Im gesamten Papierherstellungsprozess – von der Zellstoffgewinnung über die Papierherstellung bis zur Veredelung – ist die Refineranlage eine Schlüsselkomponente, die die Fasereigenschaften und die Papierqualität maßgeblich bestimmt. Durch physikalische, chemische oder kombinierte mechanisch-chemische Prozesse schneidet, fibrilliert und veredelt sie die Zellstofffasern. Dadurch können ursprünglich lose Fasern stärkere Bindungen eingehen, was dem Papier letztendlich wichtige Eigenschaften wie Festigkeit, Gleichmäßigkeit und Farbaufnahme verleiht. Von traditionellen Steinmühlen bis hin zu modernen intelligenten Anlagen orientierte sich die technologische Weiterentwicklung von Refineranlagen stets an den drei Kernprinzipien „hohe Effizienz, Präzision und Energieeinsparung“ und ist somit zu einem wichtigen Baustein für die Modernisierung der Papierindustrie geworden.

I. Kernfunktionen und Funktionsprinzip von Raffinerien

Die Kernaufgabe eines Refiners besteht in der „Optimierung der Fasermorphologie“, und sein Funktionsprinzip lässt sich als „Fasermodifizierung unter mechanischer Einwirkung“ zusammenfassen:

• GrundprinzipWenn der Faserbrei zwischen den Walzen des Refiners hindurchläuft, wird er kombinierten mechanischen Kräften wie Scheren, Extrudieren und Kneten ausgesetzt. Die Zellwände der Fasern werden aufgerissen, wodurch Mikrofibrillen entstehen und die Oberfläche eine dichte, fibrillierte Struktur bildet. Gleichzeitig werden überlange Fasern gekürzt, sodass die Faserlängenverteilung besser den Anforderungen der Papierherstellung entspricht.
• KernfunktionenErstens soll die Faserbindungskraft verbessert werden, um dem Papier eine ausreichende Zugfestigkeit, Reißfestigkeit und Berstfestigkeit zu verleihen; zweitens soll die Gleichmäßigkeit der Faserverflechtung verbessert werden, um die Ebenheit und Planheit des Papiers zu gewährleisten; drittens soll das Papier an die Bedürfnisse verschiedener Papiersorten angepasst werden, z. B. benötigt Kulturpapier feine Fasern zur Verbesserung der Bedruckbarkeit, während Verpackungspapier dicke und lange Fasern zur Erhöhung der Steifigkeit erfordert.

II. Haupttypen und technische Merkmale von Raffinerien

Nach Konstruktionsprinzip, Arbeitsweise und Anwendungsszenarien lassen sich die gängigen Refiner in der Papierindustrie hauptsächlich in die folgenden vier Kategorien einteilen, von denen jede ihren eigenen technischen Schwerpunkt und Anwendungsbereich hat:

1. Scheibenrefiner

• Strukturelle MerkmaleDie Maschine besteht aus einer feststehenden Scheibe (stationäre Scheibe) und einer rotierenden Scheibe (rotierende Scheibe). Die Scheibenoberfläche ist mit Schleifzonen unterschiedlicher Zahnformen (z. B. gezahnt, trapezförmig, spiralförmig) versehen, und die Schleifintensität wird durch Einstellen des Scheibenspalts gesteuert.
• Technische VorteileHohe Mahlleistung, gleichmäßige Fasermodifizierung. Durch den Austausch der Scheibenzahnformen kann es sich an verschiedene Zellstoffe (Holzzellstoff, Strohzellstoff, Altpapierzellstoff) anpassen und ist somit die am weitesten verbreitete Mahlanlage für Kulturpapier, Verpackungspapier, Toilettenpapier und andere Papiersorten.
• Subtypen: Einscheibenrefiner (wirkt auf eine Seite der Scheibe), Doppelscheibenrefiner (wirkt gleichzeitig auf beide Seiten der Scheibe), Dreischeibenrefiner (mittlere stationäre Scheibe + zwei seitliche rotierende Scheiben, höhere Effizienz).

2. Konischer Refiner

• Strukturelle MerkmaleDas Gerät verwendet eine Kombination aus konischem Stator und Rotor. Der Zellstoff wird spiralförmig durch den konischen Spalt transportiert und dabei kontinuierlich geschert und extrudiert. Die Mahlintensität lässt sich durch die Einstellung des konischen Spalts präzise steuern.
• Technische VorteileGeringerer Faserabtrag, gute Fibrillierungswirkung, geeignet für Papiersorten, die eine hohe Faserlängenretention erfordern (z. B. Kraftpapier, Linerboard). Es zeichnet sich zudem durch hohe Betriebsstabilität und geringen Energieverbrauch aus und wird häufig zur Sekundärmahlung von Altpapierzellstoff oder zur Feinaufbereitung von hochwertigem Zellstoff eingesetzt.

3. Zylindrischer Refiner

• Strukturelle MerkmaleDie Mahlanlage besteht aus einer zylindrischen Mahlwalze und einer bogenförmigen Mahlplatte. Die Mahlwalzenoberfläche ist mit quer oder spiralförmig geschliffenen Zähnen versehen. Die Rotation der Mahlwalze treibt den Faserstofffluss an und schließt den Mahlvorgang ab.
• Technische VorteileHohe Toleranz gegenüber Verunreinigungen (wie Sandkörnern und Kunststofffragmenten) im Zellstoff, geringe Verstopfungsneigung. Geeignet für die Grobvermahlung von Altpapierzellstoff oder die Vorbehandlung von grobfaserigen Rohstoffen wie Strohzellstoff, häufig eingesetzt im vorgelagerten Mahlprozess von Zellstoffproduktionsanlagen.

4. Hochkonstanz-Raffinerie

• Strukturelle MerkmaleGeeignet für Zellstoff mit hoher Konsistenz (15–40 %). Ein spezielles Zuführsystem (z. B. eine Schneckenförderanlage) gewährleistet einen gleichmäßigen Eintritt des Zellstoffs in die Mahlzone. Die Zahnform der Mahlscheibe ist meist breit und mit großem Zahnabstand ausgeführt, um die Faserverknetung zu optimieren.
• Technische VorteileHoher Faserfibrillierungsgrad und starke Bindungskräfte verbessern die Papierfestigkeit deutlich. In Umgebungen mit hoher Konsistenz ist der Faserverlust geringer und der Energieverbrauch niedrig. Es eignet sich für die Feinveredelung hochwertiger Papiersorten (wie gestrichenes Papier und Spezialpapier) oder für die Zellstoffverarbeitung, die eine hohe Faserbindung erfordert.

III. Wichtigste technische Parameter und Auswahlkriterien für Raffinerien

1. Technische Kernparameter

• Konsistenz verfeinernDie Konsistenz wird in niedrige (≤ 8 %), mittlere (8–15 %) und hohe (≥ 15 %) Faserzusammensetzung unterteilt. Die Konsistenz beeinflusst direkt die Mahleffizienz und die Fasermorphologie; so liegt der Fokus bei der Mahlung mit hoher Konsistenz auf der Fibrillierung, während bei der Mahlung mit niedriger Konsistenz der Schwerpunkt auf dem Zerkleinern liegt.
• ScheibenspaltEin Schlüsselparameter für die Mahlintensität. Je kleiner der Spalt, desto höher die Mahlintensität. Er muss dynamisch an die Anforderungen der Papiersorte und die Eigenschaften des Zellstoffs angepasst werden (üblicherweise zwischen 0,1 und 1,0 mm).
• Zahnform und Zahnbreite der ScheibeDie Zahnform beeinflusst die Art der Faserbeanspruchung (scherartige Zahnformen eignen sich zum Schneiden, knetartige Zahnformen zur Fibrillierung). Die Zahnbreite bestimmt die Kontaktfläche der Mahlzone, die auf den Pulpentyp und das Mahlziel abgestimmt sein muss.
• Motorleistung und DrehzahlDie Leistung bestimmt die Raffinationskapazität (üblicherweise 55–1000 kW), und die Drehzahl beeinflusst die Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe (im Allgemeinen 1500–3000 U/min). Eine höhere Umfangsgeschwindigkeit bedeutet eine stärkere Scherkraft und eignet sich für anspruchsvolle Raffinationsprozesse.
• KapazitätDie Auswahl erfolgt je nach Produktionsliniengröße. Die Kapazität einer einzelnen Anlage beträgt üblicherweise 5-100 t/d, und große Produktionslinien können mehrere Anlagen in Reihen- oder Parallelschaltung verwenden.

2. Kernauswahlprinzipien

• Anpassung an die Anforderungen der PapiersorteBei hochfestem Verpackungspapier werden vorwiegend hochkonsistente oder konische Refiner eingesetzt; für feines Kulturpapier können Doppelscheiben- oder Dreifachscheibenrefiner gewählt werden; für die Altpapieraufbereitung werden zylindrische Refiner oder schmutzresistente Scheibenrefiner bevorzugt.
• Eigenschaften des StreichholzesHolzzellstoff hat lange Fasern, daher liegt der Fokus auf der Fibrillierung; Hochkonsistenzrefiner oder konische Refiner sind optional. Strohzellstoff hat kurze Fasern, daher muss der Zerkleinerungsgrad kontrolliert werden; Niedrigkonsistenz-Scheibenrefiner sind optional. Altpapierzellstoff enthält viele Verunreinigungen, daher sollte verstopfungsresistente Ausrüstung ausgewählt werden.
• Ausgewogene Energieeffizienz und EnergieverbrauchIn Kombination mit den Anforderungen an die Produktionslinienkapazität sollten Anlagen mit niedrigem Energieverbrauch pro Einheit und hoher Raffinationseffizienz ausgewählt werden. Beispielsweise können großtechnische Produktionslinien Dreischeibenraffinerien einsetzen, während kleine und mittlere Produktionslinien Einscheiben- oder Doppelscheibenraffinerien verwenden können.
• Intelligente Anpassungsfähigkeit berücksichtigenModerne Raffinerien sind größtenteils mit SPS-Steuerungen ausgestattet, die eine Echtzeitüberwachung des Raffinationsprozesses (z. B. Faserlänge, Zellstoffkonsistenz, Scheibenverschleiß) und eine automatische Regelung ermöglichen. Bei der Auswahl sollte der Intelligenzgrad der Produktionslinie berücksichtigt und vernetzte sowie wartungsfreundliche Anlagen bevorzugt werden.

IV. Technologische Entwicklungstrends von Raffinerien

Mit der Transformation der Papierindustrie hin zu „grün, kohlenstoffarm, hocheffizient, intelligent und qualitativ hochwertig“ ergeben sich für die Raffinerietechnologie drei wichtige Entwicklungsrichtungen:

• Intelligentes Upgrade: Integration von Sensoren, dem Internet der Dinge und KI-Technologie zur Echtzeitüberwachung des Raffinationsprozesses und zur automatischen Regelung im geschlossenen Regelkreis, wodurch die Präzision und Stabilität der Raffination verbessert werden.
• EnergiesparverbesserungDurch die Optimierung der Scheibenstruktur (z. B. durch bionische Zahnform), den Einsatz hocheffizienter Motoren und die Frequenzumrichter-Drehzahlregelung wird der Energieverbrauch der Raffinerieanlage reduziert. Einige neuartige Raffinerien senken den Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen um 15–30 %.
• Multifunktionale Integration: Entwicklung integrierter Anlagen zur „Aufbereitung – Siebung – Reinigung“, um Produktionsprozesse und Anlagenplatzbedarf zu reduzieren; Berücksichtigung der Bedürfnisse von Spezialpapieren, Entwicklung spezieller Aufbereiter (wie z. B. Feinfaseraufbereiter, biomechanische Zellstoff-Spezialaufbereiter), um die Anwendungsszenarien zu erweitern.

Als zentrale Faktoren der Papierherstellung ist der technische Standard von Papierrefinern unmittelbar mit Papierqualität, Produktionseffizienz und Umweltverträglichkeit verknüpft. Angesichts des Bestrebens der Papierindustrie nach qualitativ hochwertiger Entwicklung wird die Auswahl geeigneter Refinertypen, die Optimierung wichtiger technischer Parameter und die Berücksichtigung der Entwicklungstrends in den Bereichen intelligente Technologien und Energieeinsparung zu einer entscheidenden Voraussetzung für die Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen.