Fachartikel Papiertechnik

Höchstleistung dank statistischer Datenanalyse

Die Weißlaugenoxidation, als wichtiger Prozessschritt im Vorfeld der Zellstoffbleiche, lieferte bei der Zellstoff Stendal GmbH seit Inbetriebnahme der Teilanlage vor 15 Jahren nicht die von ihr erwartete Leistung. Diverse Optimierungsversuche wurden unternommen, der entscheidende Durchbruch blieb jedoch aus. Im Rahmen eines Six Sigma Projekts mit dem Dienstleistungspartner Additive wurde der Prozess systematisch mit statistischen Methoden untersucht – mit überwältigenden Ergebnissen.

Der Anlagenteil der Weißlaugenoxidation war trotz zahlreicher Optimierungsinitiativen lange Zeit Sorgenkind der Zellstoff Stendal GmbH: Seit ihrer Inbetriebnahme im Jahr 2005 erreichte die Teilanlage im Bereich der Faserlinie nie wirklich die Leistung, auf die sie ausgelegt war. Das hatte negativen Einfluss auf den Laugenbestand und dessen Steuerung, die Sulfidität der Weißlauge und den Verbrauch an Frisch-Natronlauge (Frisch-NaOH) und damit direkt auf die daraus resultierenden Chemikalienkosten. Insbesondere bei hohen Laugenbeständen ist die Oxidierte Weißlauge (OWL) ein sehr wichtiges Steuerungsinstrument. Sie wird im
Bereich der Sauerstoffdelignifizierung benötigt. Eine schlechte OWL-Qualität beeinflusst die Delignifizierungskapazität negativ, unzureichende OWL-
Mengen müssen durch Zudosierung von Frisch-NaOH aufgefüllt werden. Das treibt die Kosten in die Höhe.

Bei der Performance-Bewertung der Anlage wird die Qualität des Produkts priorisiert – gemessen als Natriumsulfid Na2S – vor Leistung (in l/s) und Verfügbarkeit. Dies schränkt die Leistungsfähigkeit und Konstanz dieser Anlage weiter ein.

Stephanie Stein, Prozessingenieurin bei der Zellstoff Stendal GmbH, sollte sich ab September 2018 federführend der Optimierung des OWL-Aufbereitungsprozesses im Unternehmen annehmen und die Anlage – im Rahmen ihrer Six Sigma Green Belt-Ausbildung – systematisch „auf Herz und Nieren“ überprüfen. Ziel des Projektes war es, eine stabile hohe Produktion der OWL zu
erreichen und gleichzeitig die Qualitätsanforderung halten zu können: Bessere Qualität der Lauge bei höherer Leistung, womit insgesamt eine Kostenreduktion um zwei Drittel angestrebt wurde. Die drei zu verbessernden
Zielgrößen waren somit: c (Na2S) [g/l], Produktionsrate [l/s] und daraus direkt abgeleitet Kosten für zusätzliches Frisch-NaOH [€/d]. Technische Umbaumaßnahmen wurden beim Scoping (Projektabgrenzung) ausgeschlossen. Außerdem sollte in den bekannten technischen Grenzen gearbeitet werden, um kein neues Risiko in den
Prozess zu tragen. Es stand also kein
größerer Rahmen zur Verfügung, als er schon seit Inbetriebnahme existiert.

Veruchsplanung mit
Statistiksoftware angepasst

Bei ihrem Projekt unterstützt wurde Stephanie Stein von Daniel Fügner, langjähriger Vertriebsingenieur bei der Additive GmbH, der die Projektbetreuung für seine Six Sigma Black Belt-Ausbildung nutzte. Er unterstützte das
Projekt bei der Auswertung der Messsystemanalyse, sowie bei der systematisch statistischen Analyse zur Wirkung der Einflussfaktoren auf die Zielgrößen. Letzteres wurde mittels Statistischer Versuchsplanung (DoE, Design of Experiments) untersucht: Dabei handelt es sich um einen statistischen Ansatz, bei dem die Einflussfaktoren gleichzeitig geändert werden, um nicht nur ihren direkten Einfluss auf die Zielgrößen zu untersuchen, sondern auch dessen Wechselwirkungen. Daniel Fügner hat die DoE dabei mit der Software Minitab speziell auf die Besonderheiten des
vorliegenden Prozesses angepasst. Dies war einer der kritischen Punkte im
Projekt, weil Fehler in der Versuchsplanung direkt zur Unbrauchbarkeit der Versuchsergebnisse führen können.

Vor dem Beginn der Versuchsreihe wurde die Anlage zunächst noch einmal gründlich gereinigt, überholt und in technisch optimalen Zustand versetzt. Ende 2018 startete die Define- und Measure-Phase des Projektes, von April bis Juni 2019 fand die Versuchsreihe statt, Anfang August 2019 lagen
verlässliche Erkenntnisse vor.

Automatisierte Anfahrlogik

Im Rahmen der DoE mit der Statistiksoftware Minitab wurde die Anlage eingehend untersucht. Während der Versuchsvorbereitungen und -durchführung wurden wichtige Nebenerkenntnisse gewonnen, die auch
ausschlaggebend für den Projekterfolg
waren. Wesentlich und zugleich beruhigend war in diesem Zusammenhang beispielsweise die Erkenntnis, dass die Anlage, auch bei ungünstiger Parameterkonstellation, immer wieder
abgefangen werden kann und so eine angemessene Leistung und gute Qualität stets wiederherstellbar ist. Voraussetzung dafür: Sie muss durch regelmäßige Reinigung frei von Verplackungen und in technisch einwandfreiem
Zustand sein. Neben dem Reinigungszustand der Anlage, haben auch die
Inbetriebnahme nach Füllkörpertausch und das Anfahren nach kurzem Stillstand einen entscheidenden Einfluss. Dafür wurde eine SOP (Standard
Operating Procedure) erstellt und eine
automatisierte Anfahrlogik installiert.

Viel Sauerstoff hilft viel

Die wichtigste Erkenntnis der Prozessanalyse ist: Viel Sauerstoff hilft viel. Die Sauerstoffzugabe hat einen entscheidenden Einfluss und muss in möglichst hoher Menge gewährleistet sein. Zudem ist die Zugabe einer Mindestmenge Katalysator notwendig.

Interessanterweise wurde die Sauerstoffzugabe von den Prozessexperten im Vorfeld eher als unwichtig angesehen. Die statistische Auswertung zeigt auch warum: Die Abhängigkeit der Zielgrößen von diesem Einflussfaktor war hochgradig nichtlinear und dieser stand dabei noch mit einer anderen
Variablen in einer Wechselbeziehung. So etwas ist mit den klassischen Methoden wie „Try and Error“ oder auch OFAT (One Factor At Time) nicht zu
finden und führte daher über die Jahre zu dieser Fehleinschätzung. Mit der speziell hierfür abgewandelten DOE konnte diese Wechselbeziehung aber entdeckt werden.

Insgesamt konnte die Projektingenieurin mit ihrem Projekt zeigen, dass die Anlage – mit den vorgeschlagenen
Lösungsansätzen – fähig ist, die Ziele aus den CtCs (Leistung und Qualität) zu erfüllen und somit die NaOH-Kosten signifikant zu senken. Das gesetzte Ziel der Kostensenkung um zwei Drittel ist bei Einhaltung identifizierter Voraussetzungen (Reinigungszustand, technischer Zustand) und geeigneter Parameterkonstellationen (ausreichende Mengen Sauerstoff und Katalysator) somit sehr realistisch.

Dieses Projekt hat den zweiten Platz beim Deutschen Six Sigma Preis in der Kategorie „Praxis“ erreicht. Der European Six Sigma Club Deutschland e.V. prämiert jährlich die besten Projekte und Leistungen im Bereich der Six
Sigma Methodik. Er ist eine Anerkennung für Projektleiter und deren Teams, die die Six Sigma Methodik in exzellenter Weise angewandt oder weiterentwickelt haben. ■


Mercer Stendal

Mercer Stendal produziert hochwertigen Langfaser-Zellstoff aus Nadelholz, der an Papierfabriken in Deutschland und in aller Welt verkauft wird. Die Produktionskapazität des Werkes
beträgt 680.000 Tonnen pro Jahr.

Das Zellstoffwerk in Arneburg ist ein Tochterunternehmen der amerikanisch-kanadischen Mercer International Group. Im Unternehmen sind circa 455 Mitarbeiter beschäftigt, davon
30 Azubis. Mercer Stendal ist zugleich eines der größten Biomassekraftwerke Deutschlands mit einer Leistung von 135 MW. Aus den Holz-Bestandteilen, die nicht zu Zellstoff verarbeitet werden können, das sind circa 50 Prozent des eingesetzten Holzes, wird Bioenergie generiert.