Brevet FR2476163A1 — publié le 19810821

-1- La présente invention est relative à un procédé de fabrication de pâte ou pulpe à papier de raffineuse à teneur élevée (supérieure à 85 %) par raffinage d'un matériau contenant de la lignocellulose, telque par exemple des copeaux, de la sciure de bois ou des copeaux défibrés. Ce matériau est préchauffé et/outraité avec des agents chimiques ramollissant la lignine avant d'effectuer le raffinage qui, en général, est réalisé dans des raffineu- ses à disques. Dans les exemples de mise en oeuvre classiques du procédé de raffi- nage, le matériau en fibres est raffiné à des concentrations de fibres très élevées, de telle façon que la quantité d'eau délivrée àla raffineuse soit maintenue à un niveau le plus faible possible. Ceci est nécessaire pour obte- nir de bonnes propriétés des fibres mises à nus et pour les rendre aptes à la fabrication d'une gamme importante de qualités différentes de papier. Cependant, le procédé de raffinage exige davantage d'énergie. Par conséquent, en raison des prix de l'énergietoujours croissants et d'approvisionnements limités en énergie, il est de plus en plus désavantageux de fabriquer par un tel procédé des pâtes ou pulpes mécaniques ou chimico-mécaniques présen- tant les teneurs ci-dessus. Cependant, la Demanderesse a découvert, avec surprise, qu'il était possible de réduire la consommation d'énergie lors du raffinage, de façon relativement importante, sans diminuer la qualité de la pâte résultante. On amême dans certains cas, observé une amélioration de la qualité de la pulpe. Le matériau en fibres est décomposé, lors du raffinage, en fibres ou fragments de fibres, lorsque le matériau traverse l'intervalle étroit sépa- rantles segments de raffinage 'des disques de la raffineuse. En ce qui concer- ne les paramètres du procédé, tels que la pression, la température, la con- centration, le taux de production, la configuration des disques de raffinage, etc.., il est essentiel de les choisir de façon à obtenir unintervalle de di- mension convenable à l'entrée du matériau enfibres et lors de son traitement. Un intervalletrop étroit implique des difficultés en ce quiconcernele trans- port de la pâte dans ledit intervalle, ce qui entralhe souvent la production d'une pâtedemauvaise qualité, étant donnéquedenombreuses fibres sont sectionnées ou endommagées durant leur passage entreles disques. D'autre -2 - part, un intervalle trop important, entrafne des problèmes résultant d'une teneur trop élevée de la pâte en fragments, ou, en d'autres termes, le ré- sultat de l'opération de raffinage n'est pas satisfaisant. La concentration en pâte affecte l'intervalle séparant les segments des disques de raffinage pour une certaine alimentation enénergie de la façon suivante. Pour une concentration élevée enpulpe, onrobtient un certaintraite- ment du matériau avec une consommation d'énergie résultante pour un inter- valle déterminé. Afin d'obtenir, avec une technologue de raffinage classique, le même traitement du matériau en fibres ou la même consommation pour une faible concentration de pâte, il est nécessaire de diminuer l'intervalle. La raisonen est sans doute queles fibres de lapâte forment un lit d'épaisseur plus importante pour une concentration plus élevée et que les fibres restent pendant plus longtemps entre les disques de la raffineuse, étant donné que la résistance au déplacement est plus élevée au fur et à mesure qu'augmente la concentration. Pour des concentrations de pâte plus faibles, le matériau en fibres est transporté, au travers de l'intervalle de raffinage, avecune vitesse et un débit plus élevés. Lorsque l'on doit encore obtenirle même taux de trai- tement desfibres entre les disques de la raffineuse (c'est-à-dire la même consommation d'énergie), cet intervalle doit être réduit. Ceci exige une augmentationdel'intensité du transfert d'énergie depuis les segments de raffinage jusqu'auxfibres et, par conséquent, unrisque augmenté d'endomma- gement des fibres. Lorsque l'onapplique la technologie actuelle, il est nécessaire de tra- vailler, dansla raffineuse, avec des concentrations depâte relativementéle- vées, généralement supérieure à 20 %, calculée en tant que concentration à la sortie, afin d'avoirunintervalle correctpermettant d'obtenirune pâte de bonne qualité et d'éviter tout endommagementdesfibres. Ceci s'applique à tous les types de procédés utilisantl 'intervalle de terur la plus élevée (supé- rieure à 85 %), par exempleles procédés thermo-mécaniquesouchimico- mécaniques. Cependant, à ces concentrations élevées de pâte, la formation de vapeur estimportante et entrarne une sériedeproblèmes difficiles à ré- soudre lorsque l'on doit contrôler individuellement les débits de copeaux, de fibres, d'eau et de vapeur au traversde la raffineuse, afin d'opérer sans perturbation. Par ailleurs, les fibres de la pâte sont difficiles à manipuler en ce qui concerne leur débit, et la consommation d'énergie lors de la mise en oeuvre du procédé est très élevée. La partie principale de la vapeur formée pendantla mise en oeuvre du procédé s'échappe de la raffineuse, en même tempsque le matériau en fibres et l'eaunon vaporisée, au traversdel'intervallede raffinage et circule dans le carter de la raffineuse. Cette quantité de vapeur estimportante et les débits de vapeur au travers de l'intervalle de raffinage sont très élevés. Ceci limite naturellement l'alimentation en énergie, qui dans la plupart des cas, est limitée de façon tellement importante que l'onne peutpas obtenir le trai- tement du matériau enfibres par un passage unique et qu'il est nécessaire de répéter deux fois ou plus, l'opération de raffinage, avec la totalité de la quan- tité de pâte, ou une partie seulement de cette dernière, c' est-à-dire qu'il est nécessaire d'effectuerle raffinage enplusieurs étapes. Par ailleurs, la vapeur occupe unepartie très importante de l'espace de l'intervalle séparantlesdis- ques de raffinage. Pour cette raison, et égalementparce que le matériau en fibres à concentration élevée n'estpas distribué de façon uniforme dans l'in- tervalle de raffinage et sur les segments de raffinage, on ne peut pas utiliser les possibilités offertes parles segments de raffinage, pour traiterle maté- riau en fibres. Bien que la partie plus importante de la vapeur formée s'écoule vers l'extérieur à la périphérie des segments de raffinage, une partienonnégli- geable de cette vapeur s'écoule en dehors de la raffineuse et revient àl'en- droit o s'effectue l'alimentation en copeaux. Il en résultenaturellement une obstruction de cette alimentation qui provoque des variations très sérieuses dans l'alimentationde la raffineuse. Une telle modification du débitd'alimen- tation en fibres dans la raffineuse a, bien entendu, un effet nuisible sur la qualité de la pâte. Lorsque le débit de fibres est trop important, celles-ci sontinsuffisamment raffinées et Iorsquele débit esttrop faible les fibres sont raffiné e s de façon beaucoup trop intense. L'écoulement de la vapeur, partiellement en avant et partiellementen retour résulte du fait que lapressionrégnant dansl'intervalle entre les segments des disques de la raffineuse augmente en mêmetempsqu'augmente -4le transfert d'énergie dans unedir.ectionallantversla périphérie, cette pression atteignantune valeur maximale quelque part sur la partie exté- rieure. Ce transfert d'énergie et la formationdevapeur sont, àcetendroit, à leur maximum, et cette zone constitue une zone naturelle de division paor les écoulements de la vapeur en avant/en arrière. Par conséquent, il se formede grandes quantitésdevapeur difficiles àmaitriser, lorsque le raffinage du matériau en fibres doit être effectué à des concentrations élevées de fibres. Généralement, les concentrations de fibres, déterminées immédiatement après le raffinage, sont comprises entre 25 et 35 %. Par conséquent, les problèmes, résultant de la présence de la vapeur, déterminent, dans une large mesure, la conception et la réa- lisationdes segments des disques de la raffineuse, c'est-à-dire des disposi- tifs mis en oeuvre pour effectuer le raffinage du matériau enfibres. Des rainures et des arêtes doivent être formées dans ces segments de disques, les 15. rainures devant être suffisamment larges et profondes pour ne pasperturber la circulation delavapeur. Par ailleurs, il est souvent plus avantageux de prévoirune rainure plus étroite etune arête plus large, pour réaliser le raffinage desfibres, mais de telles rainures et arêtesne conviennentpas àla circulation dela vapeur. En outre, il est désirable demaintenir le ma- tériau en fibres aussi longtemps que possible vers le haut sur les surfaces et les bords des arêtes, afin que le matériau soit soumis au raffinage effec- tué parlesbordsetles surfacesdes arêtes. Des rainures présentantune grande profondeur rendentdifficile un tel raffinage. Enfin, selon les nouvelles théo- ries de raffinage, un raffinage efficace du matériau en fibres exige une re- distribution continue et rapide du matériau, ce qui est également rendu difficile par des rainures trop profondes et une concentration élevée de fibres. Il résulte des considérations ci-dessusqu'il est hautement désirable d'effectuer 1 e raffinage du matériau en fibres à des concentrations en fibres inférieures à celles autorisées par la technologie actuelle. Enabaissant la concentration, on réduit la formation de vapeur etoiacilite l'écoulement des fibresautravers de la raffineuse. Le matériauenfibresestdistribué de façon plusunifQrme sur les surfaces de raffinage, lematériau dansles rainures est redistribué plus facilementetplus rapidement et les possibilités -5- de raffiner les fibres et les copeaux sont mieux utilisées. La réduction sen- sible de la vapeur formée permet une conception plus rationnelle des segments de la raffineuse. Les avantages apportés par une faible concentrationen pâte apparaissent d'eux-mêmrnes de telle façon que l'on peut observerune réductiondistincte de la consommation en énergie pour un degré de raffinage déterminé de maté- riaux en fibres, pour une diminution de la concentration en pâte endessous de 15 %. Il est cependantdifficiled'utiliserunteleffeten mettant en oeuvre la tecbnologie actuelle, étant donné que l'intervalle de raffinage diminue de façon importante pour ces faibles concentrations etque l'on observe une dété- rioration des propriétés de résistance de la pâte en raison des dommages apporté s aux fibres. Cette invention prévoit un temps de rétention suffisant du matériau en fibres dans la raffineuse pour éviter un endommagement des fibres tout en effectuant le raffinage dans un domaine de concentration compris entre 8 et %, calculée sur la concentration de sortie. Ceci est possible en raison du faitque l'on réduit effectivement l'écou- lement de la pâte au travers de l'intervalle de raffinage. Cette invention vise en conséquence un procédé de raffinage d'un maté- riaucontenant delalignocellulose quiestd'abordpréchauffé et/ou traité avec des agents chimiques ramolissant la lignine et éventuellement défibré et qui est ensuite chargé dans une raffineuse à disques et raffiné pendant sonpassage dans l'intervalle séparant les disques de la raffineuse vers un carter envelop- pantces disques, ce procédé étant caractérisé ence que le raffinage estef- fectué à une concentration de matériau suffisamment faible pour que la ccn- centrationdumatériau à la sortie dudit intervalle soit comprise entre 8 et %, en ce quellon amène continuellement de l'eaudans le carter à l'exté- rieur des disques de raffinage afin de diluer le matériau raffiné jusqu'à obte- nir une suspension de fibresprésentant une concentrationpermettant un pom- page facile, de préférence comprise entre 1 et6 %, eten ce quele carter de raffinage est maintenu rempli de cette suspension. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin annexé dont la figure -6- unique représente de façon schématique en élévation et coupe partielleune raffineuse pour la mise en oeuvre du procédé selonl'invention. Cette raffi- neuse est du type à disques, comportant deux disques de raffinage tournant l'un par rapport à l'autre. Bien entendu cette inventionpeut également s'ap- pliquer à une raffineuse comprenant un disque fixe etun disque de raffinage rotatif. La raffineuse représentée comprend un bâti 1 supportant deux arbres de rotation alignés 2, 3. Ces arbres 2, 3 sont entraînés en rotation, selon des sens de rotation opposés, pardes moteurs 4et 5 respectivement, et ils sontpourvus à une de leurs extrémités de supports 6, 7 de segments de raf- finage 8, 9. Unintervalle 10 est formé entre les segments de raffinage 8, 9, la largeur de cet intervalle 10 pouvant être réglée en déplaçant, dans le sens axial, un arbre 2 et son support de segment associé 6. Le second support de segment 7 est munid'ouvertures 1l pour l'alimeintationen matériau enfibres, cette ouverture 11 étant en communication avec un dispositifde chargement 12. Une conduite d'alimentation 13 pourl'eau de dilution est raccordée à l'entrée 11 du matériau à raffiner. Une vanne 14permet de contrôler la quan- tité d'eau de dilution introduite. Les supports de segments 6, 7 sont enfermés dans un carter clos 15 auquel est raccordée, de préférence à sa partie inférieure, une conduite 16 amenant l'eau de dilution, le débit de cette eau étant contrôlé par une vanne 17. Pour assurer l'évacuation du matériau raffiné, on prévoit une conduite de sortie 18, connectée au carter de la raffineuse 15, de préférence à sapar- tie supérieure. Une valve 19 permet de contrôlerlapressionrégnant dans le carter 15 de la.raffineuse. Le matériau à raffiner contenant de la lignocellulose est préchauffé avant le raffinage, à l'aide de vapeur et/ou traité avecdes agents chimiques ramollissant la lignine, par exemple Na2SO3, de façon connue. Le matériau àraffiner est déplacé par une vis d'alimentation 12 etil s'écoule au travers des ouvertures 11 dans le support de segment7 etensuite dans l'intervalle 10. La pression régnant dans la zone d'alimentation, c'est-à-dire àl'endroit o le matériau est amené au travers de l'ouverture 11, estengénéral maintenue entre 10 et260 kPa, et de préférence entre 20 et 140 kPa. Ceci correspond àune température d'environ100 à 140 C, de préférence de 105 à 125 C. -7- La concentration en matériau est maintenue, lors du raffinage, entre 8 et 15 %, calculée en tant que concentration de sortie, c'est-à-dire la concentration du matériau quittantl'intervalle 10. Cette concentration est réglée parl'alimentation en eau de dilutionà une température appropriée, par l'intermédiaire dela conduite 13. Grâce à une alimentation continue et contr6lée d'eau de dilution, (de préférence de l'eau recyclée dubroyeur), au travers dela conduite 16, la pâte estdiluée après le raffinage jusqu'à obtenir une concentrationpermet- tant unpompage facile, de préférence 1 à 6 % et mieuxde 2 à5 %, de façon que le carter de raffinage 15 soit maintenu rempli de suspension de fibres. La suspension de fibres dans le carter de la raffineuse constitue en consé- quence une paroi autour de l'orifice de sortie de l'intervalle et elle freine l'accélération du matériau en fibres au travers de cet intervalle. Le maté- riau reste plus longtemps dans cet intervalle et la faible concentration permet une distribution plus uniforme du matériau. L'écoulement autravers de l'intervalle présente le caractère d'un écoulement en tampon. Le temps de séjour dumatériau dans l'intervalle de raffinage 10 est égalementaffecté par la configuration des segmentsde raffinage. Dans le pré sent exemple de réalisation, on dé sireune configuration compacte, c'est à dire que les rainures doivent présenterune profondeur etune largeur faibles. Les segments de raffinage peuvent être, par exemple, conçus defaçon à présenterune zone de raffinage o la largeur des rainures est inférieure à 2 mm et leur profondeur inférieure à4 mm. Les rainures des segments de raffinage peuvent être également pourvues d'un grand nombre d'arêtes. Une telle configurationpermet, comme on l'a indiqué ci-dessus, de contribuer àréaliser un raffinage plus efficace des fibres. Dans le carter de raffinage 15, à l'extérieur des disques de raffinage on maintient unepressionqui correspond sensiblementà la pression régnant dans la zone d'alimentation. Cependant il peut être souhaitable, dans certaines circonstances, de maintenir dans le carter de raffinageune pression plus élevée que celle régnant dans la zone d'alimentation. On allonge ainsi la durée du séjour du matériau à raffiner dansl'intervallede raffinage. La pression dans le carter de raffinage est contr6lée par la valve 19 dansla conduite 18 sortant du carter 15. La faible concentration dans le carter de raffinage assure un --2476 163 -8- débit uniforme au travers dudi t carter. Cette faible concentration implique égalementque lachutedepression sur la valve 19est plusfacileàcontrôler, ce qui permet également uncontrôle plus facile dela pression dans le carter de raffinage et de toute l'opération de raffinage. Etant donné que la concentration lors du raffinage estmaintenue à une faible valeur (del'ordre de 8 à 15 %), la quantité devapeur formée estbien plus faible qu'habituellement. Il ne revient pas de vapeur, ou pratiquement pas, dans l'alimentation en copeaux et la vapeurquiestévacuéeau travers de l'intervalle de raffinage pré sente une faible vite s se et elle se condense sensiblementimmédiatement, dans la suspensiondefibres entourant les supports de segments de raffinage. Etant donné que 1 e carter de raffinage est remplid'une suspension de fibres à faible concentration, la chaleur est également évacuée de la zone de raffinage de façon beaucoup plus efficace, ce qui contribue encore à assurer une limitation dela formation de-vapeur dans la zone de raffinage. On peut également utiliser des copeaux défibré s comme matériau de départ. La vis d'alimentation 12 peut alors être remplacée par une pompe à pâte à papier dont la conduite d'évacuation est directement reliée àla zone d'alimentation de la raffineuse. Dans ce cas par "copeauxdéfibré s" on entend un matériau en fibres quia été partiellement défibré avec une très faible dépense en énergie au cours d'une opération précédente. L'opération de dé- fibrage peut être effectuée après un préchauffage et/ouun traitement à l'aide d'agents chimiquesamollissantla lignine. Pendant cette opération, l'inter- valle de raffinage est important et Ies dommages subis par les fibres sont insignifiants. Le raffinage, c'est-à-direla- mise enoeuvre principale de l'éner- gie, s'effectue ensuite de la façon décrite ci-après. On amis en oeuvre depuis longtemps le raffinage de matériau enfibres à faible concentration, de préférence entre 2 et 5 %. Cependant le matériau traité était unmatériau en fibres à faible teneur, plus généralement de l'ordre de 50 %, c'est-à-diredespâtes diteschimiques, ouprésentantuneteneurpou- vantaller jusqu'à 80 %, appelé pâtes semi-chimiques.--Dans les deux cas, - les fibres présentent des caractéristiques tout-à-faitdifférentes de celles aux- quelles se réfèrel'invention (teneurs supérieures à85 %). Des teneursfaibles 2476 163 9- c'est-à-dire inférieures à 80 %, rendent flexibles les fibres, qui peuvent être raffinées à faible concentration et dans de petits intervalles de raffinage sans détruireles fibres. En outre, les exigences enénergie nescnt jamais ou très rarement supérieures à40O-500 kWh/tonne, ce qui représente la moitié ou le tiers de la quantité d'énergie nécessaire àla réalisation d'un raffinage satisfaisant de fibres à haute teneur selonl'invention. Ona pu en outre observer que la concentration en fibres dans ces cas (2 à5 %) était la même à.la fois dansl'intervallede raffinage etdans le carter de raffinage. Un matériau en fibres, qui après raffinage peut être caractérisé comme étant de la pâte ou pulpe mécanique ou chimico-mécanique, est raffiné selon la technologie classique à partir d'une matière première brute en pâte ou pulpe à forte concentration, c'est-à -dire 20 à40 %. Il demeure bien entendu que cette inventionn'est paslimitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté maisqu'elle en englobe toutes les variantes. -10- 2476163 REVENDICATIONS 1) Procédé de raffinage d'un matériau contenant de la lignocellulose qui est d'abord préchauffé et/ou traité avec des agents chimiques ramollis- santla lignine et éventuellement défibré et qui est ensuite chargé dans une raffineuse à disques et raffiné pendant son passage dans l'intervalle (I0) séparant les disques de la raffineuse (6, 7) vers un carter (15) enveloppant ces disques, ce procédé étant caractérisé en ce quele raffinage esteffectué àune concentrationde matériau suffisamment faiblepour quela concentra- tion dumatériauà la sortie dudit intervalle (10) soitcomprise entre8 et 15 %, en ce que l'on amène continuellementdel'eau dans le carter (15) à l'extérieur des disques de raffinage (6, 7) afinde diluerle matériau raffiné jusqu'à obtenir une suspension de fibres présentant une concentration permettant un pompage facile, de préférence comprise entre 1 et 6 %, et en ce que le carter de raffi- nage (15) est maintenu rempli de cette suspension. 2) Procédé selonla revendication 1, caractérisé en ce quel'on maintient une surpressionà l'entrée du matériau dansl'espace compris entreles dis- ques de raffinage (6, 7), et en ce que l'on maintient sensiblement cette même surpression dans le carter de la raffineuse (15) à l'extérieur des disques. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé ence queladite surpres- sion est maintenue entre 20 et 140 kPa. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la concentration de matériaulors du raffinage est maintenue par une alimentation contrôlée d'eau de dilutionlorsque le matériau pénètre dans l'espace séparant les disques de raffinage (6, 7). 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'eau utilisée pour ladilutiondu matériaudans le car- ter de la raffineuse est délivrée à la partie inférieure du carter de la raffi- neuse (15), et en ce que le matériau estdéchargé delapartie supérieure du carter de la raffineuse.