木材在真空高壓容器中的高溫?zé)岣男苑椒?br> 【專利摘要】描述了一種用于木材的熱化學(xué)改性處理的方法，其中這樣的改性通過構(gòu)成木材結(jié)構(gòu)的物質(zhì)的多個化學(xué)反應(yīng)來獲得，所述化學(xué)反應(yīng)通過這樣的方式產(chǎn)生：在真空高壓容器-單元中將木材暴露于熱解現(xiàn)象開始的溫度，即處于180℃-240℃范圍內(nèi)的溫度；同時總是使內(nèi)部壓力保持為低于大氣壓力，處于70-350mBar的絕對壓力的范圍內(nèi)；所述方法包括木材主體的預(yù)加熱、實(shí)際加熱處理、以及冷卻的步驟。
【專利說明】木材在真空高壓容器中的高溫?zé)岣男苑椒?br> 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及木材在真空高壓容器(autoclave)中的高溫?zé)崽幚矸椒ǎm于通過構(gòu)成木材的物質(zhì)的多個化學(xué)-物理反應(yīng)來產(chǎn)生木材結(jié)構(gòu)的改性,這樣的改性通過在無論如何防止木材燃燒的同時將木材暴露至開始出現(xiàn)熱解現(xiàn)象的溫度(180°C _240°C)來產(chǎn)生。
【背景技術(shù)】
[0002]在本節(jié)中描述現(xiàn)有技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)。在這個方面，值得一提的是，當(dāng)前在工業(yè)中使用的木材的熱處理方法大致依序包括以下三個步驟:
[0003]1.在單元內(nèi)將預(yù)干燥木材預(yù)加熱成濕度值接近零，直到其溫度達(dá)到開始熱解的大約180-230°C的溫度，其中采取措施以防止其燃燒；
[0004]2.實(shí)際熱處理，包括在預(yù)設(shè)時期內(nèi)將木材保持在預(yù)設(shè)溫度，同時無論如何總是防止木材的燃燒；
[0005]3.使木材冷卻直到使其無論如何達(dá)到100°C以下的溫度，以便隨后能夠?qū)⒛静谋┞兜酵獠凯h(huán)境而沒有燃燒的風(fēng)險和/或熱沖擊的問題。
[0006]當(dāng)前，已知有三種技術(shù)用于獲得熱處理的木材，下面在本文中對其進(jìn)行描述同時指出其特征。
[0007]I)單元中的 在大氣壓力下使用過熱蒸汽加熱進(jìn)行的熱處理(芬蘭方法)。
[0008]由預(yù)布置在板條(batten)中的木材組成并且在其他裝置中干燥的疊層定位在單元內(nèi)，該單元適當(dāng)?shù)亟^緣并且不能滲透蒸汽，與傳統(tǒng)的木材干燥單元類似，設(shè)置有內(nèi)部鼓風(fēng)機(jī)以產(chǎn)生穿過疊層的加熱流體循環(huán)，在這種情況下，蒸汽在150-230°C的溫度下過熱，通過外部蒸汽發(fā)生器提供并且出于顯著的安全原因通過開通到大氣的管道和/或安全煙道嚴(yán)格地保持在大氣壓力下，所述單元必須設(shè)置有所述管道和/或安全煙道以防止風(fēng)險的內(nèi)部過壓。
[0009]由于木材在惰性環(huán)境中在180-230°C的熱處理溫度下被加熱，由于初始存在于其中(因此其中包含有氧氣)的空氣被過熱蒸汽替代，因此木材被保護(hù)避免觸發(fā)燃燒。
[0010]因此，前兩個步驟(即預(yù)加熱和處理)通過相同方法使用過熱蒸汽循環(huán)來執(zhí)行。
[0011]第三個步驟(即冷卻)通過阻斷過熱蒸汽入口并且通過提供用以使水的射流“霧化”的特定噴射器將去離子水注入單元中來執(zhí)行，水的射流立刻轉(zhuǎn)變成蒸汽，以每升蒸發(fā)水大約540Kcal的比率吸取處理單元的熱，從而執(zhí)行包含在其中的木材的冷卻；由此產(chǎn)生的蒸汽通過上述“煙道”排放到大氣中。
[0012]當(dāng)然，在用于產(chǎn)生加熱蒸汽的方法中存在一些變型，本文中為了簡潔的原因?qū)⑹÷詫ζ溥M(jìn)行的描述，但是這些變型無論如何總是能溯源于使用過熱蒸汽作為單元的加熱與惰化介質(zhì)。
[0013]該技術(shù)的限制在于以下幾點(diǎn)；
[0014]?干燥:待處理的木材必須被在另一裝置中預(yù)干燥以降低濕度值，然后冷卻，并且最終供給至處理單元以便被再次加熱，這帶來時間、勞動力、并且首要地是熱能的大量浪費(fèi)；
[0015]?加熱:存在安裝配備有對于其使用而言所需的所有安全措施的蒸汽發(fā)生器的需要；
[0016]?惰化:其通過過熱蒸汽的注入來執(zhí)行；
[0017]?冷卻:為了使木材溫度從230°C下降到100°C，熱能的減除是必要的，等于大約45.000Kcal/m3，這對應(yīng)于每立方米處理木材消耗70-80升的去離子水，并且因此每m3處理木材產(chǎn)生大約150m3蒸汽；
[0018]?污染:離開單元的煙道的水蒸氣不可避免地起到用于由于木材的化學(xué)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的氣體和揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)的顯著組(樹脂、半纖維素、纖維素等)的載體的作用。因此，重要的是了解具有10m3木材配載的熱處理室每個處理周期產(chǎn)生1.500m3的潛在的污染性蒸汽；
[0019]?安全:顯而易見的是，在由于機(jī)械裝置的外部和/或內(nèi)部故障而缺少能量供應(yīng)的情況下，無論如何均通過某種方式來保持內(nèi)部溫度，以防止加熱蒸汽在單元內(nèi)冷凝，從而顯著地減小其體積并且經(jīng)由安全煙道從外部環(huán)境吸入空氣從而能夠立即點(diǎn)燃木材主體。
[0020]2)在充滿惰性氣體(氮?dú)?的單元中在大氣壓下進(jìn)行的熱處理
[0021]除了單元的內(nèi)部充滿作為惰性氣體的氮?dú)獾淖冃鸵酝?，該方法與先前的方法類似，防止了觸發(fā)木材的燃燒。
[0022]該技術(shù)的限制在于以下幾點(diǎn)；
[0023]?干燥:參見上述情況；
[0024]?加熱:該系統(tǒng)設(shè)置有導(dǎo)熱油內(nèi)部流體和/或電熱交換器，并且設(shè)置有用于使氮?dú)獯┻^木材堆循環(huán)的鼓風(fēng)機(jī)；
[0025]?惰化:其通過注入氮?dú)鈦韴?zhí)行，因此該系統(tǒng)需要配備有氮?dú)獍l(fā)生器和/或尺寸適當(dāng)設(shè)計(jì)的儲存容器，因?yàn)闅怏w消耗是顯著的；此外，該系統(tǒng)需要設(shè)置有昂貴的氧氣濃度分析器以確保其濃度通常低于風(fēng)險閾值。
[0026]?冷卻:參見上述情況；
[0027]?污染:參見上述情況；
[0028]?安全:偶爾發(fā)生的缺少電壓比先前方法更加容易可處理；然而需要特別注意單元內(nèi)氧氣濃度的恒定監(jiān)控，以防止燃燒的風(fēng)險。此外，絕對必要的是在方法結(jié)束時提供惰性氮?dú)鈴膯卧臏?zhǔn)確且安全的處置，以避免在打開所述單元時職員由于吸入氮?dú)舛l(fā)生窒息的風(fēng)險。
[0029]3)在加壓高壓容器中使用過熱蒸汽的處理，
[0030]該方法完全地不同于先前兩個方法，并且包括將木材供給到適當(dāng)絕緣的高壓容器中并且適當(dāng)?shù)氐挚垢哌_(dá)19Bar的內(nèi)部壓力。
[0031]加熱通過將過熱蒸汽直接地注入到高壓容器中來執(zhí)行，因此其不提供通風(fēng)裝置和/或內(nèi)部交換器的布置。
[0032]該方法根據(jù)以下步驟發(fā)生:
[0033]1.預(yù)熱:在通過執(zhí)行具有200mBar殘余壓力的預(yù)真空以后，將由特定發(fā)生器產(chǎn)生的過熱蒸汽供給到單元中，直到木材達(dá)到180-230°C的處理溫度；
[0034]2.處理:通過適當(dāng)?shù)恼羝┙o使溫度保持在期望值；[0035]3.冷卻:如在上述方法中通過噴射執(zhí)行冷卻，并且以最終真空結(jié)束，隨后進(jìn)行外部空氣供給。
[0036]該技術(shù)的限制在于以下幾點(diǎn)；
[0037]?干燥:參見上述情況；
[0038]?加熱:存在配備對于其使用而言所需的所有安全措施的蒸汽發(fā)生器的需要；
[0039]?惰化:其通過注入過熱蒸汽的方式執(zhí)行；
[0040]?冷卻:參見上述情況；
[0041]?污染:參見上述情況；
[0042]?安全:由于是加壓的高壓容器，該單元需要受到由現(xiàn)行法律提供的周期性檢查。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0043]作為本專利申請對象的方法自身的目的在于克服參照現(xiàn)有技術(shù)所描述的限制的大部分或全部，并且其中，用以防止木材燃燒的木材的處理通過完全去除包含在單元中的氧氣來執(zhí)行，通過首先由于在單元中形成的使得空氣極度稀薄(由于其達(dá)到70-350mBar的絕對壓力)的部分真空來急劇地降低初始的量，以及隨后通過借助于誘導(dǎo)受處理的木材主體的極小部分的受驅(qū)動的微燃燒來完全消耗小殘留量的氧氣。該現(xiàn)象被本作者定義為“木材的自惰化”，因?yàn)檫@是木材自身通過消耗其物質(zhì)的極小部分而產(chǎn)生的自身的惰化。
[0044]這樣的熱化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)木材特性中的以下宏觀改性:
[0045]I)顏色:貫穿木材整個厚度的顏色改變(變暗)和均質(zhì)化，可通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)方法參數(shù)(即溫度、壓力、與曝光時間)來控制顏色的強(qiáng)度(intensity);
[0046]2)耐久性:提高其耐久性(durability)，在于處理后的木材變得對真菌與其他食木微生物更具有抗性；因此，被評定為耐久性5級的“軟木”種類(諸如可獲得容易的并且具有低經(jīng)濟(jì)價值的針葉植物(諸如冷松、松柏、與落葉松))可達(dá)到I級，這是典型的“硬木”，已知為非常耐久(諸如櫟、板栗、柚木)，其經(jīng)濟(jì)價值可為針葉植物的3-10倍以上；
[0047]3)吸濕性:降低其吸濕性，即其從周圍環(huán)境吸取或吸收濕度的能力，因此使得其幾乎對于天氣變化(溫度與空氣濕度)不敏感；
[0048]4)尺寸穩(wěn)定性:由于吸濕性降低，木材獲得對抗環(huán)境濕度變化的高的尺寸穩(wěn)定性，這導(dǎo)致實(shí)際上變得對溫度變化完全不敏感的成品(家具、木地板、固定設(shè)備、樂器等)的品質(zhì)的改進(jìn)；
[0049]5)機(jī)械特性:一些機(jī)械特性(拉伸、壓縮、以及剪切阻力)變差10-15%，但是已經(jīng)檢測到其重要的硬度改進(jìn)；換言之，熱處理木材變得略微更脆，但是更硬。對于建筑部門的結(jié)構(gòu)梁的實(shí)現(xiàn)而言可能是限定性的該現(xiàn)象在任何其他應(yīng)用中是絕對有利的，因?yàn)橛捕鹊脑黾硬粌H有利于木材的一些處理操作(諸如平滑與噴涂)，而且允許獲得對意外刮擦更具有抗性的制造物件，這對于諸如地板、家具、以及窗戶和門框等成品的最終品質(zhì)是十分重要的結(jié)果。
[0050]必須指出的是，即使在受到熱處理溫度之前，木材也必須干燥至接近零的最終濕度值，以防止包含在達(dá)到180-230°C的溫度的木材的細(xì)胞壁中的殘留水形成產(chǎn)生使其崩潰的壓力，導(dǎo)致不可修復(fù)的損壞。
[0051]通過以下參照附圖以非限制性實(shí)例的方式給出的詳細(xì)的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，附圖中:
[0052]-圖1a-圖1c示意性示出了用于木材的熱處理的設(shè)備的第一實(shí)施例的剖視圖；
[0053]-圖2a_圖2c示意性示出了用于木材的熱處理的設(shè)備的第二實(shí)施例的剖視圖；
[0054]-圖3a_圖3c示意性示出了用于木材的熱處理的設(shè)備的第三實(shí)施例的剖視圖；
[0055]-圖4是示出了圖1的設(shè)備的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0056]以下在本文中描述的方法旨在克服當(dāng)前已有方法的負(fù)面本質(zhì)的全部或大部分，同時保持終端產(chǎn)品的卓越品質(zhì)，并且更準(zhǔn)確地說:
[0057]-干燥:在水密單元中執(zhí)行，優(yōu)選地設(shè)計(jì)成執(zhí)行真空干燥器與熱處理裝置的雙重功能，以便避免木材堆從裝置到另一個裝置的換位，帶來了時間、勞動力、以及首先地?zé)崮艿拇罅抗?jié)省。
[0058]-加熱:通過稀薄空氣穿過木材堆的受迫循環(huán)(閉合回路)和利用任何熱能源(電、導(dǎo)熱油、過熱水)的特定熱交換器而部分地執(zhí)行真空，而無需蒸汽和/或氮?dú)夂?或其他氣體的任何注入。
[0059]-惰化:根據(jù)木材的“自惰化”過程，由此無需蒸汽和/氮?dú)夂?或其他氣體的任何注入以用于單元的內(nèi)部惰化。
[0060]為了理解自惰性現(xiàn)象的動力學(xué)，首先考慮到高壓容器-單元(絕緣并且完美地防水)實(shí)際上是絕熱系統(tǒng)，即，其不允許與外部的能量交換。
[0061]這意味著,一旦木材已裝載到單元中，該系統(tǒng)便看上去完全地絕緣并且僅包含以下元件:待加熱的木材以及填充其余內(nèi)部自由空間的空氣。
[0062]當(dāng)木材在70_350mBar的壓力下達(dá)到熱解溫度(180°C _230°C )時，單元的內(nèi)部氣氛由因?yàn)檎婵张c溫度的結(jié)合作用而非常稀薄的(如所看到的)空氣形成，然而具有的氧含量盡管現(xiàn)在非常低，但仍能導(dǎo)致木材燃燒的觸發(fā)。
[0063]因此，為了估測該限度，因此上述燃燒現(xiàn)象的潛在危害，理想的是了解一旦達(dá)到處理的操作點(diǎn)時，可能由存在于包含在高壓容器-單元內(nèi)的殘余空氣中的氧氣導(dǎo)致燃燒的木材質(zhì)量的量。
[0064]由于幾何形狀、機(jī)械、以及空氣動力學(xué)的構(gòu)造原因，無論高壓容器-單元的內(nèi)部尺寸如何，內(nèi)部空氣的自由體積與裝填木材的凈體積之間的比約為3:1=3。這意味著，對于每m3實(shí)際裝填的木材，可獲得氧氣的量約等于在25°C的室溫并且在1013mbar的大氣壓力下3m3空氣中包含的氧氣量。
[0065]物理學(xué)教導(dǎo)，空氣密度在溫度與壓力變化時發(fā)生變化，并且特別地，空氣密度在溫度增加并且壓力減小時減小。在下面的表I中設(shè)定了用于本討論的一些重要的值:
[0066]表1:空氣密度減小的系數(shù)。
[0067]
【權(quán)利要求】
1.一種用于木材的熱化學(xué)改性處理的方法，其中，這樣的改性通過構(gòu)成木材結(jié)構(gòu)的物質(zhì)的多個化學(xué)反應(yīng)來獲得，所述化學(xué)反應(yīng)通過這樣的方式產(chǎn)生:在真空高壓容器-單元(I)中將所述木材暴露于熱解現(xiàn)象開始的溫度，即處于180°C -240°C范圍內(nèi)的溫度；同時總是使內(nèi)部壓力保持為低于大氣壓力，處于70-350mBar的絕對壓力的范圍內(nèi)；所述方法包括木材主體的預(yù)加熱、實(shí)際加熱處理、以及冷卻的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于在真空高壓容器-單元(I)中對木材進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼姆椒ǎ渲?，為了防止所述木材的燃燒，對所述木材的加熱通過利用專用措施將包含于所述單元(I)中的氧氣完全去除來執(zhí)行，所述專用措施包括首先由于在所述單元中產(chǎn)生的使空氣極度稀少的部分真空來“降低”初始的量，并且隨后通過誘導(dǎo)受處理的所述木塊的極小部分的受驅(qū)動的微燃燒來完全“消耗”小的殘留量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于在真空高壓容器-單元(I)中對木材進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼姆椒?，其中，由于作為仍存在于稀薄空氣中的有限量的殘留氧氣的微燃燒的基礎(chǔ)的氧化還原現(xiàn)象，高壓容器內(nèi)的氣氛經(jīng)歷惰化，在所述微燃燒中，氧氣與包含在所述木材中的碳相結(jié)合轉(zhuǎn)變成二氧化碳，完全地去除了存在于所述單元中的自由氧分子的數(shù)量，并且由此使得包含在所述高壓容器-單元中的最終氣體混合物完全呈惰性。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于在真空高壓容器-單元(I)中對木材進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼姆椒?，其特征在于，所述單元適于執(zhí)行真空干燥器和熱處理裝置的雙重功能，以便首先在介于50-100°C范圍內(nèi)的溫度以及介于50-350mBar范圍內(nèi)的壓力下對所述木材進(jìn)行干燥以避免即使在使所述木材的濕度下降至接近零的值的情況下對所述木材造成損壞，并且以便隨后能夠在介于180-240°C范圍內(nèi)的溫度以及介于70-350mBar范圍內(nèi)的壓力下將所述木材暴露至所述熱化學(xué)改性處理的“嚴(yán)苛”的溫度，這些步驟總是通過使用相同的所述單元(I)來執(zhí)行。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求 1-3中任一項(xiàng)所述的用于在真空高壓容器-單元(I)中對木材進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼姆椒?，其中，所述單元僅執(zhí)行功能的其中之一，所述功能即為真空干燥器和加熱處理裝置。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于在真空高壓容器-單元(I)中對木材進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼姆椒ǎ涮卣髟谟?，包括特定的加熱方法，所述加熱方法在部分真空下通過惰性氣體混合物在穿過木材堆(3)和專用熱交換器的閉合回路中的受迫循環(huán)來執(zhí)行，所述單元能夠使用從以下選定的任何熱能源:電、導(dǎo)熱油、過熱水。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于在真空高壓容器-單元(I)中對木材進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼姆椒?，其特征在于，包括用于在熱處理結(jié)束時對所述木材主體進(jìn)行冷卻的特定方法，所述特定方法通過所述單元的內(nèi)部氣氛與外部大氣之間的熱交換系統(tǒng)獲得，其中所述內(nèi)部氣氛與所述外部大氣彼此未曾直接接觸。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于在真空高壓容器-單元(I)中對木材進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼姆椒?，其特征在于，包括這樣的事實(shí)，即，在處理過程中保持在所述高壓容器-單元中的部分真空用于防止蒸汽和/或氣體從所述單元離開，并且用于降低蒸發(fā)溫度以及因此降低露點(diǎn)，使得在周期過程中相同的蒸汽和/或氣體能夠通過被傳送通過冷凝器而轉(zhuǎn)變成液相，因此允許回收所述蒸汽和/或氣體以便進(jìn)行適當(dāng)處置。
9.一種用于木材的熱化學(xué)改性處理的設(shè)備(100)，所述改性源自于構(gòu)成木材結(jié)構(gòu)的物質(zhì)的多個化學(xué)反應(yīng)，所述化學(xué)反應(yīng)通過將所述木材暴露于熱解現(xiàn)象開始的溫度即介于ISO0C -240°c范圍內(nèi)的溫度而產(chǎn)生，所述設(shè)備(100)包括: -真空高壓容器-單元(1)，包括處理室，在處理過程中所述處理室的內(nèi)部壓力適于保持為低于大氣壓力，介于70-350mBar絕對壓力的值的范圍內(nèi)； -裝置，所述裝置適于并構(gòu)造成獲得上述內(nèi)部壓力，并且適于并構(gòu)造成對所述高壓容器單元(I)內(nèi)的木材主體進(jìn)行預(yù)熱、執(zhí)行實(shí)際熱處理、以及進(jìn)行冷卻。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備(100)，包括冷凝器(12)，所述冷凝器與所述處理室流體連通，并且適于由在處理過程中產(chǎn)生的氣體和/或蒸汽穿過，所述氣體和/或蒸汽通過所述冷凝器轉(zhuǎn)變成液相。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備(100)，其中，所述高壓容器-單元(I)其中所述裝置包括真空泵(13)，并且其中所述冷凝器操作地介于所述真空泵與所述處理室之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備(100)，包括與所述高壓容器-單元(I)同心的外缸體(7)，其中在所述缸體與所述高壓容器之間限定間隙(8)，所述間隙適于包含適于對所述木材主體進(jìn)行冷卻的流體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備(100)，其中，所述流體為從外部環(huán)境抽吸的空氣并且受迫在所述間隙(8)中循環(huán)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備(100)，包括在所述高壓容器-單元(I)的外部與所述間隙(8)連通的換交換器( 20)，其中所述流體為受迫在所述間隙(8)中以及在所述交換器中循環(huán)的油。
【文檔編號】F26B5/04GK103608155SQ201280028565
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月16日
【發(fā)明者】埃內(nèi)斯托·帕尼奧齊 申請人:Wde馬斯貝爾有限公司