CN101155675A - 处理木制材料的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种处理木制材料的方法，其包括施加蒸汽和真空至木制材料。

Description

处理木制材料的系统和方法

技术领域

本发明涉及处理木制材料的方法和系统。

背景技术

木制材料，包括木板、板条箱、托盘和垫板，通常用于运输和包装。木制材料可被处理以消毒木材和消除可存在于木材中的细菌、霉菌、真菌、酵母菌、孢子、昆虫和其它生物有机体。然而，现有处理方法消耗过多的能量，并且会使木制材料干燥。

发明内容

概括而说，木制材料可被处理以消毒以及消除有害物，包括细菌、霉菌、真菌、酵母菌、孢子、昆虫和其它生物有机体，方法是通过在低于大气压力下加热处理木制材料。

一方面，处理木制材料的方法包括施加蒸汽和真空于木制材料一段有效时间，以加热木制材料至最少56摄氏度。木制材料的温度可被维持在56摄氏度一段时间。这段维持时间可为最少30分钟。

在某些情况下，处理方法可包括降低容纳木制材料的容器中的压力。在其它情况下，处理方法可包括先在第一时段内，第一温度下加热木制材料，然后施加蒸汽和真空，包括在第二温度下加热木制材料。第一温度和第二温度可以相差甚远。例如，第一温度可低于第二温度很多，或有效时间段可长于第一时间段很多。所述方法可包括施加有效分量的臭氧至木制材料中。所述方法可包括在容器中在预定温度下加热木制材料一段预定时间。所述有效时间段可为最少20分钟至小于240分钟。有效时间段也可为最少60分钟至小于200分钟。在一些情况下，有效时间段可为最少150分钟至小于180分钟。蒸汽可具有小于100摄氏度和小于90摄氏度的温度。在一些情况下，蒸汽也可具有大于60摄氏度的温度。

另一方面，制造木材处理系统的方法包括使用容器，连接容器至蒸汽发生器，和连接容器至控制器以控制施加蒸汽和真空至木制材料的过程。

另一方面，木材处理系统包括容器和控制器，所述控制器控制施加蒸汽和真空至木制材料的过程。

所述控制器可以控制施加蒸汽和真空至木制材料。所述控制器可以降低容器内的压力。所述控制器可以维持木制材料的温度在56摄氏度一段时间。所述维持时间可为最少30分钟。所述控制器可以在小于100摄氏度，小于90摄氏度或大于60摄氏度或其组合的温度下施加蒸汽。在处理过程中，系统中的压力可在最少50mBar至小于700mBar。在抽真空过程中，可产生最少50mBar至小于250mBar的压力，在蒸熏过程中，该压力可为最少200mBar至小于700mBar。

木制材料可以是木板、木制结构、板条箱、垫板或其它木制物品。

在以下附图和描述中将说明细节。其它特征、物件和优点将从说明、附图以及权利要求中显明出来。

附图说明

图1是描述木材处理系统的示意图。

图2是描述在用蒸汽进行木材处理过程中的温度曲线的图表。

图3是描述用蒸汽和臭氧进行木材处理过程中的温度曲线的图表。

图4是描述蒸汽和木制材料的温度曲线的示意图。

具体实施方式

处理木制材料的方法可包括施加蒸汽和真空于木制材料。木材处理系统可包括容纳木材的容器、蒸汽发生器和施加蒸汽和真空于木制材料的控制器。施加蒸汽和真空可进行一有效时间段，使木制材料的内部温度可达到最少56摄氏度。温度可被维持在56摄氏度一段时间。所述维持时间可为最少30分钟。木制材料的加热处理可防止木制材料被细菌、霉菌、真菌、酵母菌、孢子、昆虫和类似有机体分解。整个处理时间可为最少20分钟至小于240分钟。有效时间段也可为最少60分钟至小于200分钟。有效时间段也可为最少150分钟至小于180分钟。所述时间范围可包括加热木制材料至56摄氏度所需的有效时间段和维持木制材料在56摄氏度的时间。木制材料可包括例如木板、木制托盘、板条箱或垫板以及那些可用于贸易、运输和包装目的的木制材料。木制板条、板、板条箱、垫板或托盘通常被选作国际运输的包装材料，因为它们比其它非木制材料更具成本效益(已经考虑到木材处理成本)。

美国和国际植物保护条约(IPPC)已经立例阻止输入害虫，原因是曾经爆发由运输包装引入外来害虫。一些国家也已经建立了对于木制包装材料的限制。IPPC标准(ISPM 15)和美国条例要求要么通过加热处理要么通过利用甲基溴化物熏蒸而进行木材处理。由于甲基溴化物导致环境污染，所以优先选用加热处理。对于加热处理，要求木制材料的中心必须被加热至56摄氏度并维持30分钟。目前，大多数方法包括加热空气和过热蒸汽，但这些方法使木材干燥，降低木材质量，或不能有效加热木制材料的中心。另外，这些方法由于使用高温操作或需要较长的操作时间而需要消耗很多能源。因此需要一种更佳的处理方法，这方法可以节能、有效处理木材及其中心、不会令木材干燥而导致其质量下降。

木制材料的加热处理过程可包括使木制材料在容器中经受减压，然后引入蒸汽加热木制材料。所述容器的内部温度最终可达到约80摄氏度以调理和消毒木制材料。可应用压力范围：最少50mBar至小于700mBar。有效时间段可为最少20分钟至小于240分钟。有效时间段也可为最少60分钟至小于200分钟。另外，有效时间段可为最少150分钟至小于180分钟。

通常，加热木制材料可包括放置木制材料于容器或其它容器中，然后抽空容器至50-250mbar的压力范围。然后引入蒸汽，蒸汽的热量渗透木制材料，一般需时在20分钟和240分钟之间，在此蒸熏步骤期间，木制材料内部温度增加至约40-80摄氏度之间。有效时间段为最少60分钟至小于200分钟。有效时间段也可为最少150分钟至小于180分钟。所述容器然后被抽空，剩余蒸汽同时被抽出和在容器外冷凝。该流程可被重复。在处理结束后，移去木制材料。在适当的冷却时间段后，在该时间段少量的残余湿气被蒸发，木制材料可被准备运输。

每一个蒸熏处理步骤都可选定其持续的时间，在这时间内木制材料内部温度达到40-80摄氏度之间，木制材料的温度随着每一个蒸熏循环而升高。最终内部温度超过56摄氏度可确保符合IPPC标准(ISPM 15)和美国标准。木制材料的温度监测可用温度传感器探针进行，处理步骤所需时间由期望达到的木制材料内部温度所决定。或者，热量转移至木制材料可通过容器温度判断，而不需要温度传感器。在其它情况下，加热处理也可进行一预先计算好的时间段，该时间段可通过实验获知，即增加木制材料的内部温度至大于56摄氏度，但不超过60摄氏度所需用的时间。利用预先计算好的时间可节省能源及成本，同时符合ISPM标准。所应用的真空可在约50-250mbar水平，最大真空一般应用在初始处理步骤中。50、100、200、500mBar的真空可用于5个循环的处理过程，施加真空主要是便于将蒸汽的热能传递给木制材料。整个工艺时间，包括处理步骤和处理步骤之间的再抽空所必需的时间，可在20-240分钟之间。有效时间段可为最少20分钟至小于240分钟。有效时间段也可为最少60分钟至小于200分钟。有效时间段也可为最少150分钟至小于180分钟。

对木制材料的加热处理可逐步地增加蒸熏阶段的温度，即从第一个蒸熏循环开始至最少第二个循环，蒸熏循环的温度一个比一个高。如果处理程序超过一个时间段，40-80摄氏度的蒸熏阶段温度可在第一时间段建立，60-100摄氏度可在跟着的时间段建立。在随后的加热处理过程中，通过增加维持温度的时间，可以改善结果也可被提高。

生发蒸汽所消耗的水，可以透过循环再用而大量节省。加热处理的结果可通过一简单的方法进一步得到改善：就是重复抽真空和蒸熏循环至少一次。

木材处理的所需的水和其它化学物被装在容器内，容器的容积根据蒸汽锅中的液体槽的容积而定。容器与蒸汽锅一起形成一系统，这系统中的部分液体会流失，流失的途径是附在木材上变成湿气和在抽真空时被抽走，流失的液体需要被补回。

本发明还提供执行上述方法的系统，其中包括将加热蒸汽锅连接至水及/或化学物的供给源，通过控制器、或阀、真空泵来控制供给。最基本的供给系统包括一个容器、一个泵和两个阀门，阀门控制液体从蒸汽锅进入和排出。

各种各样的加热系统可被使用。系统可以是封闭的或敞开的。包括蒸汽蓄集器的蒸汽处理系统也可被使用。

在低压下施加蒸汽可加快将热能传递至木制材料，令木制材料的内部温度相对较快的升高，因为蒸汽具有比空气更高的热容量。热传递理论上可在接近约80摄氏度温度完成。通过减少压力至约100mBar真空(见图2和3)，然后尽快的升高温度至约80摄氏度，可以加快热传递。因为蒸汽在80摄氏度下的饱和压力约为450mbar，所以压力差是450-100＝350mbar，有助于使得蒸汽能量更加有效地和快速地进入木制材料。提高热传递率使木制材料的内部温度更快地增加，因而缩短了处理木制材料所必需的时间。低压同样确保了节省能量，因为该系统可在更低的温度下操作，因此减少了被消耗的能量。

参照图1，木材处理的系统可包括容纳木制材料的容器3、真空泵9、真空阀18和带有控制器20的蒸汽发生器11。蒸汽蓄集器可与蒸汽发生器一起使用或代替蒸汽发生器。蒸汽蓄集器提供储存蒸汽的方法，在需要时可释放蒸汽，从而可降低供电功率、燃料和维护费用。所述控制器可包括一个阀。控制器可开启真空阀，使容器被抽真空。同样，蒸汽阀可保持关闭直至控制单元将其开启，这样蒸汽便进入容器。

木制材料在容器中的放置方法，应使其与蒸汽有最大的接触面。例如，不要包着木制材料也可悬挂着木制材料。可将木制材料平躺或排列在传送带或旋转结构上。

蒸汽进入容器可由控制器装置如阀门或蒸汽入口所控制，如美国专利号5,291,757和5,299,415所述，在此引用作为参考。

参照图2，处理木制材料的方法可包括在处理过程中，相对于时间(分钟)的发展而调节温度(℃)和压力(mBar)。在初始阶段，通过开启真空阀产生第一阶段真空50-250mBar。这样，容器中初始容纳的空气被尽量抽出。

在蒸熏阶段，可进行一个或多个蒸熏循环。在此期间，蒸汽阀可被开启以将蒸汽充满容器。在达到预定温度后，蒸汽阀可被关闭，真空阀可被开启以再次降压至约200mBar或更低。在蒸熏期间，容器中的压力为约500mBar，温度为约80℃。所述压力可由在选定蒸熏温度下的水蒸汽压力确定，所述温度可为80℃。所以，在一般的蒸熏和抽真空过程中，压力可为50-700mBar。一旦达到蒸熏温度，加热木制材料的有效时间段可在20-240分钟之间。有效时间段也可为最少60分钟至小于200分钟。有效时间段也可为最少150分钟至小于180分钟。有效时间段可为加热木制材料中心至最少56摄氏度所需的时间。维持时间可为特定温度被维持的时间。

可按情况需要而重复蒸熏循环来加热木制材料，蒸熏循环时间和抽真空时间的比例可以有所变化。用最少的能量将木制材料加热至预定温度所需要的蒸熏时间，可以做实验来确定。例如，在低压下施加蒸汽一限定时间后，蒸汽可被关闭，允许容器温度冷却到60摄氏度。当容器温度接近60摄氏度时，木制材料的温度则仍然保持在56摄氏度或以上。以这种方式加热木制材料，可使用最少的能量。用最少的能量加热木制材料所需要的容器温度和蒸熏时间，可以被计算出来。该温度和时间段可按情况而变化，取决于系统的热特性例如绝缘、建立低压所需时间和蒸发速度。

参照图3，展示了一个可选择臭氧化的一般处理工艺。在蒸熏程序后可以进行臭氧化程序，占大约5分钟，在此期间容器中的压力可达到环境压力(1Bar)。可通过开启臭氧供给阀使臭氧库的臭氧气体充满容器。臭氧发生器可用于提供臭氧气体给臭氧库。可选择所需有效时间以提供有效分量的臭氧。该时间段可由约3分钟至24小时。如果适当大小的臭氧发生器在几分钟内不能以合理的工作量提供所需体积的臭氧，可在臭氧化与臭氧化阶段之间的时间利用较低输出率的臭氧发生器灌装臭氧库。当容器中的压力接近约500mBar或更低时，臭氧可被抽入木制材料中。臭氧可由气源或臭氧发生器提供。臭氧发生器可具有它自己的气源，或可使用电介质阻挡放电。气源可产生较高浓度的臭氧气体流至臭氧库。该臭氧可用清洗气体清洗和分解。清洗气源可被包括在系统中。

蒸熏循环也可在臭氧化程序之后进行。在臭氧化程序之前须要进行降压，容器中的压力可被降低到50mBar至700mBar。

臭氧化程序之后可进行清洗程序。清洗阀开启后，气源便供应清洗气体例如纯净空气或氧气，直至臭氧传感器表明容器可被安全的开启。在臭氧化程序之后，可重复蒸熏和抽真空程序。

参照图4，展示了木制材料中的温度传感器测量的温度随着蒸汽的温度而变化。在该例子中，蒸汽温度小于100摄氏度。蒸汽温度也可小于90摄氏度。蒸汽温度应大于60摄氏度。施加蒸汽和抽真空可进行20-240分钟的有效时间段。有效时间段也可为60分钟至200分钟。有效时间段也可为150分钟至180分钟。

施加蒸汽和抽真空于木制材料实现了许多令人惊喜的优点。首先，尽管木制材料例如木梁或托盘有相对坚实的特性，但是蒸汽能高效地传递热量至木制材料。相对于热空气，蒸汽有较高的热容量，这使热能传递更快和更节能，对经济和环境两者都有好处。在真空和低压情况下，该好处更加被强化，因为更低的蒸汽温度可被使用，因而使用更少的热量及节省能源。通常，蒸汽和真空施加的持续时间可适应于实际需要，例如所处理材料的类型、密度和厚度。在低压下施加蒸汽可加快将热能传递至木制材料，令木制材料的内部温度相对较快的升高，因为蒸汽具有比空气更高的热容量。热传递理论上可在接近约80摄氏度温度完成。通过减少压力至约100mBar真空(见图2和3)，然后尽快的升高温度至约80摄氏度，可以加快热传递。因为蒸汽在80摄氏度下的饱和压力约为450mbar，所以压力差是450-100＝350mbar，有助于使得蒸汽能量更加有效地和快速地进入木制材料。

在低压下施加蒸汽和抽真空具有令人惊喜的消毒优点，同时保持木制材料的质量。例如，在50-700mBar之间的低压，可施加小于100摄氏度的蒸汽。如图2-5所示，低压允许容器内蒸汽温度小于100摄氏度。另外，在低压下，小于90摄氏度的蒸汽温度也可被施加。减压也允许约80摄氏度的蒸汽被施加。令人惊喜的是，放置在木制材料中的温度传感器显示，木制材料的内部温度可达到至少56摄氏度，同时容器温度保持在小于100摄氏度。因此，低压允许木制材料的内部温度达到至少56摄氏度，其符合美国包装条例和ISPM植物检疫标准的要求，同时蒸汽温度无需超过100摄氏度。结果，木制材料可被消毒和处理，而没有过度的干燥和降低木制材料质量。

木制材料在没有被包裹及处于低压环境下，木制材料内部和周边容器形成压力差。该压力差导致热量传递至木制材料。

蒸汽的温度高于60摄氏度。蒸汽温度可小于100摄氏度或小于90摄氏度。蒸汽也可具有约80摄氏度的温度。蒸汽在水的蒸发温度及压力下被施加，该压力为约0.5Bar。50-700mBar范围的压力可被使用。

蒸汽和真空的施加可允许木制材料的内部温度达到至少56摄氏度。经过足够的处理，木制材料的内部温度可达到60-80摄氏度。在该温度，大多数生物有害物，包括细菌、霉菌、孢子、昆虫和真菌可被消除。

木制材料可用蒸汽和真空处理一个或更多时间段。如果超过一个时间段，40-80摄氏度的蒸熏阶段温度可在第一时间段被建立，在另一时间段中60-100摄氏度可被建立。

例如，在第一时间段中，木制材料可在第一温度被加热，在第二时间段，木制材料可在第二温度被加热。第一和第二温度可相当不同。

施加蒸汽和真空至木制材料的过程可在容器中进行，所述容器可连接至蒸汽发生器。蒸汽发生器可包括蒸汽锅。蒸汽发生器可包括蒸汽蓄集器。有关蒸汽锅的知识已广为业内人士知晓。例如可利用蒸汽锅作强制再循环，如美国专利号6,904,903所述，在此被引用作参考。蒸汽锅可包括一个圆柱形锅炉，可用枢轴盖关闭。在蒸汽锅中，水槽可通过加热装置产生蒸汽，然后利用蒸汽对材料进行适当的加热处理。在其它情况下，抽真空可以使热量更好地进入材料，例如可消除气穴以确保最佳的蒸汽环境。

蒸汽蓄集器可被包括在木制材料处理方法和系统中。蒸汽蓄集器提供储存能量的方法，这样可在需要时释放蒸汽，从而可降低供电功率、燃料和维护费用。

在一个例子中，在初始加热阶段空气可被抽空。可在10bar的压力下及在储存能量的封闭系统中用电将水加热至约180摄氏度。在低压下，水可沸腾，能量以蒸汽的形式储存。蒸汽本身可将空气驱除出蓄集器。木材处理系统可包括控制器。所述控制器可包括除气器。除气器可以从蒸汽蓄集器中排出所有空气。除气器可包括阀，它在空气被排出蓄集器时开启，当只有蒸汽剩下时关闭。除气器可配置防渗漏功能。

在另一个例子中，抽真空可以去除蓄集器中的任何残余空气。控制器可确保在蒸熏或抽真空阶段容器不开启或漏气。

蒸汽蓄集器可被用于替代水槽或与其一起使用。蒸汽蓄集器提供储存能量的方法，在需要时可释放蒸汽，从而能降低供电功率、燃料和维护费用。蒸汽蓄集是在低需求时利用剩余能量制造蒸汽，在高需求时释放蒸汽以满足用户需求。当来自系统的蒸汽需求低时，蓄集器能够产生多于所需的蒸汽，剩余的能量可放出在压力下储存的水分，导致能量转移。所储存的水能升高温度直到最后实现蓄集器操作压力下的饱和温度。可将容器设置成具有稳定的饱和蒸汽供给。压力下降的越多，所需的容器越小，这样可降低系统成本及提供更大的储存能力。蒸汽蓄集器可在不同温度下应用。例如，蒸汽蓄集器可在木制材料被加热前，在10bar下被加热至180摄氏度。当木制材料被加热，容器内的温度和压力可被降低至80摄氏度和470mbar。热焓差可促进热量传递至木制材料。蒸汽蓄集器的有多款尺寸和设计供选择，可确保获得所需流量速率。蒸汽蓄集器可从例如英国的David Oakland Associates商购。

在一个例子中，蒸汽锅可装载待加热的材料。在下一步骤中，开启真空泵直至达到最少100mbar的真空。然后关闭泵。然后开启水或化学物的供给阀，预定量的液体进入蒸汽锅的液体槽。液体及蒸汽被加热至预定的温度。当木制材料已经在饱和蒸汽中保持一预定的时间后，所述液体从蒸汽锅被泵出至容器中。真空泵然后被再次开启。在预先选定的抽空、冷却和干燥时间后，真空泵可被关闭，周围空气可进入蒸汽锅，然后木制材料可被移去。

处理的有效时间段可为最少20分钟至小于240分钟，允许木制材料达到最少56摄氏度的温度。有效时间段也可为最少60分钟至小于200分钟。有效时间段也可为最少150分钟至小于180分钟。一旦加热，木制材料的温度可保持在约56摄氏度一保持时间。该保持时间可最少30分钟。在有效时间段和保持时间期间，细菌、霉菌、真菌、酵母菌、孢子、昆虫和其它生物有机体可被消除。也可以选择用臭氧处理木制材料。可选择一有效时间段以提供有效分量的臭氧。所述时间段可选择在约3分钟至24小时。可以按所需要的处理效果来重复这些步骤。例如，可增加一蒸熏时间段以减少容器中的空气。美国专利号6,557,267和6,094,840描述了纺织材料蒸熏的重复周期，其在此被引用作为参考。

其它实施例在权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种处理木制材料的方法，其包括施加蒸汽和真空至木制材料一有效时间段，以加热木制材料到至少56摄氏度的温度。

2.在权利要求1所述的方法中，施加蒸汽包括降低容纳所述木制材料的容器中的压力。

3.在权利要求1所述的方法中，木制材料是木板、板条箱、托盘或垫板。

4.在权利要求1所述的方法中，其还包括在容器中在预定温度下加热木制材料一预定时间。

5.在权利要求1所述的方法中，木制材料的温度被保持在56摄氏度一保持时间。

6.在权利要求5所述的方法中，保持时间为至少30分钟。

7.在权利要求1所述的方法中，蒸汽具有小于100摄氏度的温度。

8.在权利要求1所述的方法中，蒸汽具有小于90摄氏度的温度。

9.在权利要求8所述的方法中，蒸汽具有大于60摄氏度的温度。

10.在权利要求1所述的方法中，其还包括在第一温度下加热木制材料第一时间段，和施加蒸汽和真空，其包括在第二温度下加热木制材料，其中第一温度和第二温度相当不同。

11.在权利要求10所述的方法中，第一温度实质上低于第二温度。

12.在权利要求10所述的方法中，有效时间段长于第一时间段相当多。

13.在权利要求1所述的方法中，其还包括施加有效量的臭氧至木制材料。

14.一种制造木材处理系统的方法，其包括获得容器，连接容器至蒸汽发生器，和连接容器至控制器，所述控制器用以控制施加蒸汽和真空至木制材料。

15.在权利要求14所述的方法中，所述控制器可控制降低容器中的压力。

16.在权利要求14所述的方法中，控制器可控制在小于100摄氏度的温度下施加蒸汽。

17.在权利要求14所述的方法中，所述控制器可控制在小于90摄氏度的温度下施加蒸汽。

18.在权利要求16所述的方法中，所述控制器可控制在大于60摄氏度的温度下施加蒸汽。

19.一种木材处理系统，其包括容器和控制器，所述控制器可控制施加蒸汽和真空至木制材料。

20.在权利要求19所述的方法中，所述控制器可控制降低容器中的压力。

21.在权利要求19所述的方法中，所述控制器可控制在小于100摄氏度的温度下施加蒸汽。

22.在权利要求19所述的方法中，所述控制器可控制在小于90摄氏度的温度下施加蒸汽。

23.在权利要求19所述的方法中，所述控制器可控制在大于60摄氏度的温度下施加蒸汽。