Drogen in de papier en karton industrie

Laurens de Vries

Stichting Kenniscentrum Papier en Karton (KCPK) 2016

Inleiding

Deze factsheet over drogen in de papier- en kartonindustrie is opgesteld in het kader van de Nederlandse Werkgroep Drogen om een overzicht te geven van de verschillende droogprocessen en het totale energiebesparingspotentieel binnen de papier- en kartonindustrie. De factsheet wordt gedistribueerd via de website van het NWGD en is bestemd voor een brede (technische) doelgroep, variërend van experts op gebied van drogen & warmte in de papier- en kartonindustrie tot partijen met beperkte sectorspecifieke kennis.

De Nederlandse papier- en kartonindustrie is verantwoordelijk voor 10% van het totaal Nederlands industrieel aardgasverbruik. Ongeveer de helft van de 25 PJ aan primaire energie die jaarlijks wordt ingezet, wordt gebruikt om te drogen. Het is dan ook niet vreemd dat het energiegebruik binnen de Nederlandse papier- en kartonindustrie een belangrijk thema is. Al vanaf begin jaren ’90 wordt jaarlijks een eigen, branche-interne, monitoring gehouden om het energiegebruik van de sector in kaart te brengen. Specifiek op het reduceren van het energieverbruik heeft de Nederlandse papier- en kartonindustrie de ambitie gesteld om over de periode 2004 tot 2020 per eindproduct een halvering van het energieverbruik in de gehele keten te bereiken. Dit vraagt grote inspanningen en innovatieve toepassingen binnen de branche. Met de Energietransitie Papierketen heeft de papier- en kartonindustrie in Nederland een enorme sprong in energie- en ketenefficiency bereikt gedurende de periode 2004 -2012. Het vervolg hierop is vanuit de branche vormgegeven middels de strategische innovatieagenda, Creating Sustainable Fibre Solutions (CSF).

Binnen het eigen productieproces is drogen de meest energie-intensieve stap. Deze factsheet begint met een aantal kengetallen over het energiegebruik van de sector en de verdeling van het warmtegebruik in het bijzonder. Gevolgd door een beschrijving van de verschillen droogtechnieken, het optimaliseren van het droogproces en het reduceren van de warmtevraag. In het laatste deel worden trends en vervolgstappen voor de volgende periode weergegeven.

Voor de gegevens in deze factsheet is gebruik gemaakt van de cumulatieve gegevens zoals verzameld door de VNP voor de jaarlijkse energiemonitoring in 2012.

1.1 Inleiding tot de Papier- en kartonindustrie

De Nederlandse papier- en kartonindustrie (2014) bestaat uit 17 bedrijven met 21 productielocaties die gezamenlijk 2.767.000 ton papier en karton per jaar produceren. Daarvan is 64% verpakkingspapier en -karton, 32% grafisch papier en 4% hygiëne- en speciaal papier zie figuur 2.

Figuur 1 – Leden van de VNP ingedeeld per product categorie
De papier- en kartonindustrie vormt het middelpunt van een op biomassa gebaseerde circulaire economie. De sector haalt het maximale uit biobased grondstoffen en reduceert hierbij het energieverbruik en CO2-uitstoot en vergroot de toegevoegde waarde en klantwaarde van de geproduceerde producten en diensten. Mensen maken hierin het verschil. Op brancheniveau wordt de sector ondersteund op drie vlakken:

De Koninklijke Vereniging van Nederlandse Papier- en kartonfabrieken (VNP) verenigt de papier- en karton producerende bedrijven op brancheniveau. Zij heeft als missie de belangen van de papier- en kartonsector te behartigen met een actieve lobby gericht op oplossingen, op actueel beleid en wetgeving.

Het Kenniscentrum Papier en Karton (KCPK) ondersteunt de branche door bij te dragen aan de continuïteit van de Nederlandse papier- en kartonindustrie via kennisdeling en innovatie. Dit doen zij vóór en in samenwerking mét de papier- en karton producerende bedrijven, maar ook door deel te nemen aan internationale netwerken zoals COST en door samenwerking met kennisinstellingen, onderzoeksinstituten, R&D centra en andere innovatieve bedrijven in binnen- en buitenland.

VAPA is het opleidingscentrum van en voor de Nederlandse papier- en kartonindustrie. Hun missie is de bedrijven en hun medewerkers beter te laten presteren én de mogelijkheid te bieden zich continu en duurzaam te ontwikkelen. VAPA doet dit onder meer met behulp van hun trainers en ontwikkelaars, door de inzet van diverse producten en diensten en via belangenbehartiging.

1.2 Papier- en kartonproductie, het productieproces in vogelvlucht

Voor een goed begrip van het warmtegebruik en de droogprocessen in de papier- en kartonindustrie is het belangrijk eerst een globaal beeld te hebben van het papierproductieproces. Zoals ook te zien is in figuur 2, bestaat dit proces uit verschillende stappen.

Figuur 2 – Papier en karton productieproces

De productie van papier begint met de stofvoorbereiding. In Nederland bestaat het grootste deel van de papiergrondstof (85%) uit gerecycled papier. Om het ingezamelde oudpapier geschikt te maken om te dienen als grondstof voor nieuw papier wordt het eerst schoongemaakt om vervuilingen als nietjes, plastic en lijm te verwijderen. Afhankelijk van de productspecificaties is er ook een ontinktingsstap, waarin de inkt uit het papier verwijderd wordt. Na het reinigen worden de papiervezels verder geraffineerd, bewerkt, om ze geschikt te maken voor papierproductie. Daarnaast worden er hulpstoffen toegevoegd voor verbetering van de producteigenschappen en proces beter te laten verlopen.

Nadat de pulp gemaakt is wordt deze opgebracht op een doek of zeef met een Droge Stofgehalte (DS) van papierpulp dat rond de 1% vezels bevat. Dankzij de zwaartekracht en later door gebruik van een vacuüm verliest de pulp veel vocht tot 20%-25% DS en wordt het blad gevormd; deze stap wordt daarom ook wel bladvorming genoemd.

Na de zeef komt de natte papierbaan in de perssectie. Hier wordt het papier tussen twee walsen heengevoerd; het wordt dus als het ware uitgewrongen. Om goed het water kwijt te kunnen staat er een vacuüm op de pers om het water af te zuigen. Het droge stofgehalte na het persgedeelte is 33% -55%, afhankelijk van het type papier en de perssectie.

In de eerste- of voordroogsectie die hierna volgt wordt het overgebleven water vervolgens verwijderd door middel van verdamping. In de droogsectie wordt het papier tot een droge stofgehalte van ongeveer 95% gedroogd. De stoomhoeveelheid, -druk en -temperatuur zijn sterk afhankelijk van het soort papier of karton dat wordt geproduceerd.

De verdere afwerking van het papier is afhankelijk van de eindproductspecificaties. Meestal wordt een coating, lijm of zetmeel aangebracht, waarvoor veelal stoom nodig is als droogmedium. Droging van coatings wordt typisch contactloos gedaan.

Na de afwerking wordt het papier in een tweede- of nadroogsectie opnieuw gedroogd. Papier is van nature hygroscopisch en een kleine hoeveelheid vocht (4-8%) blijft achter in het papier.

2. Drogen

2.1 Energiegebruik tijdens papier- en kartonproductie

Het productieproces van papier en karton bestaat uit meerdere stappen waarin het product wordt bevochtigd en gedroogd. Afhankelijk van het type product is mechanische ontwatering effectief mogelijk tot een droge stofgehalte van maximaal 55%. Daarna is er thermische ontwatering nodig om het product verder te drogen. Hierna zal veelal de term drogen gebruikt worden, die doelt dan op het thermisch ontwateren.

Het energieverbruik van mechanische ontwatering is beperkt in vergelijking met de energie benodigd voor drogen in de voor- en nadroogpartij van de papiermachine. Daarmee is het drogen van het papier het meest energie-intensieve deel van het papierproductieproces. Voor een goed begrip van het energiebesparingspotentieel in de papier- en kartonindustrie zal het droogproces daarom in dit hoofdstuk nader worden toegelicht.

De Nederlandse papier- en kartonindustrie gebruikt jaarlijks ongeveer 25 PJ aan primaire energie. Deze energie wordt voornamelijk gewonnen uit aardgas, dat met een warmtekrachtkoppeling wordt omgezet naar stoom en elektriciteit of met een stoomketel naar alleen stoom. Hiermee zijn de papier- en karton producerende bedrijven verantwoordelijk voor 10% van het totaal Nederlands industrieel aardgasverbruik. De verdeling van het totale warmtegebruik en de energiestromen binnen de papier- en kartonindustrie zijn weergegeven in figuur 3 en figuur 4.

Figuur 3 Energiestromen binnen de papier- en kartonindustrie (2012)

De hoeveelheid thermische energie die in het ‘ketelhuis’ via energieconversie uit stoom en directe brandstof wordt geproduceerd betreft 12,9 PJ. Daarnaast wordt een deel van de restwarmte uit het conversieproces effectief gebruikt in het proces. Een noot bij dit overzicht is dat formeel het elektrisch energiegebruik in de sector omgerekend en uitgedrukt dient te worden in primair energie gebruik; deze energie is opgewekt in elektriciteitscentrales met een rendement van 42%. Om een goed beeld te kunnen geven van de warmte-integratie is dit vereenvoudigd.

Ongeveer de helft van het primaire energiegebruik en 81% van de totale warmtevraag binnen de papier- en kartonindustrie kan worden toegerekend aan het droogproces. Het is dan ook niet gek dat het thema drogen van groot belang is in de sector.

 

Figuur 4 Verdeling stoomgebruik naar gebruiker Nederlandse papier en kartonindustrie (2012)

2.2 Verschillende typen drooginstallaties

Iedere papiersoort heeft zijn eigen droogprofiel waardoor de configuratie van de droogpartij tussen de papiersoorten onderling sterk kan verschillen. Drogen van papier gebeurt voornamelijk in contactdrogers gevoed met stoom en met hete lucht, afhankelijk van het type product. In het algemeen komen er drie hoofdtypen drogers voor in de papier- en kartonindustrie: de multi-cilinder droger, de Yankee droger en de contactloze droger. Deze typen drogers worden stuk voor stuk gebruikt voor het drogen van vlakke papiersoorten. Voor het drogen van vormkartonnen producten zijn deze drogers niet geschikt; deze producten worden gedroogd in een convectieve luchtdroger.

Figuur 5: Drie fasen in een thermisch droogproces

Een algemeen droogproces van papier doorloopt drie fasen (Figuur 5). De eerste fase is de opwarmfase, waarin het papier opwarmt en steeds meer begint uit te dampen. Daarna volgt een fase van constante verdamping, waarin het vocht vanuit de kern van het materiaal naar het oppervlak transporteert en daar met een constante snelheid verdampt. In de laatste fase, de falling rate, neemt de droogsnelheid van het papier af, veelal omdat hierbij het interne vochttransport de limitering is.

Bij de grafische papieren worden er configuraties toegepast om een geleidelijke droogsnelheid te verkrijgen met in het eerste deel van de droger een combinatie van verwarmde en vacuümwalsen. Voor de productie van papier als basis voor golfkarton is met name de droogcapaciteit van belang en de stoomtemperatuur bijna gelijk maximaal. Massiefkarton, met een dikte tot enkele millimeters, heeft weer een ander droogprofiel. Voor dit product wordt de droogpartij tot halverwege gebruikt in de falling rate fase om het interne vocht te verdampen. Een te snelle droging kan gedeeltelijke delaminatie veroorzaken door stoomexpansie tussen de lagen van het product. De dunnere producten zoals tissue zijn dermate dun dat de productie niet verdamping gelimiteerd is. Hiervoor wordt een combinatie gemaakt met de Yankee droger.

De kwaliteit en verwerkbaarheid van het papier hangt nauw samen met het droogproces. Dit komt doordat de papiervezel opzwelt onder invloed van vocht en krimpt als deze droogt. Wanneer dit ongelijkmatig gebeurt, ontstaan er spanningsverschillen in de papierbaan. Enkele zichtbare voorbeelden van ongelijkmatige droging bij papier is het ontstaan van plooien over de breedterichting van het papier of het ontstaan van een kromming in het papierblad; men spreekt ook wel van de vlakliggendheid van het karton.

2.2.1 Multi-cilinderdroger

De multi-cilinderdroger is het werkpaard van de industrie; qua bulk en capaciteit is dit het meest gebruikte type drooginstallatie. Een multi-cilinderdroger bestaat uit meerdere opeenvolgende secties van verwarmde cilinders waar het papier overheen wordt geleid. Het papier warmt op wanneer het contact maakt met de walsen, en staat het vocht af naar de omgeving wanneer het contact met de walsen weer verbroken wordt.

Er wordt tijdens het droogproces een overmaat droge warme lucht (90 – 100 °C) in de droogkap geblazen om te zorgen dat het verdampte water wordt afgevoerd. Dit kan zowel direct op de positie in de ruimten tussen de cilinders, de pockets, als ook op de meer traditionele weg aan de onderkant van de machine als ‘onderwind’. Om het blad te ondersteunen tijdens productie wordt er gebruik gemaakt van doeken die met het papier meelopen door de machine. Deze doeken de droogzeven genoemd, spelen een belangrijke rol in zowel de ondersteuning van het blad als ook in de warme-overdracht doordat ze contact tussen het papier en de wals verbeteren en de vochtafvoer van het papier naar de lucht beïnvloeden. In figuur 6 staat een foto van een droogpartij en een droogsectie.

Figuur 6: Multi-cilinder droger

Naast de grote droogcilinders zijn er meerdere ondersteunende cilinders te zien. Deze geleidende rollen ondersteunen het vilt en het papier bij het doorlopen van de machine. Voor de operationele werking van de machine is het van belang dat baanbreuken voorkomen worden. Bij een baanbreuk scheurt het papier in de machine dit moet eerst verwijderd worden waarna de machine opnieuw ingeleid moet worden met een papierbaan om productie te vervolgen. Er kunnen legio oorzakenzijn die leiden tot deze situatie, zowel vanuit het product als de machine alsook de omgeving.

Om met een multi-cilinderdroger een ton papier te drogen van 50% naar 95% drogestof is ongeveer een ton stoom nodig. Hiervoor wordt stoom gebruikt om de cilinders van binnenuit te verwarmen. Het condensaat dat na warmteoverdracht binnenin de cilinders ontstaat wordt middels een stoom-verwijderingssysteem uit de cilinders verwijderd. Aan- en afvoer van stoom en condensaat verloopt via de centrale-as. Het verwijderingssysteem bestaat in basis uit meerdere scheppers naast elkaar die het condensaat vanaf de rand van de cilinder verwijderen. Om dit proces te bevorderen staat er een klein drukverschil (0,2 bar) over het systeem en wordt de condensaat verwijdering geholpen middels additionele stoom de zogenaamde doorblaasstoom. (Figuur 7). Afhankelijk van de productiesnelheid zijn er verschillende stoomverwijderingssystemen.

Figuur 7: Stoomverwijderingssysteem (Bron: Kadant Johnson)

De temperatuur van de cilinders kan worden bepaald aan de hand van de stoomdruk, en kan per cilindersectie verschillen. Globaal kunnen er twee configuraties worden onderscheiden (Figuur 8). Bij voornamelijk de productie van grafische papieren wordt gebruik gemaakt van een cascade systeem; in dit systeem is de stoomdruk en -temperatuur in de laatste sectie het hoogst (typisch 150 – 190 °C), geleidelijk afgebouwd naar de eerste sectie. In sommige gevallen is er zelfs sprake van onderdruk in de eerste sectie. Bij karton is het gebruikelijk om te werken met een systeem gebaseerd op thermocompressoren. Hierin wordt de doorblaasstoom per sectie opgewerkt en zijn de cilindertemperaturen overal gelijk.

 

Figuur 8: Cascadesysteem & systeem met thermocompressoren

Naast aanvoer van warmte is een goede afvoer van het verdampte water evenzo belangrijk. Doordat de warme vochtige lucht lichter is dan koude droge lucht ontstaat er vanzelf een natuurlijke trek. Een open hal die voldoende geventileerd wordt is in principe goed genoeg om effectief van het verdampte water af te komen. Op de oudere machines zijn er open kappen, gelijk aan een afzuigkap, en halfopen kappen te vinden. De moderne hogesnelheidsproductie machines hebben eigenlijk zonder uitzondering volledig gesloten kap om de droogpartij heen waarbij lucht rechtstreeks in de machine wordt geblazen in de pockets om zo de meest effectieve ventilatie te verkrijgen.

2.2.2 Yankee droger

Figuur 9: Yankee droger (Bron: Voith)

Het principe van de Yankee droger is anders dan die van de multi-cilinder droger. Een Yankee droger maakt gebruik van hete lucht (ca. 300 °C) die met hoge snelheid recht op een enkele, grote cilinder (soms wel 22 voet in diameter en meer dan 7 meter breed) geblazen wordt; de ‘impingement’ (Figuur 9). Deze cilinder wordt gebruikt voor transport van het papier en wordt tevens van binnenuit met stoom verwarmd. Cruciaal voor het functioneren van Yankee drogers zijn de grote ventilatoren, om de benodigde luchtsnelheid te behalen.

In een typische configuratie van een Yankee droger worden beide kaphelften separaat aangestuurd, waarbij de lucht uit de ‘droge’ zijde hergebruikt wordt in de ‘natte’ zijde (Figuur 10). Ten opzichte van de meer conventionele multi-cilinder drogers kan hier gewerkt worden met een hogere temperatuur en een hoge vochtbelasting (1000 g/kg) waarmee het droogproces veel intensiever bedreven kan worden.

Figuur 10: Typische Yankee droogcyclus

2.3 Contactloze droging

Afhankelijk van het type product wordt het oppervlak van het papier meestal verder behandeld met een coating om de bedrukbaarheid te verbeteren en of met een zetmeel om de sterkte en watervastheid te verbeteren. Na de eerste droogstap, het ‘voordrogen’, om het basis product te maken volgt er na het opbrengen van de oppervlakte hulpstoffen een ‘na-droog’ stap waarin het papier opnieuw gedroogd wordt. Uit een eerdere studie[1] blijkt dat voor sommige producten bij de oppervlaktebehandeling evenveel water wordt toegevoegd als er in eerste instantie al verwijderd is via een voordroging. Na een oppervlaktebehandeling is als eerste stap contactloos drogen benodigd om het oppervlak te drogen ter voorkoming van vervuiling in de machine. Daarna volgt er droogstap middels contactdroging in een nadroogpartij om het product geheel te drogen.

Er zijn twee veel gebruikt methoden voor contactloze droging:

• Via een infrarood-droger waarbij infraroodstraling gebruikt wordt om warmte direct aan het oppervlak over te dragen,
• Via de zogenaamde air-foil waarbij gelijk aan de yankee droger hete lucht wordt gebruikt om het oppervlak te drogen

Figuur 11: vormen van contactloos drogen, Infrarooddroger

2.3.1 Vormkarton drogers

De productie van vormkarton producten bestaat in grote lijnen uit een pulp bereidingssysteem, een vormmachine, een droger en voor sommige producten een nabewerking.

De vormmachine maakt (natte) producten door in een pulpbad, met behulp van vacuüm, pulp tegen een vorm te zuigen. De vormmachine ontwatert producten zo ver mogelijk door met hetzelfde vacuüm (warme) lucht door de natte producten heen te zuigen. De droger verwijdert het overige vocht uit het product. .

De droger is een convectieve luchtdroger die met een gasbrander directe wordt verhit. Deze is ontworpen om een grote hoeveelheid vocht te verwijderen uit natte vormkarton producten. Dit gebeurt door hete lucht circulatie rondom de producten in de droger. Product dragers, die worden aangedreven door kettingen en tandwielen, transporteren de producten door de droger in verschillende lagen van boven naar beneden. Een combinatie van verblijftijd, temperatuur en luchtsnelheid, zorgen voor het correcte vochtgehalte in het eind product.

Een warmtewisselaar wint energie terug uit afgevoerde vochtige lucht uit de droger. Proceswater wordt hiermee opgewarmd.

Bepaalde producten zoals eierdoosjes worden na het drogen nog geperst, bedrukt en/of gelabeld.

Figuur 12 – Productie van vormkarton

2.4 Andere droogprocessen

In Nederland wordt voor het overgrote deel van de papier- en kartonproductie (85%) gebruik gemaakt van gerecycled papier. Bij de productie van 2.200.000 ton papier- en karton ontstaat ook een aantal zijstromen. De grondstof bestaat voornamelijk uit papier en voor een kleiner deel uit plastics en metalen; de precieze samenstelling is afhankelijk van de kwaliteit van het gerecycled papier. In de stofvoorbereiding worden de bruikbare vezels en de niet bruikbare fracties in een aantal stappen van elkaar gescheiden. Dit levert diverse stromen op in de stofvoorbereiding waaronder plastics, ontinktingsslib met vezels en vulstoffen (kalk) en een vezelfractie van onbruikbare vezels en metalen. Deze zijstromen worden in een aantal fabrieken separaat verwerkt en gedroogd, waarbij gebruik gemaakt wordt van twee verschillende typen drogers, te weten banddrogers en drumdrogers. Bij voorkeur wordt hiervoor restwarmte gebruikt die vrijkomt bij de primaire processen.

Er is een aantal initiatieven in de sector om deze zijstromen op locatie te valoriseren of, indien dit niet mogelijk is, af te voeren naar een externe partij ter verwerking. Voorbeelden hiervan zijn de verwerking en droging van reject tot gepelletiseerd product bij Smurfit Kappa Roermond Papier en de droger voor fluff bij DS Smith De Hoop Mill.

Figuur 13: Rofire productieproces

 

3. Reductie warmtevraag

3.1 Processen vergelijken

Op de 21 productielocaties in Nederland zijn er 53 machines en dus ook 53 verschillende manieren waarop papier en karton wordt geproduceerd. Iedere machine wordt product-specifiek bedreven, wat betekend dat er een gemeenschappelijke deler gevonden moet worden om de processen met elkaar te kunnen vergelijken. Een manier om dit te doen is door de processtappen op proces- en productniveau met elkaar te vergelijken. Een begrip dat hiervoor gebruikt wordt is het specifieke energiegebruik; het SEC (Specific Energy Consumption). Door voor meerdere processen het SEC van processtappen te vergelijken, wordt inzicht verkregen in de potentie van verbetering. In de thesis ‘Benchmarking energy use in the paper industry’ is dit door Jobien Laurijssen helder uiteengezet ( J. Laurijssen et al; Energy use in the paper industry An assessment of improvement potentials at different levels; PhD thesis; july 2013).

In het document BAT/BREF (Best Available Technologies REFerence) is op Europees niveau een standaard opgesteld ter vergelijking van sectoren en processen. In 2015 is het BAT/BREF document in gepubliceerd voor de productie van pulp, papier en karton. In dit laatste document staat op hoofdlijnen beschreven wat de Best Beschikbare Technologieën (BBT) zijn voor alle aspecten van het productieproces. Een kanttekening hierbij is dat hiervoor zoveel mogelijk de generieke toepassingskaders genomen zijn. Daarmee lijkt de toepassing van een specifiek BBT veelbelovend voor verbetering van het algemene productieproces, maar is niet per definitie passend voor een specifiek product. Een voorbeeld hierin is de besparing op droogenergie door meer water uit het blad te persen, wat generiek een goede oplossing is, maar is bijvoorbeeld niet direct van toepassing op massiefkarton waarin de bulk, of opdikkendheid, van het blad tevens ook een belangrijke producteigenschap is.

3.2          Optimalisatie van het de luchthuishouding

Het verdampte water dat in de afgaslucht de droger verlaat, bevat een grote hoeveelheid warmte, voornamelijk in de vorm van waterdamp. Deze warmte is nog effectief te benutten in meerdere (rand)processen. Warmte-integratie is hierbij de sleutel, gebruikmakend van warmtewisselaars is veel van de warmte uit te koppelen uit het droogproces en te benutten voor de diverse andere processen in de fabriek zoals in de stofvoorbereiding en met name ’s winters voor gebouwverwarming. Door processen opeenvolgend in temperatuur en warmtevraag te schakelen wordt het grootst mogelijk aandeel teruggewonnen. Dit is veelal allereerst om de toevoerlucht voor te verwarmen. De warmte die dan nog overblijft, kan worden gebruikt om proceswater voor te verwarmen en uiteindelijk is het nog mogelijk om de restwarmte te benutten voor gebouwverwarming. In figuur 14 is het aandeel warmte uit droogprocessen weergegeven.

Figuur 14 – Restwarmte uit droogprocessen

Het energieverbruik van een droogpartij is met name toe te delen aan het drogen van het product. Daarnaast is er ook een deel toe te delen aan de randapparatuur en het luchtzijdige deel van het droogproces. Door optimalisatie van de luchthuishouding (hogere dauwpunten, meer vocht in de lucht) is een grote slag te slaan in het energieverbruik in conventionele drogers. Zo is er bij een dauwpunt van 65°C (102 g/kg) ten opzichte van 53 °C (204 g/kg) maar de helft aan proceslucht nodig om het verdampte water af te voeren. De restwarmte gebruikt om deze overmaat lucht op te warmen kan via warmte-integratie vervolgens op een andere plaats beter benut worden.

Figuur 15: Voorbeeld warmtevraag droogproces bij verschillende concentraties vocht in lucht

4 Drogen in het vervolg

4.1 Processen verder optimaliseren

Verdere vervolgstappen in het verbeteren van de huidige warmte-integratie zijn veelal lastig doordat bestaande productieprocessen al ver geoptimaliseerd zijn of omdat het veranderingen in de warmte-integratie op andere punten weer tot ontsparingen kunnen leiden. Een warmtepomp is te gebruiken om relatief laagwaardige warmte op een hoger temperatuur niveau te brengen waarop de warmte wel nuttig is in te zetten. Een belangrijke stap hierin is de ontwikkeling van een industriële warmtepomp waarmee stoom gemaakt kan worden op basis van de beschikbare restwarmte uit de droogkap. In de pilot uitgevoerd bij Smurfit Kappa Roermond Papier is de daadwerkelijke toepasbaarheid aangetoond (Projectconsortium van Smurfit Kappa, Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN), Bronswerk Heat Transfer en IBK Koudetechniek in het CATCH-IT-project onder ISPT).

De huidige procesintegraties zijn veelal gemaakt door een combinatie van thermodynamische, praktische en economische afwegingen. Om te kijken wat de mogelijkheden zijn voor het verbeteren van de het bestaande proces, is een meer gestructureerde aanpak nodig. De (technische) basis voor het evalueren van de opties voor warmte-integratie is het opstellen van een massa- en energiebalans over het proces. Om tot een juiste invulling van de massa- en energiebalans te komen worden eerst de proceseisen bepaald, de warmtevragers geïdentificeerd en de (rest)warmtebronnen bepaald. Voor een papiermachine zijn hierin op hoofdlijnen drie stappen te nemen. Beginnend bij het opstellen van een waterbalans, gevolgd door een lucht- en dampbalans en als laatste de stoombalans. Drogen is veelal de grootste post. Daarnaast is er een warmtevraag voor proceswater en dan met name v00r soorten met een hoog specifiek waterverbruik. De warmtevraag voor gebouwverwarming is er alleen in een bepaalde periode van het jaar.

Vanuit Bumaga BV, de 100% dochterorganisatie van Kenniscentrum Papier en Karton, wordt warmte integratie ondersteund met een model om dit soort optimalisaties te vergemakkelijken. Het SED model “Simulation Energy efficiency Drying process” wordt momenteel al gebruikt voor de optimalisatie van een aantal droogprocessen via een systematische aanpak. Het model is ontworpen voor het verwerken van meetgegevens van droogprocessen, het berekenen van kengetallen en de energie-efficiëntie van droogprocessen en het doorrekenen van verbeterscenario’s aan droogprocessen. Het model is toegespitst op de lucht- en dampzijdige delen van de drooginstallatie en de daaraan gekoppelde warmteterugwinning. Het model is geschikt voor vrijwel alle soorten drogers waarin het droogproces plaatsvindt onder atmosferische omstandigheden en de waterdamp wordt afgevoerd met lucht.

Om meer inzicht te verkrijgen in de mogelijke stappen ter verbetering van het proces is een combinatie te maken van de massa- & energiebalans en Pinch-techniek. De Pinch-techniek is een methodiek waarbij de warmtebronnen en -gebruikers op elkaar worden gepast en een beeld ontstaat voor de ideale warmte-integratie. In de dit beeld is de ‘pinch’ het punt waarop de temperatuurlijnen het dichtst bij elkaar liggen. De bij dit punt behorende temperatuur heet ook wel de Pinch-temperatuur. Zie figuur 16.

Bij een goede warmte-integratie in het ideale geval is er boven de Pinch-temperatuur een warmtevraag en onder deze temperatuur een aanbod van (rest)warmte.

Figuur 16 – Voorbeeld warmtebeeld model kartonfabriek ‘De Volharding’

Deze combinatie staat aan de basis van de tool (Methodiek voor verbetering warmte-integratie PKI) die is ontwikkeld in het kader van project White. Hiermee is het mogelijk een pragmatische pinch op te stellen over het eigen proces met hierin als referentiescenario het bestaande warmtebeeld. Daarbij biedt de tool de mogelijkheid om zelf de gemaakte integraties in te voeren, wat heel effectief kan; door toepassing van warmte-integratie vermindert namelijk de warmtevraag en verdwijnt/vermindert er een warmtebron. Deze opties volgen uit het toepassen van bijvoorbeeld een warmtewisselaar, warmtepomp of warmteopslag.

De onregelmatigheden in het droogproces en vochtbelasting worden van belang wanneer het vochtgehalte in de lucht verhoogd wordt. Een koudebrug in de droogkap kan leiden tot condensatie wanneer er op punten in de kap een hoge vochtbelasting is. Wanneer condens direct op het product terecht komt kan dit leiden tot product afkeur of tot een baanbreuk. Op langer termijn wordt de constructie van de kap aangetast. Het vochtprofiel in de droogkap wordt veelal eenmaal in een periode van een aantal jaar in kaart gebracht middels het verrichtten van handmetingen. De relatieve vochtigheid van de lucht (RV %) is hierin een belangrijke algemene stuurparameter. Het operationele proces wordt niet belemmerd wanneer de RV in het algemeen laag blijft, lager dan 30 % RV. Figuur 17 is een voorbeeld van een vochtprofiel in een droogkap. Hierin is een aantal uitschieters te zien, op deze punten is er bijvoorbeeld onvoldoende kapventilatie.

Naast de droogpartij speelt ook de zeefpartij, waarop het papier gevormd wordt, een belangrijke rol. De zeefpartij is open naar de omgeving en door verdamping vanaf de zeef komt er in de machinehal 0,5 tot 1,5 m3 water per meter zeef breedte in de lucht per uur. Voor zowel het werkklimaat rond de machine alsook voor behoud van het gebouw is het belangrijk dat de luchtvochtigheid laag blijft. Daarom wordt de hal continu ververst met (koude) buitenlucht. Ook zijn er systemen waarmee door droge lucht hoog in de machinehal in te blazen een zogenaamd dubbel plafond wordt gemaakt.

Figuur 17: Vochtbelasting van een droogkap

Een goede luchtbalans in de machine zorgt voor een effectievere vochtafvoer en daarmee een betere en gelijkmatigere droging. Hierop zijn met name de inzichten toe te passen die zijn verkregen uit de huidige periodieke (hand)metingen. Ook het werken met modellen zoals het SED model en met de screeningstool die is ontwikkeld in het kader van project WHITE kunnen worden toegepast ter verbetering van warmte-integratie.

4.2 Trends en verdere ontwikkelingen

Het droogproces is een invloedrijke factor voor zowel de kwaliteit van het product als het energiegebruik. Om met het huidige machinepark te kunnen voldoen aan de hogere kwaliteitseisen voor het product en tegelijkertijd het energieverbruik te verminderen, moet rekening gehouden worden met een aantal belangrijke trends (CEPI Unfold the future The Forest Fibre Industry 2050 Roadmap to a low-carbon bio-economy, Routekaart Nederlandse papier- en kartonindustrie, Pöyry Halfway-the-energy-transition-The-Dutch-transition-success-story, Roadmap 2015 to 2025 Sensors for increased resource efficiency):

1. Grootschalige inzet van nieuwe alternatieve grond- en hulpstoffen,
2. Klant specifiek produceren,
3. Lagere gramgewichten, meer meters minder papier
4. Toenemende inzet oppervlaktebehandeling.

De bovengenoemde aspecten vragen om een sterke flexibilisering van het proces met daarbij kwaliteitsbehoud en op termijn, kwaliteitsverbetering. Contactdroging in een multi-cilinder droger blijft vooralsnog de meest effectieve manier om grote volumes papier en karton te produceren. Daarnaast is de papiermachine ook het meest kapitaal intensieve onderdeel van het productieproces waarmee volledige vervanging of nieuwbouw onwaarschijnlijk is (Huidige investeringen in ombouw of verbetering in orde van € 50 miljoen, greenfield orde € 500 miljoen). De huidige droogpartij zal daarmee naar alle waarschijnlijkheid ook de basis vormen voor de toekomstige ontwikkelingen.

Door de inzet van andere, alternatieve vezels en grondstoffen, wordt het droogproces vanaf de basis beïnvloed. Hierdoor verandert ook het drooggedrag van het product. De inzet van nieuwe hulpstoffen zoals bijvoorbeeld Nanocellulose (Spyros Bousios, Project Nanocellulose, KCPK 2015) om de eigenschappen van het eindproduct te verbeteren hebben ook een grote impact op de productie. Afhankelijk van de productsoort hangt in de huidige productie 30% tot 50% van de totale verdamplast samen met de oppervlakteafwerking (Project Briljant “Droge veredeling” Bumaga BV 2007-2011). Door in het vervolgprojecten in te zetten op effectieve en flexibele (na)droging opties is er nog een grote slag te maken in de flexibilisering en variëteit van de productiecapaciteit. Via een aantal innovatieve technieken zou het mogelijk kunnen worden om de huidige oppervlakteverwerking gecombineerd op de machine volledig in-line te plaatsen. Als gevolg hiervan kan er een verschuiving plaats gaan vinden van de huidige scheiding in productie als ‘halffabricaat’ en verwerking naar een integraal productieconcept.

Een klant specifieke productie vraagt om een flexibel in te zetten papiermachine, wat ertoe leidt dat productietijden steeds korter worden met een toenemend productpallet. Het aantal verschillende producten betekent ook dat de variabele last op de droogpartij groter wordt. Dit heeft impact op zowel het droogtraject van het product alsook de luchthuishouding. Toepassing van meer online sensoren om vocht en temperatuur in de droogpartij beter te kunnen meten, heeft tot voordeel dat droogproces beter te monitoren is en de vochtbalans in de kap verbeterd kan worden. Er zijn al veel meetinstrumenten beschikbaar om een breed scala aan te meten parameters (potentieel) te kunnen meten. Echter voor de papiermaker heeft dit alleen een toegevoegde waarde als hij hiermee in staat is om ook daadwerkelijk het proces beter te beheersen en zo een kwalitatief goed product te leveren met een zo hoog mogelijke materiaal- en energie-efficiëntie. Hiervoor is nog een slag te maken in het gericht sturen van het droogproces en het direct corrigeren van droogprofielen op de machine. Wellicht dat technologische innovaties op het gebied van oppervlakte droging en de gunstige verhouding van de elektriciteitsprijs ten opzichte van gas nieuwe kansen tot gerichte sturing van het droogproces geven.

Samengevat leiden de trends nieuwe alternatieve grond- en hulpstoffen en het klant specifiek produceren tot twee belangrijke ontwikkelingen:

1. Het combineren van oppervlaktebehandeling, verwerking in het huidige proces om te komen tot een flexibele continue productiemachine voor een breed producten pallet.
2.  Op een kost effectieve wijze het inzichtelijk maken van het droogproces tot een gerichte procesbeheersing te komen voor optimalisatie van de papiermachine.