(57)【要約】      （修正有）【課題】高コンシステンシー（濃度）サーモメカニカルパルプ（ＴＭＰ）リファイナーで加えられた電気エネルギーの１０％〜１５％未満が直接パルプのリファイニングに有効利用され、ＴＭＰリファイナーのエネルギー効率増加を提供。【解決手段】ＴＭＰの製造方法であって、パルプを高濃度リファイニングステージでリファイニングして、リファイニングされたパルプとし、高濃度リファイニング工程から排出されたリファイニングされたパルプを中濃度リファイニングのステージでリファイニングすることを特徴とする方法。中濃度リファイニングにおいて、パルプ品質展開を改良する薬剤添加前処理が、加圧チッププレス、ファイバライザーによる予備リファイニング工程、一次高濃度リファイニング工程、および／または、中濃度リファイナーに供給するスタンドパイプの箇所で追加してオプションとして行い得る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーモメカニカルパルプの製造方法であって、
木材チップ、予備調質木質繊維または他の細砕セルロース材を高コンシステンシーリファイニングステージでリファイニングして、リファイニングされたパルプとし、高コンシステンシーリファイニングステージから排出されたリファイニングされたパルプを中コンシステンシーリファイニングの単一ステージまたは複数ステージで処理することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、前記高コンシステンシーリファイニングステージが、木材チップ、予備調質木質繊維または他の細砕セルロース材を加圧高コンシステンシーリファイナーでリファイニングすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１の方法において、高コンシステンシーリファイナーの前に、チッププレスにおける加圧チップ破壊とファイバライジングリファイナーにおける温和な離解とによって木材チップ、予備調質木質繊維または他の細砕セルロース材を処理することを少なくとも１つ含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３の方法において、予備処理薬剤が、チッププレス、ファイバライザーリファイナー、および高コンシステンシーリファイナーの一つの排出口に添加されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１の方法において、前記高コンシステンシーリファイニングステージが、高強度一次リファイナーで、木材チップ、予備調質木質繊維または他の細砕セルロース材をリファイニングすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１の方法において、高コンシステンシーリファイニングステージの前に、またはそのステージにおいて、木材チップ、予備調質木質繊維または他の細砕セルロース材を薬剤処理することをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１の方法において、高コンシステンシーリファイニングステージから排出されたリファイニングされたパルプをスタンドパイプで希釈し、パルプをスタンドパイプで流動化し、流動化されたパルプを中コンシステンシーステージに供給することをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１の方法において、中コンシステンシーリファイニングステージが、開放入口を備えるプレートセグメントを有するメカニカルディスクリファイナーを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
サーモメカニカルパルプの製造方法であって、
木材チップ、予備調質木質繊維または他の細砕セルロース材を高コンシステンシーリファイニング（ＨＣＲ）ステージでリファイニングし、ＨＣＲステージの排出口で懸濁物の状態にあり、懸濁物が懸濁物の重量基準で少なくとも２０パーセント（２０％）のパルプコンシステンシーを有する、リファイニングされたパルプにすること、
ＨＣＲステージから排出されるリファイニングされたパルプの懸濁物を重量基準で５％〜１４％の範囲のコンシステンシーを有する中コンシステンシーパルプに希釈すること、および
希釈工程からの中コンシステンシー懸濁物中のリファイニングされたパルプを中コンシステンシーリファイニング（ＭＣＲ）ステージを使用してリファイニングすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９の方法において、希釈工程がスタンドパイプで行われ、前記スタンドパイプが、リファイニングされたパルプをスタンドパイプの底部の近くで流動化させるコンディショナーを備えることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９の方法において、パルプをリファイニングする前に、高コンシステンシーパルプ懸濁液に行われる予備調質処理をさらに含み、前記予備調質処理がＨＣＲステージでパルプ品質を改良することを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９の方法において、中コンシステンシーに希釈されたパルプ懸濁液を中コンシステンシーポンプ経由で中コンシステンシーパルプのリファイニング工程にポンプ移送することをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
サーモメカニカルパルプの製造装置であって、
木材チップ、予備調質木質繊維または他の細砕セルロース材を受容する入口と、リファイニング域と、前記リファイニングされた高コンシステンシーパルプを排出する出口とを備える高コンシステンシーリファイニングステージ、
前記リファイニングされた高コンシステンシーパルプを受容する第１入口と、希釈液を受容する第２入口と、前記リファイニングされた高コンシステンシーパルプを希釈液で中コンシステンシーパルプに希釈するチャンバーと、中コンシステンシーパルプを排出する出口とを備えるパルプ希釈ステージ、および
前記パルプ希釈ステージの出口から前記中コンシステンシーパルプを受容する入口と、前記中コンシステンシーパルプをリファイニングするリファイニング域と、前記リファイニングされた中コンシステンシーパルプの出口とを備える中コンシステンシーリファイニングステージを含むことを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１３のサーモメカニカルパルプの製造装置において、前記高コンシステンシーリファイニングステージが、加圧高コンシステンシーリファイナーを含むことを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１３のサーモメカニカルパルプの製造装置において、前記パルプ希釈ステージが、スタンドパイプと、スタンドパイプ中でパルプを流動化させるコンディショナーとを含むことを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のサーモメカニカルパルプの製造装置において、スタンドパイプ中のパルプからの空気とコンディショナーを通しての空気を抽出する脱ガス用ポンプをさらに含むことを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１３に記載のサーモメカニカルパルプの製造装置において、中コンシステンシーリファイニングステージが、開放入口を備えるプレートセグメントを有するメカニカルディスクリファイナーを含むことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【０００２】
本発明は、リグノセルロース繊維材のリファイニングに関し、特にサーモメカニカルパルプ（ＴＭＰ）化方法および他のメカニカルリファイニング方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＴＭＰプロセスは、従来、高コンシステンシーで、すなわち、通常、リファイナーを通過するパルプ懸濁液の繊維が重量基準で２０パーセント（２０％）以上であるコンシステンシーで、繊維材をリファイニングするものであった。高コンシステンシーレベルでは、パルプ懸濁液は、繊維の塊であり、そのような塊を扱うことができる加圧ブローラインまたはスクリューコンベヤーで輸送される。対照的に、低コンシステンシーレベルのパルプ懸濁液は、ポンプ輸送可能なスラリー液として流れる。
【０００４】
高コンシステンシーで機械的にパルプをリファイニングするには、リファイニング域でパルプの粘弾性変形に関連する摩擦熱損失に主として費やされる大量のエネルギーが必要になる。これらの摩擦熱損失は、パルプをリファイニングするのには直接関与しない大量のエネルギーである。パルプのリファイニングとは、木質繊維の分離（解繊）と展開（フィブリル化）である。普通、高コンシステンシーＴＭＰリファイナーで加えられた電気エネルギーの１０％〜１５％未満が直接パルプのリファイニングに有効利用される。従って、ＴＭＰリファイナーのエネルギー効率を増加させることが、長い間求められているニーズである。
【０００５】
電気エネルギー消費を低減するというニーズに対処するため、ＴＭＰ製紙工場では、エネルギー多量消費の高コンシステンシーリファイニング（ＨＣＲ）をエネルギー少量消費のリファイニングプロセスに置き換える方法を探し求めている。最近の１０〜１５年間、多くのＴＭＰ製紙工場では、本流の高コンシステンシーリファイニング（ＨＣＲ）ステージの直ぐ後に単一の低コンシステンシーリファイニング（ＬＣＲ）ステージを取り付けてきている。これらの製紙工場に適用するケースの大部分では、低コンシステンシーリファイナー（ＬＣＲ）には、１５０ｋＷｈ／ＯＤＭＴ（オーブン乾燥メートルトン（ｏｖｅｎ  ｄｒｉｅｄ  ｍｅｔｒｉｃ  ｔｏｎ）当たりのキロワット時）未満の比エネルギーが加えられ、ろ水度は１００ｍｌ（ミリリットル）未満に減少する。
【０００６】
低コンシステンシーリファイナーでは、パルプスラリー液にエネルギーが加えられるので、高コンシステンシーリファイナーに較べて格段に高いリファイニング強度で運転される傾向となる。しかし、高リファイニング強度を液媒体に加えても、ＬＣＲのリファイニング域に加えることができる総エネルギーには限度がある。さらに、低コンシステンシーリファイニングでは、ろ水度の減少程度が限定されたパルプが得られる傾向がある。ろ水度の減少が限定されてしまうのは、プレート間の間隙が狭く、単一段の低コンシステンシーリファイニングでは高エネルギーが負荷されるので、繊維が過度に剪断され、パルプ強度の損失が生じるからである。低コンシステンシーリファイニングを複数段に分けて行うことが提案されている。しかし、低コンシステンシーリファイナーでは、繊維の展開の程度が少ない（高ろ水度の）メカニカルパルプ繊維に固有の剪断により、ＬＣＲの利用可能段数には実用上の限界がある。
【０００７】
繊維の柔軟性と耐剪断性を高めるために繊維前処理を付加すると、高コンシステンシーリファイニングと複数段の低コンシステンシーリファイニングとの組み合わせでは、約４００ｍｌのろ水度が得られ、従来製造されていたサーモメカニカルパルプ（ＴＭＰ）と比較して３０％超のエネルギー節約が得られた。これらの付加的前処理法としては、例えば、加圧チッププレスで部分的に木質繊維の解繊を行い（米国特許第６，８９９，７９１号明細書に記載のように）、その後に高コンシステンシーリファイナーで温和な繊維分離（米国特許第７，３００，５４１号明細書に記載のように）、化学処理、および高圧／高強度一次リファイニング（米国特許第５，７７６，３０５号明細書、および米国特許第６，１６５，３１７号明細書に記載のように）を行う方法がある。これらの前処理の助けを得ると、繊維の展開が改良され、低コンシステンシーリファイニングをそのような広範囲のろ水度で行うとき繊維損傷が最小限に抑えられる。
【０００８】
サーモメカニカルパルプの製造方法は引き続いて進歩しているけれども、長い間求められているいくつかのニーズには、ｉ）パルプ品質の展開を改良すること、ｉｉ）エネルギー消費量の少ないポンプ直結リファイナーを開発すること、およびｉｉｉ）ＴＭＰ装置の機械設備の複雑さとコストを減少することなどがある。
【発明の開示】
【０００９】
初期ＨＣＲステージとその後に少なくとも一段の中コンシステンシーリファイニング（ＭＣＲ）ステージとを備える新規ＴＭＰプロセスが開発された。前記ＭＣＲステージ（複数を含む）は、木材チップ、予備調質セルロース繊維、または他の細砕セルロース繊維材の、５％〜１４％の範囲のパルプコンシステンシーを有する濃厚なストックパルプスラリーを処理する。対照的に、ＬＣＲステージは、従来、通常５％以下のコンシステンシーを有するパルプスラリー液を処理する。ＭＣＲステージ（複数を含む）を使用すると、リファイニングプロセスのパルプ化能力が増大し、ＬＣＲステージを備える類似の従来のＴＭＰプロセスと比較してリファイナーの数が減少する。例えば、８％のコンシステンシーを有するパルプを処理する中コンシステンシー（ＭＣ）リファイナーは、４％のコンシステンシーを有するパルプを処理する、２つの同一サイズの低コンシステンシー（ＬＣ）リファイナーと代替可能である。
【００１０】
ＭＣＲステージ（複数を含む）を備える新規なＴＭＰプロセスは、高コンシステンシーリファイニング（ＨＣＲ）を、好ましくは単一のＨＣＲステージに限定し、そしてリファイニング活動の大部分をＨＣＲステージから中コンシステンシーリファイニングステージ（複数を含む）に移行させることによって、エネルギー消費量を削減する。そうすることで、高コンシステンシーリファイナーの数とポンプ直結リファイナーの数が、ＨＣＲステージといくつかのＬＣＲステージとを備える従来のＴＭＰプロセスと比較して、好ましく削減される。さらに、ＭＣＲステージ（複数を含む）は、ＨＣＲステージステージとＬＣＲステージを備える従来のＴＭＰプロセスと比較して、高められたパルプ品質の展開をもたらす。ＨＣＲステージとＭＣＲステージとを組み合わせは、高品質のパルプ、例えば、高引張り強さを、特に低ろ水度レベルで有するパルプを製造することを可能とする。
【００１１】
本明細書に開示の新規なＴＭＰプロセスは、中コンシステンシーのリファイニングに先立ち繊維の展開を増大させるための予備調質処理を有する第１のＨＣＲステージとその後の少なくとも一段のＭＣＲステージを備える。ポンプ直結ＭＣリファイナーは、同じサイズの従来のＬＣリファイナーで処理されるパルプ量の２倍を処理するように構成されている。ＭＣリファイナーは、製紙工場での運転におけるリファイニングステージの総数を削減するために使用される。予備調質工程は、高いろ水度レベルでＭＣリファイニング応答性を向上させ、エネルギー多消費のＨＣＲの置換（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）を増加させる。ＴＭＰ予備処理は、加圧チッププレスにおける部分的解繊、ファイバーライザーリファイナーにおける温和な繊維分離、化学処理（ＨＣリファイニングステージの前、途中、または後で）、高強度または高圧ＨＣリファイニング、およびこれらのプロセスの組み合わせを含む。
【００１２】
サーモメカニカルパルプを製造する方法が開発されたが、この方法は、高コンシステンシーリファイニングステージと、高コンシステンシーリファイニングステージからのリファイニングされたパルプ排出物を処理する、一段の中コンシステンシーリファイニング（ＭＣＲ）ステージまたは多段のＭＣＲステージとでパルプをリファイニングすることを含むものである。高コンシステンシーリファイニングステージは、パルプ、例えば、木材チップ、予備調質木質繊維および細砕セルロース繊維材を加圧高コンシステンシーリファイナーでリファイニングすることを含み得る。本方法は、また、高コンシステンシーリファイニングステージから排出されたリファイニングされたパルプをスタンドパイプ中で希釈し．そしてスタンドパイプ中でパルプを流動化することも含み得る。中コンシステンシーリファイニングステージは、開放された入口を有するプレートセグメントを備えるメカニカルディスクリファイナーを含み得る。
【００１３】
サーモメカニカルパルプを製造するもう１つの方法が開発されたが、この方法は、木材チップ、予備調質木質繊維または他の細砕セルロース繊維材を高コンシステンシーリファイニング（ＨＣＲ）ステージを使用して、懸濁液の重量基準で少なくとも２０パーセント（２０％）のパルプコンシステンシーを有する高コンシステンシーパルプ懸濁液中でリファイニングすること；ＨＣＲステージから排出されたリファイニングされたパルプ懸濁液を重量基準で５％〜１４％の範囲のパルプコンシステンシーを有する中ンシステンシーにまで希釈すること；および中コンシステンシーリファイニング（ＭＣＲ）ステージを使用して、前記希釈ステップで形成された中コンシステンシー懸濁液中のリファイニングされたパルプをさらにリファイニングすることを含む。
【００１４】
サーモメカニカルパルプを製造する装置が開発されたが、この装置は、木材チップ、予備調質チップまたは繊維材、または他の細砕セルロース材を受容する入口と、リファイニング域と、前記リファイニングされた高コンシステンシーパルプを排出する出口とを備える高コンシステンシーリファイニングステージ；前記リファイニングされた高コンシステンシーパルプを受容する第１の入口と、希釈液を受容する第２の入口と、前記リファイニングされた高コンシステンシーパルプを希釈液で中コンシステンシーパルプに希釈するチャンバーと、中コンシステンシーパルプを排出する出口とを備えるパルプ希釈ステージ；および前記パルプ希釈区域の出口から前記中コンシステンシーパルプを受容する入口と、前記中コンシステンシーパルプをリファイニングするリファイニング域と、前記リファイニングされた中コンシステンシーパルプの出口とを備える中コンシステンシーリファイニングステージを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】高コンシステンシーリファイニングステージと中コンシステンシーリファイニングステージを使用する例示的リファイニング装置のパルプ工場内の概略系統図である。
【００１６】
【図２Ａ．２Ｂ】中コンシステンシーでポンプ直結リファイナーの運転に使用される従来のリファイナープレートの、それぞれ、側面図と正面図である。
【００１７】
【図３】中コンシステンシー（ＭＣ）、低コンシステンシー（ＬＣ）および高コンシステンシー（ＨＣ）リファイニング技術で処理された針葉樹繊維における繊維引張インデックスに対するパルプろ水度を示す図である。
【００１８】
【図４】中コンシステンシー（ＭＣ）、低コンシステンシー（ＬＣ）、および高コンシステンシー（ＨＣ）リファイニング技術で処理された針葉樹繊維におけるろ水度に対する比エネルギー消費量を示す図である。
【００１９】
【図５】２つの相異なるリファイナープレートデザインを使用して中コンシステンシーリファイニングで処理された針葉樹繊維における繊維引張インデックスに対するパルプろ水度を示す図である。
【００２０】
【図６】低および高リファイニング強度を使用して製造された中コンシステンシーリファイニングＴＭＰパルプにおける引張インデックスに対するパルプろ水度を示す図である。
【００２１】
【図７】低および高リファイニング強度を使用して製造された中コンシステンシーリファイニングＴＭＰパルプにおける引裂インデックスに対する引張インデックスを示す図である。
【００２２】
【図８】重亜硫酸塩薬剤予備処理を行った場合と行わなかった場合に製造された中コンシステンシーリファイニングＴＭＰパルプにおける引張インデックスに対する比エネルギー消費量（ＳＥＣ）を示す図である。
【００２３】
【図９】中コンシステンシー（ＭＣ）リファイニング技術および低コンシステンシー（ＬＣ）リファイニング技術で処理された薬剤処理広葉樹繊維における引張インデックスに対するパルプろ水度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、細砕セルロース繊維材１１、例えば、木材チップ、予備調質木質繊維および破砕チップを処理するためのパルプ工場運転概略系統図１０の例を示す。パルプ工場運転は、従来の一次リファイナーステージ１２と二次リファイナーステージ２８とを含む。二次リファイナーステージは、少なくとも一段の中コンシステンシーリファイナーを含む。一次リファイナーステージ１２は、従来の高コンシステンシー加圧リファイナー、例えば、相対するローターリファイナーディスクとステーターリファイナーディスクを備え、少なくとも２０パーセント（％）、好ましくは３０％超のコンシステンシーを有する木材チップ、破砕チップまたは他の細砕セルロース材を処理する高速加圧リファイナーが用いられる。一次リファイニングステージ１２は、薬剤予備処理または調質１３、例えば、リグノセルロース繊維材のアルカリ、アルカリ性過酸化物、およびバイオ剤による予備処理や調質を行うものでも、行わないものでもよい。リグノセルロース繊維材としては、広葉樹、針葉樹、および草、ケナフ、バガスなどのような非木質系セルロー材を含み得る。
【００２５】
一次リファイナー１２から排出された部分的にリファイニングされたパルプは、スタンドパイプ１６に流れる。部分的にリファイニングされたパルプは、例えば、２０％超の高コンシステンシーを有する。高コンシステンシーパルプは、例えば、ブローパイプまたはスクリューコンベヤー１７でスタンドパイプ１６にブローまたは移送され、白液または他の好適な液体の給源１８からの液体の添加により希釈される。スタンドパイプ中のスラリーは、５％〜１４％、好ましくは５％〜１２％、最も好ましくは６％〜１０％の中コンシステンシーに希釈される。
【００２６】
スタンドパイプ１６では、スタンドパイプから排出される中コンシステンシーパルプが流動化される。流動化は、パルプと液体がスタンドパイプの排出口１４で良好に混合されることを可能にする。好適な流動化がなければ、パルプは、スタンドパイプで液体から分離して、スタンドパイプの底部や側部に沈積する恐れがある。
【００２７】
スタンドパイプの底部のパルプは、コンディショナー２０、例えば、回転する垂直スクリューで流動化し得る。この回転する垂直スクリューは、スタンドパイプの底部に取り付けられ、モーター２２で回転される。コンディショナー２０があると、スタンドパイプの底部における繊維質パルプ材の過度な圧縮が回避される。スタンドパイプ中のパルプ懸濁液の圧力作用で、中コンシステンシーパルプの上に圧力ヘッドが形成され、パルプはスタンドパイプ排出口１４から排出される。
【００２８】
真空ポンプ２１は、スタンドパイプのパルプ懸濁液を脱ガスする作用を行い、空気３０が、パルプに接触しているコンディショナー２０の内部経由でパルプ懸濁液から取り除かれる。空気を取り除くと、ＭＣポンプ２４運転の所望のパルプスループットでの安定状態が促進される。空気３０は、中コンシステンシー（ＭＣ）ポンプ２４の入口の前にパルプ懸濁液の導管２６の他の箇所でパルプから取り除くことができる。
【００２９】
中コンシステンシー（ＭＣ）ポンプ２４としては、丈夫なシャフトと複数のインペラー羽根を備える遠心ポンプを使用し得る。ＭＣポンプ２４は、中コンシステンシーパルプをスタンドパイプ１６から中コンシステンシーリファイナー２８に移送する。ＭＣポンプは、従来型のものであり、低コンシステンシー懸濁液に使用される遠心型ポンプよりもはるかにヘビーデューティの構造となる傾向がある。ＭＣポンプは、ＬＣパルプ懸濁液をポンプ輸送するために必要とされるモーターより大きいモーターが必要である。スタンドパイプから流れるパルプ懸濁液が濃厚だからである。
【００３０】
中コンシステンシーの脱ガスされたパルプは、ＭＣリファイナー２８の入口にポンプ輸送される。加減弁２７は、導管２６経由で中コンシステンシー（ＭＣ）リファイナー２８に流れるパルプ懸濁液の流量を規制する。ＭＣリファイナー２８は、リファイニング間隙をその間に規定する対向するディスクを備える。リファイナーは、単一のリファイニング域を備える単一の回転円板を備えることもできるし、または複数のリファイニング域を備える二枚またはそれ以上の数の回転円板を備え得る。ＭＣリファイナー２８から排出されるリファイニングされたパルプは、他の追加のＭＣリファイナーにも、貯蔵タンクにも、またはさらに従来のパルププロセス３２、例えば、スクリーニング、クリーニングまたは漂白プロセスにも流れ得る。
【００３１】
図２Ａと図２Ｂは、リファイナープレートセグメント３４の側面図と正部図である。プレートセグメント３４は、ＭＣリファイナーの対向するディスクに取り付けられている。ＭＣリファイナー中の少なくとも一つのディスクが回転することで、パルプに遠心力が加えられ、パルプは間隙を通ってプレートセグメント上のリファイニング表面を外側に半径方向に移動する。これらの表面は、バー３６と溝３８を備え、バー３６と溝３８は、圧縮力の形でエネルギーを付与してパルプ繊維を展開する。好ましくは、リファイニングプレート３４は、中コンシステンシーパルプの安定供給を可能にするに十分に好適であり、かつ開放されている大きな開放入口３７を備える。リファイナープレートセグメント３４は、中コンシステンシーリファイニングに好適で、パルプを供給するための開放入口３７と、リファイニング間隙でパルプ強さ発現を増す（バーで加えられる力を増す）ための多数の細かいバー３６を備える。広範囲のプレートセグメントデザインを使用して中コンシステンシーレベルでパルプをリファイニングすることが可能である。プレート溝３８内には、十分な開放域が利用可能なようにし、多量のパルプがリファイナーを半径方向に通過するようにし、同時に十分にバーで処理して良好なパルプ品質が発現するようにすべきである。例えば、溝の幅は、おおよそバー幅の２倍で、バーの高さの半分とし得る。一例として、溝幅は２．７９ｍｍ、バー幅は１．５０ｍｍ、バー高さは７．０１ｍｍとし得る。
【００３２】
図３は、中コンシステンシーリファイニング法４０、低コンシステンシーリファイニング法４２、および高コンシステンシーリファイニング法４４における引張インデックス（ニュートン（Ｎ）−メートル（ｍ）／グラム）に対するパルプろ水度（ミリリットル）を示す図である。これらの各方法の出発パルプは、アラスカトウヒ(Sitkaspruce)／ヨレハマツ(Lodgepole pine)の針葉樹ＴＭＰ（１１９ｍＬ）であり、高コンシステンシーリファイニングを用いて製造され、亜硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ３）の２％添加により処理されたものである。同じタイプのリファイナー、アンドリッツ（Andritz）モデルツインフロー（TwinFlo）ＩＩＩＢ（直径２０インチ）ポンプ直結リファイナーが、低および中コンシステンシーリファイナー法４０および４２に使用された。これらの方法の各々は、リファイニングのパスを５回直列に使用することで行われた。中コンシステンシー法４０では、ＭＣリファイナーでのパルプコンシステンシーは７．８％であった。低コンシステンシー法４２では、ＬＣリファイナーでのパルプコンシステンシーは４．４％であった。高コンシステンシーリファイニング法４４では、ＨＣリファイナーでのパルプのコンシステンシーは．２４％であった。アンドリッツ（Andritz）モデル４０１大気圧ダブルディスク(Atomosoheric Double Disc）リファイナー（直径３６インチ）が、高コンシステンシーでＴＭＰパルプをリファイニングするために使用された。
【００３３】
ＭＣリファイニング４０では、引張インデックス（パルプ結合強さ）が安定的に増加したが、一方、低コンシステンシーリファイナー系列４４の引張インデックスは、４０ｍＬのろ水度以下にリファイニングされると、劇的に低下した。これらの結果は、低コンシステンシーでリファイニングを数回繰り返した後では、パルプ懸濁液は極めて微細になって、安定なプレート間隙を維持し得なくなり、その結果として過度の繊維切断が生じ、パルプ強さが損失することを示唆している。中コンシステンシー法４０においては、低いろ水度レベルでは、高コンシステンシー法で製造されたパルプに匹敵する引張インデックスが得られた。これらの結果は、ポンプ直結リファイナーにおける中コンシステンシーリファイニングでは、よりエネルギー消費量の多い高コンシステンシーでリファイニングされた（ＨＣＲ）パルプと同様の結合強さレベルを達成し得ることを示している。
【００３４】
図４は、上述のＭＣＲ４０、ＬＣＲ４２、およびＨＣＲ４４系列のろ水度（ミリリットル）に対する比エネルギー消費量（キロワット（ｋＷ）時（ｈｒ）／トン）を示す図である。水平軸に示される比エネルギー消費量（ＳＥＣ）は、最初のＴＭＰパルプに加えられたエネルギーではなく、各々３種のリファイニング法の間に加えられたエネルギーについてである。ＭＣＲ系列４０の比エネルギー消費量は、ＬＣＲ系列４２とＨＣＲ系列４４のそれらの間にある。５０ｍｌのろ水度では、ＬＣＲ、ＭＣＲ、およびＨＣＲ系列の比エネルギー消費量は、それぞれ、９５、３６３、および８６７キロワット（ｋＷ）時（ｈｒ）／トンである。ＭＣＲ４０の比エネルギー消費量は、ＨＣＲ４４で得られたものより約６０％少ない。５０ｍｌのろ水度におけるＬＣＲ、ＭＣＲ、およびＨＣＲ方法の各引張インデックス値は、４９．３、５３．５、および５４．４（ニュートン（Ｎ）−メートル（ｍ）／グラム）である。ＭＣＲ系列は、５０４キロワット（ｋＷ）時（ｈｒ）／トンだけ少ない比エネルギー消費量使用でも、ＨＣＲシリーズに匹敵する引張インデックスを実現した。
【００３５】
図５は、２つの中コンシステンシーリファイニング法４６と４８で得られた引張インデックス（ニュートン（Ｎ）−メートル（ｍ）／グラム）に対するパルプろ水度（ミリリットル）を示す図である。出発パルプ（ＭＣリファイニング前）は、アラスカトウヒ／ヨレハマツの針葉樹ＴＭＰ（１１９ｍＬ）であり、高コンシステンシーリファイニングを使用して製造され、亜硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ３）２％添加により処理されたものである。アンドリッツ（Andritz）モデルツインフロー（TwinFlo）ＩＩＩＢ（直径２０インチ）ポンプ直結リファイナーが、２つの中コンシステンシーリファイナーの試験に使用された。系列４６，４８各々は、リファイニングのパスを５回直列にして行われた。二つの中コンシステンシー法４６，４８では、ＭＣリファイナーでのパルプコンシステンシーは、それぞれ、４６については７．１％、４８については７．８％であった。最初のＭＣ法４６では、７．１％のＭＣパルプは、他の７．８％のＭＣ法４８で使用されたプレートと比較して、入口の開放域が、より狭いリファイナープレートを用いてリファイニングされた。より広い開放入口を備え、より優れた供給能力を備えているリファイナープレートにより、１００を越えるレベルのろ水度に対して、より高い引張インデックスを有するパルプが製造された。図２Ａと図２Ｂに示されるプレート４０を第二系列４８に使用した。両方の系列では、類似のリファイニング強度（比エッジ負荷）である約０．３１〜０．３７ワット秒／メートルでリファイニングされた。図５は、より開放された入口のリファイナープレートを使用して製造されたＭＣパルプ４０が、より制限された入口プレートを備えるもう片方のＭＣリファイニング法４２と比較して、より高く、より望ましい引張インデックスをもたらすことを示している。引張インデックスの差は、パルプが低ろ水度レベルまでリファイニングされるとき、さらに大きくなる。以上の諸結果が示唆するのは、より粘稠の中コンシステンシーパルプをリファイナーにポンプ移送するとき、安定供給可能の広い開放域が望ましいということである。
【００３６】
図６は、高リファイニング強度と低リファイニング強度の多段のステージ５０と５２で製造された２つの中コンシステンシーリファイニング法における引張インデックス（ニュートン（Ｎ）−メートル（ｍ）／グラム）に対するパルプろ水度（ミリリットル）を示す図である。出発パルプ（ＭＣリファイニング前）は、高コンシステンシーリファイニングを使用して、ろ水度４７２ｍｌに製造されたブラックスプルース（ｂｌａｃｋ  ｓｐｒｕｃｅ）ＴＭＰである。モデルツインフロー（TwinFlo）ＩＩＩＢ（直径２０インチ）ポンプ直結リファイナーが、両方のシリーズに使用された。高強度系列５０は、多段のステージで６．９％のコンシステーでリファイニングされ、平均リファイニング強度は０．４２ワット（Ｗ）秒（ｓ）／メートルであった。低強度系列５２は、多段のステージで７．１％のコンシステーでリファイニングされ、平均リファイニング強度は０．３１ワット（Ｗ）秒（ｓ）／メートルであった。より高いリファイニング強度５０で生産された系列と比較して、より低いリファイニング強度５２で生産された中コンシステンシーリファイナー系列は、より高いパルプ引張インデックスの発現をもたらした。
【００３７】
図７は、図６に記載されたものと同じ２つの中コンシステンシーリファイニング法における引裂インデックス（ニュートン（Ｎ）−メートル（ｍ）／グラム）に対するパルプ引張インデックス（ニュートン（Ｎ）−メートル（ｍ）／グラム）を示す図である。図７は、低リファイニング強度５２で製造された中コンシステンシーリファイニングパルプが、高強度５０でリファイニングされたパルプと比較して、所与の比引張インデックスで、より高いパルプ引裂インデックスの発現もたらすことを示している。ＨＣＲとＬＣＲの場合でも観測されるように、これらの諸結果は、運転条件、例えば、リファイニング強度（比エッジ負荷）が機械パルプのＭＣＲの際にパルプ強さ特性を最適化するのに重要であることを示している。
【００３８】
図８は、リファイニングに先だって薬剤処理あり５６と薬剤処理なし５４で製造された２つの中コンシステンシーリファイニング法における引張インデックス（ニュートン（Ｎ）−メートル（ｍ）／グラム）に対する比エネルギー消費量（キロワット（ｋＷ）−時（ｈｒ）／トン）を示す図である。薬剤処理で製造された系列５６は、８．１％のコンシステンシーでリファイニングされ、リファイニング前にスタンドパイプでオーブン乾燥パルプ繊維基準で４％の亜硫酸水素ナトリウムを添加したものである。薬剤処理なしで製造された系列は、７．１％のコンシステンシーでリファイニングされた。両系列は、同様のリファイニング強度、すなわち、約０．３１ワット（Ｗ）秒（ｓ）／メートルで製造された。出発パルプ（ＭＣリファイニング前）は、高コンシステンシーリファイニングを使用し、ろ水度４７２ｍｌに製造されたブラックスプルースＴＭＰである。モデルツインフロー（TwinFlo）ＩＩＩＢ（直径２０インチ）ポンプ直結リファイナーが、両方のシリーズに使用された。重亜硫酸塩処理５６で製造された中コンシステンシーリファイナー系列は、所与の比エネルギーの適用においてパルプ引張インデックスの高い発現をもたらした。薬剤の添加を行うと、中コンシステンシーリファイニングの性能をさらに向上し得る。この場合、具体的に重亜硫酸塩添加を行うと、高ろ水度ＴＭＰパルプのパルプ強さ発現が改良された。
【００３９】
図９は、中コンシステンシーリファイニング５８と低コンシステンシーリファイニング６０における引張インデックス（ニュートン（Ｎ）−メートル（ｍ）／グラム）に対するパルプろ水度（ミリリットル）を示す図である。出発パルプは、これらの方法の各々に対し、アルカリ性過酸化物薬剤で処理したケミメカニカルＨＣＲリファイニング法を使用して製造された広葉樹材のユーカリ樹種（eucalyptus dunnii）である。水酸化ナトリウム６．２％と過酸化水素薬剤４．９％の合計量がユーカリ繊維に添加、処理された。ケミメカニカルパルプ製造ステップの間、前記広葉樹材繊維は、加圧ＨＣリファイナーを使用して６２４ｍｌの高ろ水度にリファイニングされた。アンドリッツ（Andritz）モデルツインフロー（TwinFlo）ＩＩＩＢ（直径２０インチ）ポンプ直結リファイナーが、低および中コンシステンシーリファイナー法５８および６０に使用された。これらの方法の各々は、リファイニングを各二回直列に行われた。中コンシステンシー法５８では、ＭＣリファイナーにおけるパルプのコンシステンシーは７．７％であった。低コンシステンシーリファイニング法６０では、ＬＣリファイナーにおけるパルプのコンシステンシーは４．１％であった。
【００４０】
ＭＣリファイニング５８にしろ、ＬＣリファイニング６０にしろ双方とも引張インデックスは確実に増加した。ＬＣＲ法６０と比べて、ＭＣＲ法５８では、すべてのレベルのろ水度に対して高い引張インデックスが達成された。これらの結果が示すのは、中コンシステンシーリファイニングの方が、薬剤処理広葉樹材繊維を良好に展開することである。考えられることは、ＭＣリファイニングの際にプレート間に繊維の塊が多量にあると、より多くの繊維が繊維展開を受けるが、ＬＣリファイニングでは比較的多くの繊維が剪断作用を受けてしまうということである。
【００４１】
以上、本発明は、現在最も実用的で、好ましい態様であると考えられるものについて記載されたけれども、本発明は、開示された態様に限定されることなく、むしろ反対に、特許請求の範囲に含まれる多岐にわたる修正や均等の配置をも網羅するものである。
【図１】
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【図２Ａ．２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
【Title of Invention】
【０００１】
MEDIUM CONSISTENCY REFINING METHOD OF PULP AND SYSTEM
【Technical Field】
【０００２】
The invention relates to refining of lignocellulosic fibrous material and particularly to thermomechanical pulping (TMP) and other mechanical refining processes.
【Background Art】
【０００３】
TMP processes have conventionally refined fibrous material at high consistencies, typically having consistencies of 20 percent (20%) or more fiber by weight of the pulp suspension passing through the refiner.  At high consistency levels, the pulp suspension is a fibrous mass and is transported by a pressurized blowline or screw conveyor which can handle such masses. In contrast, pulp suspensions at lower consistency levels flow as a liquid slurry that can be moved by pumps.  
【０００４】
Mechanically refining pulp at a high consistency requires a large amount of energy that is expended primarily in frictional heat losses associated with viscoelastic deformations of the pulp in the refining zone.  These frictional heat losses result in a large amount of energy that is not applied directly to refining pulp.  Refining pulp is the separation (defibrate) and development (fibrillate) of the wood fibers.  Typically less than 10% to 15% of the electric energy applied in a high consistency TMP refiner is directly applied to refining the pulp.  There is a long felt need to increase the energy efficiency of a TMP refiner.
【０００５】
To address the need for lower electric energy consumption, TMP mills are searching for ways of displacing energy-intensive high consistency refining (HCR) with less energy intensive refining processes. Over the last ten to fifteen years many TMP mills have installed a single low consistency refining (LCR) stage directly following a mainline high consistency refining (HCR) stage.  In most of these mill applications, the low consistency refiner (LCR) applies a specific energy less than 150 kWh/ODMT (kilowatt hours per oven dried metric ton) and displaces less than 100 ml (milliliters) of freeness.  
【０００６】
Because low consistency refiners apply energy to a fluid pulp slurry, they tend to operate at significantly higher refining intensities than do high consistency refiners.  However, the high refining intensities and fluid medium limits the total energy that can be applied in the refining zone of a LCR.  Further, low consistency refining tends to produce pulp having limited freeness reduction.  The limited displacement of freeness arises from excessive shearing of fibers and loss in pulp strength due to a narrow plate gap and a high energy load in a single stage of low consistency refining. Multiple stages of low consistency refining have been proposed.  However, there is a practical limit to the number of LCR stages due to the inherent shearing of less developed (high freeness) mechanical pulp fibers in low consistency refiners. 
【０００７】
Entailing fiber pretreatments to increase fiber flexibility and resistance to shearing resulted in a displacement of approximately 400 mL of high consistency refining with multiple stages of low consistency refining and energy savings of more than 30% as compared to conventionally produced thermomechanical (TMP) pulps. These entailing pretreatment methods included partial wood fiber defibration in a pressurized chip press (such as described in U.S. 6,899,791) followed by gentle fiber separation in a high consistency refiner (such as described in U.S. Patent 7,300,541), chemical treatment, and high-pressure/high-intensity primary refining (such as described in U.S. Patent 5,776,305, and U.S. Patent 6,165,317). Thesepretreatments help improve fiber development and minimize fiber damage when low consistency refining across such a large span of freeness. 
【０００８】
Despite continued advances in thermomechanical pulping there remain several long felt needs including: i) improving pulp quality development; ii) developing less-energy intensive pump-through refiners, and iii) reducing the complexity and cost of mechanical equipment in TMP systems. 
【Disclosure of Invention】
【０００９】
A novel TMP process has been developed having an initial HCR stage and at least one subsequent medium consistency refining (MCR) stage.  The MCR stage(s) processes a thick stock pulp slurry of wood chips, pre-conditioned cellulosic fibers, or other comminuted cellulosic material, having a pulp consistency in a range of 5% to 14% consistency. In contrast, LCR stages conventionally process a liquid pulp slurry having a consistency of typically below 5%. The use of a MCR stage(s) increases the pulping capacity of the refining process and reduces the number of refiners, as compared to a similar conventional TMP process with LCR stages. For example, a medium consistency (MC) refiner processing pulp having a consistency of 8% may replace two equally sized low consistency (LC) refiners processing pulp having a consistency of 4%. 
【００１０】
The novel TMP process with a MCR stage(s)  reduces energy consumption by limiting high consistency refining (HCR), preferably to a single HCR stage, and shifting a large portion of the refining activity from the HCR stage to the medium consistency refining stage(s). In so doing, both the number of high consistency refiners and pump-through refiners are preferably reduced, as compared to conventional TMP processes having HCR and several LCR stages.  Further, a MCR stage(s) provides enhanced pulp quality development as compared to conventional TMP processes having HCR and LCR stages. The combined HCR and MCR stages produce pulp having high quality, such as pulp having high tensile strength, especially at low freeness levels. 
【００１１】
The novel TMP process disclosed here includes a first HCR step, preferably with preconditioning treatments to enhance fiber development prior to medium consistency refining, and at least one subsequent MCR stage. An MC pump-through refiner may be configured to process twice the amount of pulp processed by a same sized conventional LC refiner.  MC refiners may be used to reduce the total number of refining stages in a mill operation.  The preconditioning step should improve the MC refining response at higher freeness levels, and increase displacement of energy-intensive HCR. The TMP pretreatments may include partial defibration in a pressurized chip press, gentle fiber separation in a fiberizer refiner, chemical treatments (before, during, or after the HC refining stage), high-intensity or high-pressure HC refining, and a combination of these processes. 
【００１２】
A thermomechanical pulping method has been developed including: refining pulp with a high consistency refining stage, and a medium consistency refining (MCR) stage or multiple MCR stages processing the refined pulp discharge from the high consistency refining stage.  The high consistency refining stage may include refining the pulp, such as wood chips, pre-conditioned wood fiber and comminuted cellulosic material, with a pressurized high consistency refiner. The method may further include diluting the refined pulp discharged by the high consistency refining stage in a standpipe and fluidizing the pulp in the standpipe.  The medium consistency refining stage may include a mechanical disc refiner having plate segments with an open inlet. 
【００１３】
A thermomechanical pulping method has been developed comprising: refining wood chips, pre-conditioned wood fibers or other comminuted cellulosic materials in a high consistency pulp suspension using a high consistency refining (HCR) stage, wherein the pulp suspension has a pulp consistency of at least twenty percent (20%) by weight of the suspension; diluting the suspension of refined pulp discharged from the HCR stage to a medium consistency having a pulp consistency in a range of 5% to 14% consistency by weight, and refining the refined pulp in the medium consistency suspension formed in the dilution step using a medium consistency refining (MCR) stage.
【００１４】
A thermomechanical pulping system has been developed comprising: a high consistency refining stage having an inlet receiving wood chips, pre-conditioned chips or fibrous material, or other comminuted cellulosic material, a refining zone, and an outlet discharging refined high consistency pulp; a pulp dilution stage have a first inlet to receive the refined high consistency pulp and a second inlet to receive a liquor, a chamber to dilute the refined high consistency pulp with the liquor to form medium consistency pulp, and an outlet discharging the medium consistency pulp, and a medium consistency refining stage having an inlet receiving the medium consistency pulp from the outlet of the pulp dilution stage, wherein the medium consistency refining  stage includes a refining zone to refine the medium consistency pulp and an outlet for the refined medium consistency pulp.     
【Brief Description of Drawings】
【００１５】
FIGURE 1 is a mill process diagram of an exemplary refining system using high consistency and medium consistency refining stages.
【００１６】
FIGURES 2A and 2B are a side view and front view, respectively, of a conventional refiner plate used for operation of a pump-through refiner at medium consistency. 
【００１７】
FIGURE 3 is a chart showing fiber tensile index versus pulp freeness for softwood fibers treated by medium consistency (MC), low consistency (LC) and high consistency (HC) refining techniques.
【００１８】
FIGURE 4 is a chart showing freeness versus specific energy consumption for softwood fibers treated by medium consistency (MC), low consistency (LC) and high consistency (HC) refining techniques.
【００１９】
FIGURE 5 is a chart showing fiber tensile index versus pulp freeness for softwood fibers treated by medium consistency refining using two different refiner plate designs. 
【００２０】
FIGURE 6 is a chart showing tensile index versus pulp freeness for medium consistency refined TMP pulps produced using a low and high refining intensity.
【００２１】
FIGURE 7 is a chart showing tear index versus tensile index for medium consistency refined TMP pulps produced using a low intensity and a high refining intensity.
【００２２】
FIGURE 8 is a chart showing tensile index versus specific energy consumption (SEC) for medium consistency refined TMP pulps produced with and without a chemical bisulfite pretreatment.
【００２３】
FIGURE 9 is a chart showing tensile index versus pulp freeness for chemically treated hardwood fibers treated by medium consistency (MC) and low consistency (LC) refining techniques.    
【Mode for Carrying out the Invention】
【００２４】
FIGURE 1 represents an exemplary mill operation 10 for processing comminuted cellulosic material 11, such as wood chips pre-conditioned wood fibers and destructured chips.  The mill operation includes a conventional primary refiner stage 12 and a second refiner stage 28.  The secondary refiner stage includes at least one medium consistency refiner.  The primary stage refiner stage 12 may be a conventional high consistency pressurized refiner, such as a high speed pressurized refiner having opposing rotor and stator refiner discs that process wood chip, destructured chips, or other comminuted fiberized cellulosic material having a consistency of at least 20 percent (%) and preferably greater than 30%. The primary refining stage 12 may be associated with or without chemical pretreatment or conditioning 13, such as pretreatment and conditioning with alkaline, alkaline peroxide, and bio-agents, of lignocellulosic fibrous material, which may include hardwood, softwood, and non-wood cellulosic material such as grasses, kenaf, and bagasse, etc.  
【００２５】
The partially refined pulp discharged from the primary refiner 12 flows to a standpipe 16.  The partially refined pulp has a high consistency, such as greater than 20%.  The high consistency pulp is either blown or conveyed, e.g., by a blowpipe or screw conveyor 17, to the standpipe 16 and diluted by the addition of liquor from a liquor source 18 of white water or other suitable liquor.  The slurry in the standpipe is diluted to a medium consistency of 5% to 14%, preferably 5% to 12%, and most preferably 6% to 10%. 
【００２６】
The standpipe 16 fluidizes the medium consistency pulp discharged from the standpipe.  Fluidization ensures that the pulp and liquid are well mixed at the discharge 14 of the standpipe.  Without suitable fluidization, the pulp may separate from the liquor in the standpipe, and settle at the bottom and sides of the standpipe. 
【００２７】
The pulp in the bottom of the standpipe may be fluidized with a conditioner 20, such as a rotating vertical screw, positioned at the bottom of the standpipe and turned by a motor 22.  The conditioner 20 avoids excessive compaction of the fibrous pulp material in the bottom of the standpipe.  The pressure of the pulp suspension in the standpipe creates a pressure head on the medium consistency pulp being discharged 14 from the standpipe.  
【００２８】
A vacuum pump 21 degasses the pulp suspension in the standpipe, such that air 30 is removed from the pulp suspension through the inside of the conditioner 20 which is in contact with the pulp. Air removal promotes operation of the MC pump 24 in a stable condition at the desired pulp throughput. Air 30 may be removed from the pulp at other locations in the path 26 of the pulp suspension prior to the inlet to a medium consistency (MC) pump 24. 
【００２９】
The medium consistency (MC) pump 24 may be a centrifugal pump having a sturdy shaft and multiple vane impeller.  The MC pump 24 moves the medium consistency pulp from the stand pipe 16 to the medium consistency refiner 28. MC pumps are conventional, and tend to have a much heavier duty construction than do centrifugal-type pumps used for low consistency suspensions.  MC pumps requires a larger motor, than the motors required to pump LC pulp suspension, due to the thick pulp suspension flowing from the standpipe.  
【００３０】
The medium consistency, degassed pulp is pumped to the inlet of the MC refiner 28.  An adjustable valve 27 regulates the rate of pulp suspension flowing through conduit 26 to the medium consistency (MC) refiner 28.  The MC refiner 28 includes opposing discs defining between them a refining gap. The refiner may have a single rotating disc with a single refining zone or two or more rotating discs with multiple refining zones. The refined pulp discharged from the MC refiner 28 may flow to additional MC refiners, to a storage tank or to further conventional pulp processes 32, such as screening, cleaning or bleaching.
【００３１】
FIGURES 2A and 2B are side and front views of a refiner plate segment 34.  Plate segments 34 are mounted on opposing discs in the MC refiner.  The rotation of at least one of the discs in the MC refiner applies centrifugal force to the pulp to move the pulp radially outward through the gap and over refining surfaces on the plate segments.  These surfaces may include bars 36 and grooves 38 that apply energy in the form of compressive forces to develop the pulp fibers.  Preferably, the refining plates 34 have a large open inlet 37 which is suitable and open enough to allow stable feeding of the medium consistency pulp.  The refiner plate segment 34 is suitable for medium consistency refining with the open inlet 37 for feeding the pulp and a high number fine bars 36 to increase pulp strength development (increase forces applied by bars) in the refining gap. A wide range of plate segment designs may be used for refining pulps at medium consistency levels.  Sufficient open area should be available within the plate grooves 38 to allow higher amounts of pulp to radially pass through the refiner while achieving a satisfactory number of bar treatments for good pulp quality development.  For example, the width of the grooves may be approximately twice the width of the bars and one-half the height of the bars.  By way of example, the groove width may be 2.79 mm, the bar width 1.50 mm and the bar height 7.01 mm.
【００３２】
FIGURE 3 is a chart showing tensile index (Newton(N)-meters(m) per gram) versus pulp freeness (milliliters) for a medium consistency refining process 40, a low consistency refining process 42, and a high consistency refining process 44.  The starting pulp for each of these processes is a Sitkaspruce/Lodgepole pine softwood TMP (119 mL) produced using high consistency refining and treated with a 2% application of sodium sulfite (Na2SO3). The same type of refiner, an Andritz Model TwinFlo IIIB (20 inch diameter) pump-through refiner, was used for the low and medium consistency refiner processes 40, 42.  Each of these processes was produced using five passes of refining in series.  In the medium consistency process 40, the pulp consistency at the MC refiner was 7.8%. In the low consistency refining process 42, the pulp consistency at the LC refiner was 4.4%. In the high consistency refining process 44, the pulp consistency at the HC refiner was 24%. An Andritz Model 401 Atmospheric double disc refiner (36 inch diameter) was used to refine the TMP pulp at high consistency. 
【００３３】
The MC refining 40 produced a steady increase in tensile index (pulp bonding strength) whereas the tensile index of the low consistency refiner series 44 dropped off dramatically when refined below a freeness of 40 mL. These results suggest that after several passes of refining at low consistency the pulp suspension is too fine to maintain a stable plate gap, resulting in excessive fiber cutting and loss in pulp strength.  The medium consistency process 40 attained a comparable tensile index to the pulp produced by the high consistency process at lower freeness levels.  These results demonstrated that medium consistency refining in a pump-through refiner can achieve bonding strength levels similar to that of more energy-intensive high consistency refined (HCR) pulps.    
【００３４】
FIGURE 4 presents the freeness (milliliters) for the above mentioned MCR 40, LCR 42 and HCR 44 series processes versus specific energy consumption (kilowatt (kW)-hours (hr) per ton). The specific energy consumption (SEC) reported on the horizontal axis includes the energy applied during each of the three refining processes but not the energy applied to the original TMP pulp. The specific energy consumption of the MCR series 40 is between that of the LCR series 42 and HCR series 44.  At a freeness of 50 mL, the specific energy consumption of the LCR, MCR and HCR series are 95, 363 and 867 kilowatt (kW)-hours (hrs) per ton, respectively. The energy consumption for MCR 40 is almost 60% less than that obtained with HCR 44.  The respective tensile index values for the LCR, MCR and HCR processes at a freeness of 50 mL are 49.3, 53.5, and 54.4 (Newton (N)-meters(m) per gram). The MCR series achieved a comparable tensile index to the HCR series while using 504 kilowatt (kW)-hours (hr) per ton less energy consumption.            
【００３５】
FIGURE 5 is a chart showing tensile index (Newton(N)-meters(m) per gram) versus pulp freeness (milliliters) for two medium consistency refining processes, 46 and 48. The starting pulp (before MC refining) is a Sitka spruce and Lodgepole pine softwood TMP (119 mL) produced using high consistency refining and treated with a 2% application of sodium sulfite (Na2SO3). An Andritz Model TwinFlo IIIB (20 inch diameter) pump-through refiner was used for both the medium consistency runs. Each of the series 46, 48 was produced with five passes of refining in series. In the two medium consistency processes 46, 48, the pulp consistency at the MC refiner was 7.1 percent(%) 46 and 7.8% 48, respectively. In the first MC process 46, the 7.1% MC pulp was refined using refiner plates having less open area in the inlet as compared to the plates used in the other 7.8% MC process 48.  The refiner plates having a more open inlet and better feeding ability produced pulp having a higher tensile index for freeness levels above 100.  The plate 40, shown in Figures 2A and 2B was used in the second series 48.  Both series were refined at a similar refining intensity (specific edge load), approximately 0.31 to 0.37 Watt-seconds per meter.  Figure 5 shows that MC pulp 40 produced using the more open inlet refiner plates resulted in a higher and more desirable tensile index as compared to the other MC refining process 42 with the more restrictive inlet plates. The difference in tensile index further increases when the pulps are refined to lower freeness levels. The results suggest that a stable feeding open area is desirable when pumping thicker medium consistency pulp through a refiner. 
【００３６】
FIGURE 6 is a chart showing tensile index (Newton(N)-meters(m) per gram) versus pulp freeness (milliliters) for two medium consistency refining processes produced in multiple stages at high and low refining intensity, 50 and 52, respectively. The starting pulp (before MC refining) is a black spruce TMP produced using high consistency refining to a freeness of 472 mL. A Model TwinFlo IIIB (20 inch diameter) pump-through refiner was used to produce both series. The high intensity series 50 was refined at 6.9% consistency in multiple stages with an average refining intensity of 0.42 Watt (W) seconds (s) per meter. The low intensity series 52 was refined at 7.1% consistency in multiple stages with an average refining intensity of 0.31 Watt (W).seconds (s) per meter.  The medium consistency refiner series produced at lower refining intensity 52 resulted in a higher development of pulp tensile index compared to the series produced at higher refining intensity 50. 
【００３７】
FIGURE 7 is a chart showing tear index (Newton (N)-meters(m) per gram) versus pulp tensile index (Newton(N)-meters(m) per gram) for the same two medium consistency refining processes as described in Figure 6. Figure 7 shows that the medium consistency refined pulp produced at lower refining intensity 52 resulted in a higher development of pulp tear index at a given tensile index compared to the pulp refined at high intensity 50. As is observed with HCR and LCR, the results indicate the importance of operating conditions such as refining intensity (specific edge load) for optimizing pulp strength properties during MCR of mechanical pulps.     
【００３８】
FIGURE 8 is a chart showing tensile index (Newton (N)-meters(m) per gram) versus specific energy consumption (kilowatt (kW)-hours (hr) per ton) for two medium consistency refining processes produced with 56 and without 54 a chemical treatment prior to refining. The series produced with chemical treatment 56 was refined at 8.1% consistency and had a 4% application of sodium bisulfite on oven dry pulp fiber in the standpipe prior to refining. The series produced without chemical treatment was refined at a consistency of 7.1%. Both series were produced at a similar refining intensity, approximately 0.31 Watt (W) seconds(s) per meter. The starting pulp (before MC refining) was a black spruce TMP produced using high consistency refining to a freeness of 472 mL. A Model TwinFlo IIIB (20 inch diameter) pump-through refiner was used to produce both series. The medium consistency refiner series produced with bisulfite treatment 56 resulted in a higher development of pulp tensile index at a given application of specific energy. The application of chemical agents can be used to further improve the performance of medium consistency refining. In this case bisulfite addition improved the pulp strength development of a high freeness TMP pulp.    
【００３９】
FIGURE 9 is a chart showing tensile index (Newton (N)-meters (m) per gram) versus pulp freeness (milliliters) for a medium consistency refining process 58, and a low consistency refining process 60. The starting pulp for each of these processes is a hardwood, eucalyptus dunnii, produced using a chemimechanical HCR refining process with alkaline peroxide chemicals. A total of 6.2% sodium hydroxide and 4.9% hydrogen peroxide chemicals were applied to the eucalyptus fibers. During the chemimechanical pulping step the hardwood fibers were refined to a high freeness, 624 mL, using a pressurized HC refiner.  An Andritz Model TwinFlo IIIB (20 inch diameter) pump-through refiner was used for the low and medium consistency refiner processes 58, 60. Each of these processes was produced using two passes of refining in series. In the medium consistency process 58, the pulp consistency at the MC refiner was 7.7%. In the low consistency refining process 60, the pulp consistency at the LC refiner was 4.1%.
【００４０】
Both the MC refining 58 and LC refining 60 produced a steady increase in tensile index.  The MCR process 58 attained a higher tensile index across all levels of freeness as compared to the LCR process 60. These results suggest that medium consistency refining better develops the chemically treated hardwood fibers. It is postulated that the higher mass of fibers between the plates during MC refining results in more fiber to fiber development whereas LC refining has relatively more shearing actions.           
【００４１】
While the invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not to be limited to the disclosed embodiment, but on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims.  
1.    A thermomechanical pulping method comprising:
refining wood chips, pre-conditioned wood fibers or other comminuted cellulosic materials to a refined pulp with a high consistency refining stage, and
a medium consistency refining stage or multiple stages processing the refined pulp discharged from the high consistency refining stage.
2.    The method of claim 1 wherein the high consistency refining stage includes refining the wood chips, the pre-conditioned wood fibers or the other comminuted cellulosic materials with a pressurized high consistency refiner.
3.    The method of claim 1 further comprising at least one of: treating the wood chips, the pre-conditioned wood fibers or the other comminuted cellulosic materials by pressurized chip destructuring in a chip press and gentle defibration in a fiberizing refiner before the high consistency refiner. 
4.    The method of claim 3 wherein pretreatment chemicals are added at a discharge of one of a chip press discharge, fiberizer refiner and the high consistency refiner. 
5.    The method as in claim 1 wherein the high consistency refining stage includes refining the wood chips, the pre-conditioned wood fibers or the other comminuted cellulosic materials in a high intensity primary refiner. 
6.    The method as in claim 1 further comprising chemical treating the wood chips, the pre-conditioned wood fibers or the other comminuted cellulosic materials prior to or in the high consistency refining stage.
7.    The method as in claim 1 further comprising diluting the refined pulp discharged by the high consistency refining stage in a standpipe and fluidizing the pulp in the standpipe, and feeding the fluidized refined pulp to the medium consistency refining stage.
8.    The method as in claim 1 wherein the medium consistency refining stage includes a mechanical disc refiner having plate segments with an open inlet.
9.    A thermomechanical pulping method comprising:
refining wood chips, pre-conditioned wood fibers or other comminuted cellulosic materials to a refined pulp in a high consistency refining (HCR) stage, wherein the refined pulp is in a suspension at a discharge of the HCR stage and the suspension has a pulp consistency of at least twenty percent (20%) by weight of the suspension;
diluting the suspension of refined pulp discharged from the HCR stage to a medium consistency having a pulp consistency in a range of 5% to 14% consistency by weight, and
refining the refined pulp in the medium consistency suspension from the dilution step using a medium consistency refining (MCR) stage.
10.   The method of claim 9 wherein the dilution step is performed in a stand pipe having a conditioner fluidizing the refined pulp near a bottom of the stand pipe.
11.   The method as in claim 9 further comprising preconditioning treatments applied to the high consistency pulp suspension prior to refining the pulp, wherein the preconditioning treatments enhance pulp in the HCR stage. 
12.   The method as in claim 9 further comprising pumping the pulp suspension diluted to a medium consistency through a medium consistency pump to the refining step for the medium consistency pulp. 
13.   A thermomechanical pulping system comprising:
a high consistency refining stage having an inlet receiving wood chips, pre-conditioned wood fibers or other comminuted cellulosic materials, a refining zone, and an outlet discharging refined high consistency pulp;
a pulp dilution stage have a first inlet to receive the refined high consistency pulp and a second inlet to receive a liquor, a chamber to dilute the refined high consistency pulp with the liquor to form medium consistency pulp, and an outlet discharging the medium consistency pulp, and
a medium consistency refining stage having an inlet receiving the medium consistency pulp from the outlet of the pulp dilution stage, wherein the medium consistency refining  stage includes a refining zone to refine the medium consistency pulp and an outlet for the refined medium consistency pulp. 
14.   The thermomechanical pulping system of claim 13 wherein the high consistency refining stage includes a pressurized high consistency refiner.
15.   The thermomechanical pulping system of claim 13 wherein the pulp dilution stage includes a standpipe and conditioner fluidizing the pulp in the standpipe.
16.   The thermomechanical pulping system as in claim 15 further comprising a degassing pump extracting air from the pulp in the standpipe and through the conditioner.
17.   The thermomechanical pulping system as in claim 13 wherein the medium consistency refining stage includes a mechanical disc refiner having plate segments with an open inlet.
1. Abstract
A thermomechanical pulping method including: refining pulp with a high consistency refining stage, and a medium consistency refining stage processing the refined pulp discharge from the high consistency refining stage. Chemical pretreatments for improving pulp quality development during medium consistency refining can be optionally added at the pressurized chip press, fiberizer pre-refining step, primary high consistency refining step, and/or the standpipe feeding the medium consistency refiner.  
2. Selected Drawing
Fig.1
【Fig.１】
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【Fig.２】
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【Fig.３】
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【Fig.４】
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【Fig.５】
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【Fig.６】
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【Fig.７】
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【Fig.８】
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【Fig.９】
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