专利名称：木材气化设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及木材汽化，并特别涉及连续的木材汽化设备。
背景技术：
木材的汽化可概括描述为加热木材以便把纤维素材料转变为通常含有甲烷、氢和一氧化碳的可燃的燃料气体。用于木材汽化的商业上可行的工艺迄今使在野外工作的人困惑。如果实现这种工艺，许多应用将立即成为可用的。一个应用将是使用由锯木机和其它木材加工工具产生的废木来产生热和电，用于设备的工作。
对于木材汽化的大部分努力围绕着大的逆流换热器，该逆流换热器消耗一部分废木，用来产生热的燃气流。然后，热的燃气流以足够的速率与一层木片接触，用来在非氧化状态下把木片加热到足以把木片的木质素和其它纤维素成分“爆裂”成易挥发可燃气体。至今还没有广泛采纳商业化这类工艺的成就，部分因为这种系统需要的大的资本投资，并且部分因为在实现足够精确的过程控制中余留的技术难题。
因此仍然需要可以可靠有效地把木材转化到燃料气体的简单的、经济的设备。
发明内容
本发明涉及一种可靠有效地把颗粒材料转化成蒸汽的设备。在一个优选实施例中，颗粒材料是转化成可燃燃料气体的木材。
本发明具体体现在一种设备中，该设备包括具有入口和出口的外壳。可转动螺旋钻安装在外壳中，并包括限定至少一个螺旋通道的表面。该螺旋通道从邻近外壳入口的第一深度逐渐变细到邻近外壳出口的更小的第二深度。螺旋钻可转动，用来把颗粒材料从外壳入口向着外壳出口推进。在颗粒材料沿螺旋钻移动时，它们被摩擦加热到足以从颗粒材料去除湿气的第一温度。螺旋钻和外壳限定第二区域，在该第二区域中，颗粒材料被摩擦加热到足以把至少一部分颗粒材料转化为气体的第二温度。在一个实施例中，在颗粒材料被摩擦加热并沿螺旋钻推进时，颗粒材料达到塑化温度，并在螺旋钻和外壳之间形成密封。该密封防止气体沿着螺旋钻向后流向外壳入口，并减小可燃气体从外壳入口溢出的可能性。
在本发明的另一个实施例中，一对如上面概括描述的外壳/螺旋钻组件串联工作。第一组件把材料加热到烘干温度；第二组件把材料进一步加热到转化到气体的温度。本实施例用于当烘干足够的材料使得高流率的水蒸气通过外壳入口流出的情况。在一些情况下，高流率的水蒸气通过入口流出可阻碍颗粒材料流入外壳。
本实施例包括具有入口和出口的第一外壳。第一可转动螺旋钻安装在外壳中，并包括限定第一螺旋通道的表面。第一螺旋钻可转动，用来向着第一外壳出口推进颗粒材料，以便把颗粒材料摩擦加热到足以烘干该颗粒材料的温度。然后，把加热的已烘干的材料排入第二组件的入口。
第二组件包括具有入口和出口的第二外壳。第二可转动螺旋钻安装在第二外壳中，并且也包括限定第二螺旋通道的表面。第二螺旋钻可转动，用来向着第二外壳出口推进颗粒材料，以便把颗粒材料摩擦加热到该颗粒材料转化成气体的第二温度。本实施例的第一和第二螺旋钻/外壳组件在其它方面相似于上述的第一优选实施例。
现在将结合附图描述本发明的这些和其它特征。
图1是本发明的第一优选实施例的横断面侧视图。
图2是如图1所示的螺旋钻的侧面正视图。
图3是图1所示的实施例的横截面局部放大视图，并更详细地示出了外壳出口。
图4是图1所示的实施例的横截面局部放大视图，并更详细地示出了外壳出口。
图5是本发明的另一优选实施例的示意图，示出了用来部分加热和烘干颗粒材料的第一螺旋钻组件，和用来进一步加热并汽化颗粒材料的第二螺旋钻组件。
具体实施例方式
现在参考图1，本发明的优选实施例整体地示出为10，并包括外壳12和螺旋钻14。外壳12包括沿内腔20间隔开的入口16和出口18。螺旋钻14由马达(未示出)和皮带槽轮组件22驱动。螺旋钻14包括连续的螺旋叶片24，该螺旋叶片24在螺旋钻14旋转时推动原料穿过外壳12。该螺旋叶片24限定连续地变细的螺旋通道26，该螺旋通道26到平坦表面28处完全变细。螺旋钻14包括端部30，该端部30包括平坦表面32，而在一个实施例中，该螺旋钻14包括锥形部分34。锥形螺旋钻部分34形成适当的尺寸和形状，以便紧密地装配在外壳12的限定环形排出口38的锥形部分36中。锥形螺旋钻部分34和锥形外壳部分36之间的间隙理想地维持在大约0.010英寸。在一个优选实施例(图4)中，通过调节螺旋钻14在外壳12内的轴向位置，可以改变所述的间隙。在另一优选实施例中，借助安装在外壳的出口端上的环形衬套50设置所述间隙。
在一个优选实施例中，所述设备起到接收木质颗粒40进入入口16的作用。该木质颗粒40由旋转的螺旋钻14通过外壳12输送，通过螺旋钻14和螺旋通道26的不断收缩的容积的联合作用，木质颗粒14一直被进一步压缩。木质颗粒在压缩时，由于木质颗粒与外壳和螺旋钻的表面之间的摩擦而被加热。在另一优选实施例中，完全由木质颗粒的摩擦加热来实现木质颗粒的加热，尽管在其它实施例中，可部分地预热木质颗粒，也可预热设备的一部分或多个部分，或可以提供外热源。
当沿着螺旋钻14输送木质颗粒时，由于渐增的摩擦力和螺旋通道的渐减的容积施加到木质颗粒上的压力，木质颗粒被不断地加热。在示意性地示出于图1的点42处，木质颗粒达到足以驱散湿气的温度，一些木质颗粒通过出口18溢出。当进一步加热该木质颗粒时，在再次示意性地示出的点44处，木质颗粒达到过渡到塑性状态的温度。当处于足以使木质颗粒变成塑性的高温时，认为木质颗粒使它们自身“成型”至紧密地符合外壳的内表面和螺旋钻，并形成大体上不透气的密封46，该密封46防止气体从密封46的下游侧向后朝着外壳入口14流动。同时，螺旋钻14继续旋转并摩擦加热木材。木材被进一步加热，直到它达到使固体木材转变为包含各种气体的可燃蒸汽的温度，所述的各种气体含有碳、氢、氮和或许甚至少量的硫。在一个优选操作方法中，选择木质颗粒的进料速度、螺旋钻的速度和外壳出口处的环形间隙，以提供外壳中密封46和出口14之间的区域的轻微加压，从而为离开该设备的可燃气体流提供一定的速度。部分地通过如上述的密封46的密封作用，实现轻微加压。
可燃蒸汽的精确成分对于本发明不是关键的，并且将可能根据供给该设备的特定木材而改变。本发明的一个优点是，可以把任何种类的木材或其它纤维素材料送入该设备，而除了可能的螺旋钻被驱动的每分钟转数，不需要改变任何参数。本申请人已经发现，在一个优选实施例中，外直径大约两英寸的螺旋钻在具有大约2.25英寸的内直径的外壳中以大约1800的每分钟转数旋转，令人满意地工作，用来把主要是花旗松的木质颗粒完全转变成可燃蒸汽。在一些情况，少量细微颗粒在可燃蒸汽流中被排出，但是，通常地，木质颗粒基本上完全由该设备转变到蒸汽。这提供了优于现有技术的重大进步，在现有技术中，大多数已知的木材汽化工艺涉及大装置操作和昂贵的固定设备，例如大的换热器，以便提供充分工作的一些希望。此外，由于可靠操作这种工艺中的固有困难，仍然没有实现由已知的大规模木材汽化工艺提供的有效工作的希望。
在另一方面，本申请人的发明是非常简单轻便的，并且容易通过增加该设备的尺寸或通过同时操作多个装置来升级。此外，迄今为止的测试操作已表明螺旋钻和外壳的磨损率很低，增加了该设备的操作的经济性和可靠性。
可以在出口16处直接点燃离开外壳出口16的可燃气体，出口16实际上变成了动力喷嘴。在一个实施例中，外壳可以安装到例如工业锅炉的烟道。由于可燃气体不需要进一步处理、净化或存储，这种操作方法特别有吸引力。在其它实施例中，离开该设备的可燃气体被收集和储存，以便在需要时使用。
另一个优选实施例示出于图5，并包括第一螺旋钻组件50和第二螺旋钻组件52。每个螺旋钻组件大致上如上述那样工作，颗粒的干燥和汽化主要发生在第一螺旋钻组件50。然后，经加热的且部分地干燥的木质颗粒被送入第二螺旋钻组件52，在该螺旋钻组件52中，它们被进一步加热并转变到可燃蒸汽。参考图5，木质颗粒被送入第一螺旋钻组件50的入口54，并由螺旋钻58向着出口56驱动。螺旋钻52如上面所描述的那样，并包括逐渐变细的螺旋通道，该螺旋通道在木质颗粒经过外壳时压缩木质颗粒。如上所述，施加到颗粒的摩擦力和压力加热颗粒。在本实施例中，在第一螺旋钻组件中加热颗粒以驱散湿气。在第二螺旋钻组件中，首先把颗粒加热到如上所述的塑性状态，并随后加热到汽化颗粒的较高的温度。
在本发明的另一个实施例中，汽化后的原料通过催化剂，以便把长链的碳氢化合物断裂成短链的、更有效的可燃碳氢化合物。在一个这种实施例中，由催化金属制成的筛子布置成邻近外壳的出口，用来在发生燃烧的区域的前面截取蒸汽流。
在本发明的另一个实施例中，正好在外壳出口之前把空气喷入外壳，用来提供对由该设备形成的可燃气体的燃料空气的比率的控制。可以以任何合适的方式，包括借助贯穿外壳并进入螺旋钻和外壳之间的空间的一个或多个周边孔，把空气引入。
在其它实施例中，本申请人已经发现，如上面概括描述的设备可用于处理食物，尤其是谷物。例如玉米、稻谷和小麦的谷物可以被送入该外壳、如上述那样摩擦加热并“爆”成膨胀的形态，例如玉米花。在不使用矿物燃料来加热且不需要添加任何油的情况下，实现谷物的加热和膨胀，这给出了一种新颖的方法，与其它可用方法相比，用该方法能从谷物生产出的更加低脂肪的产品。
虽然通过前面的某些优选实施例的描述，说明了本发明，本领域技术人员将理解到，在不偏离下面的权利要求的范围的前提下，可以进行许多修改。
权利要求
1.一种用来把颗粒材料转化成气体的设备，包括具有入口和出口的外壳；安装在所述外壳中的可转动的螺旋钻，至少一个螺旋通道；和具有在所述螺旋钻上形成的表面的螺旋钻，它可旋转用来把颗粒材料从所述外壳入口向着所述外壳出口推进，并适合于把该颗粒摩擦加热到足以把至少一部分颗粒材料转化成气体的第一温度。
2.根据权利要求1的一种设备，还包括所述螺旋钻和所述外壳限定第一区域，在该第一区域中，所述颗粒材料被摩擦加热到所述第一温度。
3.根据权利要求2的一种设备，其中所述第一区域与所述外壳出口连通。
4.根据权利要求3的一种设备，其中所述第一区域是所述螺旋钻和所述外壳之间的环形空间。
5.根据权利要求1的一种设备，还包括所述螺旋通道从邻近所述外壳入口的第一深度逐渐变细到邻近所述外壳出口的更小的第二深度。
6.根据权利要求1的一种设备，还包括所述螺旋钻和所述外壳限定第二区域，在该第二区域中，所述颗粒材料被摩擦加热到足以从该颗粒材料去除湿气的第二温度。
7.根据权利要求1的一种设备，还包括所述第二区域与所述外壳入口连通。
8.根据权利要求1的一种设备，还包括所述螺旋钻和所述外壳之间的所述环形空间从第一横截面面积逐渐变细到较小的第二横截面面积。
9.根据权利要求1的一种设备，其中所述气体是可燃气体。
10.根据权利要求1的一种设备，其中所述颗粒材料是纤维素材料。
11.根据权利要求1的一种设备，其中所述纤维素材料包括木材。
12.一种用来把颗粒材料转化成气体的设备，包括具有入口和出口的第一外壳；安装在所述外壳中的第一可转动螺旋钻，该第一螺旋钻具有限定第一螺旋通道的表面；所述第一螺旋钻可转动，用来向着所述第一外壳出口推进颗粒材料，以便把该颗粒材料摩擦加热到第一温度；具有入口和出口的第二外壳，该第二入口与所述第一外壳第一出口连通；安装在所述第二外壳中的第二可转动螺旋钻，该第二螺旋钻具有限定第二螺旋通道的表面；和所述第二螺旋钻可转动，用来向着所述第二外壳出口推进颗粒材料，以便把该颗粒材料摩擦加热到第二温度。
13.根据权利要求12的一种设备，还包括所述第一螺旋钻和所述第一外壳限定第一区域，在该第一区域中，所述颗粒材料被摩擦加热到足以从该颗粒材料去除湿气的所述第一温度。
14.根据权利要求13的一种设备，其中所述第一区域与所述第一外壳出口连通。
15.根据权利要求13的一种设备，其中所述第一区域是所述第一螺旋钻和所述第一外壳之间的第一环形空间。
16.根据权利要求12的一种设备，还包括所述第一螺旋通道从邻近所述第一外壳入口的第一深度逐渐变细，并到达邻近所述第一外壳出口的更小的第二深度。
17.根据权利要求12的一种设备，还包括所述第二温度足以把至少一部分该颗粒材料转化成气体。
18.根据权利要求12的一种设备，还包括所述第二螺旋钻和所述第二外壳限定第二区域，在该第二区域中，所述颗粒材料被摩擦加热到足以把至少一部分该颗粒材料转化为气体的所述第二温度。
19.根据权利要求13的一种设备，其中所述第二区域与所述第二外壳出口连通。
20.根据权利要求13的一种设备，其中所述第二区域是所述第二螺旋钻和所述第二外壳之间的第二环形空间。
21.根据权利要求12的一种设备，还包括所述第二环形空间从第一横截面面积逐渐变细到较小的第二横截面面积。
22.根据权利要求12的一种设备，其中所述气体是可燃气体。
23.根据权利要求12的一种设备，其中所述颗粒材料是纤维素材料。
24.根据权利要求12的一种设备，其中所述纤维素材料包括木材。
25.根据权利要求12的一种设备，其中所述第二外壳入口定位成用来接收来自所述第一外壳出口的颗粒材料。
26.根据权利要求1的一种设备，其中所述第一区域与所述外壳入口隔离。
27.根据权利要求26的一种设备，其中，借助加热到塑化温度的颗粒材料形成的密封，所述第一区域与所述外壳入口隔离。
28.根据权利要求27的一种设备，其中所述密封是已塑化材料与所述外壳和所述螺旋钻的密封接合的环形密封。
29.根据权利要求12的一种设备，其中所述第一区域与所述外壳入口隔离。
30.根据权利要求29的一种设备，其中，借助加热到塑化温度的颗粒材料形成的密封，所述第一区域与所述外壳入口隔离。
31.根据权利要求30的一种设备，其中所述密封是已塑化材料与所述外壳和所述螺旋钻的密封接合的环形密封。
32.根据权利要求12的一种设备，其中所述颗粒材料是谷物。
33.根据权利要求12的一种设备，其中所述颗粒材料包括橡胶。
34.根据权利要求12的一种设备，其中所述颗粒材料包括纤维素材料和橡胶的混合物。
35.根据权利要求1的设备，还包括与所述外壳的内部连通并供给氧化剂的至少一个孔，并且该氧化剂通过该孔引入到所述汽化了的颗粒材料。
全文摘要
一种木材气化设备(10)，它包括螺旋钻(14)和外壳(12)的组件，该组件限定容积逐渐减小的螺旋通道(34)，在该螺旋通道中，颗粒材料被摩擦加热并汽化。
文档编号C10B7/10GK101014685SQ200580022065
公开日2007年8月8日 申请日期2005年6月30日 优先权日2004年7月1日
发明者戴维·尼克逊·史密斯, 艾伦·莱斯·费雷尔 申请人:格伦伍德河谷木材公司, 戴维·尼克逊·史密斯, 艾伦·莱斯·费雷尔