專利名稱：木材氣化設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及木材汽化，并特別涉及連續(xù)的木材汽化設備。
背景技術：
木材的汽化可概括描述為加熱木材以便把纖維素材料轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǔ：屑淄椤浜鸵谎趸嫉目扇嫉娜剂蠚怏w。用于木材汽化的商業(yè)上可行的工藝迄今使在野外工作的人困惑。如果實現(xiàn)這種工藝，許多應用將立即成為可用的。一個應用將是使用由鋸木機和其它木材加工工具產(chǎn)生的廢木來產(chǎn)生熱和電，用于設備的工作。
對于木材汽化的大部分努力圍繞著大的逆流換熱器，該逆流換熱器消耗一部分廢木，用來產(chǎn)生熱的燃氣流。然后，熱的燃氣流以足夠的速率與一層木片接觸，用來在非氧化狀態(tài)下把木片加熱到足以把木片的木質(zhì)素和其它纖維素成分“爆裂”成易揮發(fā)可燃氣體。至今還沒有廣泛采納商業(yè)化這類工藝的成就，部分因為這種系統(tǒng)需要的大的資本投資，并且部分因為在實現(xiàn)足夠精確的過程控制中余留的技術難題。
因此仍然需要可以可靠有效地把木材轉(zhuǎn)化到燃料氣體的簡單的、經(jīng)濟的設備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種可靠有效地把顆粒材料轉(zhuǎn)化成蒸汽的設備。在一個優(yōu)選實施例中，顆粒材料是轉(zhuǎn)化成可燃燃料氣體的木材。
本發(fā)明具體體現(xiàn)在一種設備中，該設備包括具有入口和出口的外殼?？赊D(zhuǎn)動螺旋鉆安裝在外殼中，并包括限定至少一個螺旋通道的表面。該螺旋通道從鄰近外殼入口的第一深度逐漸變細到鄰近外殼出口的更小的第二深度。螺旋鉆可轉(zhuǎn)動，用來把顆粒材料從外殼入口向著外殼出口推進。在顆粒材料沿螺旋鉆移動時，它們被摩擦加熱到足以從顆粒材料去除濕氣的第一溫度。螺旋鉆和外殼限定第二區(qū)域，在該第二區(qū)域中，顆粒材料被摩擦加熱到足以把至少一部分顆粒材料轉(zhuǎn)化為氣體的第二溫度。在一個實施例中，在顆粒材料被摩擦加熱并沿螺旋鉆推進時，顆粒材料達到塑化溫度，并在螺旋鉆和外殼之間形成密封。該密封防止氣體沿著螺旋鉆向后流向外殼入口，并減小可燃氣體從外殼入口溢出的可能性。
在本發(fā)明的另一個實施例中，一對如上面概括描述的外殼/螺旋鉆組件串聯(lián)工作。第一組件把材料加熱到烘干溫度；第二組件把材料進一步加熱到轉(zhuǎn)化到氣體的溫度。本實施例用于當烘干足夠的材料使得高流率的水蒸氣通過外殼入口流出的情況。在一些情況下，高流率的水蒸氣通過入口流出可阻礙顆粒材料流入外殼。
本實施例包括具有入口和出口的第一外殼。第一可轉(zhuǎn)動螺旋鉆安裝在外殼中，并包括限定第一螺旋通道的表面。第一螺旋鉆可轉(zhuǎn)動，用來向著第一外殼出口推進顆粒材料，以便把顆粒材料摩擦加熱到足以烘干該顆粒材料的溫度。然后，把加熱的已烘干的材料排入第二組件的入口。
第二組件包括具有入口和出口的第二外殼。第二可轉(zhuǎn)動螺旋鉆安裝在第二外殼中，并且也包括限定第二螺旋通道的表面。第二螺旋鉆可轉(zhuǎn)動，用來向著第二外殼出口推進顆粒材料，以便把顆粒材料摩擦加熱到該顆粒材料轉(zhuǎn)化成氣體的第二溫度。本實施例的第一和第二螺旋鉆/外殼組件在其它方面相似于上述的第一優(yōu)選實施例。
現(xiàn)在將結合附圖描述本發(fā)明的這些和其它特征。


圖1是本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例的橫斷面?zhèn)纫晥D。
圖2是如圖1所示的螺旋鉆的側面正視圖。
圖3是圖1所示的實施例的橫截面局部放大視圖，并更詳細地示出了外殼出口。
圖4是圖1所示的實施例的橫截面局部放大視圖，并更詳細地示出了外殼出口。
圖5是本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例的示意圖，示出了用來部分加熱和烘干顆粒材料的第一螺旋鉆組件，和用來進一步加熱并汽化顆粒材料的第二螺旋鉆組件。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考圖1，本發(fā)明的優(yōu)選實施例整體地示出為10，并包括外殼12和螺旋鉆14。外殼12包括沿內(nèi)腔20間隔開的入口16和出口18。螺旋鉆14由馬達(未示出)和皮帶槽輪組件22驅(qū)動。螺旋鉆14包括連續(xù)的螺旋葉片24，該螺旋葉片24在螺旋鉆14旋轉(zhuǎn)時推動原料穿過外殼12。該螺旋葉片24限定連續(xù)地變細的螺旋通道26，該螺旋通道26到平坦表面28處完全變細。螺旋鉆14包括端部30，該端部30包括平坦表面32，而在一個實施例中，該螺旋鉆14包括錐形部分34。錐形螺旋鉆部分34形成適當?shù)某叽绾托螤睿员憔o密地裝配在外殼12的限定環(huán)形排出口38的錐形部分36中。錐形螺旋鉆部分34和錐形外殼部分36之間的間隙理想地維持在大約0.010英寸。在一個優(yōu)選實施例(圖4)中，通過調(diào)節(jié)螺旋鉆14在外殼12內(nèi)的軸向位置，可以改變所述的間隙。在另一優(yōu)選實施例中，借助安裝在外殼的出口端上的環(huán)形襯套50設置所述間隙。
在一個優(yōu)選實施例中，所述設備起到接收木質(zhì)顆粒40進入入口16的作用。該木質(zhì)顆粒40由旋轉(zhuǎn)的螺旋鉆14通過外殼12輸送，通過螺旋鉆14和螺旋通道26的不斷收縮的容積的聯(lián)合作用，木質(zhì)顆粒14一直被進一步壓縮。木質(zhì)顆粒在壓縮時，由于木質(zhì)顆粒與外殼和螺旋鉆的表面之間的摩擦而被加熱。在另一優(yōu)選實施例中，完全由木質(zhì)顆粒的摩擦加熱來實現(xiàn)木質(zhì)顆粒的加熱，盡管在其它實施例中，可部分地預熱木質(zhì)顆粒，也可預熱設備的一部分或多個部分，或可以提供外熱源。
當沿著螺旋鉆14輸送木質(zhì)顆粒時，由于漸增的摩擦力和螺旋通道的漸減的容積施加到木質(zhì)顆粒上的壓力，木質(zhì)顆粒被不斷地加熱。在示意性地示出于圖1的點42處，木質(zhì)顆粒達到足以驅(qū)散濕氣的溫度，一些木質(zhì)顆粒通過出口18溢出。當進一步加熱該木質(zhì)顆粒時，在再次示意性地示出的點44處，木質(zhì)顆粒達到過渡到塑性狀態(tài)的溫度。當處于足以使木質(zhì)顆粒變成塑性的高溫時，認為木質(zhì)顆粒使它們自身“成型”至緊密地符合外殼的內(nèi)表面和螺旋鉆，并形成大體上不透氣的密封46，該密封46防止氣體從密封46的下游側向后朝著外殼入口14流動。同時，螺旋鉆14繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并摩擦加熱木材。木材被進一步加熱，直到它達到使固體木材轉(zhuǎn)變?yōu)榘鞣N氣體的可燃蒸汽的溫度，所述的各種氣體含有碳、氫、氮和或許甚至少量的硫。在一個優(yōu)選操作方法中，選擇木質(zhì)顆粒的進料速度、螺旋鉆的速度和外殼出口處的環(huán)形間隙，以提供外殼中密封46和出口14之間的區(qū)域的輕微加壓，從而為離開該設備的可燃氣體流提供一定的速度。部分地通過如上述的密封46的密封作用，實現(xiàn)輕微加壓。
可燃蒸汽的精確成分對于本發(fā)明不是關鍵的，并且將可能根據(jù)供給該設備的特定木材而改變。本發(fā)明的一個優(yōu)點是，可以把任何種類的木材或其它纖維素材料送入該設備，而除了可能的螺旋鉆被驅(qū)動的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，不需要改變?nèi)魏螀?shù)。本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在一個優(yōu)選實施例中，外直徑大約兩英寸的螺旋鉆在具有大約2.25英寸的內(nèi)直徑的外殼中以大約1800的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)旋轉(zhuǎn)，令人滿意地工作，用來把主要是花旗松的木質(zhì)顆粒完全轉(zhuǎn)變成可燃蒸汽。在一些情況，少量細微顆粒在可燃蒸汽流中被排出，但是，通常地，木質(zhì)顆?；旧贤耆稍撛O備轉(zhuǎn)變到蒸汽。這提供了優(yōu)于現(xiàn)有技術的重大進步，在現(xiàn)有技術中，大多數(shù)已知的木材汽化工藝涉及大裝置操作和昂貴的固定設備，例如大的換熱器，以便提供充分工作的一些希望。此外，由于可靠操作這種工藝中的固有困難，仍然沒有實現(xiàn)由已知的大規(guī)模木材汽化工藝提供的有效工作的希望。
在另一方面，本申請人的發(fā)明是非常簡單輕便的，并且容易通過增加該設備的尺寸或通過同時操作多個裝置來升級。此外，迄今為止的測試操作已表明螺旋鉆和外殼的磨損率很低，增加了該設備的操作的經(jīng)濟性和可靠性。
可以在出口16處直接點燃離開外殼出口16的可燃氣體，出口16實際上變成了動力噴嘴。在一個實施例中，外殼可以安裝到例如工業(yè)鍋爐的煙道。由于可燃氣體不需要進一步處理、凈化或存儲，這種操作方法特別有吸引力。在其它實施例中，離開該設備的可燃氣體被收集和儲存，以便在需要時使用。
另一個優(yōu)選實施例示出于圖5，并包括第一螺旋鉆組件50和第二螺旋鉆組件52。每個螺旋鉆組件大致上如上述那樣工作，顆粒的干燥和汽化主要發(fā)生在第一螺旋鉆組件50。然后，經(jīng)加熱的且部分地干燥的木質(zhì)顆粒被送入第二螺旋鉆組件52，在該螺旋鉆組件52中，它們被進一步加熱并轉(zhuǎn)變到可燃蒸汽。參考圖5，木質(zhì)顆粒被送入第一螺旋鉆組件50的入口54，并由螺旋鉆58向著出口56驅(qū)動。螺旋鉆52如上面所描述的那樣，并包括逐漸變細的螺旋通道，該螺旋通道在木質(zhì)顆粒經(jīng)過外殼時壓縮木質(zhì)顆粒。如上所述，施加到顆粒的摩擦力和壓力加熱顆粒。在本實施例中，在第一螺旋鉆組件中加熱顆粒以驅(qū)散濕氣。在第二螺旋鉆組件中，首先把顆粒加熱到如上所述的塑性狀態(tài)，并隨后加熱到汽化顆粒的較高的溫度。
在本發(fā)明的另一個實施例中，汽化后的原料通過催化劑，以便把長鏈的碳氫化合物斷裂成短鏈的、更有效的可燃碳氫化合物。在一個這種實施例中，由催化金屬制成的篩子布置成鄰近外殼的出口，用來在發(fā)生燃燒的區(qū)域的前面截取蒸汽流。
在本發(fā)明的另一個實施例中，正好在外殼出口之前把空氣噴入外殼，用來提供對由該設備形成的可燃氣體的燃料空氣的比率的控制?？梢砸匀魏魏线m的方式，包括借助貫穿外殼并進入螺旋鉆和外殼之間的空間的一個或多個周邊孔，把空氣引入。
在其它實施例中，本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如上面概括描述的設備可用于處理食物，尤其是谷物。例如玉米、稻谷和小麥的谷物可以被送入該外殼、如上述那樣摩擦加熱并“爆”成膨脹的形態(tài)，例如玉米花。在不使用礦物燃料來加熱且不需要添加任何油的情況下，實現(xiàn)谷物的加熱和膨脹，這給出了一種新穎的方法，與其它可用方法相比，用該方法能從谷物生產(chǎn)出的更加低脂肪的產(chǎn)品。
雖然通過前面的某些優(yōu)選實施例的描述，說明了本發(fā)明，本領域技術人員將理解到，在不偏離下面的權利要求的范圍的前提下，可以進行許多修改。
權利要求
1.一種用來把顆粒材料轉(zhuǎn)化成氣體的設備，包括具有入口和出口的外殼；安裝在所述外殼中的可轉(zhuǎn)動的螺旋鉆，至少一個螺旋通道；和具有在所述螺旋鉆上形成的表面的螺旋鉆，它可旋轉(zhuǎn)用來把顆粒材料從所述外殼入口向著所述外殼出口推進，并適合于把該顆粒摩擦加熱到足以把至少一部分顆粒材料轉(zhuǎn)化成氣體的第一溫度。
2.根據(jù)權利要求1的一種設備，還包括所述螺旋鉆和所述外殼限定第一區(qū)域，在該第一區(qū)域中，所述顆粒材料被摩擦加熱到所述第一溫度。
3.根據(jù)權利要求2的一種設備，其中所述第一區(qū)域與所述外殼出口連通。
4.根據(jù)權利要求3的一種設備，其中所述第一區(qū)域是所述螺旋鉆和所述外殼之間的環(huán)形空間。
5.根據(jù)權利要求1的一種設備，還包括所述螺旋通道從鄰近所述外殼入口的第一深度逐漸變細到鄰近所述外殼出口的更小的第二深度。
6.根據(jù)權利要求1的一種設備，還包括所述螺旋鉆和所述外殼限定第二區(qū)域，在該第二區(qū)域中，所述顆粒材料被摩擦加熱到足以從該顆粒材料去除濕氣的第二溫度。
7.根據(jù)權利要求1的一種設備，還包括所述第二區(qū)域與所述外殼入口連通。
8.根據(jù)權利要求1的一種設備，還包括所述螺旋鉆和所述外殼之間的所述環(huán)形空間從第一橫截面面積逐漸變細到較小的第二橫截面面積。
9.根據(jù)權利要求1的一種設備，其中所述氣體是可燃氣體。
10.根據(jù)權利要求1的一種設備，其中所述顆粒材料是纖維素材料。
11.根據(jù)權利要求1的一種設備，其中所述纖維素材料包括木材。
12.一種用來把顆粒材料轉(zhuǎn)化成氣體的設備，包括具有入口和出口的第一外殼；安裝在所述外殼中的第一可轉(zhuǎn)動螺旋鉆，該第一螺旋鉆具有限定第一螺旋通道的表面；所述第一螺旋鉆可轉(zhuǎn)動，用來向著所述第一外殼出口推進顆粒材料，以便把該顆粒材料摩擦加熱到第一溫度；具有入口和出口的第二外殼，該第二入口與所述第一外殼第一出口連通；安裝在所述第二外殼中的第二可轉(zhuǎn)動螺旋鉆，該第二螺旋鉆具有限定第二螺旋通道的表面；和所述第二螺旋鉆可轉(zhuǎn)動，用來向著所述第二外殼出口推進顆粒材料，以便把該顆粒材料摩擦加熱到第二溫度。
13.根據(jù)權利要求12的一種設備，還包括所述第一螺旋鉆和所述第一外殼限定第一區(qū)域，在該第一區(qū)域中，所述顆粒材料被摩擦加熱到足以從該顆粒材料去除濕氣的所述第一溫度。
14.根據(jù)權利要求13的一種設備，其中所述第一區(qū)域與所述第一外殼出口連通。
15.根據(jù)權利要求13的一種設備，其中所述第一區(qū)域是所述第一螺旋鉆和所述第一外殼之間的第一環(huán)形空間。
16.根據(jù)權利要求12的一種設備，還包括所述第一螺旋通道從鄰近所述第一外殼入口的第一深度逐漸變細，并到達鄰近所述第一外殼出口的更小的第二深度。
17.根據(jù)權利要求12的一種設備，還包括所述第二溫度足以把至少一部分該顆粒材料轉(zhuǎn)化成氣體。
18.根據(jù)權利要求12的一種設備，還包括所述第二螺旋鉆和所述第二外殼限定第二區(qū)域，在該第二區(qū)域中，所述顆粒材料被摩擦加熱到足以把至少一部分該顆粒材料轉(zhuǎn)化為氣體的所述第二溫度。
19.根據(jù)權利要求13的一種設備，其中所述第二區(qū)域與所述第二外殼出口連通。
20.根據(jù)權利要求13的一種設備，其中所述第二區(qū)域是所述第二螺旋鉆和所述第二外殼之間的第二環(huán)形空間。
21.根據(jù)權利要求12的一種設備，還包括所述第二環(huán)形空間從第一橫截面面積逐漸變細到較小的第二橫截面面積。
22.根據(jù)權利要求12的一種設備，其中所述氣體是可燃氣體。
23.根據(jù)權利要求12的一種設備，其中所述顆粒材料是纖維素材料。
24.根據(jù)權利要求12的一種設備，其中所述纖維素材料包括木材。
25.根據(jù)權利要求12的一種設備，其中所述第二外殼入口定位成用來接收來自所述第一外殼出口的顆粒材料。
26.根據(jù)權利要求1的一種設備，其中所述第一區(qū)域與所述外殼入口隔離。
27.根據(jù)權利要求26的一種設備，其中，借助加熱到塑化溫度的顆粒材料形成的密封，所述第一區(qū)域與所述外殼入口隔離。
28.根據(jù)權利要求27的一種設備，其中所述密封是已塑化材料與所述外殼和所述螺旋鉆的密封接合的環(huán)形密封。
29.根據(jù)權利要求12的一種設備，其中所述第一區(qū)域與所述外殼入口隔離。
30.根據(jù)權利要求29的一種設備，其中，借助加熱到塑化溫度的顆粒材料形成的密封，所述第一區(qū)域與所述外殼入口隔離。
31.根據(jù)權利要求30的一種設備，其中所述密封是已塑化材料與所述外殼和所述螺旋鉆的密封接合的環(huán)形密封。
32.根據(jù)權利要求12的一種設備，其中所述顆粒材料是谷物。
33.根據(jù)權利要求12的一種設備，其中所述顆粒材料包括橡膠。
34.根據(jù)權利要求12的一種設備，其中所述顆粒材料包括纖維素材料和橡膠的混合物。
35.根據(jù)權利要求1的設備，還包括與所述外殼的內(nèi)部連通并供給氧化劑的至少一個孔，并且該氧化劑通過該孔引入到所述汽化了的顆粒材料。
全文摘要
一種木材氣化設備(10)，它包括螺旋鉆(14)和外殼(12)的組件，該組件限定容積逐漸減小的螺旋通道(34)，在該螺旋通道中，顆粒材料被摩擦加熱并汽化。
文檔編號C10B7/10GK101014685SQ200580022065
公開日2007年8月8日 申請日期2005年6月30日 優(yōu)先權日2004年7月1日
發(fā)明者戴維·尼克遜·史密斯, 艾倫·萊斯·費雷爾 申請人:格倫伍德河谷木材公司, 戴維·尼克遜·史密斯, 艾倫·萊斯·費雷爾