Furu eller gran i mekanisk masse?

Transkript

1 SSFF Skogbrukets og Skogindustrienes Forskningsforening Furu eller gran i mekanisk masse? Oddbjørn Eriksen

2 Innhold Bakgrunn Hypoteser og litteratur Måling av fiberegenskaper Pilotforsøk: raffinering og vask av masser Oppsummering Furu eller gran i mekanisk masse?

3 Bakgrunn Den norske grana (Picea abies) har unike egenskaper som gjør den til et uovertruffent førstevalg som råstoff til mekanisk masse. Norsk gran har verdens beste fiber fordi: Fibrene er lange og slanke Innholdet av harpiks (ekstraktivstoffer) er lite Egenskapene til papir av gran har: Høy slitstyrke Høy lyshet Gode optiske egenskaper Dette oppnås ved et energiforbruk i størrelsesorden 2.5 MWh/t. Produksjonseffektiviteten er også høy på grunn av få kjørbarhetsproblemer

4 Den norske furua (Pinus sylvestris) er et lett tilgjengelig råstoff, og prisen på massevirket er lavere enn for gran. Men tradisjonell mekanisk massetilvirkning har begrenset bruken av furu fordi: Energiforbruket til samme massekvalitet er langt høyere ( %) Kjørbarhetsproblemer på papirmaskinen grunnet avsetninger av harpikskomponenter Furu gir masse med: Meget liten flisandel Bedre optiske egenskaper enn gran Svekket styrke sammenliknet med gran

5 Hypoteser og litteratur Årsaken til at massekvaliteten til furu er dårligere og energiforbruket høyere ved raffinering av furu sammenliknet med gran er diskutert i en årrekke, og følgende hypoteser er fremsatt: Harpiksinnholdet i furu (2-5 %) er betydelig høyere enn i gran (<1 - <2 %) Den kjemiske sammensetningen av ekstraktivstoffer er forskjellig med følgende tre hovedtyper: Type ekstraktiver Norsk gran (Picea abies) Furu (Pinus sylvestris) Fettsyrer [%] ~ % ~ 40 % Harpikssyrer [%] (Linol- og oljesyre) ~ % (~ 20 %) ~ 55 % (~ 40 %) Steroler [%] ~ 10 % ~ 5 %

6 -Ekstraktiver avsatt på overflaten av fibrillært finstoff og fiber hindrer hydrogenbindinger mellom fibermateriale noe som forårsaker dårligere papirstyrke (Brill og Strand 1985, Sundberg et al. 2000, Heum et al. 2005) -Ekstraktiver har en smørende effekt i raffinøren. Dette påvirker friksjonsegenskapene mellom fiber og metall noe som kan gi høyere energiforbruk (Brandal og Lindheim 1966, Reme og Helle 2000, Svensson et al. 2006)

7 Mikrofibrillvinkelen (MFA) i fiberens sekundærvegg avtar fra marg til et nærmest konstant nivå i moden ved. Store variasjoner i MFA er oppgitt selv for trær av samme art. MFA for furu er oppgitt å være større enn for gran (Sahlberg et al. 1977, Long et al. 2000, Lundqvist 2001) Fiberens stivhet (E-modul) er negativt korrelert med MFA. Høy MFA gir lav E-modul (Page et al. 1977). Fiberstyrke øker med avtakende MFA (Page et al. 1972). Er det derfor granmasser har bedre styrke enn furumasser? Men E-modulen er også korrelert (positivt) med densiteten til massevirket (Evans 1994). Basisdensiteten til furu er høyere enn for gran grunnet en større fiberveggtykkelse (Hakkila 1968) eller som følge av høyere andel ekstraktivstoffer (Reme og Helle 2001)?

8 Måling av fiberegenskaper

9 Eksperimentelt 30 furu og 30 gran trær fra 20 forskjellige bestand i Sør-Norge har blitt analysert (tre trær fra hver bestand, henholdsvis ett herskende, ett medherskende og ett undertrykt tre) Fra hvert tre ble fire stammeskiver tatt ut fra henholdsvis roten og følgende prosentvise høyder av treet: 25 %, 50 % og 75 % SilviScan analyser ble utført på ekstraherte radielle snitt av alle 240 stammeskiver. Disse ble analysert med en oppløsning på 0.05 og 5 mm for variable som: fiberbredde, densitet, MFA og fiberveggtykkelse m.fl. Fiberlengde og fiberbredde ble analysert i FiberMaster analysatoren på PFI på fem masererte prøver fra et radielt snitt (ulike årringer) i hver stamme-skive fra 25 %-høyden av treet (minimum frilagte fiber per prøve totalt 300 prøver)

10 Fiberlengde og fiberbredde

11 Fiberveggtykkelse Middelverdien til fiberveggtykkelsen har blitt vektet basert på årringbredde

12 Mikrofibrillvinkel (MFA) Middelverdi av MFA fra 30 furu- og 30 grantrær

13 Mikrofibrillvinkel (MFA) Vektet middelverdi av MFA fra 21. årring i 30 trær fra hver art

14 Oppsummering - fiberegenskaper Granfiber har marginalt lengre og bredere fiber Furu har marginalt noe høyere fiberveggtykkelsen enn gran Mikrofibrillvinkelen er ikke signifikant forskjellig i gran og furu Densiteten på ekstraherte prøver viser at furu (495 kg/m 3 ) er marginalt tettere enn gran (478 kg/m 3 ) (basisdensitet til stammeskiver viser større forskjell (15 %)) (Furu: 418 kg/m 3. Gran: 363 kg/m 3. (Vadla 2006)) E-modul på fiber er høyest for furu (16 GPa mot 13 GPa for gran) (treprøver viser det motsatte) (Furu: 12,5 GPa. Gran: 13,4 GPa (Bramming 2006))

15 Pilotforsøk: Raffinering og vask av masser

16 Eksperimentelt Raffineringsstudie i PFI / NTNUs pilotraffinører - Trykksatt 1. trinnsraffinør (OVP) - Vask i omrører (20 min. / 80ºC / 3 %) - Skruepresse (25-30 %) - Atmosfærisk 2. og 3. trinnsraffinør (ROP) Forsøksplan - Furuflis fra to bestand (tynning/hogstmoden) - Vask av førstetrinnsmasser med og uten enzym (Resinase A2X) - Bruk av kjemikalier 1 % Na 2 SO 3 ph 9.5 i forvarmer (pre) og i raffinør (in) sammen med spevann samt på flis (CTMP) - Raffinering i tre trinn til <100 ml freeness

17 Ekstraktiver, vektprosent

18 Freeness vs. energiforbruk +36 %

19 Slitstyrke vs. energiforbruk Vask Na 2 SO 3 Enzym Vask +20 % Gran og furu samme slitstyrke ved samme arkdensitet?

20 Lysspredningskoeffisient vs. freeness Tap av finstoff

21 Oppsummering raffinering og vask Papirets slitstyrke kraftig forbedret ved vask Mild kjemikaliebehandling av flis eller masse sammen med vask ga energireduksjon (opp til 20 % til samme slitstyrke) Lysspredningen (og slitstyrken) redusert med 5-10 enheter på grunn av utbyttetap i pilotanlegget (8-10 % massetap hvorav % finstoff) Reduksjon av ekstraktiver: - > 50 % fjernes ved vask - > 70 % fjernes ved Na 2 SO 3 og vask

22 Oppsummering Forskjellen i fiberegenskaper til gran og furu var marginale, verken fiberveggtykkelse eller mikrofibrillvinkel alene kan forklare et høyt energiforbruk ved raffinering av furu sammenliknet med gran Ved å introdusere vask av førstetrinnsmasse kan mer enn 50 % av ekstraktivene i furu fjernes. Sammen med mild kjemikaliebehandling reduserer massevask innholdet av harpiks med mer enn 70 % Vask av masse hadde ikke nevneverdig påvirkning av energiforbruket til en gitt freeness, men slitstyrken i papiret ble kraftig forbedret Dette impliserer at ekstraktivinnholdet i massen sannsynligvis påvirker energiforbruket markant Harpiks mer enn fiberegenskaper ser ut til å være årsaken til at furu krever mer energi enn gran til en gitt massekvalitet

23 Furu eller gran til mekanisk masse? Massekvalitet til furu nærmer seg grankvalitet (slitstyrke) Merforbruk av energi (+40 %) kan delvis utliknes (-20 %) ved innføring av vask og bruk av mild kjemikalibehandling Dersom nivået mellom råstoffkostnadene for furu- og granflis opprettholdes utliknes produksjonskostnadene Investeringskostnader og nedbetalingstid for å innføre vaskeprosessen sammen med eventuell begrensning av tilgjengelighet av massevirke fra gran vil være avgjørende for valg av furu som råstoff for mekanisk masse

24 SSFF Skogbrukets og Skogindustrienes Forskningsforening Takk for oppmerksomheten og takk for økonomisk støtte fra: