VERFAHREN ZUR ENTFERNUNG VON FESTSTOFFEN AUS EINER FASERSTOFFSUSPENSION DURCH FLOTATION

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Feststoffen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch Flotation wird ein Schaum oder Schwimmschlamm gebildet, der die auszuscheidenden Stoffe enthält und abführt. Ein typischer Anwendungsfall für solche Verfahren ist die Aufbereitung von einer aus bedrucktem Altpapier gewonnenen Suspension, in der die Druckfarbenpartikel bereits von Fasern abgelöst sind, so dass sie sich ausflotieren lassen. Dabei wird in der Faserstoffsuspension oft eine Faserstoffdichte (Fasermenge bezogen auf die Gesamtmenge) eingestellt, die zwischen 0,5 % und 2 % liegt, vorzugsweise zwischen 0,8 % und 1,2 %. Der hier beschriebene Flotationsvorgang nutzt die Unterschiede zwischen Papierfaserstoff und auszuscheidenden Feststoffen, insbesondere von unerwünschten Störstoffteilchen in der Art, dass der Faserstoff auf Grund seines eher hydrophilen Charakters in der Fasersuspension verbleibt, während die angesprochenen Störstoffteilchen hydrophob sind und deshalb zusammen mit den Luftblasen in den Schaum gelangen. Dabei werden also nicht alle Feststoffe ausflotiert, sondern Fasern von Verunreinigungen getrennt. Der oft benutzte Begriff "Flotationsdeinking" wird in der Regel nicht nur für die Entfernung von Druckfarbenpartikeln (ink = Druckfarbe), sondern auch allgemeiner für die Flotation von feinen Stoffen aus Faserstoffsuspensionen verwendet. Solche Stoffe sind neben den erwähnten Druckfarben weitere Verunreinigungen, insbesondere Kleber, feine Kunststoffpartikel und eventuell auch Harze. Auch das kontrollierte Ausflotieren von mineralischen Füllstoffen ("Asche") kann eines der Verfahrensziele sein.

Der Stand der Technik bezüglich Flotationsverfahren für Faserstoffsuspensionen ist bereits sehr weit fortgeschritten. Daher gibt es Lösungen, welche durchaus geeignet sind, Feststoffpartikel in der gewünschte Art und Menge durch Flotation zu entfernen. Allerdings werden gute Flotationsergebnisse mit einem relativ hohen Aufwand erkauft, insbesondere was Apparaturen, Betriebsmittel und Energie betrifft. Das Problem ist die Erfüllung zweier Anforderungen, nämlich einerseits die vollständige Entfernung aller auszuscheidenden Stoffe, in der Regel also der Störstoffe und andererseits die Vermeidung von Verlusten, also der ungewollten Ausscheidung von Stoffen, die für das später herzustellende Produkt herangezogen werden sollen. In der Flotations-Praxis lassen sich diese beiden Ziele nur mit komplexen Verfahren gleich gut erreichen.

Um beim Flotieren sowohl eine optimale Abtrennung flotierbarer Stoffe als auch einen sehr geringen Verlust zu erzielen, kann mit mehrstufigen Anlagen gearbeitet werden. Dabei durchströmt die Faserstoffsuspension zumeist mehrere zu einer Flotationsstufe gehörende Flotationskammern oder Flotationszellen nacheinander bis im Durchlauf, also dem Gutstoff die geforderte Stoffentfernung erreicht ist. Da der Überlauf, also der Flotationsschaum, der in dieser Flotationsstufe gebildet wird, noch einen beträchtlichen Anteil von beispielsweise Papierfasern enthält, wird er als Einlauf in eine weitere Stufe geführt. Üblicherweise spricht man dann von einer ersten und zweiten Flotationsstufe oder auch von Primär- und Sekundärflotation. Der Durchlauf, also der Gutstoff der zweiten Flotationsstufe kann dem Zulauf der ersten Flotationsstufe wieder zugegeben werden. Es gibt auch Fälle, in denen der Durchlauf der zweiten Stufe dem Durchlauf, also dem Gutstoff der ersten Stufe zugemischt wird. Der in der zweiten Stufe erzeugte Flotationsschaum kann dann entsorgt oder falls er doch noch zu viele Fasern enthält, einer dritten Stufe zugeführt werden. Flotationskammern oder -zellen für die zweite Flotationsstufe sind zumeist ähnlich oder gleich aufgebaut wie die für die erste Stufe, ihre Anzahl ist aber bedeutend geringer. Typische Anlagen haben fünf oder sechs Flotationszellen in der Primärstufe und eine oder zwei in der Sekundärstufe.

Die DE 101 25 978 C1 beschreibt ein Flotationsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der Teil-ströme abgezogen und an anderen Stellen der Anlage wieder zugegeben werden, insbesondere wird Flotationsschaum in die Fasersuspension von stromaufwärts geschalteten Flotationszellen zurückgeführt. Weitere Flotationsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind aus den EP 1 416 086 A2, EP 1 262 593 A1, DE 10 2007 060 736 A1 und DE 103 29 883 A1 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Aufwand zur Durchführung des Verfahrens zu reduzieren, ohne dass Einbußen bezüglich der Trennwirkung auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch das neue Verfahren wird in mindestens einer ausgewählten Flotationskammer eine Schaumschicht mit beträchtlich vergrößerter Schaummenge gebildet. Dabei kann akzeptiert werden, dass der zusätzlich eingeführte Flotationsschaum auf Grund der Verfahrensführung noch restliche Fasern enthält. Diese können zusammen mit dem absinkenden Wasser zwischen den Gasblasen in die darunter liegende Faserstoffsuspension abfließen (Schaumdränage).

Außerdem wird durch das Verfahren die Stabilität der Schaumschicht verbessert, da zu dieser weitere Flüssigkeit zugeführt wird, was wiederum eine höhere Schaumschicht zulässt. Durch eine relativ feuchte hohe Schaumschicht wird die Schaumdränage erleichtert, also der Faserverlust entscheidend reduziert.

Das neue Verfahren hat im Wesentlichen den Vorteil, dass die Anzahl der Flotationszellen geringer sein kann, insbesondere wenn die zu flotierende Faserstoffsuspension als erstes in die schaumaufnehmende Flotationskammer geführt wird. Der darin gebildete Flotationsschaum hat normalerweise den höchsten Verschmutzungsgrad, er wird mit dem - weniger verschmutzten - eingeführten Flotationsschaum ergänzt, ohne dass dieser den eigentlichen Flotationsvorgang in dieser Flotationskammer noch belastet. Der Flotationsprozess ist grundsätzlich nur ein statistischer Vorgang (Flotations-Wahrscheinlichkeit). Anders als es bei einer erneuten Flotation in einer weiteren Stufe wäre, wirkt es sich bei der Erfindung vorteilhaft aus, dass der rückgeführte Schaum in die stark gashaltige mit kugelförmigen Blasen durchsetzte Schaumschicht der ersten Flotationskammer geführt wird.

Der wieder einzuführende Flotationsschaum kann zweckmäßiger Weise entlüftet werden, damit er mit einer Schaumpumpe gefördert werden kann. Diese Entlüftung kann aber geringer sein (Teilentlüftung), als wenn der Flotationsschaum zusammen mit einer Faserstoffsuspension gepumpt werden sollte.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1

ein einfaches Verfahrensschema zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. 2

eine übliche Flotationszelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3

eine spezielle Flotationszelle mit Schaumeinführung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4

ein Verfahrensschema mit insgesamt 5 Flotationszellen;

Fig. 5

eine Variante des in Fig. 4 gezeigten Verfahrensschemas;

Fig. 6

eine mögliche Anwendung des Verfahrens bei einer mehrstufi-gen Flotationsanlage;

Fig. 7

eine Variante, bei der zwei schaumaufnehmende Flotationskammern verwendet werden;

Fig.8-13

je eine weitere mögliche Flotationszelle mit Schaumeinführung.

Fig. 1 zeigt ein einfaches Schema mit einer Flotationskammer 1, in die die zu flotierende Faserstoffsuspension S eingespeist wird. Dabei ist hier die Vermischung mit Gas nicht dargestellt. Der Durchlauf A1 dieser Kammer wird in eine weitere Flotationskammer 2 geführt. In beiden Flotationskammern 1 und 2 wird jeweils Flotationsschaum 3 bzw. 4 gebildet. Der Flotationsschaum 4 der zweiten Flotationskammer 2 wird als Überlauf abgezogen und in den Flotationsschaum 3 der ersten Flotationskammer 1 geführt, wozu hier eine teilentgasende Schaumpumpe 6 dient. Der Durchlauf A2 der zweiten Flotationskammer 2 ist entweder der Gutstoff der Flotationsanlage, oder er wird noch weiter flotiert. Der Überlauf der ersten Flotationskammer wird als Rejekt R1 entsorgt.

Da die Aufgabe der ersten Flotationskammer 1 (Fig. 1) etwas anders ist als die der zweiten Flotationskammer 2, kann es sinnvoll sein, die Flotationszellen für diese unterschiedlichen Zwecke auch unterschiedlich auszugestalten (s. hierzu z. B. die Figuren 2 und 3).

Üblicherweise wird man mehr als zwei Flotationskammern verwenden (s. hierzu die Fig.4, 5, 6 und 7), um das Verfahren im industriellen Maßstab anzuwenden.

In Fig. 2 ist der Schnitt durch eine die Flotationskammer 2 enthaltende Flotationszelle mit ovalem Querschnitt dargestellt, einer Form, die sich als besonders günstig erwiesen hat. Die Faserstoffsuspension S wird in die Mischvorrichtung 10 eingepumpt und mit dem Gas L, in der Regel Luft unter Bildung von Gasblasen intensiv vermischt. Mit Vorteil ist die Mischvorrichtung 10 exmittig in der Flotationskammer 2 angeordnet und taucht in die belüftete Faserstoffsuspension S' ein. Dabei wird das Gas L durch Injektionswirkung angesaugt und mit der Faserstoffsuspension S' vermischt. Das Gas L kann aus der Flotationszelle oberhalb des Flotationsschaumes 4 direkt entnommen werden. Der aufsteigende Flotationsschaum 4 nimmt die zu flotierenden Feststoffe, insbesondere Störstoffe wie Druckfarbenpartikel, Kunststoffteilchen oder Harze auf und fließt über das vorzugsweise einstellbare Schaumwehr 9 in eine Schaumrinne 8 ab. Er bildet somit den Überlauf dieser Zelle und wird als Rejekt R2 ausgeleitet. Der Durchlauf, also der Gutstoff A2 wird im unteren Teil der Flotationskammer 2 abgenommen.

Fig. 3 zeigt eine für das erfindungsgemäße Verfahren speziell ausgestaltete Flotationszelle. Sie weist oberhalb der Grenzfläche zwischen Suspension S und Schaum, also oberhalb des Suspensionsspiegels 5 einen Schaumsammelraum 11 mit relativ großem Volumen auf. In diesen Schaumsammelraum 11 münden die Zuläufe für den einzuführenden Flotationsschaum 4, der aus einer anderen Flotationskammer stammt und sich mit dem hier aufsteigenden Flotationsschaum 3 vermischt. Für die Einführung des Flotationsschaumes 4 ist exemplarisch ein gelochtes Rohr 12 angedeutet, es sind aber auch andere Möglichkeiten, wie z. B. oben offene Rinnen 19 (s. Fig. 8) vorstellbar. Im Allgemeinen ist anzustreben, dass der Flotationsschaum 4 bei seiner Einführung flächenhaft verteilt wird, wobei diese Fläche etwa rechtwinklig oder leicht schräg zu Steigrichtung des Flotationsschaumes 3 liegen kann, sich aber nicht notwendiger Weise über die ganze Flotationskammer 1 erstrecken muss. Beispielsweise kann eine waagerechte Verteilung erfolgen, die mindestens 30% der waagerechten Querschnittsfläche der Flotationskammer 1 im Zugabebereich erfasst. Der Flotationsschaum 4 wird in einem Bereich in den Flotationsschaum 3 eingeführt, der hier vom Suspensionsspiegel 5 einen in Steigrichtung des Flotationsschaumes 3 gemessenen positiven Abstand 7 hat. Ein solcher Abstand 7 kann beispielsweise zwischen 100 mm und 1000 mm liegen. Bei dem Verfahren nach Fig. 9 erfolgt die Einführung oberhalb des aufsteigenden Flotationsschaumes 3. Bei dem Verfahren nach Fig. 10 wird die Einführung des Flotationsschaumes 4 unterhalb des Suspensionsspiegels 5 also mit negativem Abstand 7 vorgenommen. Die Verhahren nach Fig. 9 und 10 sind keine Ausführungsbeispiele der beanspruchten Erfindung. Mit Vorteil wird der Schaumsammelraum 11 teilweise von Schaumführungsflächen begrenzt, die den aufsteigenden Flotationsschaum leicht anstauen und seitlich zur Schaumrinne 8 führen. Dadurch wird die Schaumdränage weiter verbessert. Die Schaumführungsflächen können durch eine schwenk- oder verschiebbare Wand 22 einstellbar sein, um die Schaumflüsse zu beeinflussen bzw. zu regeln (s. Fig.11). Durch Verstellen des Schaumwehres 9 lassen sich die Schaumhöhe und damit insbesondere die Schaumentwässerung beeinflussen.

Es kann von Vorteil sein, den in der Flotationskammer 1 gebildeten Flotationsschaum 3 nicht vollständig mit dem eingeführten Flotationsschaum 4 zu vermischen.

Der nicht vermischte Anteil kann dann z. B. durch ein einstellbare Schaumklappe 20 (s. Fig. 12) in den Rejekt 1 gelangen oder direkt dem einzuführenden Flotationsschaum 4 zugeführt werden (Pfeil 21 in Fig. 12).

Es gibt bereits apparative Lösungen, die dazu dienen, die zu flotierende Suspension in den bereits entstandenen Flotationsschaum einzuführen, wie sie z. B. aus der EP 1 029 975 A1 und der DE 198 23 053 C1 bekannt sind. Solche oder ähnliche Apparate können auch für das neue Verfahren geeignet sein.

Eine erfindungsgemäße Flotationsanlage kann, wie Fig. 4 zeigt, eine erste Flotationszelle mit der Flotationskammer 1 umfassen sowie vier weitere Flotationszellen mit jeweils einer Flotationskammer 2, 2',2" oder 2"'. Die zu flotierende Faserstoffsuspension S wird in die erste Flotationskammer 1 eingepumpt und mit einer hier nicht gezeigten Mischvorrichtung begast, so dass sich der Flotationsschaum 3 bildet. Der Durchlauf A1 dieser Zelle wird mit einer Stoffpumpe 13 (Kreiselpumpe) in die nächste Flotationskammer 2 gefördert, in der wiederum zunächst die Begasung und dann die Flotation stattfinden. Diese Vorgänge wiederholen sich bei den Flotationskammern 2', 2" und 2'''. Der letzte Durchlauf ist der Gutstoff A der Anlage. Die Überlaufe der Flotationskammern 2, 2', 2" und 2''' werden in einer gemeinsamen Schaumrinne gesammelt und als Flotationsschaum 4 in den Flotationsschaum 3 der ersten Flotationskammer 1 eingeführt. Dabei kann auch z.B. zu Regelzwecken ein Teil des Flotationsschaums 4 abgezweigt und insbesondere dem Zulauf zur ersten Flotationskammer 1 zugemischt werden, was hier durch eine gestrichelte Linie 14 mit Regelventil angedeutet ist. Der in der ersten Flotationskammer 1 anfallende Überlauf wird als Rejekt R entsorgt. Die Schaumpumpe 6 kann als Entgasungspumpe ausgeführt sein, hier mit Gasrückführung L2 in die Flotationskammer 2"'. Gemäß Fig. 5 kann an Stelle einer Entgasungspumpe ein an sich bekannter Schaumzerstörer 15, der zum Aufreißen der Gasblasen dient, sowie ein sich anschließender Schaumtank 16 verwendet werden.

Auch wenn mit mehreren Stufen flotiert werden soll, kann die Erfindung vorteilhaft verwendet werden. So zeigt die Fig. 6 eine Flotationsanlage mit standardmäßig betriebenen fünf in Reihe geschalteten Flotationskammern 17, 17', 17", 17''' und 17'''', die als erste Stufe dienen, und wobei die zu flotierende Faserstoffsuspension S der ersten Flotationskammer 17 zugepumpt wird. Der Flotationsschaum 18 der ersten Stufe wird als Faserstoffsuspension S'' in den Zulauf einer der zweiten Stufe zuzurechnenden Flotationskammer 1 geführt, hier nach einem Schaumzerstörer 15 und einem Schaumtank 16. Die zweite Stufe enthält eine zweite Flotationskammer 2, die mit dem Durchlauf A1 der ersten Flotationskammer 1 beschickt, und in der der Flotationsschaum 4 gebildet wird. Über die Schaumpumpe 6 wird der Flotationsschaum 4 in der Flotationsschaum 3 eingeführt. Der Durchlauf A2 der Flotationskammer 2 gelangt hier in den Zulauf zu ersten Stufe, und der Überlauf der Flotationskammer 1 kann als Rejekt R entsorgt werden.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens wird in Fig. 7 dargestellt. In diesem Fall werden zwei, insbesondere die ersten beiden Flotationskammern 1 und 1' so betrieben, dass der jeweils darin sich bildende Flotationsschaum 3 bzw. 3' mit wieder eingeführtem Flotationsschaum versorgt wird, wobei hier das Beispiel der direkten Zugabe dargestellt ist. Eine andere Möglichkeit ist der Figur 8 entnehmbar. Die Überläufe R1 und R1' können entsorgt werden. Die beiden Flotationskammern 1 und 1' sind in Reihe geschaltet, d. h. der Durchlauf A1 der ersten Flotationskammer 1 wird in die nächste Flotationskammer 1' gepumpt und über eine Mischvorrichtung erneut begast. Stromabwärts folgen dann die Flotationskammern 2, 2' und 2", in die kein Flotationsschaum geführt wird.

Fig. 13 zeigt einen Apparat zu Säulenflotation, bei dem also der Flotationsschaum mit leichtem Überdruck aus dem Gehäuse entfernt wird. Dieser Apparat weist eine Flotationskammer 1 auf. Auch hiermit lässt sich die Erfindung realisieren, wenn in den entstehenden Flotationsschaum 3 z. B. über mindestens ein gelochtes Rohr 12 (oder auch offene Rinnen, s. Fig. 8) der in einer anderen Flotationskammer erzeugte Flotationsschaum 4 eingeführt wird. Optional kann von oben Wasser W zur Stabilisierung des Flotationsschaumes zugegeben werden.