用于处理木质纤维素生物质物料的料塞螺旋给料器、给料器布置及系统的制作方法

本文总的涉及给料器布置并且尤其涉及用于处理木质纤维素生物质物料的料塞螺旋给料器、给料器布置及系统。

背景技术：

在处理诸如木屑、草本植物、稻草、甘蔗渣等的木质纤维素生物质物料的工业中，输送布置是至关重要的。待处理或已经处理好的木质纤维素生物质物料的馈送取决于很多因素。诸如纤维长度、含水量、密度等的木质纤维素生物质物料的性质引起不同的要求以及在输送之前和/或之后进行的处理的特性。

其中旋转螺旋器向前输送物料的料塞螺旋给料器是纤维物料处理中通常使用的类型的给料器，特别是用于木质纤维素生物质物料。在将物料馈送到下一阶段的同时，螺旋器和相关联的螺旋器管或壳体也起到体积压缩的作用。通常通过在靠近后端的料塞螺旋给料器的侧面中的入口开口提供木质纤维素生物质物料。

在基本装置中，并且特别是当木质纤维素物料由木屑或其它更致密的物料组成时，可以简单地借助重力通过入口开口提供木质纤维素生物质物料。然而，当处理秸秆和其它低密度物料时，并且如果在料塞螺旋给料器的前端处需要可良好再现的高密度，则可以采用强制馈送。这种强制馈送的示例可见于例如美国专利5,320,034或公开的国际专利申请WO2013/126007A1中。离开前端的物料在某些应用中要求具有高密度。例如，当将木质纤维素生物质物料馈送到在高压下运行的蒸煮器中时，要求前端物料体积本身为高压提供密封。因此，需要在通过料塞螺旋给料器馈送期间对木质纤维素生物质物料进行高度的、均匀的且可靠的压缩。

使用现有技术的料塞螺旋给料器，特别是用于具有相对较长纤维的纤维物料，例如木质纤维素生物质物料中可能发生的一个问题是，料塞螺旋给料器的作业变得不规则。实际馈送到料塞螺旋给料器中和内似乎是间歇地或不平稳地提供。料塞螺旋给料器往往暴露于反复的短时间的非常高应力，并且总体压缩结果变差。例如，常见的是，在前端所呈现的物料上获得的压缩在周向方向上显著不同。此外，料塞螺旋给料器的功率要求变得不规则，这需要高安全边际。

因此，需要一种适合于所有种类的木质纤维素生物质物料的改进的馈送布置。

相关背景

JPS 5216274 U提出了一种基于具有螺纹的料塞螺旋器的水平馈送布置。物料允许从上方落入料塞螺旋器中。整个螺旋器的螺纹具有锯齿状周界缘边。

EP0336702A2公开了一种冷料橡胶挤出机，其包括在筒体中的螺旋器，具有进料口、压缩段、塑化段和出口段。螺旋器设置有槽口，该槽口以大于螺旋叶的导程角的导程角切割穿过螺旋器螺旋叶，以提供新鲜料的正向牵引和向前输送。

CA 528792A公开了一种用于挤出目的、特别是用于与塑料物料一起使用的混合器。邻近料斗的螺纹的脊部设置有多个槽口。

技术实现要素：

本技术的总体目的是提供用于改进木质纤维素生物质物料通过料塞螺旋给料器进行馈送的装置和系统。

该目的通过根据所附专利权利要求的用于处理木质纤维素生物质物料的料塞螺旋给料器、给料器布置和系统来实现。诸较佳实施例在诸从属权利要求中限定。总体而言，在第一方面，料塞螺旋给料器包括具有螺纹的料塞螺旋器和包围料塞螺旋器的料塞螺旋器壳体。料塞螺旋器壳体包括在平行于料塞螺旋器的侧面中并且在料塞螺旋器的第一轴向端附近的入口开口。料塞螺旋器布置成用于在旋转时将木质纤维素生物质物料从入口开口馈送到料塞螺旋器的与第一轴向端相对的第二轴向端。在料塞螺旋器的入口段的至少一部分中，螺纹存在锯齿形周界缘边。入口段被定义为在旋转期间料塞螺旋器经过入口开口的段。在入口段的至少一部分中，周界缘边包括齿。在入口段的至少一部分中，周界缘边段具有表面法线，该表面法线具有向内指向的径向分量。

在第二方面，馈送装置包括根据第一方面的料塞螺旋给料器和布置成向料塞螺旋给料器的入口段提供木质纤维素生物质物料的强制馈送螺旋器。

在第三方面，用于处理木质纤维素生物质物料的系统包括根据第一方面的料塞螺旋给料器和处理容器。料塞螺旋给料器布置成将木质纤维素生物质物料馈送到处理容器中。

本文所提出的技术的一个优点是，料塞螺旋给料器具有更加均匀的作业，并且离开料塞螺旋给料器的所生产的压缩木质纤维素生物质物料具有改善的压缩，特别是在均匀性和可预测性方面。其它优点结合下文进一步描述的实施例来讨论。

附图说明

参照以下进行的描述及附图可以最佳地理解本发明及其进一步的目的和优点，在附图中：

图1是现有技术料塞螺旋给料器的示意剖视图；

图2是图2是总体料塞螺旋给料器实施例的示意图；

图3是料塞螺旋给料器的示例的示意剖视图；

图4是用于处理木质纤维素生物质物料的系统的实施例的示意图；

图5是用于处理木质纤维素生物质物料的系统的另一实施例的示意图；

图6是料塞螺旋器螺纹的示例的部分的示意图；以及

图7-9是料塞螺旋器螺纹的实施例的部分的示意图；以及

图10是入口段的延伸部分的图示。

具体实施方式

在全部附图中，相同的附图标记用于相似或对应构件。

在本发明的上下文中，术语“料塞螺旋给料器”涉及包括螺旋器或类似旋转装置的给料器，并且该给料器能够以增加或保持的物料密度馈送或输送木质纤维素物料通过给料器，并且产生朝向给料器端部的木质纤维素物料的基本上气密和流体密封的料塞。例如，根据这种料塞螺旋给料器的实施例，给料器的圆形壳体的横截面面积和螺旋器直径沿馈送方向减小，从而在螺旋器与壳体之间产生逐渐减小的空间，并且因此导致朝向给料器的端部的木质纤维素物料的基本气密和流体密封的料塞。根据这种料塞螺旋给料器的另一实施例，给料器的圆形壳体的横截面面积保持不变，而螺旋器直径和螺旋器轴线沿馈送方向增大，从而在螺旋器与壳体之间产生逐渐减小的空间，并且因此导致朝向给料器的端部的木质纤维素物料的基本气密和流体密封的料塞。如技术人员意识到的，存在实现该目的并且因此包括在术语“料塞螺旋给料器”的定义内的给料器的其它实施例。

经过彻底调查后，不规则料塞螺旋给料器作业带来的问题的根源局限于料塞螺旋给料器的入口。图1示出了穿过轴线的现有技术的料塞螺旋器10的一部分的剖视图，其中，示出了略小于一个全螺纹12匝。绕轴16的预期旋转方向用箭头R表示。螺纹12的缘边14遵循料塞螺旋器壳体20的内表面22。料塞螺旋器壳体20的入口开口24设置在平行于料塞螺旋器10的侧面中。纤维物料、特别是木质纤维素生物质物料99可选地以强制方式提供到入口开口24。螺纹12的缘边14经过入口开口24，并且意味着木质纤维素生物质物料99的部分应被推入螺纹之间的空隙中。当料塞螺旋器10相对较新且尖锐时，缘边14会刮掉一些来自入口开口的木质纤维素生物质物料并使其进入料塞螺旋器的旋转。然而，已经发现，特别是当料塞螺旋器10的螺纹12磨损时，缘边14的作用反而可能将木质纤维素生物质物料朝向入口开口24推回。结果可能是在入口开口处形成更致密的木质纤维素生物质物料的饼块98。当饼块98上的力最终变得足够大时，大块饼块将同时进入料塞螺旋器10。这是所经历的作业不规则的主要原因。当要输送长纤维时，木质纤维素生物质物料急剧输入料塞螺旋器10的这种倾向通常增加。

此外，由于在料塞螺旋器10内的木质纤维素生物质物料的输送主要是轴向指向，并且由于木质纤维素生物质物料基本上沉积在料塞螺旋器10最靠近入口开口10的部分中，因此木质纤维素生物质物料绕轴16的分布变得不均匀，从而导致在料塞螺旋器10的输出端处的压缩不均匀。

图2示意性地示出了沿轴16的料塞螺旋给料器1的实施例的剖视图。料塞螺旋给料器1包括具有螺纹12的料塞螺旋器10。料塞螺旋器壳体20包围料塞螺旋器10。料塞螺旋器壳体20包括在平行于料塞螺旋器10的侧面26中并且在料塞螺旋器10的第一轴向端18附近的入口开口24。料塞螺旋器10布置成用于在旋转时将纤维材料、尤其是木质纤维素生物质物料从入口开口24馈送到料塞螺旋器10的与第一轴向端18相对的第二轴向端19。馈送方向用C表示，并且旋转方向用R表示。为了理解本文所提出的技术的基本思想，料塞螺旋器10的入口段15被定义为在料塞螺旋器10旋转期间料塞螺旋器10经过入口开口24的段。

图3示出了在料塞螺旋器10的入口段15内穿过料塞螺旋器10的轴16截取的料塞螺旋器10的示例的剖视图。在入口开口区域内的料塞螺旋器壳体的内表面22用虚线表示。料塞螺旋器10的螺纹12的缘边14A示出具有波浪形状。换言之，在料塞螺旋器10的入口段15的至少一部分中，螺纹12存在锯齿状周界缘边14A。这种锯齿状周界缘边14A的结果是，料塞螺旋器的缘边施加到在待进入的入口开口处等待的纤维物料上的压力在时间和空间上变化。接触压力的这种变化有助于打破可能在入口处形成的任何饼块，并且通过入口开口的木质纤维素生物质物料流变得更连续。

在具体实施例中，在上述入口段的部分中，周界缘边14A包括齿11。空隙容积13设置在这些齿11之间，从而在料塞螺旋器10与料塞螺旋器壳体的内表面22之间存在自由空间。进入入口开口的木质纤维素生物质物料可以部分进入空隙容积13。该物料由此将被赋予绕轴16的旋转运动。木质纤维素生物质物料的这种额外运动的结果是，木质纤维素生物质物料变得更均匀地绕轴16散布。

上文所述的原理可以应用于所有类型的料塞螺旋给料器和所有种类的木质纤维素生物质物料。生物质物料例如包括诸如木屑、锯屑、凿削或锤磨的森林残余物的木质原料，诸如甘蔗渣、甘蔗秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、玉米穗轴的农业残余物，以及油棕果实残留物(所谓的空果串)。根据本发明可以使用的其它类型的木质纤维素生物质物料包括禾草、芦苇和能源甘蔗。

图4是用于处理木质纤维素生物质物料的系统100的实施例的示意图。该系统包括根据在本公开的任何实施例中描述的原理的料塞螺旋给料器1。在该实施例中，馈送布置2包括料塞螺旋给料器和入口布置40。在该具体实施例中，料塞螺旋给料器1通过包括滑槽的入口布置40由木质纤维素生物质物料馈料，在该滑槽中，木质纤维素生物质物料99通过使用其自身重量落入入口开口24。系统100还包括高压处理容器50，诸如用于通过蒸煮或水解处理生物质物料的反应器。料塞螺旋给料器1布置成将木质纤维素生物质物料99馈送到处理容器50中。

如果处理容器例如是用于水解的蒸煮器或反应器，则在处理容器50内可能存在超压。大约1-40巴的超压是常见的。因此，料塞螺旋给料器1优选地必须在料塞螺旋给料器的端部处提供木质纤维素生物质物料的压缩，该压缩足够高以承受在例如1-40巴的超压下的处理容器作业。

图5示意性地示出了用于处理木质纤维素生物质物料的系统100的另一个实施例。大部分部件类似于图4所示的部件。然而，在该实施例中，采用木质纤维素生物质物料的强制馈送。因此，该系统示出为从上面观察到的。这里，馈送布置2包括根据在本公开提出的任一实施例的料塞螺旋给料器1，以及强制馈送螺旋器60。强制馈送螺旋器60布置成向所述料塞螺旋给料器1的入口段15提供木质纤维素生物质物料。强制馈送螺旋器60可以是另一料塞螺旋器或任何其它类型的馈送螺旋器布置。

可以以不同的方式设计料塞螺旋器的螺纹的周界缘边的实际形状。优选实施例例如取决于待处理的木质纤维素生物质物料的组成、布置的尺寸、所需的木质纤维素生物质物料压缩、料塞螺旋器的运行速度等。这里，下文讨论设计的一些非限制性示例。

在图6中，示意性地图示料塞螺旋器螺纹的示例的一部分。所示段设置在料塞螺旋器的入口段的至少一部分中。旋转方向用R表示。这里，周界缘边14A存在多个齿状结构，该齿状结构具有各自末端70。结合末端70，周界缘边14A具有比后缘72更陡的前缘74。

在图7中示意性地示出了特别有利于木质纤维素生物质物料的料塞螺旋器螺纹的实施例的一部分。类似于上述，所示段设置在料塞螺旋器的入口段的至少一部分中。旋转方向用R表示。在该实施例中，周界缘边14A被赋予爪状形状。末端70设置有尖锐切割边缘76。位于入口开口的纤维将被末端70刮掉抓住。尖锐切割边缘还可以有助于实际上将长纤维切割成较短块，这也有利于随后的压缩。空隙容积13允许木质纤维素生物质物料沿旋转方向卷绕(bring around)，从而使木质纤维素生物质物料绕料塞螺旋器的轴分布。周界缘边14A的段78(在该实施例中为前缘)被赋予表面法线80。表面法线80具有一径向分量84和一切向分量82。在该实施例中，径向分量向内指向料塞螺旋器的中心。换言之，前缘具有部分地向内指向的表面。这提供了实现尖锐切割边缘的良好可能性，该尖锐切割边缘可撕掉木质纤维素生物质物料来自入口开口的部分。

因此，向内指向的前缘提供了对木质纤维素生物质物料特别有利的作业。这种物料通常包含纤维物料。待进入料塞螺旋给料器的纤维物料通常被末端70抓住。通过段78，纤维物料被拉向螺旋器的中心，并且由此被从等待进入的物料容积中拉出。因此，向内指向的前缘不仅有助于在末端70处的切割，而且有助于通过入口拉出未被直接切割的纤维物料。这有助于实现更均匀的物料进入速率。由于纤维通常是细长的，因此纤维可以不完全容纳在螺纹之间，这最终另外地有助于末端70也将拉出的木质纤维素生物质物料切割成更小的块。

图8中示意性地示出了料塞螺旋器的另一实施例的部分。类似于上述，所示段设置在料塞螺旋器的入口段的至少一部分中。旋转方向用R表示。在该实施例中，切割边缘76通过线性切割设置成大致圆形形状。在该实施例中，切割边缘76变得相对刚性，并且末端70之间的空隙容积13相对较大，以能够通过向内指向的前缘74的作业来输送相对大体积的纤维。

上述实施例全部基于单一重复形状。然而，不同类型的形状可以在同一个料塞螺旋器上组合。图9示出了一个示例，其中具有切割边缘76的尖锐末端70的组由较大的空隙容积13分开。尖锐末端70旨在切割设置在入口开口处的纤维物料、特别是木质纤维素生物质物料的表面，以便于释放较大部分，该较大部分可通过后续空隙容积13和向内指向的前缘74带到料塞螺旋器中。

容易理解，锯齿状周界缘边可具有形状，在该形状中，末端、切割边缘和空隙容积以任何形状和相对距离设置。锯齿状周界缘边甚至可以完全没有任何规则形状，但可以由不规则的末端和边缘组成。

图10示出了料塞螺旋器的实施例的入口段。锯齿状周界缘边14A设置在料塞螺旋器10的入口段15的一部分17上方。如上所述，入口段15被定义为在料塞螺旋器的旋转期间料塞螺旋器经过入口开口24的部分。在优选实施例中，具有锯齿状周界缘边14A的部分17覆盖整个入口段15。换言之，在整个入口段15中，螺纹12具有锯齿状周界缘边14A。然而，入口开口的在输送方向上更靠近前端的周界缘边14A中具有更小和更浅的结构可能是有用的，以避免物料卡在料塞螺旋器与料塞螺旋器壳体20之间。

由于类似的原因，因此在优选实施例中，锯齿状周界缘边14不延伸超过入口段15，即部分17应保持在入口段15内。换言之，螺纹12在入口段15外部具有遵循料塞螺旋器壳体20的内表面的缘边。这也是为了避免木质纤维素生物质物料卡在料塞螺旋器10与料塞螺旋器壳体20之间。

料塞螺旋器的螺纹具有一定的螺距或螺距分布。螺距被定义为螺纹的两个连续圈之间的距离。优选的螺距主要由压缩、料塞螺旋器转速、总馈送体积速度等的要求确定。有时，这种要求给出小于待输送的物料，例如木质纤维素生物质物料的纤维长度的螺距，这在现有技术中增加了卡住的风险。然而，使用具有锯齿状周界缘边的所提出的料塞螺旋器，这样的问题显著减少。如上所示，甚至可能有利于具有螺纹，该螺纹具有小于木质纤维素生物质物料进入入口段时木质纤维素生物质物料的最大延伸的螺距。由于锯齿状周界缘边不仅提供对木质纤维素生物质物料的输送作用，而且通常提供对木质纤维素生物质物料的切割作用，因此，与进来的物料相比，所得到的输出木质纤维素生物质物料通常具有减小的纤维长度。这在许多应用中，诸如在消解或水解布置中是非常有利的。

上述所有实施例将被理解为本发明的一些说明性示例。本领域的技术人员应该理解，可对实施例进行多种修改、组合和改变而不偏离本发明的范围。具体地说，不同实施例中的不同部件解决方案可在其它构型中组合，这在技术上是可行的。然而，本发明的范围由所附权利要求书限定。