CN111216208A - 一种木材碳化处理方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种木材碳化处理方法，步骤为：（1）将木材码垛在碳化箱内进行平衡含水率处理，碳化箱内的温度60‑120℃、湿度100%RH，作业时间96小时，温度分阶段上升；（2）将木材进行干燥处理，碳化箱内的温度100‑120℃、湿度100‑20%RH，湿度梯度递减，作业时间72小时；（3）将木材进行碳化处理，将碳化箱内温度从120℃提升至碳化温度190‑220℃，每2小时提升10℃；碳化速度10mm/小时；（4）碳化处理完成后，通过加入蒸汽增湿使碳化箱内环境温度从150℃以上，逐渐下降至60℃；待碳化箱温度接近室外温度时，取出木材即可。本方法采用调整温湿气流中热风和水蒸汽的比例，达到木材热改性的目的。

Description

一种木材碳化处理方法及设备

技术领域

本发明涉及木材热改性处理的技术领域，具体是一种木材碳化处理方法及采用的设备。

背景技术

木材主要由纤维素、半纤维素组成，纤维素在木材细胞壁中起骨架作用，其化学性质和超分子结构对木材的强度有重要影响。纤维素中的羟基和水分子也可形成氢键，不同部位的羟基之间存在的氢键直接影响着木材的吸湿和解吸过程。大量的氢键可以提高木材的强度，减少吸湿性，降低化学反应性等，且纤维素的吸湿性直接影响到限位的尺寸稳定性和强度。木材经过碳化工艺后，使羟基的浓度减少，化学结构发生复杂的变化，从而使木材的吸湿性降低，尺寸稳定性提高。半纤维素是细胞壁中与细胞膜紧密联结的物质，起粘结作用，是基体物质，半纤维素吸湿性强、耐热性差、容易水解，在外界条件作用下易于发生变化，是木材中吸湿性最大的组分，是使木材产生吸湿膨胀、变形开裂的因素之一。

为延长木制品的使用寿命，减缓自然资源消耗，保护生态环境，将木材人为改性，克服木制品使用中存在的不耐久、易变形等不足是木业中的技术热点。不久前出现的将木材碳化处理的办法，在增加木材的抗冲击、抗弯曲、抗变形性能及防腐、防蛀等方面都产生了有益的效果。碳化木是指在高温环境中对木材进行同质碳化处理后得到的木材，经碳化处理后的木材除表面美观外，还具有防腐及抗生物侵袭，耐高温的优点，并且由于其具有含水率低、不易吸水、材质稳定、不变形、完全脱脂不溢脂、隔热性能好、无特殊气味等特点，是理想的家具及室内外装修材料。

然而目前公开的木材碳化技术，大多只能使木材的表面碳化，无法深层次的对木材进行碳化，使得木材使用时间长后，就会膨胀或变形开裂；即使能深层次的对木材进行碳化碳化的也不均匀，碳化效果差，且能耗高。

发明内容

本发明的目的是提供一种木材碳化处理方法及采用的设备，该方法采用调整温湿气流中热风和水蒸汽的比例，对木材进行热改性，碳化效果好，且能很好实现木材深度烘干碳化处理。

为了实现本发明的目的，所采取的技术方案为：

一种木材碳化处理方法，其包括以下步骤：

（1）将木材码垛在碳化处理装置的碳化箱内进行平衡含水率处理，利用碳化处理装置的反烧式燃烧装置提供热风和蒸汽，保证碳化箱内的温度60-120℃、湿度100%RH，作业时间96小时，0-24小时60℃，24-48小时80℃，48-72小时100℃，72-96小时120℃。平衡含水率阶段是干燥工艺过程的第一个阶段，开始时材堆是冷的，每块木材的含水率也不一定相同。平衡含水率阶段是为下一步的干燥阶段对材堆进行含水率平衡，使室内所有厚度不同含水率的木材在室内的环境中逐渐达到一样状态。这一阶段的目的是将材堆蒸热，湿透，所谓“蒸”是在60-120℃的温度下，平衡含水率17-100%的室内环境中，连续对材堆加热一室时间，温度、湿度和时间长短参数与树种、板厚、初含水率有关。这一阶段的特点是需要大量的蒸汽，蒸汽发生器的控制阀几乎完全开启，一定温度高湿度的空气使木材的温度和湿度逐渐升高。这时不同梯度控制，是使室内的平衡含水率保持一定值（在1%-100%）在一定时间后，使木材内部的温度与外部的空气温度相同，使木材内部的纤维管在外来水蒸汽的作用下疏通膨胀。这期间的木材内部的含水率梯度方向与干燥时刚好相反。是外层含水率高，内部含水率低，水往木材内部里去，进去的水分同时也稀释了木材内的木浆，为下一阶段对木材干燥创造提供有利条件。

（2）对平衡含水率处理后的木材进行干燥处理，利用碳化处理装置的反烧式燃烧装置提供热风和蒸汽，保证碳化箱内的温度100-120℃、湿度100-20%RH，湿度梯度递减，作业时间约72小时。干燥阶段主要利用降低室内环境含水率和维持室内温度来实现梯度控制。在平衡含水率阶段蒸熟湿透的材堆在此一开始，木材表面的水去得很快，控制木材梯度，不使表面干得太快，如果表面干得太快，则表层的纤维管收缩堵死，使木材内部的水分再也出不出，导致木材开裂或变形。

这一阶段的特点是，只需要很小的热源补充，主要是由于排潮造成的热损耗。室内物体的保温性能越好，这阶段消耗的热量就越小，随着木材含水率的下降，温度逐渐升高，逐渐增加干燥势。

木材含水率在干燥初期下降转快，这是表面自来水和粗纤维管内的水较容易出来，后期的细纤维管的水分相对不容易出来，木材含水率在中后期下降较慢，这期间也是干燥工艺最关键最细腻的时期。这期间，严格控制室内环境平衡含水率，保证室内一定的相对湿度，利用毛细管的吸附作用，将毛细管中的水分吸引出来。随着木材含水率的下降，需相应增加干燥势，随着干燥后期温度逐渐升高，木材已慢慢开始过度进入碳化阶段。

（3）将干燥处理后的木材进行碳化处理，干燥阶段结束后，将碳化箱内温度从120℃提升至碳化温度190-220℃，每2小时提升10℃；进入碳化温度时，严格控制碳化时间，按板材厚度计算，碳化速度10mm/小时。碳化阶段木材的含水率已经接近木材的终含水率，此时主要是维持一定的室内环境含水率和温度来实现木材的热改性处理。木材是由半纤维素、纤维素、木素和少量抽提物组成，这四种分子化合物在高温高湿环境（65-220℃）下会进行蒸解、热解、挥发、固化、碳化，从而实现热改性。

半纤维素的耐热性能很差，在高温高湿环境作用下，它首先降解，部分随着水蒸气进行蒸解，其余部分生成游离醋酸停留木材纤维管中，作为一种催化剂，又加速纤维素水解成糖类。木材加热时，大多数木素和抽提物挥发，当温度达到150℃以上时，纤维素会进一步进行热分解，少部分来不及分解和挥发的纤维素、木素、抽提物被固化和炭化，碳化处理根据深度不同，可通过调节室内温度（150-220℃）实现。

因此，经过碳化处理的木材：木材中半纤维素的含显著减少，木材的吸湿性降低，木材的尺寸稳定性提高。此外，随游离醋酸的生成，又使腐朽真菌所需食物显著减少，从食物链上抑制了腐朽真菌的生长，从而提高木材的耐腐性能；木材中纤维素是以结晶区和无定形区共存的长分子链结构。纤维素吸湿性的大小，取决于无定形区的大小及游离羟基的数量。木材加热时，随着游离醋酸的生成，降解了无定形区中纤维素的微纤丝，使无定形区减少，使纤维素的结晶度和晶体尺寸增大，从而又降低木材的吸湿性，增加了木材尺寸的稳定性；木材中含有少量的抽提物是低分子物质，有树脂酸、萜类化合物、脂肪、树蜡、单宁、酚类化合等。木材加热时，大多数抽提物挥发，也使腐朽真菌赖以生存的食物减少，从而提高了木材的耐腐性；④此外，在碳化高温条件下，随着树脂等化合物的挥发，还有部分来不及挥的树脂、油指已被固化和碳化，提高了木材的硬度，从而改善了木材的砂光、打磨、油漆和胶合的加工工艺性能。

（4）碳化处理完成后，将碳化处理装置的热风炉引风机停机，热风炉停止加热，碳化箱的循环风机持续工作，通过加入蒸汽增湿使碳化箱内环境温度从150℃以上，逐渐下降至60℃；此时关闭碳化箱循环风机，待碳化箱温度接近室外温度时，可将碳化箱打开，将木材取出，即可完成木材碳化。木材导热系数小，木材内部的热量不容易散发出来，表面冷却太快，会由于热胀冷缩致使木材燥裂，逐渐降温冷却以适应环境。

所述的碳化处理采用的设备包括反烧式燃烧装置和碳化箱，反烧式燃烧装置为碳化箱提供热风和蒸汽，保证碳化箱内的温度和湿度在设定范围内。

优选的：所述的反烧式燃烧装置，包括炉体和炉排，炉排设置在炉体的内下部，将炉体的内部分为炉膛和集灰室；炉体上设置有炉门和清渣口；炉体的内上部设置有隔板，隔板将炉体的内顶部隔成换热室；反烧式燃烧装置还包括二次燃烧室，二次燃烧室的下部通过过火口与集灰室连通，二次燃烧室的上部通过过烟口与分烟室连通；炉膛的上部设置有一次进氧口，二次燃烧室的下部设置有二次进氧口；分烟室的下部设置有热交换腔，热交换腔下部设置有下烟室，热交换腔的上部一侧还设置有集烟室，分烟室和集烟室分别通过热交换腔内的多根热交换管与下烟室连通；集烟室设置有排烟口；热交换腔靠近排烟口一端设置有出风口管，另一端通过气道与换热室连通，换热室设置有进风口管；所述的炉体的外周设置有水箱夹层，后侧设置有蒸汽收集箱，蒸汽收集箱设置有蒸汽出口管；所述的炉排为能通入水的管制炉排，炉排与蒸汽收集箱连通；所述的蒸汽收集箱通过蒸汽调节阀和进气歧管与气道连通，且进气歧管的出汽口朝向热交换腔；出风口管为碳化箱提供蒸汽和热风。

优选的：所述的炉排由若干根纵向换热管组成，纵向换热管两端穿过炉体且呈倾斜角度5-10°固定在炉体内；纵向换热管的低端连通有横向分水管，高端连通有横向集汽管；横向集汽管通过导汽管与蒸汽收集箱的下部连通。横向分水管还设置有排污口。纵向换热管安装的倾斜角度利于炉排内产生的蒸汽自动往上移动且有利于后期炉排内部水分的排除。燃料在燃烧过程中会加热纵向换热管，通过热传递加热纵向换热管的水，产生蒸汽通过蒸汽收集箱收集，然后与热风输送到碳化箱内。炉排根据产汽量的需求可设置单层炉排和双层炉排；设置双层炉排即纵向换热管设置两组，上下各一组，两组纵向换热管的低端分别与一根横向分水管连通，两根横向分水管也相互连通，高端分别与一根横向集汽管连通，两根横向集汽管也相互连通。

优选的：燃料生物质燃料从炉门进入炉膛内，在引风机负压作用下，使燃料生物质燃料下方相对于燃料生物质燃料上方保持一定负压，进气口位于炉膛上侧高于炉门，空气从燃料生物质燃料上方进入，在炉排组件的支撑下，燃料生物质燃料在炉排组件上方的上燃烧室炉膛内进行燃烧，形成反烧；在燃烧过程中，没有燃烧完全的燃料生物质燃料以及燃烧过程中产生的灼热的炭在重力的作用下进入下燃烧室集灰室继续燃烧，燃烧过程中炉膛内产生的烟气包含气化的可燃气体与微颗粒物在引风机的负压作用下，进入下燃烧室集灰室继续部分燃烧；在负压作用下，在第一燃烧区炉膛和集灰室未燃烧的可燃气体与未完全燃烧的烟气微颗粒在负压作用下进入二次燃烧室，在给二次燃烧室提供少量空气，使未能完全燃烧的燃烧挥发物、焦油等燃烧产物得以在含氧量较充足的烟气中继续燃烧，有效提高生物质燃烧效率，达到节能减排的目的；燃料产生的可燃气体与有害气体经二次高温燃烧，得以充分燃烧，不冒黑烟，烟气排放符合环保要求。与传统热风炉相比，热转换效率提高25%以上，燃料节省20%以上。碳化箱排出的湿度较高的温湿气流在循环风机作用下，经过进风口管进入换热室内部，在换热室中进行除湿与预升温处理，形成湿度较低状态的热风气流，再进入气道，此时，根据烘干碳化阶段的工艺要求，通过调节蒸汽调节阀的阀门开启量进行控制，输出适量的水蒸汽，通过进汽歧管进入气道与热风气流进行比例混合，形成温湿气流，再进入热交换腔中进行二次加热处理，在循环风机的作用下，被再次送入碳化箱中，与木材再次接触，进行热交换，往复循环，直至达到木材烘干碳化的含水率条件。

优选的：所述的排烟口通过烟气管连接有引风机，烟气管上安装有水冷器；引风机还通过管道连接有旋风除尘装置；所述的蒸汽出口管连接有蒸汽散热器，蒸汽散热器通过管路连接有冷凝水收集箱，冷凝水收集箱又通过水管和水泵与水冷器连通，水冷器通过水管与蒸汽收集箱连通；蒸汽进入到蒸汽散热器后冷凝产生的冷凝水进入到冷凝水收集箱中，冷凝水冷却烟气被预热后输送到蒸汽收集箱内，实现循环利用。

优选的：所述的旋风除尘装置的尾气管外部包围有水箱，所述水箱设置为环抱式水箱，环抱式水箱环抱安装在排烟管外壁，利用烟气温度进行预加热，提高热交换效率；水箱也通过水管和水泵与水冷器连通；水箱还通过水管和水泵与炉体外周的水箱夹层连通。实验发现，水箱吸收烟气余热进行加热，水温可达80－100℃，当炉壁、水冷器中需要进行补水时，通过第一水泵从水箱中加入，补进去的是热水，减少直接加冷水而导致反烧炉体温度突然下降，水对蒸汽压力突然下降的影响，从而保证反烧炉体内部温度和蒸汽压力的稳定，保证温湿气流的持续稳定发生。

优选的：所述的碳化箱包括碳化箱体，所述的碳化箱体的后侧上设置有能取放木材的密封门；碳化箱体内左右两侧都均布安装有风管组，风管组由多根相互连通的横回风支管和竖回风支管组成；横回风支管和竖回风支管上都均布设置有风孔；左风管组连通有回风管，右风管组连通有导风管；回风管和导风管上都安装有三通管；回风管上的三通管和导风管上的三通管分别连接回风三通管，回风管上的三通管和导风管上的三通管还分别连接进风三通管；回风三通管通过循环风机连接有挥发性有机物收集装置，挥发性有机物收集装置与进风口管连通；进风三通管与出风口管连通；回风三通管和进风三通管管上安装有相应的阀门；碳化箱体的左右两侧分别安装有排潮风扇；碳化箱体内还安装有温湿度传感器。

优选的：所述的挥发性有机物收集装置包括筒体，所述的筒体呈中空的圆筒状，其顶部密封，底部呈倒锥状且安装有集液过滤装置；筒体内上部倾斜设置有换向板，换向板高侧下部的筒体上设置有气流进口，气流进口下部的筒体设置有蒸汽喷口；换向板低侧上部的筒体上设置有气流出口；筒体内竖向安装有旋螺换向管，旋螺换向管的外侧通过螺旋板与筒体内壁连接；旋螺换向管底端的筒体上安置有分液板；换向板低侧的筒体上从上往下设置有导液管，导液管的顶端低于气流出口，导液管的底端高于分液板。气流进口与循环风机出风口连接，气流出口与进风口管连接；气流向下进入筒体内与蒸汽喷口的蒸汽再次混合，在分液板的阻挡与气流运动下，向上穿过旋螺换向管，从气流出口流出，再回到进风口管中。挥发性有机物在与饱和蒸汽充分混合后，会形成密度差，混合气流以一定速度运动时，在螺旋离心力的作用下产生分离，挥发性有机物会流入集液过滤装置，在不断循环过程中，从而完成对挥发性有机物的分离回收。木材烘干过程产生的有机物在挥发性有机物收集装置进行溶解沉降，并流入集液过滤装置中进行过滤收集，避免温湿气流随循环使用次数增加，气流中有机物浓度增大的现象。

碳化处理装置还设置有控制系统、温湿度及含水率检测系统、火苗探测及安全保护系统和互联网远程控制系统；其具体为，控制系统包括引风机、水泵和水位计；通过对引风机转速的控制，进行温度控制及反烧装置的运行，根据水位计的水位位置指示，控制水泵的自动加水量，作为控制系统中的主动安全保护措施手段之一。

温湿度及含水率检测系统包括温度传感器和湿度传感器，温度传感器设置在出风口管，以及在烘干碳化窑内的横向与纵向的上中下位置各监测点分别安装，一方面显示温度，另一方面还起到安全预警工作，当某个点的温度超过出风口管温度时，发出预警与故障警报；湿度传感器分别安装在出风口管和进风口管，通过出风口管和进风口管的湿度值的比较与计算，实时监测木材的脱水速度与含水率，通过木材含水率的监测与阶段性的烘干碳化工艺要求（即湿度的要求），对出风口管的温湿气流的湿度进行随动控制；含水率检测通过在碳化箱中设置2处平衡含水率探头进行实时检测，木材含率通过在木材中设置6处木材含率探针进行实时检测。

火苗探测及安全保护系统主要是用于控制反烧炉体本身的安全保护，如水位、压力安全阀；电路电气的安全保护，如电机、阀门等电气执行元件的故障预警警报；烘干碳化窑，仅包括木材碳化的作业阶段，通过红外火星烟雾探测、窑内温度监测点的温度监测、窑内含氧量监测等监测手段，预防高温有氧自燃，当含氧量超标，惰性气体系统启动，加入惰性气体及增加蒸汽量，此时停机检查烘干碳化窑的气密性，预防自燃，直至故障排除再系统运行；如出现火星烟雾或探测温度超过进风口温度，三种状态之一，立即系统停机，启动消防系统，消防喷淋装置自动打开；物联网远程控制系统，通过远程控制木材热改性的设备的启动。

本木材碳化处理方法及设备的优点：

1、本木材碳化处理整个工艺分平衡含水率、干燥、碳化和冷却四个阶段，采用调整温湿气流中热风和水蒸汽的比例，对木材进行热改性，碳化效果好，木材端口不易出现裂纹，木材内外含水量较均匀，能实现木材深度烘干碳化。

2、本木材碳化处理过程采用反烧式燃烧装置为碳化箱提供热风和蒸汽，反烧式燃烧装置的燃料燃烧充分，热效能高，减少污染物的排放，反烧式燃烧装置提供稳定的汽源和压力，保证温湿气流的持续发生，保证碳化箱内的温度和湿度在设定范围内。

附图说明

图1是采用的碳化处理装置的结构示意图；

图2是图1中反烧式燃烧装置的结构示意图；

图3是图2中剖面示意图；

图4是图1中碳化箱的结构示意图；

图5是图4的横向截面图；

图6是图4的竖向截面图；

图7是图1中挥发性有机物收集装置的结构示意图；

图8是反烧式燃烧装置的炉排的结构示意图；

图中序号的部件名称为：

1、反烧式燃烧装置，2、一次进氧口，3、蒸汽散热器，4、蒸汽收集箱，5、蒸汽出口管，6、进风口管，7、挥发性有机物收集装置，8、循环风机，9、回风三通管，10、三通管，11、回风管，12、碳化箱，13、导风管，14、进风三通管，15、水管，16、出风口管，17、水泵，18、旋风除尘装置，19、引风机，20、水冷器，21、排烟口，22、热交换腔，23、气道，24、冷凝水收集箱，25、二次燃烧室，26、二次进氧口，27、进气歧管，28、蒸汽调节阀，29、炉门，30、换热室，31、分烟室，32、集烟室，33、下烟室，34、热交换管，35、过火口，36、集灰室，37、清渣口，38、炉排，39、炉膛，40、隔板，41、碳化箱体，42、密封门，43、风孔，44、横回风支管，45、竖回风支管，46、排潮风扇，47、温湿度传感器，48、气流进口，49、筒体，50、换向板，51、气流出口，52、导液管，53、旋螺换向管，54、分液板，55、集液过滤装置，56、蒸汽喷口。

具体实施方式

为了使本申请的技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例和附图，对本木材碳化处理方法的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

采用以下步骤即可完成木材碳化：

（1）将木材码垛在碳化箱内进行平衡含水率处理，碳化箱内的温度60-120℃、湿度100%RH，作业时间96小时，0-24小时60℃，24-48小时80℃，48-72小时100℃，72-96小时120℃。

（2）对平衡含水率处理后的木材进行干燥处理，保证碳化箱内的温度100-120℃、湿度100-20%RH，湿度梯度递减，作业时间约72小时。

（3）将干燥处理后的木材进行碳化处理，干燥阶段结束后，将碳化箱内温度从120℃提升至碳化温度190-220℃，每2小时提升10℃；进入碳化温度时，严格控制碳化时间，按板材厚度计算，碳化速度10mm/小时。

（4）碳化处理完成后，碳化箱的循环风机持续工作，通过加入蒸汽增湿使碳化箱内环境温度从150℃以上，逐渐下降至60℃；此时关闭碳化箱循环风机，待碳化箱温度接近室外温度时，可将碳化箱打开，将木材取出，即可完成木材碳化。

实施例2

采用以下步骤即可完成木材碳化：

（1）将木材码垛在碳化处理装置的碳化箱内进行平衡含水率处理，利用碳化处理装置的反烧式燃烧装置提供热风和蒸汽，保证碳化箱内的温度60-120℃、湿度100%RH，作业时间96小时，0-24小时60℃，24-48小时80℃，48-72小时100℃，72-96小时120℃。

（2）对平衡含水率处理后的木材进行干燥处理，利用碳化处理装置的反烧式燃烧装置提供热风和蒸汽，保证碳化箱内的温度100-120℃、湿度100-20%RH，湿度梯度递减，作业时间约72小时。

（3）将干燥处理后的木材进行碳化处理，干燥阶段结束后，将碳化箱内温度从120℃提升至碳化温度190-220℃，每2小时提升10℃；进入碳化温度时，严格控制碳化时间，按板材厚度计算，碳化速度10mm/小时。

（4）碳化处理完成后，将碳化处理装置的热风炉引风机停机，热风炉停止加热，碳化箱的循环风机持续工作，通过加入蒸汽增湿使碳化箱内环境温度从150℃以上，逐渐下降至60℃；此时关闭碳化箱循环风机，待碳化箱温度接近室外温度时，可将碳化箱打开，将木材取出，即可完成木材碳化。

所述的碳化处理装置包括反烧式燃烧装置1和碳化箱12，反烧式燃烧装置1为碳化箱12提供热风和蒸汽，保证碳化箱12内的温度和湿度在设定范围内。

所述的反烧式燃烧装置1，包括炉体和炉排38，炉排38设置在炉体的内下部，将炉体的内部分为炉膛39和集灰室36；炉体上设置有炉门29和清渣口37；炉体的内上部设置有隔板40，隔板40将炉体的内顶部隔成换热室30；反烧式燃烧装置1还包括二次燃烧室25，二次燃烧室25的下部通过过火口35与集灰室36连通，二次燃烧室25的上部通过过烟口与分烟室31连通；炉膛39的上部设置有一次进氧口2，二次燃烧室25的下部设置有二次进氧口26；分烟室31的下部设置有热交换腔22，热交换腔22下部设置有下烟室33，热交换腔22的上部一侧还设置有集烟室32，分烟室31和集烟室32分别通过热交换腔22内的多根热交换管34与下烟室33连通；集烟室32设置有排烟口21；热交换腔22靠近排烟口21一端设置有出风口管16，另一端通过气道23与换热室30连通，换热室30设置有进风口管6；所述的炉体的外周设置有水箱夹层，后侧设置有蒸汽收集箱4，蒸汽收集箱4设置有蒸汽出口管5；所述的炉排38为能通入水的管制炉排，炉排38与蒸汽收集箱4连通；所述的蒸汽收集箱4通过蒸汽调节阀34和进气歧管35与气道23连通，且进气歧管35的出汽口朝向热交换腔22；出风口管16为碳化箱12提供蒸汽和热风。

所述的炉排38由若干根纵向换热管组成，纵向换热管两端穿过炉体且呈倾斜角度5-10°固定在炉体内；纵向换热管的低端连通有横向分水管，高端连通有横向集汽管；横向集汽管通过导汽管与蒸汽收集箱的下部连通。横向分水管还设置有排污口。纵向换热管安装的倾斜角度利于炉排内产生的蒸汽自动往上移动且有利于后期炉排内部水分的排除。燃料在燃烧过程中会加热纵向换热管，通过热传递加热纵向换热管的水，产生蒸汽通过蒸汽收集箱收集，然后与热风输送到碳化箱内。炉排根据产汽量的需求可设置单层炉排和双层炉排；设置双层炉排即纵向换热管设置两组，上下各一组，两组纵向换热管的低端分别与一根横向分水管连通，两根横向分水管也相互连通，高端分别与一根横向集汽管连通，两根横向集汽管也相互连通。燃料生物质燃料从炉门进入炉膛内，在引风机负压作用下，使燃料生物质燃料下方相对于燃料生物质燃料上方保持一定负压，进气口位于炉膛上侧高于炉门，空气从燃料生物质燃料上方进入，在炉排组件的支撑下，燃料生物质燃料在炉排组件上方的上燃烧室炉膛内进行燃烧，形成反烧；在燃烧过程中，没有燃烧完全的燃料生物质燃料以及燃烧过程中产生的灼热的炭在重力的作用下进入下燃烧室集灰室继续燃烧，燃烧过程中炉膛内产生的烟气包含气化的可燃气体与微颗粒物在引风机的负压作用下，进入下燃烧室集灰室继续部分燃烧；在负压作用下，在第一燃烧区炉膛和集灰室未燃烧的可燃气体与未完全燃烧的烟气微颗粒在负压作用下进入二次燃烧室，在给二次燃烧室提供少量空气，使未能完全燃烧的燃烧挥发物、焦油等燃烧产物得以在含氧量较充足的烟气中继续燃烧，有效提高生物质燃烧效率，达到节能减排的目的；燃料产生的可燃气体与有害气体经二次高温燃烧，得以充分燃烧，不冒黑烟，烟气排放符合环保要求。与传统热风炉相比，热转换效率提高25%以上，燃料节省20%以上。碳化箱排出的湿度较高的温湿气流在循环风机作用下，经过进风口管进入换热室内部，在换热室中进行除湿与预升温处理，形成湿度较低状态的热风气流，再进入气道，此时，根据烘干碳化阶段的工艺要求，通过调节蒸汽调节阀的阀门开启量进行控制，输出适量的水蒸汽，通过进汽歧管进入气道与热风气流进行比例混合，形成温湿气流，再进入热交换腔中进行二次加热处理，在循环风机的作用下，被再次送入碳化箱中，与木材再次接触，进行热交换，往复循环，直至达到木材烘干碳化的含水率条件。

所述的排烟口21通过烟气管连接有引风机19，烟气管上安装有水冷器20；引风机19还通过管道连接有旋风除尘装置18；所述的蒸汽出口管5连接有蒸汽散热器3，蒸汽散热器3通过管路连接有冷凝水收集箱24，冷凝水收集箱24又通过水管15和水泵17与水冷器20连通，水冷器20通过水管15与蒸汽收集箱4连通；蒸汽进入到蒸汽散热器3后冷凝产生的冷凝水进入到冷凝水收集箱24中，冷凝水冷却烟气被预热后输送到蒸汽收集箱4内，实现循环利用。

所述的旋风除尘装置18的尾气管外部包围有水箱，水箱也通过水管15和水泵17与水冷器20连通；水箱还通过水管15和水泵17与炉体外周的水箱夹层连通。

所述的碳化箱12包括碳化箱体41，所述的碳化箱体41的后侧上设置有能取放木材的密封门42；碳化箱体41内左右两侧都均布安装有风管组，风管组由多根相互连通的横回风支管44和竖回风支管45组成；横回风支管44和竖回风支管45上都均布设置有风孔43；左风管组连通有回风管11，右风管组连通有导风管13；回风管11和导风管13上都安装有三通管10；回风管11上的三通管10和导风管13上的三通管10分别连接回风三通管9，回风管11上的三通管10和导风管13上的三通管10还分别连接进风三通管14；回风三通管9通过循环风机8连接有挥发性有机物收集装置7，挥发性有机物收集装置7与进风口管6连通；进风三通管14与出风口管16连通；回风三通管9和进风三通管14管上安装有相应的阀门；碳化箱体41的左右两侧分别安装有排潮风扇46；碳化箱体41内还安装有温湿度传感器47。

所述的挥发性有机物收集装置7包括筒体49，所述的筒体49呈中空的圆筒状，其顶部密封，底部呈倒锥状且安装有集液过滤装置55；筒体49内上部倾斜设置有换向板50，换向板50高侧下部的筒体49上设置有气流进口48，气流进口48下部的筒体49设置有蒸汽喷口56；换向板50低侧上部的筒体49上设置有气流出口51；筒体49内竖向安装有旋螺换向管53，旋螺换向管53的外侧通过螺旋板与筒体49内壁连接；旋螺换向管53底端的筒体49上安置有分液板54；换向板50低侧的筒体49上从上往下设置有导液管52，导液管52的顶端低于气流出口51，导液管52的底端高于分液板54。气流进口48与循环风机8出风口连接，气流出口51与进风口管6连接；气流向下进入筒体49内与蒸汽喷口56的蒸汽再次混合，在分液板54的阻挡与气流运动下，向上穿过旋螺换向管53，从气流出口51流出，再回到进风口管6中。挥发性有机物在与饱和蒸汽充分混合后，会形成密度差，混合气流以一定速度运动时，在螺旋离心力的作用下产生分离，挥发性有机物会流入集液过滤装置55，在不断循环过程中，从而完成对挥发性有机物的分离回收。木材烘干过程产生的有机物在挥发性有机物收集装置7进行溶解沉降，并流入集液过滤装置55中进行过滤收集，避免温湿气流随循环使用次数增加，气流中有机物浓度增大的现象。

将3000×200×200方形松木在相同的碳化处理装置中进行碳化对比试验记录见下表。

上述说明并非是对本申请的限制，本申请也并不限于上述实例，本技术领域的普通技术人员，在本申请的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种木材碳化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将木材码垛在碳化处理装置的碳化箱内进行平衡含水率处理，利用碳化处理装置的反烧式燃烧装置提供热风和蒸汽，保证碳化箱内的温度60-120℃、湿度100%RH，作业时间96小时，0-24小时60℃，24-48小时80℃，48-72小时100℃，72-96小时120℃；

（2）对平衡含水率处理后的木材进行干燥处理，利用碳化处理装置的反烧式燃烧装置提供热风和蒸汽，保证碳化箱内的温度100-120℃、湿度100-20%RH，湿度梯度递减，作业时间72小时；

（3）将干燥处理后的木材进行碳化处理，干燥阶段结束后，将碳化箱内温度从120℃提升至碳化温度190-220℃，每2小时提升10℃；进入碳化温度时，严格控制碳化时间，按板材厚度计算，碳化速度10mm/小时；

（4）碳化处理完成后，将碳化处理装置的热风炉引风机停机，热风炉停止加热，碳化箱的循环风机持续工作，通过加入蒸汽增湿使碳化箱内环境温度从150℃以上，逐渐下降至60℃；此时关闭碳化箱循环风机，待碳化箱温度接近室外温度时，将碳化箱打开，将木材取出，即可完成木材碳化。

2.根据权利要求1所述的木材碳化处理方法，其特征在于，所述的碳化处理设备包括反烧式燃烧装置（1）和碳化箱（12），反烧式燃烧装置（1）为碳化箱（12）提供热风和蒸汽，保证碳化箱（12）内的温度和湿度在设定范围内。

3.根据权利要求2所述的木材碳化处理方法，其特征在于，所述的反烧式燃烧装置（1），包括炉体和炉排（38），炉排（38）设置在炉体的内下部，将炉体的内部分为炉膛（39）和集灰室（36）；炉体上设置有炉门（29）和清渣口（37）；炉体的内上部设置有隔板（40），隔板（40）将炉体的内顶部隔成换热室（30）；反烧式燃烧装置（1）还包括二次燃烧室（25），二次燃烧室（25）的下部通过过火口（35）与集灰室（36）连通，二次燃烧室（25）的上部通过过烟口与分烟室（31）连通；炉膛（39）的上部设置有一次进氧口（2），二次燃烧室（25）的下部设置有二次进氧口（26）；分烟室（31）的下部设置有热交换腔（22），热交换腔（22）下部设置有下烟室（33），热交换腔（22）的上部一侧还设置有集烟室（32），分烟室（31）和集烟室（32）分别通过热交换腔（22）内的多根热交换管（34）与下烟室（33）连通；集烟室（32）设置有排烟口（21）；热交换腔（22）靠近排烟口（21）一端设置有出风口管（16），另一端通过气道（23）与换热室（30）连通，换热室（30）设置有进风口管（6）；所述的炉体的外周设置有水箱夹层，后侧设置有蒸汽收集箱（4），蒸汽收集箱（4）设置有蒸汽出口管（5）；所述的炉排（38）为能通入水的管制炉排，炉排（38）与蒸汽收集箱（4）连通；所述的蒸汽收集箱（4）通过蒸汽调节阀（34）和进气歧管（35）与气道（23）连通，且进气歧管（35）的出汽口朝向热交换腔（22）；出风口管（16）为碳化箱（12）提供蒸汽和热风。

4.根据权利要求3所述的木材碳化处理方法，其特征在于，所述的排烟口（21）通过烟气管连接有引风机（19），烟气管上安装有水冷器（20）；引风机（19）还通过管道连接有旋风除尘装置（18）；所述的蒸汽出口管（5）连接有蒸汽散热器（3），蒸汽散热器（3）通过管路连接有冷凝水收集箱（24），冷凝水收集箱（24）又通过水管（15）和水泵（17）与水冷器（20）连通，水冷器（20）通过水管（15）与蒸汽收集箱（4）连通；蒸汽进入到蒸汽散热器（3）后冷凝产生的冷凝水进入到冷凝水收集箱（24）中，冷凝水冷却烟气被预热后输送到蒸汽收集箱（4）内，实现循环利用。

5.根据权利要求4所述的木材碳化处理方法，其特征在于，所述的旋风除尘装置（18）的尾气管外部包围有水箱，水箱也通过水管（15）和水泵（17）与水冷器（20）连通；水箱还通过水管（15）和水泵（17）与炉体外周的水箱夹层连通。

6.根据权利要求1所述的木材碳化处理方法，其特征在于，所述的碳化箱（12）包括碳化箱体（41），所述的碳化箱体（41）的后侧上设置有能取放木材的密封门（42）；碳化箱体（41）内左右两侧都均布安装有风管组，风管组由多根相互连通的横回风支管（44）和竖回风支管（45）组成；横回风支管（44）和竖回风支管（45）上都均布设置有风孔（43）；左风管组连通有回风管（11），右风管组连通有导风管（13）；回风管（11）和导风管（13）上都安装有三通管（10）；回风管（11）上的三通管（10）和导风管（13）上的三通管（10）分别连接回风三通管（9），回风管（11）上的三通管（10）和导风管（13）上的三通管（10）还分别连接进风三通管（14）；回风三通管（9）通过循环风机（8）连接有挥发性有机物收集装置（7），挥发性有机物收集装置（7）与进风口管（6）连通；进风三通管（14）与出风口管（16）连通；回风三通管（9）和进风三通管（14）管上安装有相应的阀门；碳化箱体（41）的左右两侧分别安装有排潮风扇（46）；碳化箱体（41）内还安装有温湿度传感器（47）。

7.根据权利要求6所述的木材碳化处理方法，其特征在于，所述的挥发性有机物收集装置（7）包括筒体（49），所述的筒体（49）呈中空的圆筒状，其顶部密封，底部呈倒锥状且安装有集液过滤装置（55）；筒体（49）内上部倾斜设置有换向板（50），换向板（50）高侧下部的筒体（49）上设置有气流进口（48），气流进口（48）下部的筒体（49）设置有蒸汽喷口（56）；换向板（50）低侧上部的筒体（49）上设置有气流出口（51）；筒体（49）内竖向安装有旋螺换向管（53），旋螺换向管（53）的外侧通过螺旋板与筒体（49）内壁连接；旋螺换向管（53）底端的筒体（49）上安置有分液板（54）；换向板（50）低侧的筒体（49）上从上往下设置有导液管（52），导液管（52）的顶端低于气流出口（51），导液管（52）的底端高于分液板（54）；气流进口（48）与循环风机（8）出风口连接，气流出口（51）与进风口管（6）连接；气流向下进入筒体（49）内与蒸汽喷口（56）的蒸汽再次混合，在分液板（54）的阻挡与气流运动下，向上穿过旋螺换向管（53），从气流出口（51）流出，再回到进风口管（6）中。

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