Produktportfolio RHI Magnesita – Erweiterung durch MgO-basierte Produkte im Bereich Pulp & Paper

RHI Magnesita (RHIM), weltweit größter Hersteller von Feuerfestprodukten, geht neue Wege. Angesichts des herausfordernden Umfeldes in einem globalen MgO-Rohstoffmarkt werden neue Möglichkeiten gesucht, um die Marktführerschaft des Unternehmens auch in Zukunft zu sichern. Die Diversifikation im Bereich des Rohstoffverkaufes gewinnt dadurch stark an Bedeutung. Hier konzentriert sich RHIM auf Kundensegmente, die nicht dem Feuerfestbereich zuzuordnen sind, dazu gehören zum Beispiel die Futtermittel- oder Schweiß-Industrie. Das Produktportfolio des Rohstoffverkaufes wird dafür kontinuierlich über das Kerngeschäft hinaus mit MgO-basierenden Produkten für unterschiedlichste Kundenapplikationen erweitert. Die neueste Entwicklung ist der Einsatz von synthetischer Magnesia im Bereich Pulp & Paper im Prozessschritt der Zellstoffproduktion.

Um den Eintritt in ein neues Marktsegment positiv zu bewältigen, müssen zwei Grundvoraussetzungen gegeben sein, nämlich die ökonomischen Voraussetzungen und die Rohstoffverfügbarkeit. Die ökonomischen Voraussetzungen sind dadurch gegeben, dass die Welternährungsorganisation (FAO) 2010 die Prognose abgab, der weltweite Papierbedarf werde bis 2050 jährlich um ca. 3 % steigen [1]. Der wachsende Bedarf an Papier und Karton wird durch die in Abb. 1 ausgewiesene Marktstatistik der Confederation of European Paper Industry (CEPI) bestätigt [2]. Dieser Aufwärtstrend wird zusätzlich noch durch die aktuelle Diskussion über das sogenannte „Mikroplastik“ und den zunehmenden Onlinehandel, welcher einen starken Anstieg im Verbrauch an Verpackungsmaterial zur Folge hat, verstärkt.

Der für die Anwendung in Pulp & Paper geeignete Rohstoff wird von RHI Magnesita in Norwegen am Standort Porsgrunn produziert. Das auf synthetischem MgO basierende Rohgut wird über die Meerwasserprozessroute hergestellt. Dabei wird gebrannter Dolomit aufgeschlämmt und mit Meerwasser vermischt. Das somit gewonnene Mg(OH)₂ wird anschließend gewaschen, entwässert und durch Brennen in einem Drehrohrofen bei ca. 800 °C zu kaustischer Magnesia umgewandelt. Ein Großteil davon wird in Elektrolichtbogenöfen weiter zu Schmelzmagnesia verarbeitet. Der restliche Produktstrom wird aufbereitet, um die physikalischen Eigenschaften für unterschiedlichste Anwendungen optimal einzustellen. Durch die Verwendung von Meerwasser und qualitativ hochreinem Dolomit wird synthetischer Kauster höchster Qualität erhalten. Die chemische Zusammensetzung unterliegt keinen Schwankungen, da immer dieselben hochwertigen Ausgangsmaterialien verwendet werden. Die chemische Zusammensetzung des synthetischen Kausters „RHIM CCM Ofenfallend“ ist in Tab. 1 zusammengefasst.

In der Zellstoffproduktion wird MgO bevorzugt im sauren Bisulfitverfahren, dass zu den chemischen Aufschlussverfahren von Holz gehört, eingesetzt. Dabei wird der Zellstoff durch Kochen von Holzchips mit Magnesiumbisulfitlösung im sauren Milieu, der sogenannten Kochsäure, unter erhöhter Temperatur und/oder erhöhtem Druck gewonnen. Nach dem Kochprozess wird die Ablauge, die nach Extraktion der Zellulose zurückbleibt, verbrannt. Das Bisulfitverfahren wird bevorzugt eingesetzt, weil das MgO und das SO₂, welches bei der Verbrennung der Ablauge (Bezeichnung für die mit organischen Substanzen aus dem Holz angereicherte Kochsäure) entsteht, rückgewonnen werden können. Bei Verwendung von Calcium-basierenden Basenbestandteilen ist keine Rückgewinnung möglich, da bei der Verbrennung der Calciumbisulfit-Ablauge schwerlöslicher Gips (CaSO₄·2H₂O) entsteht [2].

Gemeinsam mit ausgewählten Zellstoffproduzenten wurden die wichtigsten chemischen und physikalischen Basis-Qualitätskriterien des einzusetzenden MgO erarbeitet (siehe Tab. 2). Dabei wurde besonderes Augenmerk auf das Sedimentationsverhalten und den Hydratisierungsgrad (d. h. die Umsetzung von MgO zu Mg(OH)₂) gelegt.

Der vorliegende „RHIM CCM Ofenfallend“ weist eine Korngrößenverteilung von 0–2 mm direkt aus dem Drehrohrofen auf. Um den Korngrößenbereich mit einem d₉₀ von <100 µm zu erhalten, wurde der „RHIM CCM Ofenfallend“ mittels unterschiedlicher Aufbereitungsaggregate gemahlen. Die hierfür verwendeten Aggregate waren: eine Walzenschüsselmühle, eine Stiftmühle und eine Mahlanlage, deren Zerkleinerungswirkung auf der Ausnutzung von Schallstoßwellen beruht.

Die dabei erhaltenen zerkleinerten MgO-Proben wurden einer Korngrößenbestimmung unterzogen und anschließend für die weiterführenden Versuche zur Analyse des Sedimentationsverhaltens und die Experimente zur Bestimmung des Hydratisierungsgrades verwendet.

Im folgenden Kapitel werden die Ergebnisse im Detail für die Sedimentation und den zu erreichenden Hydratisierungsgrad dargestellt und interpretiert.

In einer Zellstofffabrik eines namhaften Papier- und Zellstoff-Herstellers wurde Mitte letzten Jahres das Produkt „RHIM CCM P&P“ über einen Zeitraum von vier Monaten sortenrein in dessen Anlage getestet. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Betriebstemperatur während der Hydratisierung des MgO und deren Konzentration in der herzustellenden Mg(OH)₂-Suspension gelegt. Weiters wurde die Absorption des SO₂ aus dem Rauchgas beobachtet.

Der Prozess der Rauchgasentschwefelung wird in dieser Anlage nach dem Babcock-Verfahren durchgeführt. Das MgO wird zu ca. 94 % rezykliert und die Verluste von 6 % mit sog. Make-Up MgO ausgeglichen. Nach einer Betriebsdauer von vier Monaten konnte eine Austauschrate von knapp 75 % erreicht werden (siehe Abb. 7). Um einen 100-prozentigen Austausch von bisher verwendetem Standardmaterial durch „RHIM CCM P&P“ zu erreichen, müsste eine Einsatzdauer von mindestens einem Jahr erfolgen.

Für den Betriebsversuch wurden rund 400 t „RHIM CCM Ofenfallend“ mittels Stiftmühle aufbereitet, per Silo-LKW zur Zellstofffabrik angeliefert und anschließend eingesetzt. Während des Versuches konnte die Hydratisierungstemperatur bei der Umwandlung von MgO zu Mg(OH)₂ von 90 auf ca. 70 °C reduziert werden. Dadurch konnten 64 % des zur Einstellung der Prozesstemperatur benötigten 3‑bar Heißdampfes eingespart werden. Die MgO-Konzentration bei der Herstellung der Mg(OH)₂-Suspension wurde aus betrieblichen Gründen nicht reduziert. In einem nächsten Versuch soll auch dieser Parameter schrittweise optimiert werden, um den MgO-Einsatz bis zur möglichen Minimalkonzentration zu senken.

Die Absorption des SO₂ aus dem Rauchgas mit Hilfe der im ersten Schritt produzierten Mg(OH)₂-Suspension konnte problemlos in der dafür verwendeten Venturikaskade durchgeführt werden. Durch den hohen Hydratisierungsgrad von fast 90 % konnte wesentlich mehr SO₂ absorbiert werden, wodurch die Aufstärkung der sogenannten Rohsäure mit Flüssig-SO₂ ebenfalls reduziert werden konnte. Die Reduktion betrug während des Betriebsversuches an die 24 %.

Die Einbringung von Störstoffen konnte merklich reduziert werden, wie am Beispiel von Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) in Abb. 8 gezeigt wird. Hier ist ab dem Zeitpunkt des Einsatzes von „RHIM CCM P&P“ eine Absenkung des Fe₂O₃-Gehaltes um 50 %, von anfangs 0,5 auf 0,25 %, zu erkennen, welcher im rezyklierten MgO direkt nach der Abscheidung im Elektrofilter mittels RFA bestimmt wurde.

Nach viermonatigem Einsatz von „RHIM CCM P&P“ konnten schon kleine Einsparungen und positive Effekte auf den gesamten Rauchgasentschwefelungs- und dessen Folgeprozess festgestellt werden. Das gesamte Einsparungspotential von „RHIM CCM P&P“ ist aber noch viel höher einzuschätzen, da das Produkt erst zu 75 % und nicht zu 100 % im Produktionskreislauf vorhanden war. Weiteres Optimierungspotential wird in der Absenkung der Hydratisierungstemperatur sowie in der Reduktion des spezifischen MgO-Bedarfes gesehen, dadurch ergeben sich weitere Energie- und MgO-Einsparungen. Durch die minimierte Einbringung an Störstoffen können in weiterer Folge Instandhaltungskosten gesenkt werden, da Ablagerungen und Verschleiß reduziert werden. Ein zusätzlicher positiver Effekt der geringen Störstoffkonzentration von „RHIM CCM P&P“ ist, dass die nötigen Hilfschemikalien in den Folgeprozessen (wie z. B. Bleichchemikalien) ebenso in ihrem Einsatz minimiert und damit die Produktionskosten weiter gesenkt werden können.

Es konnte aufgezeigt werden, dass die Hydratisierungstemperatur bei der Umsetzung von MgO zu Mg(OH)₂ einen Einfluss auf das Sedimentationsverhalten hat. Je höher die Temperatur gewählt wird, umso schneller läuft die Sedimentation ab. Nach Berechnung der Sedimentationsgeschwindigkeiten für die Suspensionen mit 70 und 90 g/l von „RHIM CCM Ofenfallend“ konnte ein exponentieller Zusammenhang zwischen Hydratisierungstemperatur und Sedimentationsgeschwindigkeit festgestellt werden. Optimal für die Anwendung in der Papier- und Zellstoffindustrie ist somit eine Temperatur von 30–50 °C, da in diesem Bereich die Sedimentation des Mg(OH)₂ langsam abläuft. Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen zerkleinerungstechnischen Parametern und dem Sedimentationsverhalten bzw. dem zu erreichenden Hydratisierungsgrad konnte bis dato nicht erkannt werden. Die besten Laborergebnisse wurden mit der durch die Stiftmühle zerkleinerten MgO-Probe erzielt. Daher wurde das Produkt „RHIM CCM P&P“ durch Zerkleinerung von „RHIM CCM Ofenfallend“ mittels Stiftmühle für einen großindustriellen Einsatz produziert. Dieser 4‑monatige Betriebseinsatz von „RHIM CCM P&P“ kann positiv bewertet werden, da die Anforderungen der Papier- und Zellstoffindustrie erfüllt wurden. Schon nach kurzer Einsatzdauer konnten positive Effekte im gesamten Rauchgasentschwefelungsprozess sowie in den Folgeprozessen erzielt werden.