantages of using the compressive pre‐treatment of chips prior to refining  include  more  even  moisture  content  (Johansson  et  al.  1999),  more  homogeneous  chip  size  distribution  (Kurdin  and  Tantalo  1987)  and  improved  mass  transfer  of  chemicals (de Choudens et al. 1985). Compressive pre‐treatment of wood chips is  also  an  effective  way  of  removing  extractives  (Tanase  2009).  Extractives  in  wood  are contained in resin canals and in parenchyma cells. Compressive pre‐treatment  of  wood  leads  to  a  release  of  extractives  from  the  wood  structure  (Thornton  and  Nunn 1978). It was earlier determined that more then 70% of the parenchyma cells  were intact after compression of wood, while more then 90% were damaged after  1st stage refining (Cisneros and Drummond 1995). Thus, pre‐compression of wood  leads to a release of extractives, contained mainly in the resin canals (Tanase 2009). 

Extractives  are  known  to  interfere  with  refining  and  possibly  have  a  negative  impact on energy consumption in refining and pulp quality (Engstrand et al. 1995,  Reme 2000, Svensson 2007). 

  Figure 16. RT Impressafiner (Andritz AG).

 

 

2.4 Refining at increased intensity

The  most  common  quantitative  description  of  refining  action  is  the  Specific  Energy,  i.e.  applied  net  power  per  fibre  mass  throughput.  However,  this 

References

Related documents

This resulted High consistency after the FZ resulted in lower values in both tensile index and fibre length, as well as higher specific energy, which resulted in a low TI/SE

Fibrillation index showed a small increase and the fiber wall thickness increased slightly in this LC-refining, as evaluated with the BIN procedure, which was not seen

Sabourin also reported reduction of up to 21-24% of electrical energy consumption using a combination of mechanical Impressafiner pre-treatment and RTS

Since mechanical pre- treatment is an important part of ATMP refining, it is reasonable to believe that the reduction in energy demand could also be somewhat lower when spruce

Measured differences in fibre specific surface area index and bendability between TMP and ATMP pulps were thus translated into sheet properties, and reflected the

Furthermore, this work gives guidance into what type of ILs might be suited as pretreatment solvents for different cellulosic materials, including amorphous and

“on-site” production possible; Investigation into the challenges facing IL pretreatment of (ligno)- cellulose such as possible depolymerization of cellulosic material

As energy prices will continue to rise long term it is very important to come up with suggestions to efficiency-improving solutions based on modifications of the