CN114872160A - 木材碳化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木材碳化工艺，其包括：采用过热蒸汽干燥法对木材进行碳化处理。其中，过热蒸汽干燥法包括预热段、恒温干燥段以及降速干燥段；预热段以20℃/h的速率升温至100℃；恒温干燥段以100℃以及预设压力环境保温2h；降速干燥段，梯度升温段以10℃/h的速率升温至110~150℃；在此条件下干燥至含水率约为10%。本发明的木材碳化工艺采用分段式的过热蒸汽干燥发对木材进行碳化干燥，过热蒸汽干燥具有干燥速度快、干燥品质好、效率高以及节能等优点。过热蒸汽在干燥难干的硬阔叶材或温度过高、干燥太过剧烈时，板材容易产生干燥缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及木材加工的技术领域，特别是涉及一种木材碳化工艺。
背景技术
近年来，全球天然林资源日益短缺，主要木材资源大多来自人工林。由于人工林木材轮伐期短，未成熟材较多，木材本身存在半纤维素及木质素含量较高，材质差，密度低，耐久性差等缺点，因而大大限制了使用范围。20世纪30年代，美国开始将对环境无污染的热处理（Heat treatment）技术应用到木材改性当中，经过近半个世纪的发展，木材的炭化（热处理）技术日渐成熟。近几年，芬兰、法国、荷兰等国开始系统的研究炭化技术并开发出一系列成熟方案。
然而，目前，常规蒸汽干燥是我国主要的一种木材干燥方法，具有工艺成熟、装载量大等优点，被广泛应用于实际生产中，采用该方法烘干的木材约占木材烘干总量的80%以上。但该干燥方法存在能量利用率低、干燥速度慢、干燥时间长、对环境存在一定程度的污染等缺点，在易干锯材（如杉木）的干燥作业中，该缺点表现得尤为突出。
发明内容
基于此，有必要针对现有的木材干燥方法干燥效率低下的技术问题，提供一种木材碳化工艺。
一种木材碳化工艺，其包括：采用过热蒸汽干燥法对木材进行碳化处理。其中，过热蒸汽干燥法包括预热段、恒温干燥段以及降速干燥段；
预热段以20℃/h的速率升温至100℃；恒温干燥段以100℃以及预设压力环境保温2h；降速干燥段，梯度升温段以10℃/h的速率升温至110~150℃；在此条件下干燥至含水率约为10%；
具体包括一下步骤：
S1、将初含水率不超过20~40%的木材按要求堆垛在干燥窑中；初含水率、木材厚度和干燥温度均会显著影响木材过热蒸汽干燥速率和干燥质量。
S2、设置升温程序为预热段以20℃/h的速率升温至100℃，并当预热段干燥温度升高至约80℃时通入饱和水蒸汽，直至排气口有大量蒸汽逸出，
S3、设置恒温程序为恒温干燥段以100℃以及预设压力环境保温2h。
S4、设置升温程序为降速干燥段，梯度升温段以10℃/h的速率升温至110~150℃；在此条件下干燥至含水率约为10%。
在其中一个实施例中，上述的本发明的木材碳化工艺还包括步骤S5固化段：当木材含水率降至10%时，以170℃~190℃，常压、缺氧环境予以固化。借由木质素芳香核上形成的活性基以及生成的醛类，进行缩合反应。进而减少木材的吸水性，增加木材稳定性。
在其中一个实施例中，上述的本发明的木材碳化工艺还包括步骤S6碳化段：继续使用170℃~190℃。
在其中一个实施例中，上述的本发明的木材碳化工艺还包括步骤S7冷却段：最后在预设压力环境中进行冷却平衡处理。
在其中一个实施例中，上述的步骤S2还包括启用风机带动干燥窑内过热蒸汽进行循环流动，由于其内部风速循环均匀，从而提升木材干燥均匀度和整体干燥速率。
在其中一个实施例中，上述的步骤S3中的预设压力为0.6MPa~0.8MPa。
在其中一个实施例中，上述的步骤S7中的预设压力为常压。
综上所述，本发明所揭示的木材碳化工艺采用分段式的过热蒸汽干燥法对木材进行碳化干燥，过热蒸汽干燥具有干燥速度快、干燥品质好、效率高以及节能等优点。过热蒸汽在干燥难干的硬阔叶材或温度过高、干燥太过剧烈时，板材容易产生干燥缺陷。本发明的木材碳化工艺采用分段式干燥方式，在干燥前期和后期采用比较温和的干燥方式，减少皱缩、开裂、变形等干燥缺陷。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下文对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附文所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
本发明揭示了一种木材碳化工艺，该木材碳化工艺包括采用过热蒸汽干燥法对木材进行碳化处理。其中，过热蒸汽干燥法包括预热段、恒温干燥段以及降速干燥段；
预热段以20℃/h的速率升温至100℃，干燥预热期间，在过热蒸汽干燥时，湿物料温度上升到对应压力条件下对应的沸点温度。过热蒸汽本身是可凝结气体，因此在物料温度相对比较低时，易产生凝结，蒸汽凝结产生的潜热非常大，蒸汽凝结之后将释放出很多的热量，进而过热蒸汽与物料之间存在着较多的热量传递，用凝结换热来预热物料。但蒸汽凝结使得物料的湿度增加。
恒温干燥段以100℃以及预设压力环境保温2h，在恒速干燥阶段，只要物料的表面保持湿润，水分蒸发速率便不会改变，直到物料中水分不足以使得物料表面保持湿润，即达到临界湿含量后，才进入降速干燥阶段。在过热蒸汽干燥过程之中，物料温度始终都维持在对应压力所对应的沸点温度，热传递的驱动力依然是热气流及湿表面的温度差。对于传质而言，热气流中只存在着一种气体，即水蒸气，所以湿分的移动并不是来源于蒸汽分压差所导致的扩散，而是由压力差所带来的体积流。
降速干燥段，梯度升温段以10℃/h的速率升温至110~150℃，在此条件下干燥至含水率约为10%，在降速段，过热蒸汽干燥速率是由水分从湿物料内部向表面移动的速率决定。从上述分析可知，水分的迁移速率与温度密切相关，温度越高，则迁移速率越大。在过热蒸汽干燥过程中，由于恒速段物料的表面温度始终保持在沸点，由此可预计，过热蒸汽干燥在降速段的速率也较高。
具体包括一下步骤：
S1、将初含水率不超过20~40%的木材按要求堆垛在干燥窑中；初含水率、木材厚度和干燥温度均会显著影响木材过热蒸汽干燥速率和干燥质量。随着初含水率的增加，木材干燥速率明显增大。当初含水率在30 %以内时，木材干燥质量较好。
S2、设置升温程序为预热段以20℃/h的速率升温至100℃，并当预热段干燥温度升高至约80℃时通入饱和水蒸汽，直至排气口有大量蒸汽逸出。
S3、设置恒温程序为恒温干燥段以100℃以及预设压力环境保温2h，其中，半纤维素中的乙酰基裂解形成醋酸，碳水化合物降解产生甲醛、糠醛，木质素裂解产生醛类。
S4、设置升温程序为降速干燥段，梯度升温段以10℃/h的速率升温至110~150℃；在此条件下干燥至含水率约为10%，随着木材厚度的增加和干燥温度降低，其干燥速率呈现明显降低趋势。当过热蒸汽温度不超过140℃时，木材干燥质量较好。采用140 ℃过热蒸汽干燥30 %左右初含水率木材，干燥速度快，干燥质量好，材色无明显变化，可以实现木材的工业化快速高效干燥。此外，干燥过程无需通入空气，且无废气排出，整体耗能少，节能环保。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S5固化段：当木材含水率降至10%时，以170℃~190℃，常压、缺氧环境予以固化。借由木质素芳香核上形成的活性基以及生成的醛类，进行缩合反应。进而减少木材的吸水性，增加木材稳定性。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S6碳化段：继续使用170℃~190℃。此过程，酚类化合物与酚结构物质产生反应，生成不溶于水的高聚合物，存在于细胞壁周围。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S7冷却段：最后在预设压力环境中进行冷却平衡处理。
进一步的，步骤S2还包括启用风机带动干燥窑内过热蒸汽进行循环流动，由于其内部风速循环均匀，从而提升木材干燥均匀度和整体干燥速率。
进一步的，步骤S3中的预设压力为0.6MPa~0.8MPa。
进一步的，步骤S7中的预设压力为常压。
实施例1
木材碳化工艺包括预热段、恒温干燥段以及降速干燥段。具体包括一下步骤：
S1、将初含水率不超过20~25%的木材按要求堆垛在干燥窑中。
S2、设置升温程序为预热段以20℃/h的速率升温至100℃，并当预热段干燥温度升高至约80℃时通入饱和水蒸汽，直至排气口有大量蒸汽逸出，
S3、设置恒温程序为恒温干燥段以100℃以及预设压力环境保温2h。
S4、设置升温程序为降速干燥段，梯度升温段以10℃/h的速率升温至110~120℃；在此条件下干燥至含水率约为10%。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S5固化段：当木材含水率降至10%时，以170℃~175℃，常压、缺氧环境予以固化。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S6碳化段：继续使用170℃~175℃。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S7冷却段：最后在预设压力环境中进行冷却平衡处理。
进一步的，步骤S2还包括启用风机带动干燥窑内过热蒸汽进行循环流动，由于其内部风速循环均匀，从而提升木材干燥均匀度和整体干燥速率。
进一步的，步骤S3中的预设压力为0.6MPa~0.65MPa。
进一步的，步骤S7中的预设压力为常压。
实施例2
木材碳化工艺包括预热段、恒温干燥段以及降速干燥段。具体包括一下步骤：
S1、将初含水率不超过25~30%的木材按要求堆垛在干燥窑中。
S2、设置升温程序为预热段以20℃/h的速率升温至100℃，并当预热段干燥温度升高至约80℃时通入饱和水蒸汽，直至排气口有大量蒸汽逸出，
S3、设置恒温程序为恒温干燥段以100℃以及预设压力环境保温2h。
S4、设置升温程序为降速干燥段，梯度升温段以10℃/h的速率升温至120~130°C；在此条件下干燥至含水率约为10%。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S5固化段：当木材含水率降至10%时，以175℃~180℃，常压、缺氧环境予以固化。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S6碳化段：继续使用175℃~180℃。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S7冷却段：最后在预设压力环境中进行冷却平衡处理。
进一步的，步骤S2还包括启用风机带动干燥窑内过热蒸汽进行循环流动，由于其内部风速循环均匀，从而提升木材干燥均匀度和整体干燥速率。
进一步的，步骤S3中的预设压力为0.6MPa~0.7MPa。
进一步的，步骤S7中的预设压力为常压。
实施例3
木材碳化工艺包括预热段、恒温干燥段以及降速干燥段。具体包括一下步骤：
S1、将初含水率不超过30~40%的木材按要求堆垛在干燥窑中。
S2、设置升温程序为预热段以20℃/h的速率升温至100℃，并当预热段干燥温度升高至约80℃时通入饱和水蒸汽，直至排气口有大量蒸汽逸出，
S3、设置恒温程序为恒温干燥段以100℃以及预设压力环境保温2h。
S4、设置升温程序为降速干燥段，梯度升温段以10℃/h的速率升温至130~140°C；在此条件下干燥至含水率约为10%。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S5固化段：当木材含水率降至10%时，以180℃~190℃，常压、缺氧环境予以固化。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S6碳化段：继续使用180℃~190℃。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S7冷却段：最后在预设压力环境中进行冷却平衡处理。
进一步的，步骤S2还包括启用风机带动干燥窑内过热蒸汽进行循环流动，由于其内部风速循环均匀，从而提升木材干燥均匀度和整体干燥速率。
进一步的，步骤S3中的预设压力为0.7MPa~0.8MPa。
进一步的，步骤S7中的预设压力为常压。
实施例4
木材碳化工艺包括预热段、恒温干燥段以及降速干燥段。具体包括一下步骤：
S1、将初含水率不超过40%的木材按要求堆垛在干燥窑中。
S2、设置升温程序为预热段以20℃/h的速率升温至100℃，并当预热段干燥温度升高至约80℃时通入饱和水蒸汽，直至排气口有大量蒸汽逸出，
S3、设置恒温程序为恒温干燥段以100℃以及预设压力环境保温2h。
S4、设置升温程序为降速干燥段，梯度升温段以10℃/h的速率升温至140°C；在此条件下干燥至含水率约为10%。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S5固化段：当木材含水率降至10%时，以190℃，常压、缺氧环境予以固化。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S6碳化段：继续使用190℃。
进一步的，本发明的木材碳化工艺还包括步骤S7冷却段：最后在预设压力环境中进行冷却平衡处理。
进一步的，步骤S2还包括启用风机带动干燥窑内过热蒸汽进行循环流动，由于其内部风速循环均匀，从而提升木材干燥均匀度和整体干燥速率。
进一步的，步骤S3中的预设压力为0.8MPa。
进一步的，步骤S7中的预设压力为常压。
综上所述，本发明所揭示的木材碳化工艺采用分段式的过热蒸汽干燥发对木材进行碳化干燥，过热蒸汽干燥具有干燥速度快、干燥品质好、效率高以及节能等优点。过热蒸汽在干燥难干的硬阔叶材或温度过高、干燥太过剧烈时，板材容易产生干燥缺陷，而本发明的木材碳化工艺采用分段式干燥方式，在干燥前期和后期采用比较温和的干燥方式，减少皱缩、开裂、变形等干燥缺陷。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种木材碳化工艺，其特征在于，本木材碳化工艺包括：采用过热蒸汽干燥法对木材进行碳化处理，过热蒸汽干燥法包括预热段、恒温干燥段以及降速干燥段；
所述预热段以20℃/h的速率升温至100℃；所述恒温干燥段以100℃以及预设压力环境保温2h；所述降速干燥段，梯度升温段以10℃/h的速率升温至110~150℃；在此条件下干燥至含水率约为10%；
具体包括一下步骤：
S1、将初含水率为20~40%的木材按要求堆垛在干燥窑中；初含水率、木材厚度和干燥温度均会显著影响木材过热蒸汽干燥速率和干燥质量；
S2、设置升温程序为所述预热段以20℃/h的速率升温至100℃，并当预热段干燥温度升高至约80℃时通入饱和水蒸汽，直至排气口有大量蒸汽逸出；
S3、设置恒温程序为所述恒温干燥段以100℃以及预设压力环境保温2h；
S4、设置升温程序为所述降速干燥段，梯度升温段以10℃/h的速率升温至110~150℃；在此条件下干燥至含水率约为10%。
2.根据权利要求1所述的一种木材碳化工艺，其特征在于：所述木材碳化工艺还包括步骤S5固化段：当木材含水率降至10%时，以170℃~190℃，常压、缺氧环境予以固化。
3.根据权利要求1所述的一种木材碳化工艺，其特征在于：所述木材碳化工艺还包括步骤S6碳化段：继续使用170℃~190℃。
4.根据权利要求1所述的一种木材碳化工艺，其特征在于：所述木材碳化工艺还包括步骤S7冷却段：最后在预设压力环境中进行冷却平衡处理。
5.根据权利要求1所述的一种木材碳化工艺，其特征在于：所述步骤S2还包括启用风机带动干燥窑内过热蒸汽进行循环流动，由于其内部风速循环均匀，从而提升木材干燥均匀度和整体干燥速率。
6.根据权利要求1所述的一种木材碳化工艺，其特征在于：所述步骤S3中的预设压力为0.6MPa~0.8MPa。
7.根据权利要求4所述的一种木材碳化工艺，其特征在于：所述步骤S7中的预设压力为常压。
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