CN111015854A - 一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备和方法，处理设备包括真空罐体、真空获取装置、罐内电加热装置、电控柜及控制装置，其特征在于，真空罐体还设置有高压细水雾化增湿装置，真空罐体内电加热装置由若干电加热板组成，使用时，电加热板与待加工木材平行交替地摆放而形成堆垛，堆垛最上层和最下层电加热板均设有隔热层，堆垛顶设有液压加压装置，木材处理方法采用木材处理设备进行木材加工处理，本发明的木材处理设备和方法能实现木材一次性装载，在同一设备内既可以进行木材干燥，木材碳化处理，或者木材干燥—碳化联合处理，能够高效、快速、高品质的实现木材干燥和木材碳化处理。

Description

一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备 和方法

技术领域

本发明涉及的是一种在负压环境下可对木材单独进行干燥或单独碳化，以及干燥和碳化联合处理的方法和设备，属于木材干燥及木材热处理(碳化)改性领域。

背景技术

木材是绿色可再生的生物材料，具有环保及可持续利用的特性，此外，木材还具有美丽的花纹和色泽，强度高、易加工等特性，从古至今被广泛的应用到建筑及室内木制品的生产上。

木材是生物材料，木材中的水分对木材的物理、化学等性质具有明显的影响。湿木材容易产生开裂、变形、腐朽及霉变等问题。因此，用在建筑及木制品上的木材必须经过干燥，使木材含水率降低到与使用环境相对应的平衡含水率，由此木制品在使用过程中才能保证质量，避免开裂或变形。

随着我国及世界各国天然保护林的限伐，人工林的利用日益扩大，而人工速生林具有径级小、幼龄材、生长应力大等缺陷，此外，用于户外及木建筑上的木材要求具有耐候性、耐虫蛀等特性，常规的木材干燥设备和工艺往往不能解决上述这些问题。

木材碳化是解决木材开裂、变形、耐候性及耐虫蛀的有效方法。经碳化处理的木材尺寸稳定性好、木材色泽均匀、吸水性差、隔热性优、木材树脂全部脱除。通过热处理(木材碳化)能大幅度改善木材的理化性能，拓展了木材的使用范围、提高了木材的品质及附加值，使其广泛的应用到室内外的木质品及装修、装饰当中。

木材进行碳化处理时要求的含水率较低，通常在5％左右，因此碳化前木材必须经过干燥处理，否则木材在碳化过程中将严重变形，甚至产生内裂。目前的碳化设备基本上不适合进行前期木材干燥，碳化前需要在其他的干燥设备中进行前期干燥，然后再把材料装运到碳化窑中，操作繁琐、复杂、费工费力，生产效率低下。

发明内容

本发明的第一目的在于提出一种电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备，以实现木材一次性装载，在同一设备内既可以进行木材干燥，木材碳化处理，或者木材干燥—碳化联合处理，能够高效、快速、高品质的实现木材干燥和木材碳化处理。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备，包括真空罐体、真空获取装置、罐内电加热装置、电控柜及控制装置，真空罐体还设置有高压细水雾化增湿装置，真空罐体内电加热装置由若干电加热板组成，使用时，电加热板与待加工木材平行交替地摆放而形成堆垛，堆垛最上层和最下层电加热板均设有隔热层，堆垛顶设有液压加压装置。

本发明可通过如下方案进行改进：

电加热板由散热铝板、耐高温绝缘材料和内导电发热体构成。

真空罐体的一端设置有能打开或关闭的电动移动门；木材处理设备还包括材料装载装置，材料装载装置包括罐内轨道、罐外移动轨道、轨道车和真空吸盘起重装置，真空吸盘起重装置设置于罐外移动轨道的上方，轨道车能连续在罐内轨道和罐外移动轨道上运行。

真空罐体还设置有排水装置，排水装置包括电动排水阀、排水箱和排水管道，排水管道依次连通真空罐体内部、排水箱和电动排水阀。

真空罐体内设置有用以对木材含水率检验板进行实时称重的耐高温称重传感装置；所述真空罐体内设置有温湿度传感装置。

真空罐体还设置有高清窥视装置，高清窥视装置通过视频线连接罐外显示装置。

真空获取装置包括真空泵和冷凝器，真空泵通过管道连接于真空罐体，真空泵和真空罐体之间设置有冷凝器。

本发明的第二目的在于提出一种电热板加热木材干燥—碳化联合处理的方法，以实现木材一次性装载，在同一设备内既可以进行木材干燥，木材碳化处理，或者木材干燥—碳化联合处理，能够高效、快速、高品质的实现木材干燥和木材碳化处理。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的方法，包括如下步骤：

1)、材料装车：将厚度均匀，含水率较高的木材，单层或多层整齐地叠放在轨道车的多层电加热板之间，装载顺序为先在轨道车隔热层上摆放一层电加热板一层木材，以此类推，直达额定堆垛高度，材堆最上层为电加热板和隔热层，材堆装好后按程序把含水率检验板放入真空罐体内的耐高温称重传感装置上并将检验板的两块电加热板电源、温度传感器连线接头分别按序插入真空罐体内的对应插座，完成上述操作后将材堆轨道车推入真空罐体，将堆垛上每块电加热板的电源接头、温度传感器连线接头分别按序插入真空罐体内的对应插座，再通过罐顶液压加压装置把装车后的木材和电加热板压紧，防止木材干燥、热处理时产生变形，最后关闭罐门；

2)、罐体抽真空：关闭真空罐体所有连接阀门，开动真空获取系统，将真空罐体内压力控制在3.4～6.7kPa或100～20Pa之间，通过真空泵抽出真空罐体内部、电加热板与木材之间、及木材内部的空气和氧气，避免木材碳化过程的氧化反应和火灾危险；

3)、木材真空干燥处理：维持真空罐体内压力在6.7kPa附近，开启电加热板加热系统，升温速度控制在4～6℃/h，对木材进行加热，待木材温度升至真空罐体压力对应的沸点后，进行木材真空热板加热干燥；干燥过程控制木材的温度高于真空罐体内压力对应的沸点的3～5℃，使木材内部水分处于沸腾状态，在内外压力差的作用下迁移到木材外部，该状态维持到木材含水率降至纤维饱和点(30％)附近；然后，调整真空罐体内的压力至6.7kPa，电加热板温度控制在40～50℃，加快木材内部结合水的蒸发；当含水率降至20％时，维持真空罐体内压力不变6.7kPa，电加热板的温度控制在45～60℃，直到木材含水率降至10％；含水率10％以下时，维持真空罐体内压力为3.4kPa，控制电加热板的温度在65～75℃之间，提高木材内部结合水的温度和内外环境的压力差，加快结合水的干燥，状态维持到木材含水率降低至5％左右；干燥过程木材内部排出的水分流到真空罐体底部，通过连接管道排到排水箱，排水箱内水达到设定容积后自动开启排水阀排出内部积水；

4)、碳化预热处理：当干燥真空罐体内部木材的含水率降低至3％时，设备进入碳化预热阶段；降低真空罐体内压力至1.0～2.0kPa，开启电加热板电加热，以10～15℃/h对木材进行加热，加热至130℃后保持温度2h；

5)、碳化升温：保持真空罐体压力在1.0～2.0kPa，继续开启电加热板加热木材，升温速度在20～30℃/h，将罐内木材加热至180～240℃；

6)、碳化处理：保持真空罐体压力在1.0～2.0kPa，保持木材温度在设定的碳化温度，碳化时间为3～5h；碳化过程中从木材内部脱除的水分流至真空罐体底部，通过连接管道排到排水箱，排水箱内水达到设定容积后自动开启排水阀排出内部积水；

7)、降温冷却：碳化结束后，停止电加热板加热，把真空罐体内压力调至6.7～13.4kPa，通过加大向真空罐体内喷入高压细水雾化量来降低木材和热处理罐的温度；

8)、木材吸湿回潮处理：当真空罐体内木材的温度降低至130℃时，把真空罐体内压力调至13.4～20.1kPa；当温度降至110℃时，将真空罐体内压力调至26.8～40.2kPa；当温度降至100℃时，将真空罐体内压力调至53.6～60.3kPa，上述调整阶段始终通过高压细水雾化水来让碳化后的木材进行吸湿回潮，恢复常压后继续喷淋高压细水雾化，使木材含水率回升至5-6％左右，温度降低至40℃；

9)、材料卸载：逐渐恢复真空罐体内压力至常压，打开罐门，移动轨道装载车出真空罐体，逐层吊起电加热板，卸载木材。

本发明的设备和方法的优点在于：

1、在同一设备内可以单独进行木材干燥或木材碳化，也可以将湿木材先进行干燥，干燥结束后立即进行碳化处理，一机多用，减少了多次装料、卸料的环节，节约能源，减少干燥和碳化的处理时间，提高设备的效率和利用率，降低企业设备采购成本。

2、罐体内负压条件下氧气含量极低，保证了木材在碳化过程不被氧化和碳化过程的安全防火，另外，低真空有利于控制木材的颜色，保证了碳化过程颜色的均匀一致，碳化均匀，碳化质量优异。

3、能快速升温，电加热板是特殊散热铝板、加耐高温绝缘材料以及特种内导电发热体构成，因而其具有优异的抗震性能、耐电压性能、高热传导率、高抗机械强度等特点，其升温速度快，较以往热油或蒸汽加热快6倍左右，能够实现木材快速升温，加快干燥速度及碳化速度。

4、加热均匀。以往导热油或其他热介质加热发热板时，其入口温度高而出口温度低，导致整个碳化材堆有4～6℃的温差，而由本专利电加热板加热时，全部电加热板同时加热，因而温度均匀，温差小(在±1℃以内)。

5、智能控温。在真空罐体内可对每块电热板板芯温度、每层木材的材芯温度进行检测，能对同一材堆、同一炉次实现定层、定区域不同温度的控制，也就是可以对不同位置、层次每块电加热板的温度同时进行不同温度的分别控制，因此，可以根据碳化需要，在同一设备内同时实现木材不同温度的碳化处理，整个过程由温湿度传感装置和加热装置实现智能控制。

6、本设置可实现连续真空加热板干燥。当设备用作真空干燥时，在电热板加热木材至干燥温度后，能够实现真空条件下木材的连续加热干燥，干燥速度快，干燥温度低，干燥应力及含水率梯度小，干燥质量好。

7、高压细水雾化装置的快速降温和木材调湿处理。通过高压细水雾化装置向罐体内喷入高压细水，能实现木材碳化过程中在罐体内的快速降温，同时能使碳化后期的木材吸湿回潮。此外，通过高压细水雾使木材在周期性高湿度条件下进行碳化，可以稳定木材最终碳化效果有效避免其尺寸的变化和回弹。

8、设备绿色环保、热效率高。本设备在负压条件下进行碳化，因真空罐体内是真空状态，因而有效避免热传导，电加热板的热量绝大部分被木材吸收，与现有的其他方法相比较热损失极小，热效率极高，同时木材碳化过程中产生的各种挥发性气体在抽真空过程中被冷凝和收集，未向大气中排放，故本设备是绿色环保处理设备。

9、干燥及碳化过程含水率自动在线检测。处理设备内置耐高温称重传感装置，在木材干燥及高温碳化过程可以实时检测含水率检验板的重量及含水率变化情况，能够及时的调节工艺参数，实现最优化的木材干燥及碳化处理。

10、木材颜色及表面质量在线观测及样板比对。通过高清窥视镜和显示器可实时在线观测比对木材的颜色变化及表面的变形和开裂，为木材干燥及碳化处理提供有效的直接参考依据。

附图说明

图1是实施例中木材处理设备的侧视结构示意图。

图2是实施例中真空罐体的剖面结构示意图。

附图标记：1、电动移动门；2、真空罐体；3、液压加压装置；4、电加热板；5、待加工木材；6、进气阀；7、吊装机；8、真空吸盘；9、高清窥视装置；10、罐外移动轨道；11、电动排水阀；12、液位计；13、排水箱；14、进水阀；15、冷凝器；16、真空泵；17、罐内轨道；18、轨道车、19、吸盘真空泵；20、温湿度传感装置；21、电控柜；22、耐高温称重传感装置；23、高压细水雾化增湿装置。

具体实施方式

如附图1和附图2所示，一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备包括真空罐体2、真空获取装置、罐内电加热装置、电控柜21及控制装置，真空罐体2还设置有高压细水雾化增湿装置23。

真空罐体2内电加热装置由若干电加热板4组成，电加热板4由散热铝板、耐高温绝缘材料和内导电发热体构成。使用时，电加热板4与待加工木材5平行交替地摆放而形成堆垛，堆垛最上层和最下层电加热板4均设有隔热层，堆垛顶设有液压加压装置3。

真空罐体2的一端设置有能打开或关闭的电动移动门1；木材处理设备还包括材料装载装置，材料装载装置包括罐内轨道17、罐外移动轨道10、轨道车18和真空吸盘起重装置，真空吸盘起重装置设置于罐外移动轨道10的上方，轨道车18能连续在罐内轨道17和罐外移动轨道10上运行。

真空吸盘起重装置包括吊装机7、吸盘真空泵19和真空吸盘8。

真空罐体2还设置有排水装置，排水装置包括电动排水阀11、排水箱13和排水管道，排水管道依次连通真空罐体2内部、排水箱13和电动排水阀11。排水管道连设置有进水阀14，排水箱13设置有液位计12。

真空罐体2内设置有用以对木材含水率检验板进行实时称重的耐高温称重传感装置22；所述真空罐体2内设置有温湿度传感装置20。

真空罐体2还设置有高清窥视装置9，高清窥视装置9通过视频线连接罐外显示装置。

真空获取装置包括真空泵16和冷凝器15，真空泵16通过管道连接于真空罐体2，真空泵16和真空罐体2之间设置有冷凝器15。

真空罐体2还设置有用泄压用的进气阀6。

采用上述所述的电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备处理木材的处理方法，包括如下步骤：

1)、材料装车：将厚度均匀，含水率较高的木材，单层或多层整齐地叠放在轨道车18的多层电加热板4之间，装载顺序为先在轨道车18隔热层上摆放一层电加热板4一层木材，以此类推，直达额定堆垛高度，材堆最上层为电加热板4和隔热层，材堆装好后按程序把含水率检验板放入真空罐体2内的耐高温称重传感装置22上并将含水率检验板的两块电加热板4电源、温度传感器连线接头分别按序插入真空罐体内的对应插座。完成上述操作后将材堆轨道车18推入真空罐体2，将堆垛上每块电加热板4的电源接头、温湿度传感器连线接头分别按序插入真空罐体2内的对应插座，再通过液压加压装置3把装车后的木材和电加热板4压紧，防止木材热处理时产生变形，最后关闭电动移动门1；

2)、罐体抽真空：关闭真空罐体2所有连接阀门，开动真空获取装置，将真空罐体2内压力控制在3.4～6.7kPa或100～20Pa之间，通过真空泵16抽出真空罐体2内部、电加热板4与木材之间、及木材内部的空气和氧气，避免木材碳化过程的氧化反应和火灾危险；

3)、木材真空干燥处理：维持真空罐体2内压力在6.7kPa附近，开启电加热加热系统，升温速度控制在4～6℃/h，对木材进行加热，待木材温度升至真空罐体2压力对应的沸点后，进行木材真空热板加热干燥；干燥过程控制木材的温度高于真空罐体2内压力对应的沸点的3～5℃，使木材内部水分处于沸腾状态，在内外压力差的作用下迁移到木材外部，该状态维持到木材含水率降至纤维饱和点(30％)附近；然后，调整真空罐体2内的压力至6.7kPa，电加热板4温度控制在40～50℃，加快木材内部结合水的蒸发；当含水率降至20％时，维持真空罐体2内压力不变6.7kPa，电加热板4的温度控制在45～60℃，直到木材含水率降至10％；含水率10％以下时，维持真空罐体2内压力为3.4kPa，控制电加热板4的温度在65～75℃之间，提高木材内部结合水的温度和内外环境的压力差，加快结合水的干燥，状态维持到木材含水率降低至5％左右；干燥过程木材内部排出的水分流到真空罐体2底部，通过连接管道排到排水箱13，排水箱13内水达到设定容积后自动开启排水阀排出内部水；

4)、碳化预热处理：当干燥真空罐体2内部木材的含水率降低至3％时，设备进入碳化预热阶段；降低真空罐体2内压力至1.0～2.0kPa，开启电加热板4电加热，以10～15℃/h对木材进行加热，加热至130℃后保持温度2h；

5)、碳化升温：保持真空罐体2压力在1.0～2.0kPa，继续开启电加热板4加热木材，升温速度在20～30℃/h，将罐内木材加热至180～240℃；

6)、碳化处理：保持真空罐体2压力在1.0～2.0kPa，保持木材温度在设定的碳化温度，碳化时间为3～5h；碳化过程中从木材内部脱除的水分流至真空罐体2底部，通过连接管道排到排水箱13，排水箱13内水达到设定容积后自动开启电动排水阀11排出内部水；

7)、降温冷却：碳化结束后，停止电加热板4加热，把真空罐体2内压力调至6.7～13.4kPa，通过高压细水雾化增湿装置23加大向真空罐体2内喷入高压细水雾化量来降低木材和热处理罐的温度；

8)、木材吸湿回潮处理：当真空罐体2内木材的温度降低至130℃时，把真空罐体2内压力调至13.4～20.1kPa；当温度降至110℃时，将真空罐体2内压力调至26.8～40.2kPa；当温度降至100℃时，将真空罐体2内压力调至53.6～60.3kPa，上述调整阶段始终通过高压细水雾化水来让碳化后的木材进行吸湿回潮，恢复常压后继续通过高压细水雾化增湿装置23喷淋高压细水雾化，使木材含水率回升至5-6％左右，温度降低至40℃；

9)、材料卸载：逐渐恢复真空罐体2内压力至常压，打开电动移动门1，移动轨道装载车(轨道车18)出真空罐体2，逐层吊起电加热板4，卸载木材。

上述实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备，包括真空罐体、真空获取装置、罐内电加热装置、电控柜及控制装置，其特征在于，真空罐体还设置有高压细水雾化增湿装置，真空罐体内电加热装置由若干电加热板组成，使用时，电加热板与待加工木材平行交替地摆放而形成堆垛，堆垛最上层和最下层电加热板均设有隔热层，堆垛顶设有液压加压装置。

2.根据权利要求1所述的一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备，其特征在于，电加热板由散热铝板、耐高温绝缘材料和内导电发热体构成。

3.根据权利要求1所述的一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备，其特征在于，真空罐体的一端设置有能打开或关闭的电动移动门；木材处理设备还包括材料装载装置，材料装载装置包括罐内轨道、罐外移动轨道、轨道车和真空吸盘起重装置，真空吸盘起重装置设置于罐外移动轨道的上方，轨道车能连续在罐内轨道和罐外移动轨道上运行。

4.根据权利要求1所述的一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备，其特征在于，真空罐体还设置有排水装置，排水装置包括电动排水阀、排水箱和排水管道，排水管道依次连通真空罐体内部、排水箱和电动排水阀。

5.根据权利要求1所述的一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的设备，其特征在于，真空罐体内设置有用以对木材含水率检验板进行实时称重的耐高温称重传感装置；所述真空罐体内设置有温湿度传感装置。

6.一种负压环境下电热板加热木材干燥—碳化联合处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、材料装车：将厚度均匀，含水率较高的木材，单层或多层整齐地叠放在轨道车的多层电加热板之间，装载顺序为先在轨道车隔热层上摆放一层电加热板一层木材，以此类推，直达额定堆垛高度，材堆最上层为电加热板和隔热层，材堆装好后按程序把含水率检验板放入真空罐体内的耐高温称重传感装置上并将检验板的两块电加热板电源、温度传感器连线接头分别按序插入真空罐体内的对应插座，完成上述操作后将材堆轨道车推入真空罐体，将堆垛上每块电加热板的电源接头、温度传感器连线接头分别按序插入真空罐体内的对应插座，再通过罐顶液压加压装置把装车后的木材和电加热板压紧，防止木材干燥、热处理时产生变形，最后关闭罐门；

2)、罐体抽真空：关闭真空罐体所有连接阀门，开动真空获取装置，将真空罐体内压力控制在3.4～6.7kPa或100～20Pa之间，通过真空泵抽出真空罐体内部、电加热板与木材之间、及木材内部的空气和氧气，避免木材碳化过程的氧化反应和火灾危险；

3)、木材真空干燥处理：维持真空罐体内压力在6.7kPa附近，开启电热板加热系统，升温速度控制在4～6℃/h，对木材进行加热，待木材温度升至真空罐体压力对应的沸点后，进行木材真空热板加热干燥；干燥过程控制木材的温度高于真空罐体内压力对应的沸点的3～5℃，使木材内部水分处于沸腾状态，在内外压力差的作用下迁移到木材外部，该状态维持到木材含水率降至纤维饱和点(30％)附近；然后，调整真空罐体内的压力至6.7kPa，电加热板温度控制在40～50℃，加快木材内部结合水的蒸发；当含水率降至20％时，维持真空罐体内压力不变6.7kPa，电加热板的温度控制在45～60℃，直到木材含水率降至10％；含水率10％以下时，维持真空罐体内压力为3.4kPa，控制电加热板的温度在65～75℃之间，提高木材内部结合水的温度和内外环境的压力差，加快结合水的干燥，状态维持到木材含水率降低至5％左右；干燥过程木材内部排出的水分流到真空罐体底部，通过连接管道排到排水箱，排水箱内水达到设定容积后自动开启排水阀排出内部积水；

4)、碳化预热处理：当干燥真空罐体内部木材的含水率降低至3％时，设备进入碳化预热阶段；降低真空罐体内压力至1.0～2.0kPa，开启电加热板电加热，以10～15℃/h对木材进行加热，加热至130℃后保持温度2h；

5)、碳化升温：保持真空罐体压力在1.0～2.0kPa，继续开启电加热板加热木材，升温速度在20～30℃/h，将罐内木材加热至180～240℃；

6)、碳化处理：保持真空罐体压力在1.0～2.0kPa，保持木材温度在设定的碳化温度，碳化时间为3～5h；碳化过程中从木材内部脱除的水分流至真空罐体底部，通过连接管道排到排水箱，排水箱内水达到设定容积后自动开启排水阀排出内部积水；

7)、降温冷却：碳化结束后，停止电加热板加热，把真空罐体内压力调至6.7～13.4kPa，通过加大向真空罐体内喷入高压细水雾化量来降低木材和热处理罐的温度；

8)、木材吸湿回潮处理：当真空罐体内木材的温度降低至130℃时，把真空罐体内压力调至13.4～20.1kPa；当温度降至110℃时，将真空罐体内压力调至26.8～40.2kPa；当温度降至100℃时，将真空罐体内压力调至53.6～60.3kPa，上述调整阶段始终通过高压细水雾化水来让碳化后的木材进行吸湿回潮，恢复常压后继续喷淋高压细水雾化，使木材含水率回升至5-6％左右，温度降低至40℃；

9)、材料卸载：逐渐恢复真空罐体内压力至常压，打开罐门，拔掉热板电源及温度测试装置快接插头，移动轨道装载车出真空罐体，逐层吊起电加热板，卸载木材。

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