WO2005017251A1 - Verfahren zur herstellung von faserplatten aus feuchter biomasse - Google Patents

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WO2005017251A1
WO2005017251A1 PCT/CH2004/000521 CH2004000521W WO2005017251A1 WO 2005017251 A1 WO2005017251 A1 WO 2005017251A1 CH 2004000521 W CH2004000521 W CH 2004000521W WO 2005017251 A1 WO2005017251 A1 WO 2005017251A1
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Stefan Grass
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21B—FIBROUS RAW MATERIALS OR THEIR MECHANICAL TREATMENT
    • D21B1/00—Fibrous raw materials or their mechanical treatment
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21J—FIBREBOARD; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM CELLULOSIC FIBROUS SUSPENSIONS OR FROM PAPIER-MACHE
    • D21J1/00—Fibreboard

Definitions

  • the present invention is in the field of processing moist biomass into industrially usable products, in particular for the production of fiberboard for the construction sector.
  • moist biomass encompasses vegetable material that is processed in the ' moist state. This includes monocotyledonous plants, in particular all types of grasses, including cereals which have been harvested moist (ie before ripening) such as wheat, barley, oats, rye and millet as well as sugar cane, millet and maize. Also included are broad-leaved plants such as alfalfa, clover and others, as well as products or residues from processing plants such as wood fibers or bagasse from the processing of sugar cane or millet.
  • the definition "moist” refers to a dry matter content of the biomass from 10-50%. The biomass can be processed fresh from the harvest, withered or temporarily stored (also ensiled).
  • fiberboard is used to summarize panels of different thicknesses and densities, which are used as insulation materials to protect against cold and heat or as mechanically resilient panels of higher density. To express the desired properties, these panels are sometimes made into 2 or 3-layer panels edited.
  • the production of boards of different thicknesses and densities from wood fibers has been an established industry worldwide for decades.
  • the treated raw material wood is treated with steam and the fibers are then ground in a refiner.
  • the plates are produced by placing the fibers in a non-dewatered state as an endless fleece on a screen belt, followed by dewatering, pressing and drying the plates.
  • the panel strength is due to the adhesive effect of the lignin contained in the raw material, which is heated above its softening point by the steam treatment and an adhesive effect when cooling or solidifying
  • the raw material is first described in Addition of organic solvents dissolved in a pulper, then further comminuted in a sealant pulper and a de-stipper, and then further delignified with the addition of ethanol or methanol, oxygen, anthraquinone and alkali •
  • WO 01/45523 describes a process for separating plant biomass in a liquid phase and a solid-containing phase with a fibrous consistency. The basis is the generation of a speed gradient in a flowing suspension. A macerator is described for carrying out the method.
  • the invention therefore has the following objects:
  • the method according to the invention therefore has the following steps: (a) raw material preparation and metering; (b) defibration of the raw material; (c) fiber removal and mechanical dewatering to 30-45% dry matter; (d) Plate making from the mechanically dewatered fibers.
  • the plate production follows the following procedure:
  • Page 3 e at least approximately complete opening of the fiber lumps after the mechanical dewatering; f) metering and mixing in of aggregates; g) formation of a fiber bed with a uniform layer thickness; h) pressing the fiber bed to a desired thickness or density; i) Uniform vapor deposition of the fiber bed until a temperature of over 60 ° C., preferably of 80-100 ° C., is reached over the entire cross section.
  • the method according to the invention thus has two sub-methods, namely
  • the device according to the invention comprises: a preferably rectangular frame (1) for receiving a fiber bed (2), the frame being able to be arranged above an air-permeable support means (3), a pressing device (8) for pressing the fiber bed (2) against the support means ( 3), the device having means for introducing steam (5,7) and means for introducing drying air (6,7) into the fiber bed and means for extracting steam or drying air (9,10) from the fiber bed (2) ,
  • insulation boards and building boards as well as non-woven fabrics can be produced.
  • Insulation boards have a lower density, for example 50-180 kg / m 3 , preferably 70-130 kg / m 3 .
  • Building boards have a higher density, for example 130-300 kg / m 3 , preferably 150-250 kg / m 3 .
  • the length and width of the panels are between 50 and 200 cm.
  • the thickness of the plates is between 30 and 200 mm. In a further processing step, these plates can also be used to produce, for example, 2- or 3-layer plates that are mechanically very robust.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a process sequence according to the invention
  • FIG. 2 an apparatus for producing plates according to the invention.
  • the fibers are prepared and processed in accordance with the following procedure (cf. FIG. 1).
  • the specific information relates to the tested raw materials fresh grass, grass silage and corn silage.
  • the raw material is metered into a stirred storage tank and processed into a suspension of 0.5-2% (fresh grass, grass silage) or 3-7% dry matter (corn silage). This suspension is fed to a stripper.
  • De-strippers are used in many places in the fiber industry to dissolve fiber knots.
  • the raw material After one or more passes through a stripper, the raw material is sufficiently well separated with a fiber length of 5-50 mm.
  • Fig. 1 two deflashers connected in series are shown to illustrate this situation.
  • the fibers After fiber separation, the fibers are removed from the suspension and mechanically dewatered to a dry matter content of 30-50%.
  • the liquid phase is partly reused as process water and partly used for further use (e.g. biogas or ethanol production, animal feed).
  • the dewatered fiber lumps are broken up by a suitable device (e.g. impact mill, card, or a combination thereof).
  • the defibration can also be carried out by another method described in the literature.
  • the choice of another process may be necessary if the raw material is further lignified and if a purely mechanical pulping process does not result in satisfactory defibrillation.
  • One way of carrying out the method is to provide and process a mixture of fibers of different origins.
  • suitable for admixing to the fibers produced according to the invention are e.g. Wood fibers, other fibers of agricultural origin (e.g. flax fibers, hemp fibers, others) or other materials that are used for the production of insulation material.
  • additives are added (if necessary), which are mixed into the moist fiber material as dry powder and adhere directly and permanently there.
  • Suitable additives are substances which have a flame-retardant or a fungus-suppressing effect.
  • it can be substances that give the plate a specific expression, e.g. Additives that increase the strength of the panels and thus open up further application options.
  • clay powder, gypsum, boron-containing flame retardants, synthetic fibers, sodium nitrite, cellulose derivatives, starch and adhesives made therefrom, and others are suitable.
  • a frame 1 with the desired dimensions of length and width is filled uniformly with a predetermined mass of moist, open fibers, whereby a fiber bed 2 is created.
  • the frame has no floor, so that the fiber bed 2 comes to lie directly on an air-permeable support means 3 located under the frame.
  • a press plate 4 is installed above the frame 1 so that it can be sunk into the frame 1.
  • the press plate 4 is equipped with: • a connection 5 for the supply of steam • a connection 6 for the supply of drying air • recessed nozzles 7, which are evenly distributed over the entire contact surface of the plate 4 and with the supply of steam and drying air in one here
  • Connections or distribution lines not defined in more detail are • a pressing device 8, via which the fiber bed 2 is compressed and thus compressed to the desired plate thickness x.
  • Probes for pressure, temperature and flow measurement are for a targeted use of the
  • the press plate 4 can be specifically designed so that the steam dries before being introduced and thus the formation of condensate is prevented. Preventing condensation is desirable because the moisture content of the panel will facilitate subsequent processing
  • the material for the parts touching the product must be selected so that in the
  • the press plate 4 When the apparatus is operating, the press plate 4 is first set to the desired plate thickness x via the press device 8. Then 5 steam is in via the steam feed line
  • FIG. 1 is of course only a schematic representation of the facilities and processes according to the invention.
  • drying with air can become obsolete if there is sufficient vaporization and sufficient ventilation.
  • Media supply and discharge can just as easily be implemented in reverse as shown in Fig. 1 (i.e. supply of steam and air from below).
  • the process steps "vapor deposition” and “drying” can equally well take place in two separate apparatuses, the drying e.g. can also be supported by the use of microwaves.
  • the above principle can also be implemented as a continuous plate line.
  • the fibers made from corn silage also contain bast that has broken down into fine particles and fragments of the spindles. This material is mainly because of these accompanying substances in the present form for the production of light insulation boards much less suitable than grass fibers. A separation of fine material, fibers and fragments, e.g. by means of airflow sieving, will significantly improve the usability of the fiber fraction for plate production.
  • the fibers made from millet also contain decaying bast with a relatively small grain diameter. A separation from the bast is advisable for the use of these fibers.
  • Page 9 c The effort for drying the plates with air is significantly reduced by the described method. This reduction results on the one hand from the fact that water vapor-saturated air and condensate are drawn off from the plate during the steaming and the moisture content of the plate drops in the course of the steaming. On the other hand, the vaporization results in an increase in the temperature of the fiber material and the moisture contained therein to 80-100 ° C. and thus a reduction in the heat of vaporization to be used for drying. It is conceivable that after steaming, no further drying of the fibers with air is necessary.
  • the described method can be implemented in batch operation or in continuous operation.
  • the plates are shaped before the plate is stamped and dried.
  • the manufacturing units are inexpensive and can be supplemented with additional units as the product demand increases.
  • the implementation of the process in a continuously operated plate line is advantageous for larger to large production capacities.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Dry Formation Of Fiberboard And The Like (AREA)

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung von Faserplatten aus feuchter Biomasse, bestehend aus den Schritten (a) Rohstoffaufbereitung und Zerfaserung und (b) Plattenherstellung aus den Pflanzenfasern, gekennzeichnet dadurch, dass die Plattenherstellung nach folgendem Vorgehen erfolgt: b1) zumindest annähernd vollständiges Öffnen der Faserklumpen; b2) Bildung eines Faserbettes mit gleichmässiger Schichtdicke; b3) Verpressung des Faserbettes auf eine gewünschte Dicke bzw. Dichte; b4) Gleichmässige Bedampfung des Faserbettes, bis über den gesamten Querschnitt eine Temperatur von über 60°C, vorzugsweise von über 80°C erreicht ist. Das Verfahren ist geeignet zur Herstellung von Dämmplatten mit einer Dichte von 50-180 kg/m<3> und von Bauplatten mit einer Dichte von 130-300 kg/m<3>. Die Vorteile des Verfahrens liegen in der Herstellung von mechanisch stabilen Dämmplatten mit niedriger Dichte sowie der Einsparung von Trocknungsenergie. Diese Vorteile werden insbesondere durch die beschriebene Bedampfung erreicht.

Description

Verfahren zur Herstellung von Faserplatten aus feuchter Biomasse
Definition des Erfindungsgebietes
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Aufbereitung von feuchter Biomasse zu industriell nutzbaren Produkten, insbesondere zur Herstellung von Faserplatten für den Baubereich.
Die Bezeichnung „feuchte Biomasse" umfasst pflanzliches Material, das in' feuchtem Zustand verarbeitet wird. Darin inbegriffen sind monokotyle Pflanzen, insbesondere alle Arten von Gräsern, einschliesslich feucht (d.h. vor der Körnerreife) geernteter Getreide wie Weizen, Gerste, Hafer, Roggen und Hirse sowie Zuckerrohr, Zuckerhirse und Mais. Ebenfalls inbegriffen sind breitblättrige Pflanzen wie Luzerne, Klee und andere, sowie Produkte oder Rückstände von Verarbeitungsbetrieben wie z.B. Holzfasern oder Bagasse aus der Verarbeitung von Zuckerrohr oder Zuckerhirse. Die Definition „feucht" bezieht sich auf einen Trockensubstanzgehalt der Biomasse von 10-50%. Die Biomasse kann erntefrisch, angewelkt oder zwischengelagert (auch siliert) verarbeitet werden.
Unter dem Begriff „Faserplatten" werden Platten verschiedener Dicke und Dichte zusammengefasst, die als Dämmstoffe zum Schutz vor Kälte und Hitze oder als mechanisch belastbare Platten von höherer Dichte eingesetzt werden. Zur Ausprägung gewünschter Eigenschaften werden diese Platten z.T. zu 2- oder 3-Schicht Platten aufbereitet.
Stand der Technik
Die Herstellung von Platten verschiedener Dicke und Dichte aus Holzfasern ist seit Jahrzehnten eine weltweit etablierte Industrie. Ueblicherweise erfolgt dabei eine Behandlung des aufbereiteten Rohstoffes Holz mit Dampfund anschliessender Mahlung der Fasern in einem Refiner. Die Plattenherstellung erfolgt durch Ablage der Fasern in nicht entwässertem Zustand als Endlosvlies auf ein Siebband, mit anschliessender Entwässerung, Pressung und Trocknung der Platten. Die Plattenfestigkeit ergibt sich aufgrund der Klebewirkung des im Rohstoff enthaltenen Lignins, welches durch die erfolgte Dampfbehandlung über dessen Erweichungspunkt erhitzt wird und beim Abkühlen bzw. Erstarren eine klebende Wirkung
Seite 1 entfaltet. Das Pressen des Faser-Endlosvlieses erfolgt durch Pressrollen, was eine mechanische Entwässerung auf lediglich 20-25% Trockensubstanz ergibt. Die Plattentrocknung ist deshalb sehr aufwändig.
Die Herstellung von Faserplatten nach dem ebenfalls industriell üblichen Trockenverfahren ist nicht relevant für die vorliegende Erfindung und wird deshalb nicht weiter ausgeführt. Auch verschiedene Verfahren zur Herstellung von Faserplatten hoher und mittlerer Dichte aus holzartigen Ausgangsstoffen oder Stroh sowie von Dämmplatten aus Flachs, Hanf, Altpapier, Schafwolle oder Mischungen davon erfolgen nach dem Trockenverfahren und sind deshalb nicht erfϊndungsrelevant.
Die Herstellung von Dämmplatten aus landwirtschaftlichen Rohstoffen, die in einem Nassaufschluss zerfasert wurden, ist bisher nicht bekannt.
Zur Aufbereitung und Zerfaserung von Biomasse wurden zahlreiche Verfahren entwickelt, die teilweise die Fasergewinnung und teilweise eine möglichst weitgehende Hydrolyse der Fasern anstreben. • Janson et al. (Nordic Pulp and Paper Research Journal 11 ; 4-14 (1996) beschreiben ein Aufschlussverfahren für Gräser unter Verwendung von Trinatriumphosphat als Alkaliquelle. • DE 3433508 beschreibt ein chemo-thermo-mechanisches Verfahren zur Herstellung von Zellstoff aus Pflanzenfasermaterial. Der Rohstoff wird zunächst unter Zugabe von organischen Lösungsmitteln in einem Pulper gelöst, dann in einem Dichstoffpulper und einem Entstipper weiter zerkleinert, und dann unter Zugabe von Ethanol oder Methanol, Sauerstoff, Anthrachinon und Alkali weiter delignifiziert. • WO 01/45523 beschreibt ein Verfahren zur Trennung von pflanzlicher Biomasse in eine Flüssigphase und eine feststoff-haltige Phase mit faseriger Konsistenz. Grundlage ist die Erzeugung eines Geschwindigkeitsgradienten in einer fliessenden Suspension. Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Mazerator beschrieben.
Die obigen Dokumente enthalten keine Anleitungen zur Weiterverarbeitung der hergestellten Fasern zu Faserplatten.
Seite 2 Darstellung der Erfindung
Der Erfindung stellen sich demnach die folgenden Aufgaben:
(a) Entwicklung eines Bindesystems, welches zwischen den Fasern genügend starke Bindekräfte entwickelt, um der Faserplatte die notwendige mechanische Belastbarkeit zu verleihen. Dichte, Dä mwert und Belastbarkeit der Platten sollen dabei in einem praxisüblichen Verhältnis zueinander stehen (z.B. ähnlich Steinwolleplatten oder Holzfaserplatten). Zur Ausgangslage gehört, dass Fasern von Gramineen und Leguminosen insbesondere bei frühem Schnittzeitpunkt einen geringen Ligningehalt haben und Lignin bzw. durch Hitzeeinwirkung erweichtes Lignin (im Gegensatz zu Holzfaserplatten) deshalb wenig zur mechanischen Belastbarkeit von aus diesen Rohstoffen hergestellten Faserplatten beitragen kann.
(b) Bereitstellung eines Systems von Zuschlagstoffen, das den Platten die notwendige Brandfestigkeit sowie Resistenz gegenüber Schimmelpilzbefall verleiht.
(c) Beschränkung des Aufwandes für die Trocknung der Platten
(d) Bereitstellung von Verfafaenstechnik, die für Umsetzungen im kleinen und mittleren Massstab geeignet ist. Aufgrund von Beschränkungen bei der Bereitstellung, Zwischenlagerung und Logistik von feuchter Biomasse ist eine Verarbeitung von ca. 1000 bis ca. 50O00 Tonnen Trockenmasse pro Jahr realistisch. Bei einem Fasergehalt von 50% des Trockensubstanzgehaltes ergibt sich ein Produktausstoss von 50% des Annahmegewichtes. Demgegenüber hat eine industrielle Plattenfertigung heute in der Regel eine Produktionskapazität von 50O00 -500O00 Tonnen pro Jahr.
(e) Bereitstellung einer Zerfaserungstechnik, welche Fasern bereitstellt, die für das entwickelte Bindesystem (vgl. (a)) bestmöglich geeignet sind. Entscheidend dafür sind die Faserlänge und die Faservereinzelung.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben gelöst durch ein Verfahren, eine Vorrichtung, und durch Platten entsprechend den unabhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemässe Verfahren weist also die folgenden Schritte auf: (a) Rohstoffaufbereitung und Dosierung; (b) Zerfaserung des Rohstoffes; (c) Faserentnahme und mechanische Entwässerung auf 30-45% Trockensubstanz; (d) Plattenherstellung aus den mechanisch entwässerten Fasern. Die Plattenherstellung erfolgt nach folgendem Vorgehen:
Seite 3 e) zumindest annähernd vollständiges Oeffiien der Faserklumpen nach der mechanischen Entwässerung; f) Zudosierung und Einmischen von Zuschlagstoffen; g) Bildung eines Faserbettes mit gleichmässiger Schichtdicke; h) Verpressung des Faserbettes auf eine gewünschte Dicke bzw. Dichte; i) Gleichmässige Bedampfung des Faserbettes bis über den gesamten Querschnitt eine Temperatur von über 60°C, vorzugsweise von 80-100°C erreicht ist.
Das erfmdungsgemässe Verfahren weist also zwei Teilverfahren auf, nämlich
(a) die Zerfaserung der feuchten Biomasse und Befreiung der Fasern von im Rohstoff enthaltenen Begleitstoffen sowie
(b) die Aufbereitung der feuchten Fasern zu Faserplatten.
Die erfinduήgsgemässen Vorteile des Verfahrens werden insbesondere durch die beschriebene Bedampfung erreicht. Dadurch ist es möglich, ohne Zugabe von Bindemitteln mechanisch belastbare Dämmplatten mit niedriger Dichte herzustellen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt im stark reduzierten bzw. sogar hinfällig werdenden Aufwand zur Trocknung der Fasern mit Luft.
Die erfmdungsgemässe Vorrichtung weist auf: einen vorzugsweise rechteckigen Rahmen (1) zur Aufnahme eines Faserbettes (2), wobei der Rahmen über einem luftdurchlässigen Stützmittel (3) anordenbar ist, eine Pressvorrichtung (8) zum Pressen des Faserbettes (2) gegen das Stützmittel (3), wobei die Vorrichtung Mittel zum Einleiten von Dampf (5,7) und Mittel zum Einleiten von Trocknungsluft (6,7) in das Faserbett sowie Mittel zum Absaugen von Dampf respektive Trocknungsluft (9,10) aus dem Faserbett (2) aufweist.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren respektive der Vorrichtung sind beispielsweise Dämmplatten und Bauplatten sowie Faservliese herstellbar.
Dämmplatten weisen eine niedrigere Dichte auf, beispielsweise 50-180 kg/m3, vorzugsweise 70- 130 kg/m3. Bauplatten weisen eine höhere Dichte auf, beispielsweise 130-300 kg/m3, vorzugsweise 150-250 kg/m3. Länge und Breite der Platten liegen im Bereich zwischen 50 und 200 cm. Die Dicke der Platten liegt im Bereich zwischen 30 und 200 mm. Aus diesen Platten lassen sich in einem weiteren Verarbeitungsschritt z.B. auch 2- oder 3-Schicht Platten herstellen, die mechanisch sehr belastbar sind.
Seite 4 Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen: Figur 1: ein Blockschema eines Verfahrensablaufs gemäss der Erfindung; und Figur 2: eine Vorrichtung zur Herstellung von Platten gemäss der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Bereitstellung und Aufbereitung der Fasern
Die Bereitstellung und Aufbereitung der Fasern erfolgt gemäss dem nachfolgenden Vorgehen (vgl. dazu Fig. 1). Die spezifischen Angaben beziehen sich auf die geprüften Rohstoffe Frischgras, Grassilage und Maissilage.
Der Rohstoff wird in einen gerührten Vorlagetank zudosiert und zu einer Suspension von 0.5-2% (Frischgras, Grassilage) bzw. 3-7% Trockensubstanz (Maissilage) aufbereitet. Diese Suspension wird einem Entstipper zugeführt. Entstipper werden in der Faserindustrie vielerorts zur Auflösung von Faserknoten eingesetzt.
Nach 1- oder mehrmaligem Durchgang durch einen Entstipper ist der Rohstoff bei einer Faserlänge von 5-50 mm genügend gut vereinzelt. In Fig. 1 sind zur Veranschaulichung dieser Situation 2 in Serie geschaltete Entstipper dargestellt. Nach erfolgter Faservereinzelung werden die Fasern aus der Suspension entnommen und mechanisch auf einen Trockensubstanzgehalt von 30-50% entwässert. Die Flüssigphase wird teilweise als Prozesswasser wieder verwendet und teilweise einer weiteren Nutzung zugeführt (z.B. Biogas- oder Ethanolgewinnung, Futtermittel). Die entwässerten Faserklumpen werden durch eine geeignete Vorrichtung (z.B. Schlagmühle, Karde, oder eine Kombination davon) aufgelöst.
Seite 5 Alternativ kann die Zerfaserung auch durch ein anderes in der Literatur beschriebenes Verfahren erfolgen. Die Wahl eines anderen Verfahrens kann sich aufdrängen, wenn der Rohstoff weitergehend lignifiziert ist und durch ein rein mechanisches Aufschlussverfahren keine befriedigende Zerfaserung zu erreichen ist.
Eine Möglichkeit zur Ausführung des Verfahrens liegt in der Bereitstellung und Weiterverarbeitung einer Mischung von Fasern verschiedener Herkunft. Zur Zumischung zu den erfindungsgemäss hergestellten Fasern grundsätzlich geeignet sind z.B. Holzfasern, andere Fasern landwirtschaftlicher Herkunft (z.B. Flachsfasern, Hanffasern, andere) oder andere Materialien, die zur Dämmstoffherstellung verwendet werden.
Die weitere Bearbeitung der Fasern und Herstellung von Faserplatten ist der Hauptgegenstand der Erfindung.
Weitere Bearbeitung der Fasern und Herstellung von Faserplatten
Im Anschluss an die Auflösung der Faserklumpen erfolgt (sofern benötigt) die Zudosierung von Additiven, welche als trockenes Pulver in das feuchte Fasermaterial eingemischt werden und dort unmittelbar und bleibend stabil haften. Als Additive kommen Substanzen in Frage, die eine flan-mhemmende oder eine das Pilzwachstum unterdrückende Wirkung entfalten. Im weiteren kann es sich um Substanzen handeln, die der Platte eine spezifische Ausprägung geben, z.B. Zuschlagstoffe, welche die Festigkeit der Platten erhöhen und somit weitere Anwendungsmöglichkeit eröffnen können. In Frage kommen insbesondere Lehmpulver, Gips, borhaltige Flammhemmer, Kunstfasern, Na-Nitrit, Zellulose-Derivate, Stärke und daraus hergestellte Kleber, und andere.
Grundlage der Plattenherstellung aus den vereinzelten, von Knoten befreiten und mit Additiven ausgerüsteten Fasern ist die in der Fachwelt bekannte Tatsache, dass bei der Trocknung von Zellulosefasern Wasserstoff-Brücken ausgebildet werden, die eine klebende Wirkung entfalten. Dieser Effekt wird z.B. bei der Herstellung von Papier genutzt. Entscheidend für die vorliegende Erfindung ist die Beobachtung, dass die klebende Wirkung von vereinzelten, aufgereinigten Grasfasern stark temperaturabhängig ist. Dabei ist jedoch nicht die Trocknungstemperatur massgebend, sondern die Temperatur im Feuchtzustand. Werden die Fasern im Faserbett mit Dampf auf über 70-80°C erhitzt, so sind nach der Trocknung die naturgegebenen Faser-Faser
Seite 6 Bindungskräfte wesentlich höher als ohne Dampfbehandlung. Diese Erkenntnis wurde mit der folgenden Apparatur (vgl. Fig. 2) verifiziert und zur Herstellung von Faserplatten genutzt:
Ein Rahmen 1 mit den gewünschten Dimensionen Länge und Breite wird mit einer im voraus bestimmten Masse an feuchten, aufgeschlossenen Fasern gleich-massig gefüllt, wodurch ein Faserbett 2 entsteht. Der Rahmen hat keinen Boden, sodass das Faserbett 2 direkt auf ein unter dem Rahmen liegendes luftdurchlässiges Stützmittel 3 zu liegen kommt. Ueber dem Rahmen 1 ist eine Pressplatte 4 so installiert, dass sie in den Rahmen 1 eingesenkt werden kann. Die Pressplatte 4 ist ausgerüstet mit: • einer Verbindung 5 zur Zuleitung von Dampf • einer Verbindung 6 zur Zuleitung von Trocknungsluft • eingesenkten Düsen 7, welche über die gesamte Auflagefläche der Platte 4 gleichmässig verteilt sind und mit der Zuleitung von Dampf sowie Trocknungsluft in einer hier nicht näher definierten Verbindung bzw. Verteilleitungen stehen • einer Pressvorrichtung 8, über welche das Faserbett 2 komprimiert und so auf die gewünschte Plattendicke x verdichtet wird.
Unter dem Lochblech 3 befindet sich eine Kammer 9, mit welcher ein Luftabzug-Gebläse 10 verbunden ist.
Sonden für Druck-, Temperatur- und Durchflussmessung sind für einen gezielten Einsatz der
Vorrichtung nützlich, werden in Fig.2 jedoch nicht dargestellt.
Die Pressplatte 4 kann spezifisch so ausgestaltet sein, dass der Dampf vor Einleitung getrocknet und so die Bildung von Kondensat verhindert wird. Die Verhinderung von Kondensatbildung ist wünschenswert, weil der Feuchtigkeitsgehalt der Platte zur Erleichterung der nachfolgenden
Trocknung nicht unnötig erhöht werden soll.
Im weiteren hat sich gezeigt, dass die Bedampfung der Fasern unter gleichzeitiger Zuleitung von
Heissluft erfolgen kann. Dadurch wird das Fasermaterial rascher erhitzt und die Bildung von
Kondensat wird reduziert oder ganz verhindert.
Das Material für die das Produkt berührenden Teile muss so gewählt sein, dass im
Trocknungsverlauf keine -Anbackungen erfolgen und die Platten leicht aus dem Rahmen entnommen werden können. Zwischen dem Faserbett 2 und dem Lochblech 3 kann zur
Verhinderung von Anbackungen ein Gewebetuch eingelegt werden.
Bei Betrieb der Apparatur wird zunächst die Pressplatte 4 über die Pressvorrichtung 8 auf die gewünschte Plattendicke x eingestellt. Anschliessend wird über die Dampfzuleitung 5 Dampf in
Seite 7 und durch das Faserbett geblasen und das Luft- bzw. Dampfabzug-Gebläse 10 angestellt. Das Faserbett erhitzt sich dadurch, ohne bereits auszutrocknen. Ist die geforderte Temperatur erreicht und mit der Dampf-Zuleitung auch der gewünschte Trocknungseffekt erzielt worden, wird die Dampfzuleitung beendet. Die Fasern sind jetzt weicher und nachgiebiger geworden, sodass das Faserbett 2 mit geringem Pressdruck optional weiter verdichtet werden kann. Anschliessend wird die Trocknungsluftzuleitung 6 geöffnet. Dadurch wird der Trocknungszyklus eingeleitet. Nach Abschluss der Trocknung wird die Pressplatte 4 zurückgefahren und die jetzt stabile Faserplatte aus dem Rahmen 1 entnommen.
Fig. 1 ist selbstverständlich nur eine schematische Wiedergabe der erfindungsgemässen Einrichtungen und Abläufe. Zum Beispiel kann die Trocknung mit Luft bei ausreichender Bedampfung und genügendem Feuchtigkeitsabzug hinfällig werden. Medienzuleitung und Medienableitung können genauso gut umgekehrt realisiert werden wie in Fig. 1 dargestellt (d.h. Zuleitung von Dampfund Luft von unten). Ebenso gut können die Verfahrensschritte „Bedampfüng" und „Trocknung" in zwei getrennten Apparaturen erfolgen, wobei die Trocknung z.B. auch durch den Einsatz von Mikrowellen unterstützt werden kann. Für Anwendungen mit grossem Durchsatz kann das obige Prinzip auch als kontinuierliche Plattenstrasse umgesetzt werden.
Erzielte Resultate
Mit dem oben beschriebenen Verfahren wurden Dämmplatten der folgenden Typen hergestellt:
Rohstoff Dichte (kg/m ) Additive Bedampfüng Bruchfestigkeit
Frischgras 72 nein nein nicht genügend 101 ja nein nicht genügend 76 nein ja gut 89 nein ja gut 108 ja ja sehr gut 156 ja ja sehr gut
Grassilage 54 ja ja gut 90 ja ja sehr gut
Seite 8 120 ja ja sehr gut
Maissilage 181 wenig nein schlecht 252 viel nein schlecht 175 wenig ja genügend 234 wenig ja gut
Zuckerhirse 152 ja nein ungenügend 152 ja ja gut
Bei erhöhter Zugabe von mineralischen Zuschlagstoffen (z.B. Lehmpulver, Gips, andere) können auch sehr belastbare, poröse Platten mit höherer Dichte hergestellt werden. Die Resultate zeigen sehr deutlich, dass die BedampfUng der qualitätsbestimmende Verfahrensschritt ist, und Bindemittel sowie Plattendichte nur einen nachgeordneten Einfluss auf die Bruchfestigkeit der Platten haben.
In den aus Maissilage hergestellten Fasern sind auch zu Feinpartikeln zerfallener Bast sowie Bruchstücke der Spindeln enthalten. Dieses Material ist v.a. wegen dieser Begleitstoffe in der vorliegenden Form zur Herstellung von leichten Dämmplatten deutlich weniger gut geeignet als Grasfasern. Eine Trennung zu Feinmaterial, Fasern und Bruchstücken, z.B. mittels Luftstrom- Siebung, wird die Verwendbarkeit der Faserfraktion zur Plattenherstellung deutlich verbessern. Bei den aus Zuckerhirse hergestellten Fasern ist durch die Mahlwirkung ebenfalls zerfallender Bast mit relativ geringem Korndurchmesser enthalten. Für die Nutzung dieser Fasern ist eine Trennung vom Bast angezeigt.
Die Erfindung weist die folgenden Vorteile auf:
a) Mit dem beschriebenen Verfahren können Platten mit einer Dichte bis zu über 50 kg/m3 hergestellt werden. Diese Platten sind bezüglich Bruchfestigkeit und Druckbelastbarkeit mit Steinwolle ähnlicher Dichte vergleichbar.
b) Das beschriebene Verfahren ist gut verträglich mit einigen der gebräuchlichen Additive, die zur Gewährleistung von Brandfestigkeit und Pilzresistenz eingesetzt werden. Es wurde festgestellt, dass diese Additive als Nebeneffekt zu einer weiteren Verbesserung der Plattenfestigkeit führen können. Das gewählte Verfahren zur Zudosierung funktioniert verlustfrei und führt zu guter Materialanbindung (keine Entmischung).
Seite 9 c) Der Aufwand für die Trocknung der Platten mit Luft wird durch das beschriebene Verfahren deutlich reduziert. Diese Reduktion ergibt sich einerseits dadurch, dass bereits während der Bedampfung wasserdampf-gesättigte Luft sowie Kondensat aus der Platte abgezogen wird und der Feuchtigkeitsgehalt der Platte im Zuge der Bedampfüng sinkt. Andererseits ergibt sich durch die Bedampfüng eine Temperaturerhöhung von Fasermaterial und darin enthaltener Feuchtigkeit auf 80-100°C und damit eine Reduktion der zur Trocknung aufzuwendenden Verdampfungswärme. Es ist denkbar, dass nach der Bedampfüng keine weitere Trocknung der Fasern mit Luft notwendig ist.
d) Das beschriebene Verfahren kann im Chargenbetrieb oder im kontinuierlichen Betrieb umgesetzt werden. Der Chargenbetrieb (1 Platte = 1 Charge) eignet sich eher für dezentrale Kleinanlagen. Die Formgebung der Platten erfolgt im Gegensatz zum kontinuierlichen Betrieb vor der Ausprägung und Trocknung der Platte. Die Herstellungsaggregate sind kostengünstig und können bei steigender Produktnachfrage beliebig mit zusätzlichen Aggregaten ergänzt werden. Die Umsetzung des Verfahrens in einer kontinuierlich betriebenen Plattenstrasse ist vorteilhaft für grössere bis grosse Produktionskapazitäten.
e) Das zur Zerfaserung beschriebene Verfahren führt bei Verarbeitung von geeigneten Rohstoffqualitäten zu guter Faservereinzelung, einem sehr geringen Anteil von Faserbruchstücken und einer für die Plattenherstellung optimalen Faserlänge von 15-30 mm. Eine Zugabe von Chemikalien zur Verbesserung der Aufschliessbarkeit ist nicht notwendig.
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Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Faserplatten aus feuchter Biomasse, bestehend aus den Schritten (a) Rohstoffaufbereitung und Zerfaserung, sowie (b) Plattenherstellung, gekennzeichnet dadurch, dass die Plattenherstellung aus den Pflanzenfasern nach folgendem Vorgehen erfolgt: bl) zumindest annähernd vollständiges Oeffiien von Faserklumpen; b2) Bildung eines Faserbettes mit gleichmässiger Schichtdicke; b3) Verpressung des Faserbettes auf eine gewünschte Dicke bzw. Dichte; b4) Gleichmässige Bedampfung des Faserbettes bis über den gesamten Querschnitt eine Temperatur von über 60°C, vorzugsweise von über 80°C erreicht ist.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Zerfaserung der Biomasse folgendermassen erfolgt a) Schaffung einer wässrigen Suspension mit 0.5-6% Konsistenz; b) Zerfaserung mittels gezielter Einwirkung von Schlagelementen, die nicht mit Schneidwerkzeugen ausgerüstet sind; c) Optimierung der Faservereinzelung durch mehrmaligen Durchgang durch die Schlagelemente.
3. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass den Fasern nach der mechanischen Entwässerung und vor der Bildung eines Faserbettes Additive zudosiert und eingemischt werden
4. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet dadurch, dass im Anschluss an die Bedampfüng des Faserbettes eine Trocknung mit Luft erfolgt und diese Trocknung vorzugsweise durch eine forcierte Durchströmung des Faserbettes mit Heissluft erfolgt.
5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Rohstoff zur Familie der Gramineen oder der Leguminosen gehört und die Aufbereitung die folgenden Schritte enthält: a) Behandlung in einer Hammermühle oder einer Quetschvorrichtung;
Seite il b) Abpressen von Pflanzensaft; c) Aufbereitung des Pflanzensaftes im Hinblick auf eine geeignete Verwertung.
6. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet dadurch, dass als Additive zur Plattenherstellung Mais- oder Getreidestärke, Cellulose oder Cellulose-Derivate, gemahlener Lehm, Kunstfasern und/oder borhaltige Flarnrnhernmer verwendet werden.
7. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet dadurch, dass die Bedampfüng des Faserbettes mit einem Dampf-Ueberdruck von 0-15 bar, vorzugsweise von 4-10 bar erfolgt.
8. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet dadurch, dass Dampf bzw. Kondensat und Trocknungsluft mit einer Vakuumpumpe durch das Faserbett gezogen werden.
9. Verfahren zur chargenweisen Durchführung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1- 8, gekennzeichnet dadurch, dass das Faserbett 2 vor der Bedampfüng in einen Rahmen 1 mit vorgegebenen Dimensionen eingepasst wird und die Zuleitung von Dampfund Trocknungsluft über die gleiche Pressplatte 13 erfolgt.
10. Verfahren zur chargenweisen Durchführung des Verfahrens gemässAnspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Verfahrensschritte Bedampfüng und Trocknung in zwei räumlich und zeitlich voneinander getrennten Verfahrensschritten erfolgen.
11. Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1-8, gekennzeichnet dadurch, dass das Faserbett von einem Transportband fortbewegt wird und die Verfahrensschritte lb2) bis lb4) nacheinander auf diesem Band durchgeführt werden.
12. Vorrichtung zur Herstellung von flächigen Platten oder Vliesmatten, aufweisend einen vorzugsweise rechteckigen Rahmen (1) zur Aufnahme eines Faserbettes (2), wobei der Rahmen über einem luftdurchlässigen Stützmittel (3) anordenbar ist, eine Pressvorrichtung (8) zum Pressen des Faserbettes (2) gegen das Stützmittel (3), wobei die Vorrichtung Mittel zum Einleiten von Dampf (5,7) und Mittel zum Einleiten von Trocknungsluft (6,7) in das
Seite 12 Faserbett sowie Mittel zum Absaugen von Dampf respektive Trocknungsluft (9,10) aus dem Faserbett (2) aufweist.
13. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-12, gekennzeichnet dadurch, dass den aus feuchter Biomasse hergestellten Fasern zur Plattenherstellimg auch Fasern anderer Herkunft und Zusammensetzung beigemischt werden und die Zumischung dieser Fasern vor der Verpressung des Faserbettes auf die gewünschte Dicke und Dichte erfolgt.
14. Dämmplatten mit Dichte von 50-180 kg/m3, die nach dem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-13 hergestellt wurden.
15. Poröse Bauplatten mit einer Dichte von 120-300 kg/m3, die nach dem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-13 und mit Verwendung erhöhter Mengen an Additiven hergestellt wurden.
16. Mehrschicht-Platten mit einseitiger oder beidseitiger Beschichtung, deren Kernschicht nach dem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-13 hergestellt wurde.
17. Faservlies mit einer Dicke von weniger als 30 mm und einer Dichte zwischen 30-180 kg/m3, die nach dem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-13 hergestellt wurden.
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