木材在真空高压容器中的高温热改性方法
【专利摘要】描述了一种用于木材的热化学改性处理的方法，其中这样的改性通过构成木材结构的物质的多个化学反应来获得，所述化学反应通过这样的方式产生：在真空高压容器-单元中将木材暴露于热解现象开始的温度，即处于180℃-240℃范围内的温度；同时总是使内部压力保持为低于大气压力，处于70-350mBar的绝对压力的范围内；所述方法包括木材主体的预加热、实际加热处理、以及冷却的步骤。
【专利说明】木材在真空高压容器中的高温热改性方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及木材在真空高压容器(autoclave)中的高温热处理方法，适于通过构成木材的物质的多个化学-物理反应来产生木材结构的改性,这样的改性通过在无论如何防止木材燃烧的同时将木材暴露至开始出现热解现象的温度(180°C _240°C)来产生。
【背景技术】
[0002]在本节中描述现有技术的当前状态。在这个方面，值得一提的是，当前在工业中使用的木材的热处理方法大致依序包括以下三个步骤:
[0003]1.在单元内将预干燥木材预加热成湿度值接近零，直到其温度达到开始热解的大约180-230°C的温度，其中采取措施以防止其燃烧；
[0004]2.实际热处理，包括在预设时期内将木材保持在预设温度，同时无论如何总是防止木材的燃烧；
[0005]3.使木材冷却直到使其无论如何达到100°C以下的温度，以便随后能够将木材暴露到外部环境而没有燃烧的风险和/或热冲击的问题。
[0006]当前，已知有三种技术用于获得热处理的木材，下面在本文中对其进行描述同时指出其特征。
[0007]I)单元中的 在大气压力下使用过热蒸汽加热进行的热处理(芬兰方法)。
[0008]由预布置在板条(batten)中的木材组成并且在其他装置中干燥的叠层定位在单元内，该单元适当地绝缘并且不能渗透蒸汽，与传统的木材干燥单元类似，设置有内部鼓风机以产生穿过叠层的加热流体循环，在这种情况下，蒸汽在150-230°C的温度下过热，通过外部蒸汽发生器提供并且出于显著的安全原因通过开通到大气的管道和/或安全烟道严格地保持在大气压力下，所述单元必须设置有所述管道和/或安全烟道以防止风险的内部过压。
[0009]由于木材在惰性环境中在180-230°C的热处理温度下被加热，由于初始存在于其中(因此其中包含有氧气)的空气被过热蒸汽替代，因此木材被保护避免触发燃烧。
[0010]因此，前两个步骤(即预加热和处理)通过相同方法使用过热蒸汽循环来执行。
[0011]第三个步骤(即冷却)通过阻断过热蒸汽入口并且通过提供用以使水的射流“雾化”的特定喷射器将去离子水注入单元中来执行，水的射流立刻转变成蒸汽，以每升蒸发水大约540Kcal的比率吸取处理单元的热，从而执行包含在其中的木材的冷却；由此产生的蒸汽通过上述“烟道”排放到大气中。
[0012]当然，在用于产生加热蒸汽的方法中存在一些变型，本文中为了简洁的原因将省略对其进行的描述，但是这些变型无论如何总是能溯源于使用过热蒸汽作为单元的加热与惰化介质。
[0013]该技术的限制在于以下几点；
[0014]?干燥:待处理的木材必须被在另一装置中预干燥以降低湿度值，然后冷却，并且最终供给至处理单元以便被再次加热，这带来时间、劳动力、并且首要地是热能的大量浪费；
[0015]?加热:存在安装配备有对于其使用而言所需的所有安全措施的蒸汽发生器的需要；
[0016]?惰化:其通过过热蒸汽的注入来执行；
[0017]?冷却:为了使木材温度从230°C下降到100°C，热能的减除是必要的，等于大约45.000Kcal/m3，这对应于每立方米处理木材消耗70-80升的去离子水，并且因此每m3处理木材产生大约150m3蒸汽；
[0018]?污染:离开单元的烟道的水蒸气不可避免地起到用于由于木材的化学转变产生的气体和挥发性化学物质的显著组(树脂、半纤维素、纤维素等)的载体的作用。因此，重要的是了解具有10m3木材配载的热处理室每个处理周期产生1.500m3的潜在的污染性蒸汽；
[0019]?安全:显而易见的是，在由于机械装置的外部和/或内部故障而缺少能量供应的情况下，无论如何均通过某种方式来保持内部温度，以防止加热蒸汽在单元内冷凝，从而显著地减小其体积并且经由安全烟道从外部环境吸入空气从而能够立即点燃木材主体。
[0020]2)在充满惰性气体(氮气)的单元中在大气压下进行的热处理
[0021]除了单元的内部充满作为惰性气体的氮气的变型以外，该方法与先前的方法类似，防止了触发木材的燃烧。
[0022]该技术的限制在于以下几点；
[0023]?干燥:参见上述情况；
[0024]?加热:该系统设置有导热油内部流体和/或电热交换器，并且设置有用于使氮气穿过木材堆循环的鼓风机；
[0025]?惰化:其通过注入氮气来执行，因此该系统需要配备有氮气发生器和/或尺寸适当设计的储存容器，因为气体消耗是显著的；此外，该系统需要设置有昂贵的氧气浓度分析器以确保其浓度通常低于风险阈值。
[0026]?冷却:参见上述情况；
[0027]?污染:参见上述情况；
[0028]?安全:偶尔发生的缺少电压比先前方法更加容易可处理；然而需要特别注意单元内氧气浓度的恒定监控，以防止燃烧的风险。此外，绝对必要的是在方法结束时提供惰性氮气从单元的准确且安全的处置，以避免在打开所述单元时职员由于吸入氮气而发生窒息的风险。
[0029]3)在加压高压容器中使用过热蒸汽的处理，
[0030]该方法完全地不同于先前两个方法，并且包括将木材供给到适当绝缘的高压容器中并且适当地抵抗高达19Bar的内部压力。
[0031]加热通过将过热蒸汽直接地注入到高压容器中来执行，因此其不提供通风装置和/或内部交换器的布置。
[0032]该方法根据以下步骤发生:
[0033]1.预热:在通过执行具有200mBar残余压力的预真空以后，将由特定发生器产生的过热蒸汽供给到单元中，直到木材达到180-230°C的处理温度；
[0034]2.处理:通过适当的蒸汽供给使温度保持在期望值；[0035]3.冷却:如在上述方法中通过喷射执行冷却，并且以最终真空结束，随后进行外部空气供给。
[0036]该技术的限制在于以下几点；
[0037]?干燥:参见上述情况；
[0038]?加热:存在配备对于其使用而言所需的所有安全措施的蒸汽发生器的需要；
[0039]?惰化:其通过注入过热蒸汽的方式执行；
[0040]?冷却:参见上述情况；
[0041]?污染:参见上述情况；
[0042]?安全:由于是加压的高压容器，该单元需要受到由现行法律提供的周期性检查。
【发明内容】
[0043]作为本专利申请对象的方法自身的目的在于克服参照现有技术所描述的限制的大部分或全部，并且其中，用以防止木材燃烧的木材的处理通过完全去除包含在单元中的氧气来执行，通过首先由于在单元中形成的使得空气极度稀薄(由于其达到70-350mBar的绝对压力)的部分真空来急剧地降低初始的量，以及随后通过借助于诱导受处理的木材主体的极小部分的受驱动的微燃烧来完全消耗小残留量的氧气。该现象被本作者定义为“木材的自惰化”，因为这是木材自身通过消耗其物质的极小部分而产生的自身的惰化。
[0044]这样的热化学反应诱导木材特性中的以下宏观改性:
[0045]I)颜色:贯穿木材整个厚度的颜色改变(变暗)和均质化，可通过适当地调节方法参数(即温度、压力、与曝光时间)来控制颜色的强度(intensity);
[0046]2)耐久性:提高其耐久性(durability)，在于处理后的木材变得对真菌与其他食木微生物更具有抗性；因此，被评定为耐久性5级的“软木”种类(诸如可获得容易的并且具有低经济价值的针叶植物(诸如冷松、松柏、与落叶松))可达到I级，这是典型的“硬木”，已知为非常耐久(诸如栎、板栗、柚木)，其经济价值可为针叶植物的3-10倍以上；
[0047]3)吸湿性:降低其吸湿性，即其从周围环境吸取或吸收湿度的能力，因此使得其几乎对于天气变化(温度与空气湿度)不敏感；
[0048]4)尺寸稳定性:由于吸湿性降低，木材获得对抗环境湿度变化的高的尺寸稳定性，这导致实际上变得对温度变化完全不敏感的成品(家具、木地板、固定设备、乐器等)的品质的改进；
[0049]5)机械特性:一些机械特性(拉伸、压缩、以及剪切阻力)变差10-15%，但是已经检测到其重要的硬度改进；换言之，热处理木材变得略微更脆，但是更硬。对于建筑部门的结构梁的实现而言可能是限定性的该现象在任何其他应用中是绝对有利的，因为硬度的增加不仅有利于木材的一些处理操作(诸如平滑与喷涂)，而且允许获得对意外刮擦更具有抗性的制造物件，这对于诸如地板、家具、以及窗户和门框等成品的最终品质是十分重要的结果。
[0050]必须指出的是，即使在受到热处理温度之前，木材也必须干燥至接近零的最终湿度值，以防止包含在达到180-230°C的温度的木材的细胞壁中的残留水形成产生使其崩溃的压力，导致不可修复的损坏。
[0051]通过以下参照附图以非限制性实例的方式给出的详细的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，附图中:
[0052]-图1a-图1c示意性示出了用于木材的热处理的设备的第一实施例的剖视图；
[0053]-图2a_图2c示意性示出了用于木材的热处理的设备的第二实施例的剖视图；
[0054]-图3a_图3c示意性示出了用于木材的热处理的设备的第三实施例的剖视图；
[0055]-图4是示出了图1的设备的立体图。
【具体实施方式】
[0056]以下在本文中描述的方法旨在克服当前已有方法的负面本质的全部或大部分，同时保持终端产品的卓越品质，并且更准确地说:
[0057]-干燥:在水密单元中执行，优选地设计成执行真空干燥器与热处理装置的双重功能，以便避免木材堆从装置到另一个装置的换位，带来了时间、劳动力、以及首先地热能的大量节省。
[0058]-加热:通过稀薄空气穿过木材堆的受迫循环(闭合回路)和利用任何热能源(电、导热油、过热水)的特定热交换器而部分地执行真空，而无需蒸汽和/或氮气和/或其他气体的任何注入。
[0059]-惰化:根据木材的“自惰化”过程，由此无需蒸汽和/氮气和/或其他气体的任何注入以用于单元的内部惰化。
[0060]为了理解自惰性现象的动力学，首先考虑到高压容器-单元(绝缘并且完美地防水)实际上是绝热系统，即，其不允许与外部的能量交换。
[0061]这意味着,一旦木材已装载到单元中，该系统便看上去完全地绝缘并且仅包含以下元件:待加热的木材以及填充其余内部自由空间的空气。
[0062]当木材在70_350mBar的压力下达到热解温度(180°C _230°C )时，单元的内部气氛由因为真空与温度的结合作用而非常稀薄的(如所看到的)空气形成，然而具有的氧含量尽管现在非常低，但仍能导致木材燃烧的触发。
[0063]因此，为了估测该限度，因此上述燃烧现象的潜在危害，理想的是了解一旦达到处理的操作点时，可能由存在于包含在高压容器-单元内的残余空气中的氧气导致燃烧的木材质量的量。
[0064]由于几何形状、机械、以及空气动力学的构造原因，无论高压容器-单元的内部尺寸如何，内部空气的自由体积与装填木材的净体积之间的比约为3:1=3。这意味着，对于每m3实际装填的木材，可获得氧气的量约等于在25°C的室温并且在1013mbar的大气压力下3m3空气中包含的氧气量。
[0065]物理学教导，空气密度在温度与压力变化时发生变化，并且特别地，空气密度在温度增加并且压力减小时减小。在下面的表I中设定了用于本讨论的一些重要的值:
[0066]表1:空气密度减小的系数。
[0067]
【权利要求】
1.一种用于木材的热化学改性处理的方法，其中，这样的改性通过构成木材结构的物质的多个化学反应来获得，所述化学反应通过这样的方式产生:在真空高压容器-单元(I)中将所述木材暴露于热解现象开始的温度，即处于180°C -240°C范围内的温度；同时总是使内部压力保持为低于大气压力，处于70-350mBar的绝对压力的范围内；所述方法包括木材主体的预加热、实际加热处理、以及冷却的步骤。
2.根据权利要求1所述的用于在真空高压容器-单元(I)中对木材进行高温热处理的方法，其中，为了防止所述木材的燃烧，对所述木材的加热通过利用专用措施将包含于所述单元(I)中的氧气完全去除来执行，所述专用措施包括首先由于在所述单元中产生的使空气极度稀少的部分真空来“降低”初始的量，并且随后通过诱导受处理的所述木块的极小部分的受驱动的微燃烧来完全“消耗”小的残留量。
3.根据权利要求2所述的用于在真空高压容器-单元(I)中对木材进行高温热处理的方法，其中，由于作为仍存在于稀薄空气中的有限量的残留氧气的微燃烧的基础的氧化还原现象，高压容器内的气氛经历惰化，在所述微燃烧中，氧气与包含在所述木材中的碳相结合转变成二氧化碳，完全地去除了存在于所述单元中的自由氧分子的数量，并且由此使得包含在所述高压容器-单元中的最终气体混合物完全呈惰性。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于在真空高压容器-单元(I)中对木材进行高温热处理的方法，其特征在于，所述单元适于执行真空干燥器和热处理装置的双重功能，以便首先在介于50-100°C范围内的温度以及介于50-350mBar范围内的压力下对所述木材进行干燥以避免即使在使所述木材的湿度下降至接近零的值的情况下对所述木材造成损坏，并且以便随后能够在介于180-240°C范围内的温度以及介于70-350mBar范围内的压力下将所述木材暴露至所述热化学改性处理的“严苛”的温度，这些步骤总是通过使用相同的所述单元(I)来执行。
5.根据前述权利要求 1-3中任一项所述的用于在真空高压容器-单元(I)中对木材进行高温热处理的方法，其中，所述单元仅执行功能的其中之一，所述功能即为真空干燥器和加热处理装置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于在真空高压容器-单元(I)中对木材进行高温热处理的方法，其特征在于，包括特定的加热方法，所述加热方法在部分真空下通过惰性气体混合物在穿过木材堆(3)和专用热交换器的闭合回路中的受迫循环来执行，所述单元能够使用从以下选定的任何热能源:电、导热油、过热水。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于在真空高压容器-单元(I)中对木材进行高温热处理的方法，其特征在于，包括用于在热处理结束时对所述木材主体进行冷却的特定方法，所述特定方法通过所述单元的内部气氛与外部大气之间的热交换系统获得，其中所述内部气氛与所述外部大气彼此未曾直接接触。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于在真空高压容器-单元(I)中对木材进行高温热处理的方法，其特征在于，包括这样的事实，即，在处理过程中保持在所述高压容器-单元中的部分真空用于防止蒸汽和/或气体从所述单元离开，并且用于降低蒸发温度以及因此降低露点，使得在周期过程中相同的蒸汽和/或气体能够通过被传送通过冷凝器而转变成液相，因此允许回收所述蒸汽和/或气体以便进行适当处置。
9.一种用于木材的热化学改性处理的设备(100)，所述改性源自于构成木材结构的物质的多个化学反应，所述化学反应通过将所述木材暴露于热解现象开始的温度即介于ISO0C -240°c范围内的温度而产生，所述设备(100)包括: -真空高压容器-单元(1)，包括处理室，在处理过程中所述处理室的内部压力适于保持为低于大气压力，介于70-350mBar绝对压力的值的范围内； -装置，所述装置适于并构造成获得上述内部压力，并且适于并构造成对所述高压容器单元(I)内的木材主体进行预热、执行实际热处理、以及进行冷却。
10.根据权利要求9所述的设备(100)，包括冷凝器(12)，所述冷凝器与所述处理室流体连通，并且适于由在处理过程中产生的气体和/或蒸汽穿过，所述气体和/或蒸汽通过所述冷凝器转变成液相。
11.根据权利要求10所述的设备(100)，其中，所述高压容器-单元(I)其中所述装置包括真空泵(13)，并且其中所述冷凝器操作地介于所述真空泵与所述处理室之间。
12.根据权利要求9所述的设备(100)，包括与所述高压容器-单元(I)同心的外缸体(7)，其中在所述缸体与所述高压容器之间限定间隙(8)，所述间隙适于包含适于对所述木材主体进行冷却的流体。
13.根据权利要求12所述的设备(100)，其中，所述流体为从外部环境抽吸的空气并且受迫在所述间隙(8)中循环。
14.根据权利要求12所述的设备(100)，包括在所述高压容器-单元(I)的外部与所述间隙(8)连通的换交换器( 20)，其中所述流体为受迫在所述间隙(8)中以及在所述交换器中循环的油。
【文档编号】F26B5/04GK103608155SQ201280028565
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年6月15日 优先权日:2011年6月16日
【发明者】埃内斯托·帕尼奥齐 申请人:Wde马斯贝尔有限公司