Brevet FR2626905A1 — publié le 19890811

PROCEDE DE DEFIBRAGE D'UNE MATIERE LIGNOCELLULOSIQUE L'invention se rapporte à un procédé pour défibrer une matière cellulo- sique ayant subi un prétraitement d'imprégnation visant à ramollir la lignine, en vue de l'obtention d'une pâte & papier. Les divers procédés de fabrication de pâte à papier, notamment à partir de plaquettes ou -de copeaux de bois, consistent, en premier lieu, à réduire ces derniers A l'état de fibres. Pour obtenir cette séparation des fibres, on peut désagréger le bois par voie purement mécanique au moyen de défibreurs à meules. On obtient ainsi des pâtes mécaniques A haut rendement parce qu'on retrouve la majorité des constituants du bois. On peut également obtenir cette séparation par élimination de la ligni- ne, qui assure l'adhérence des fibres entre elles, au moyen de réactifs chimiques. En soumettant les copeaux à une cuisson pendant un certain temps dans des appareils appelés lessiveurs - à principe continu ou discontinu - en présence d'un réactif approprié, on dissout complètement la lignine et d'autres constituants solubles pour ne conserver que la cellulose dont les fibres sont parfaitement isolées,. la désintégration des pâtes chimiques s'obtient par simple soufflage. Entre ces deux procèdes extrêmes, on connait des procédés faisant intervenir & la fois le travail mécanique et le travail chimique à des degrés divers en combinaison, le cas échéant, avec l'action de la chaleur qu'a pour but de ramollir la lignine de liaison. Ainsi, avant le traitement mécanique de défibrage, on ramollit les- plaquettes par action d'un réactif chimique ou de vapeur d'eau à& tempé- rature élevée et l'on obtient des pâtes dites mécano-chimiques, thermo-. mécaniques ou chimico-thermo-mécaniques. Le traitement mécanique est assuré en général par des raffineurs à disques ou équivalents qui ont pour but d'individualiser les fibres. Selon les conditions opératoires, les raffineurs à disques permettent également la libération de fibrilles qui va améliorer la résistance mécanique du papier obtenu. L'invention a pour objet un procédé permettant de traiter mécaniquement les matières fibreuses issues d'un prétraitement d'imprégnation, notam- ment par un agent chimique, favorisant le-ramollissement de la lignine. Le procédé est caractérisée en ce qu'il consiste à faire passer la matière à travers un appareil du type broyeur à marteaux et à grille cylindrique. Les broyeurs à marteaux sont des appareils déJà connus en soi, mais à la connaissance de la demanderesse, ils n'ont jamais été employés dans les conditions préconisées, c'est-à-dlre pour le défibrage d'une pate gros- sière préalablement imprégnée. Le broyeur vient avantageusement remplacer les raffineurs A disques, par exemple, utilisés usuellement dans-ce cas, Ceci pour deux raisons importantes; -Par son principe de fonctionnement, les fibres soumises au traitement mécanique sont uniquement celles qui forment des agglomérats qu'il s'agit d'individualiser, alors que les fibres déjà défaites passent rafidementixtravwRes de -la rille san's_ $ruEbi aucqAvtraiemt - I -.O Selon un autre aspect de l'invention, le prétraitement auquel sont soumises les plaquettes avant leur défibrage dans le broyeur à marteaux est effectué à l'intérieur d'une machine bi-vis selon l'enseignement du brevet FR 2.418.295. Il apparait, en effet, que par l'imprégnation de courte durée qui se produit à l'intérieur de la machine, conduisant à un ramollissement des liaisons interfibres, les conditions optimales sont réunies pour une bonne exploitation d'un appareil à marteaux qui a tendance à ouvrir les fibres très vite et assez facilement. D'autres détails et avantages du procédé apparaitront à la lecture qui suit de la description d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple et illustré par les dessins annexes o: - la figure 1 est une représentation schématique partielle d'une instal- lation de fabrication de pâte à papier à partir de- plaquettes de bois; la figure 2 est une vue de face, en coupe transversale, d'un broyeur à marteaux susceptible d'être employé dans le cadre de l'invention. La figure 1 représente schématiquement une partie d'une installation de- production de pâte à carton A-haut rendement. Les flèches en trait gras indiquent les flux de matières. Elle comprend une machine du type bi-vis(l) alimentée en plaquettes de bois par une trémie(3} dont la capacité est déterminée pour garantir une alimentation satisfaisante, même en cas d'interruption de courte durée de la chaine de manutention de la machine. La reprise des plaquettes sous la trémie est effectuée par un extracteur à double vis(5) dont la vitesse de rotation est asservie à celle de la- machine bi-vis pour lui assurer une alimentation convenable à tous les régimes de fonctionnement. Les rotors de la machine sont eux-mêmes entrainés -par un moteur(7). Des orifices(9) sont ménagés.le long de l'enveloppe de la machine bi-vis pour permettre l'injection d'un réactif chimique - qui dans le cas présent est une solution de sulfite neutre de soude - - l'intérieur des différentes enceintes de traitement. De même, sont prévus des orifi- ces(11) pour l'injection de la quantité d'eau nécessaire au contrôle de la siccité de la matière en traitement. A l'aval, la machine débouche dans une goulotte de sortie(13) dont la forme permet la répartition du flux de matière vers l'entrée de deux broyeurs e marteaux(20). Une description détaillée de ces appareils est donnée plus loin. L'exemple d'installation illustré par le schéma se réfère à deux broyeurs en parallèle, mais ce nombre n'est pas limitatif. Un seul broyeur peu suffire le-cas échéant. L'opération de dêfibrage dans les broyeurs & marteaux nécessite un apport d'eau en (22) pour diminuer la siccit4 de. la matière. La pâte brute issue des broyeurs tombe dans un cuvier(30) o elle est agitée et reprise par une pompe(32) pour être dirigée vers une batterie de clas- seurs, deux dans le cas présent(40,42), disposés en série. Les rejets de classement sont soumis à un broyage dans un troisième bioyeur A marteaux(50) du mème type que les précédents, alimenté égale- ment en eau d'appoint en (52) pour le contrôle de la siccité de la matière qui après broyage est recyclée vers le cuvier de pâte brute(30) par le conduit(56). La pète acceptée sort du classement en (44) vers l'aspiration de pompes à pâte pour y subir divers traitements ultérieurs avant d'être admise dans le stock de pète de la machine à carton. Elle est ainsi, de façon connue en soi, épurée, par exemple par passage dans des groupes dépura- teurs cyclones disposés en cascade, puis dirigée sur des épaississeurs permettant dé régler sa siccité à la valeur requise pour son passage dans la machine à carton. La figure 2 illustre un modèle de broyeurs à marteaux susceptible d'être employé dans le procédé conforme A l'invention. Il comprend deux rotors(200) montés sur deux arbres(202) horizontaux à 3 l'intérieur d'un bati(204) ouvert à la fois dans sa partie supérieure en (206) pour l'admisgion de la pâte à dffibrer et dans sa partie inférieure(208) pour l'évacuation de cette dernière après traitement. Chaque rotor est constitué de disques parallèles(210) séparés par des entretoises {un seul disque par roter est visible sur la figure}. Ils sont reliés à leur périphérie par des broches(2.14) parallèles A l'arbre. Une broche sur deux porte une rangée de marteaux(216) parallélépipèdi-" ques orientées radialement selon leur grand axe (un seul par rangée est visible sur la figure}. Les marteaux possèdent un certain degré de liberté de rotation autour de leur axe support. Dans l'exemple représenté, chaque rotor est ainsi pourvu de quatre rangées de marteaux. De part et d'autre du plan vertical passant par l'arbre de chaque rot.or sont disposées une herse centrale(220) et ure herse latérale(222) dont les dents sont intercalées entre les plans de rotation des marteaux, et s'étendent sensiblement jusqu'à la périphérie des disques. Une grille(230) en forme de demi cylindre recouvre longitudinalement une partie de 1l moitié inférieure de chaque rotor(200) & une faible dis- tance de la surface balayée par les extrémités libres des marteaux. De la sorte les marteaux coopèrent avec la grille périphérique pour briser et défibrer le matériau séjournant dais l'appareil. Chaque grille est percée d'orifices calibrés (trous ou fentes) de manière A permettre le passage des fibres individualisées tout en retenant le maximum. de buchettes. Les fibres ayant traversé la grille sont entrainées vers l'ouverture de sortie(208) Le calibrage de ces orifices (trous ouu fentes} est déterminant pour l'obtention du résultat escompté. Il est souhaitable que le diamètre des trous soit compris entre 1 et 5 mm, ou bien lorqu'il s'agit de fentes que leur largeur soit comprise entre 0,4 et 2 mm. Lorsque la forme des orifices n'est pas cylindrique, ces valeurs s'appliquent & leur plus petite dimension transversale. Des buses(240) pour l'injection d'eau sont disposées en travers de l'ouverture d'admission(206). Des tl51es(250} prolongent les grilles cylindriques(230) pour confiner l'enceinte balayée par le rotor et limiter les projections. Elles sont articulées autour d'un axe longitudinal pour donner l'accès au rotor quand on doit en assurer la maintenance. L'installation décrite ci-dessus permet notamment l'obtention de pates à carton A haut rendement, de ltordre de 92 %, C partir par exemple d'épicéa frais. Le fonctionnement est le suivant: Les plaquettes sont préparées avant leur admission dans la trêmie(3) elles sont tamisées pour que ne soient acceptées que celles qui ont les dimensions appropriées, lavées et débarrasses. de toute matière étran- gère, Elles passent de la trémie à l'entree de la machine bi-vis par 'les extracteurs. Cette machine est constituée, conformément à l'enseignement du brevet FR 2.418.295, de deux vis parallèles dont les filetages sont identiques et qui sont entrainés dans le même sens de rotation à l'intérieur d'un fourreau. Les filetages sont constitués de zones successives à pas différents. Dans une première section, le filetage est d'abord à pas direct pour !'lentrainement de la matière vers l'aval, puis le pas -est inversé pour freiner la matière jusqu'à former un bouchon. La matière passe dans une deuxième section & l'autre à travers des fengtres calibrées, ménagées dans le filetage immédiatement en aval de la zone de bouchon, en subissant une détente. La dimension des fenêtres est choisie de façon & ne pas entraîner de diminution de la longueur des fibres mais un simple fractionnement des plaquettes. Dans la deuxième section le. filetage est A nouveau à pas direct, puis inversé pour former un deuxième bouchon. La machine comprend ainsi un certain nombre de sections qui se succèdent d'amont vers l'aval. A l'intérieur de chaque section, la matière passe par une série de phases alternées de montées en pression suivies de baisses de pression qui permettent une imprégnation à coeur de la matière par le réactif souhaité. En effet, à cause de la rotation des vis dans le même sens, la progres- sion de la matière de l'amont vers l'aval, s'accompagne d'une alternance de compressions/relachements au moment ou celle-ci passe d'une vis a l 'autre. Pendant chaque phase de compression - qui se produit à l'intérieur des filets d'une vis précédant la portion o ils s'engrènent avec les filets de l'autre vis - la matière a tendance à expulser le liquide prisonnier entre les fibres. Au cours de l'expansion qui suit -quand elle est passée entre les filets de l'autre vis - le liquide vient à nouveau remplir les espaces interfibres. L'excès de liquide libéré au cours des phases de compression peut éven- tuellement être éliminé par des filtres placés à des endroits convena- bles. Cette trituration de la matière à l'intérieur de chaque section, mais aussi d'une section à l'autre, est ainsi favorable à son imprégnation a coeur par le liquide réactif. Par un choix approprié des caractéristiques de. la machine et de son fonctionnement: pas des filets, vitesse de rotation des vis, longueur de la zone de freinage, calibre des fenêtres, etc..., on peut élever la pression & l'intérieur de la machine jusqu'à des valeurs élevées, de l'ordre 100 bars, et obtenir une température appropriée de la matière comprise entre 60 et 100*. De la sorte on réalise une imprégnation à coeur des plaquettes sans endommager les fibres. On introduit des quantités contrôlées d'eau à l'intérieur des diffé- rentes sections pour que l'avancement de la matière se produise dans des conditions optimales. Ainsi, alors que les plaquettes, A leur introduction, ont une humidité de 35 & 50 %, le produit élaboré par la machine en sort avec une siccité de 25 à 30 %. Apres un tel traitement, la matière n'est que partielle- ment défibrée. Dans les conditions opératoires de l'exemple de réalisa- tion présentement illustré, le taux des buchettes est de 55 %. Afin de parfaire l'individualisation des fibres en leur conservant au maximum leur qualité de longueur, on les traite mécaniquement par le moyen de l'invention. La matière est, ainsi acheminée vers les broyeurs, o les paquets de fibres prétraités sont soumis, conformément àA l'invention, à un traitement mécanique de séparation dans le broyeur par l'action des marteaux coopérant avec les herses et la grille cylindrique. A son entrée daeis le broyeur,- la mati&re est arrosée d'eau au moyen des buses de façon qu'à la sortie sa siccité soit réduite à une valeur comprise entre 2 et 20 %> L'aJustement de la siccité permet un réglage du traitement par rapport au taux de buchettes et à la classification BAUER MAC -NETT. Par l'action des marteaux balayant la grille, les fibres non encore ouvertes sont facilemenit défaites alors que les fibres déjà individuali- sées passent rapidement dans les orifices' calibrés sans avoir eu le temps de subir de contraintes mécaniques susceptibles de les coupera La production d'une pate avec préservation de la longueur des fibres est un des avantages important du procédé car ne sont soumis a l'action du broyeur que les amas de fibres à traiter, Ceci est bien sr une estima-- tion statistique. Mais les résultats montrent que, globalement, la proportion de fibres longues issues du traitement peut dans le cas présent être aussi élevée que 54 %. Par fibres longues on entend la proportion de fibres qui sont recueil- lies au tamis de 28 MESH. Ce résultat est à comparer à celui d'une pâte mécanique de meule pour laquelle la proportion de fibres recueillies au tamis de 28 MESH est-de 22.. Un autre avantage de l'utilisation d'un broyeur à marteaux dans -ces conditions est le gain.important en énergie réalisé par rapport à un défibrage effectué dans les raffineurs classiques qui en outre, à degré de raffinage équivalent, ne permettent pas la conservation d'une propor- tion de fibres longues aussi élevée. Pour illustrer l'intérêt de l'emploi d'un broyeur A marteaux, on a fait subir à une même quantité de bois quatre traitements différents, le premier traitement A correspondant à celui de l'invention ou les pla- quettes ont été imprégnées au sulfite neutre de sodium dans une machine bi-vis puis défibrées dans un broyeur du type décrit ci-dessus dont la grille est percée de trous de 2,5 mm de diamètre. Dans un deuxième traitement B, la même pâte brute sortant d'un prétrai- tement bi-vis est passée au travers de deux raffineurs en série du type DEF5BRATOR et BAUER 411 pour obtenir une pâte ayant le même degré d' égouttage. Dans un troisième traitement C, on fait passer dans les mêmes raffineurs une pâte de copeaux. Enfin dans un quatrième traitement D, on a réalisé une pâte de meule. Les caractéristiques de BAUER MAC NET sont mentionnées ci-dessous pour chacune des pâtes. !!!!t ! =,! T B! ! t D !I! !. I I %T14 t 31,6)! 25,3) I 9,8) t 8,7) ! I ( 54,4 ( 49,1! (35,3 ( 22,8 1 I T28! 22,8 ) 23,8) 1 25,5) t 14,1) T! t! I - t J %T48 1 16,3 t 18,7 A 21, 3 21t,4! J 5! !! t % T200! 9,9 12,0 16,9! 28,3! J 2!. 1 t S Q % finxes 16,9 1 20,1 1 26,5 27,5 t T 1 t t S % buchettes! 10,2! 14,7 t 8,6 t 8,9 1 ! = =! =! t! t On constate que le traitement préconisé par l'invention produit une pâte dont la proportion de fibreslongues recueillies au tamis T28 est de 54,4 %, soit plus de 10 % supérieure a celle obtenue dans des raffineurs classiques avec une proportion de fines inférieure de 20 X%, ceci pour des degrés d'égouttage équivalents. Si nous revenons A la description du traitement de la matière dans l'installation illustrée a la figure 1, la pâte brute issue du broyeur dont la siccité. est tombée par exemple & 2 %, ne présente plus qu'un, taux de buchettes de l'ordre de 15 %. La pâte est recueillie dans un cuvier avec les rejets de classement o elle subit un brassage continu. A la sortie du cuvier, la pate est pompée vers la batterie de classeurs qui va éliminer les buchettes. Ainsi la pâte acceptée par le classement ne contient plus que 0,6 % de buchettes environ et peut être soumise aux opérations conventionnelles d'épuration et d'épaississement avant déli- vrance au stock machine. Les rejets de classement sont soumis à un broyage dans un broyeur à mar- teaux(50) semblable aux deux premiers(20)}, un appoint d"eau(32) réduit la siccité de la pate qui est retournée au cuvier(30). Le procédé qui vient d'être décrit présente l'avantage de produire une pâte A haut rendement dont la longueur des fibres est conservée au maximum avec une dépense en énergie diminuée. Il est évident que les broyeurs à marteaux peuvent être alimentés par d'autres pâtes brutes que celles issues d'un prétraitement à la machine bi-vis du moment que cette pâte présente une imprégnation. à coeur suffisante pour une exploitation optimale dans-les broyeurs. Enfin l'installation peut comporter une combinaison de raffineurs clas- siques et de broyeurs à marteaux si cela s'avère nécessaire. RVENDICATIONS 1. Procédé de défibrage mécanique d'une matière lignocellulosique obtenue par un prétraitement d'imprégnation de plaquettes par un agent réactif favorisant le ramollissement de la lignine, caracté- risé en ce qu'il consiste à faire passer la matière. travers un appareil(20) du type broyeur A marteaux et à grille cylindrique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le défibrage est réalisé en milieu humide, la siccité de la matière en sortie de l'appareil étant comprise entre 2 et 20 %. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'eau est injectée(22) au niveau de la trémie d'admission de la matière à l'intérieur du broyeur à marteaux. 4. Procédé selon i'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les orifices de la grille sont des trous de diamètre compris entre 1 et 5 mmi. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérise en ce que les orifices de la grille sont des fentes de largeur comprise entre 0,4 et 2 mm. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le prétraitement de la matière est effectué dans une machine du type bi-vis(1) au cours duquel les copeaux sont soumis à une succession d'alternances compressions/relachements avec injection d'une ou plusieurs solutions d'au moins un agent chimique. 7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la. matière est amenée au cours du prétraitement à une- température comprise entre 60 et 100- par l'action des forces de compression et- de frottement. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite matière lignocellulosique est classée, puis les rejets de classement sont traités dans un appareil de type broyeur à marteaux. 9. Procédé de préparation d'une pate à paeier & partir de plaquettes de bois consistant A prétraiter lesdites plaquettes de bois dans une machine du type bi-vis(1) ou ils sont soumis à une succession de compressions/relachements avec injection d'une ou plusieurs solu- tions d'au moine un agent chimique.puis à défibrer la matière issue de la machine par un moyen mécanique, caractérisé en ce qu'après déibrage la matière est soumise à une opération de classement, et en ce que les rejets de classement sont soumis à un défibrage dans un appareil(50) du type broyeur à marteaux. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'humidité des rejets de classement soumis au défibrage est contrôlée 'par injection d'eau dans le broyeur A marteaux de manière qu'a la sortie dudit broyeur la siccité de la machine soit comprise entre 2 et %. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'après passage dans le broyeur à marteaux la matière est recyclée ein amont des appareils de classage(40,42). 3O