УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ДРЕВЕСНОЙ ЩЕПЫ
DEVICE AND METHOD OF WOOD CHIP EVAPORATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству и способу обезвоживания древесной щепы в зоне сжатия, образованной между барабанами.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для того, чтобы использовать древесину в качестве источника энергии, древесная щепа может быть обезвожена и впоследствии использована в качестве топлива. Удалить воду из древесной щепы можно путем ее нагрева, вызывающего испарение содержащейся в ней влаги. Однако подобные способы требуют много времени и большого количества энергии, что делает их менее эффективными с точки зрения экономии энергии. Способ, который является более экономичным с точки зрения экономии энергии, заключается в обезвоживании древесной щепы путем ее сжатия. В статье «Обезвоживание древесной щепы с большим содержанием влаги способом сжатия барабанами» (авторов Takahiro Yoshida, Hiroyuki Sasaki, Tsutomu Takano и Osamu Sawabe), опубликованной в 2010 году в издании «ScienceDirect», описан способ обезвоживания древесной щепы путем сжатия барабанами. В этой статье описан способ, в котором древесную щепу сжимали между барабанами. В данной статье описано устройство с первичной и вторичной секциями, каждая из которых содержала барабаны. Вторичная секция содержала нижний барабан с отверстиями диаметром 6 мм, предназначенными для обеспечения отжима воды во всасывающую воронку, прикрепленную внутри указанного барабана. Как указано в данной статье, воду удаляли вытяжным вентилятором, прикрепленным к задней части указанного устройства. Проволочная сетчатая лента из нержавеющей стали, проходящая вокруг нижнего барабана, обеспечивала возможность выхода воды из щепы к указанным отверстиям. Щепа состояла из кедровой и кипарисовой щепы. Древесную щепу осушали под давлением 10, 20 и 30 МПа. Было установлено, что с помощью сжатия барабанами можно удалять воду из древесной щепы при низком потреблении энергии.
В патенте Великобритании №2,090,954 описаны способ и устройство, в соответствии с которыми древесную щепу обезвоживали между двумя бесконечными конвейерами, между которыми указанную щепу сжимали. Один из конвейеров является перфорированным конвейером, при этом может быть выполнено всасывающее средство, обеспечивающее пониженное давление или вакуум с нижней стороны перфорированного конвейера.
Когда для обезвоживания древесной щепы используется сжатие, результат не всегда оправдывает ожидания, поэтому целью настоящего изобретения является улучшение технологических процессов, в ходе которых обезвоживание древесной щепы выполняют путем сжатия. В частности, целью настоящего изобретения является создание устройства и способа, с помощью которых может быть достигнута высокая степень обезвоживания, обеспечивающая низкое содержание влаги после прессования.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство согласно настоящему изобретению содержит первый барабан и второй барабан, образующие первую зону сжатия, в которой вода может быть отжата из древесного материала, например, из щепы. Данное устройство также содержит бесконечный конвейер, который является водопроницаемым и образует петлю вокруг первого барабана. Бесконечный конвейер выполнен из металлической ленты, обладающей высокой прочностью, и расположен с возможностью прохождения через первую зону сжатия, перенося при этом древесный материал через указанную зону сжатия.
Древесный материал предпочтительно распределяется на указанной ленте с образованием по меньшей мере 2 слоев на верхней части ленты, а если древесная щепа образует предпочтительно 2-5 слоев, образуется относительно плотный ковер, т.е. ковер по существу без открытых сквозных отверстий, что обеспечивает эффективное обезвоживание всех древесных частиц, например, щепы.
Внутри петли бесконечного конвейера может быть расположено по меньшей мере одно всасывающее устройство, расположенное с обеспечением всасывания воды сквозь бесконечный конвейер при ее отжиме из древесной щепы в зоне сжатия. Указанное по меньшей мере одно всасывающее устройство проходит в направлении, параллельном оси первого барабана, и расположено с возможностью взаимодействия с наружной поверхностью первого барабана с образованием герметичного соединения, образуя ограниченную зону всасывания в области между указанным по меньшей мере одним всасывающим устройством, наружной поверхностью первого барабана и бесконечным конвейером. В ограниченной зоне всасывания вода, отжатая из древесной щепы в первой зоне сжатия, может быть всосана сквозь бесконечный конвейер.
В преимущественных вариантах выполнения настоящего изобретения всасывающее устройство взаимодействует с наружной поверхностью первого барабана с образованием герметичного соединения посредством первого уплотнения, которое проходит в осевом направлении указанного барабана (которое также является осевым направлением всасывающего устройства). Предпочтительно первое уплотнение проходит вдоль всей осевой длины первого барабана.
Предлагаемое устройство может дополнительно содержать всасывающее устройство на каждой стороне первой зоны сжатия в направлении перемещения бесконечного конвейера.
В вариантах выполнения данного изобретения указанное по меньшей мере одно всасывающее устройство дополнительно снабжено уплотнением по меньшей мере на одном из его осевых торцов. Такое уплотнение, выполненное на осевом торце всасывающего устройства, может быть расположено с возможность взаимодействия с кольцевой канавкой в первом барабане.
Преимущественно бесконечный конвейер может представлять собой металлическую ленту, предпочтительно стальную ленту толщиной в диапазоне 0,3 мм-2,5 мм, предпочтительно толщиной в диапазоне 0,4 мм-2 мм. Приемлемы и другие материалы и размеры. Например, может быть предусмотрен конвейер, выполненный из пластмассы, и также могут быть использованы стальные ленты толщиной более 2,5 мм или менее 0,3 мм. Бесконечный конвейер может быть выполнен из неметаллического материала, например, из пластмассы, но предпочтительной является металлическая лента/ металлический ремень, поскольку они обладают более высокой устойчивостью к износу и большим нагрузкам, которым подвергается конвейер во время работы. Предполагается, что металлическая лента прослужит дольше, чем бесконечный конвейер, выполненный из пластмассы, а также сможет выдерживать большие нагрузки. В целом, бесконечный конвейер может быть выполнен из текстильного материала, хотя можно предположить, что текстильный материал не прослужит слишком долго.
Бесконечный конвейер предпочтительно имеет перфорационные отверстия диаметром в диапазоне 0,5 мм-5,0 мм, предпочтительно в диапазоне 1,0 мм-5,0 мм. Возможны варианты выполнения, в которых перфорационные отверстия имеют диаметр более 5 мм или менее 0,5 мм.
Перфорационные отверстия предпочтительно имеют круглую форму. Однако они могут иметь некруглую форму, например эллиптическую, треугольную или прямоугольную форму. Бесконечный конвейер может преимущественно иметь площадь пропускного сечения в диапазоне 10%-50%, предпочтительно в диапазоне 15%-45% и более предпочтительно в диапазоне 25%-40%.
Если бесконечный конвейер представляет собой металлическую ленту/металлический ремень, то предпочтительно он должен быть выполнен из нержавеющей стали, но допустимы и другие металлы, например, медь.
В преимущественных вариантах выполнения данного изобретения внутри петли бесконечного конвейера может быть расположено очищающее устройство для бесконечного конвейера, выполненное с возможностью воздействия на указанный конвейер для удаления с него мусора, таким образом препятствуя его засорению.
Указанное устройство может содержать третий барабан, расположенный внутри петли бесконечного конвейера, и четвертый барабан, расположенный снаружи петли бесконечного конвейера с обеспечением образования с третьим барабаном второй зоны сжатия для отжима воды из древесной щепы, проходящей на бесконечном конвейере через вторую зону сжатия.
В преимущественных вариантах выполнения данного изобретения бесконечный конвейер выполнен с возможностью приведения в движение. Дополнительно, четвертый барабан может быть выполнен с возможностью приведения в движение с такой скоростью, что его окружная скорость превышает скорость бесконечного конвейера.
Данное изобретение также относится к способу обезвоживания древесной щепы. Предлагаемый способ включает прохождение древесной щепы через по меньшей мере первую зону сжатия, образованную между первым и вторым барабанами так, что вода в древесной щепе отжимается из нее при прохождении древесной щепы через первую зону сжатия. В предлагаемом способе древесная щепа проходит через первую зону сжатия на бесконечном конвейере, который является водопроницаемым и образует петлю вокруг первого барабана. В вариантах выполнения данного изобретения вода, отжатая из древесной щепы, всасывается сквозь бесконечный конвейер посредством всасывающего устройства, расположенного внутри петли бесконечного конвейера и проходящего в направлении, параллельном оси первого барабана. Всасывающее устройство расположено/выполнено с возможностью взаимодействия с наружной поверхностью первого барабана с образованием герметичного соединения, образуя при этом ограниченную зону всасывания в области между указанным по меньшей мере одним всасывающим устройством, наружной поверхностью первого барабана и бесконечным конвейером, при этом всасывающее устройство приводят в действие во время сжатия, создавая пониженное давление.
В преимущественных вариантах выполнения указанного способа всасывающее устройство может содержать уплотнение, проходящее в осевом направлении первого барабана так, что указанное уплотнение входит в контакт/взаимодействует с наружной поверхностью первого барабана.
В процессе работы бесконечный конвейер может, соответственно, развивать скорость в диапазоне 0,3 м/с-10 м/с, предпочтительно в диапазоне 0,6 м/с-5 м/с, однако, возможны и скорости, выходящие за пределы этих диапазонов.
Соответственно, в зоне сжатия прикладывается погонная нагрузка в диапазоне 500 кН/м-4000 кН/м, предпочтительно в диапазоне 800 кН/м-3000 кН/м, более предпочтительно в диапазоне 1000 кН/м-2500 кН/м. Возможны погонные нагрузки, превышающие 4000 кН/м или составляющие менее 500 кН/м.
Преимущественно предлагаемый способ может включать приведение в действие очищающего устройства внутри петли бесконечного конвейера для удаления с него мусора. Возможны варианты выполнения предлагаемого способа, в которых такое очищающее устройство не используется.
В вариантах выполнения предлагаемого способа бесконечный конвейер может дополнительно проходить через вторую зону сжатия, расположенную ниже по потоку относительно первой зоны сжатия. Указанная вторая зона сжатия может быть образована третьим барабаном, расположенным внутри петли бесконечного конвейера, и четвертым барабаном, расположенным снаружи петли указанного конвейера. В таких вариантах выполнения четвертый барабан при необходимости может быть приведен в движение с такой скоростью, что его окружная скорость превышает скорость бесконечного конвейера.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 изображает вид в аксонометрии варианта выполнения предлагаемого устройства.
Фиг. 2 изображает вид сверху устройства, показанного на фиг. 1.
Фиг. 3A и 3B изображают увеличенные участки, обозначенные как «D» и «Е» на фиг. 2.
Фиг. 4 изображает вид в аксонометрии варианта выполнения, показанного на фиг. 1, из которого удалены некоторые части.
Фиг. 5а, 5b, 5c и 5d изображают подробный вид элемента, показанного на фиг. 4. Следует отметить, что фиг. 5d изображает в увеличении участок, отмеченный как «F» на фиг. 5c.
Фиг. 6 изображает возможный вариант выполнения барабана, используемого в настоящем изобретении.
Фиг. 7 изображает вид сбоку в разрезе варианта выполнения, показанного на фиг. 1.
Фиг. 8а изображает увеличенный фрагмент части изображения на фиг. 7.
Фиг. 8b изображает дополнительно увеличенный фрагмент части изображения на фиг. 8а.
Фиг. 9 изображает вид сбоку в разрезе альтернативного варианта выполнения, подобный виду на фиг. 7.
Фиг. 10 изображает еще один вариант выполнения.
Фиг. 11, 12 и 13 изображают еще один вариант выполнения.
Фиг. 14 изображает еще один вариант выполнения.
Фиг. 15 изображает график, иллюстрирующий, как с помощью настоящего изобретения может быть достигнуто эффективное снижение содержания влаги.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1
1
1
1
Как показано на фиг. 1, 2, 4, 7, 8а и 8b, настоящее изобретение относится к устройству для обезвоживания древесной щепы 2. Устройство 1 содержит первый барабан 3 и второй барабан 4, которые образуют по меньшей мере первую зону N сжатия. Как лучше всего видно на фиг. 7, древесная щепа 2 проходит в первую зону N сжатия, так что вода может быть отжата из древесной щепы 2. Барабаны 3, 4 могут быть установлены в барабанной стойке 21, как показано на фиг. 1 и фиг. 7. Как показано на фиг. 1, исполнительные механизмы 22, 23 (например, гидроприводы), соответственно, могут быть расположены с обеспечением прижатия второго барабана 4 к первому барабану 3, чтобы обеспечить приложение нагрузки к первой зоне N сжатия, при этом древесная щепа 2, проходящая через первую зону N сжатия, будет сдавливаться благодаря усилию, приложенному к указанной зоне. Один из барабанов 3 и 4 или оба барабана могут быть оснащены приводом для приведения их в движение. На фиг. 1 позицией 27 может быть обозначен привод для барабана 3, 4 или соединение с приводом для барабана 3, 4.
Более крупные куски древесины предварительно были разрублены с образованием древесной щепы 2 (см. фиг. 8а), которую необходимо осушить в предлагаемом оборудовании. В качестве древесины, разрубленной до состояния древесной щепы 2, могут быть использованы, например, стволы, ветки или корни деревьев. Во многих вариантах применения древесная щепа 2 может иметь размер порядка приблизительно 5 мм-20 мм (по длине, толщине, ширине), но также возможны и другие размеры. Следует понимать, что исходный материал (древесная щепа) также может быть в виде кусков древесины (например, в виде небольших веточек), которые уже настолько малы, что их не нужно разрубать на меньшие куски перед обработкой в предлагаемом устройстве 1. Например, при испытании, проводимом с использованием предлагаемого способа/устройства, все верхушки деревьев были успешно обработаны.
1
1
1
5
Как видно на фиг. 1, 7 и 8а, устройство также содержит бесконечный конвейер 5, на котором древесная щепа 2 может быть перенесена в первую зону N сжатия. Древесный материал предпочтительно распределен на ленте с образованием по меньшей мере двух слоев на верхней части конвейера 5, а в случае древесной щепы предпочтительно 2-5 слоев для образования относительно плотного ковра, т.е. ковра по существу без открытых сквозных отверстий для обеспечения эффективного обезвоживания всех древесных частиц, т.е. щепы. Конвейер 5 является водопроницаемым и образует петлю вокруг первого барабана 3, причем указанный конвейер расположен с возможностью прохождения через первую зону N сжатия для переноса древесной щепы 2 через указанную зону N сжатия. Бесконечный конвейер 5 предпочтительно выполнен из металлической ленты/металлического ремня. Для конвейера 5 могут быть использованы различные металлические материалы. Например, конвейер 5 может быть выполнен из меди или стали. Предпочтительно конвейер 5 представляет собой ремень (ленту) из нержавеющей стали. Например, конвейер 5 может представлять собой ремень из нержавеющей мартенситной стали, предпочтительно из дисперсионно-твердеющей стали, обладающей относительно высокой прочностью (например, более 1500 МПа) и твердостью (например, более 450 HV). Подходящий класс ремней поставляет компания SANDVIK AB (Сандвикен, Швеция) под знаком Sandvic 1600SM, который относится к классу ремней, выполненных из низкоуглеродистой мартенситной дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали. Специалистом в данной области техники может быть рассмотрена возможность использования других металлических материалов с учетом того, что соответствующий металлический материал должен быть устойчивыми к износу и достаточно прочным, чтобы выдерживать применяемые большие усилия сжатия.
1
Бесконечный конвейер 5 может проходить вокруг барабанов 19, 20, распложенных на концах петли, образованной указанным конвейером. Один из указанных барабанов 19, 20 дополнительно может быть приводным барабаном, приводящим в движение конвейер 5. В некоторых случаях, оба барабана 19, 20 могут быть приводными. Как лучше всего видно на фиг. 8а, внутри петли конвейера 5 расположено по меньшей мере одно всасывающее устройство 6. Всасывающее устройство 6 расположено с обеспечением всасывания воды сквозь конвейер 5 при отжиме воды из древесной щепы 2 в зоне N сжатия. Как показано на фиг. 8а, всасывающее устройство 6 может содержать уплотнение 9, проходящее в осевом направлении и взаимодействующее с наружной поверхностью 7 первого барабана 3 так, что устройство 6 взаимодействует с первым барабаном 3 с образованием герметичного соединения. Проходящее в осевом направлении уплотнение 9 по существу параллельно оси первого барабана 3 и расположено с обеспечением плотного соединения с барабаном 3. Уплотнение 9 может быть выполнено из различных материалов. В варианте выполнения, предложенном авторами изобретения, уплотнение 9 может быть выполнено из резины (полностью или частично). В других вариантах выполнения, предложенных авторами изобретения, проходящее в осевом направлении осевое уплотнение 9 может быть выполнено из волокнистого или текстильного материала и обработано ПТФЭ (политетрафторэтилен) (тефлоном), но также могут быть рассмотрены и другие материалы.
1
1
1
Как показано на фиг. 8а, всасывающее устройство 6 дополнительно может иметь крышку (заглушку) 10, проходящую в направлении первой зоны N сжатия параллельно или по существу параллельно бесконечному конвейеру 5. Крышка или заглушка 10 заканчивается на некотором расстоянии от раскрытия первой зоны N сжатия. В вариантах выполнения, предложенных авторами изобретения, крышка 10 может проходить до точки, расположенной на расстоянии 50 мм-150 мм от первой зоны N сжатия. Как видно на фиг. 8а, ограниченная зона 26 всасывания образована в области между указанным по меньшей мере одним всасывающим устройством 6, наружной поверхностью 7 первого барабана 3 и бесконечным конвейером 5. Крышка 10 может обеспечивать ограничение указанной зоны 26 всасывания, однако, следует понимать, что возможны варианты выполнения, в которых всасывающее устройство 6 не имеет такой крышки 10. В таких вариантах выполнения бесконечный конвейер 5 будет образовывать верхнюю границу для ограниченной зоны 26 всасывания. Во время работы бесконечный конвейер 5 будет проходить над указанным по меньшей мере одним всасывающим устройством 6 и благодаря пониженному давлению как правило будет слегка прижат к указанному по меньшей мере одному всасывающему устройству 6 так, что указанное всасывающее устройство будет взаимодействовать как с первым барабаном 3, так и с указанным конвейером 5. Крышка 10 более отчетливо изображена на фиг. 8b, где показано, каким образом бесконечный конвейер проходит по верхней части крышки 10. На фиг. 8b также показано, как проходящее в осевом направлении уплотнение 9 расположено в канавке 30 в корпусе всасывающего устройства 6.
1
1
1
1
Как показано на фиг. 4, всасывающее устройство 6 проходит в направлении, параллельном оси первого барабана 3. В варианте выполнения, показанном на фиг. 4, всасывающее устройство 6 имеет осевую длину, по существу равную осевой длине первого барабана 3. Предпочтительно всасывающее устройство проходит по меньшей мере вдоль всей осевой длины первого барабана, что обеспечивает осуществление всасывания по всей осевой длине первой зоны сжатия. Однако возможны варианты выполнения, в которых всасывающее устройство является более коротким и покрывает лишь часть осевой длины первого барабана 3. Всасывающее устройство 6 присоединено к источнику пониженного давления (не показан на чертежах), что обеспечивает всасывание в ограниченной зоне 26 всасывания. При выполнении всасывания в ограниченной зоне 26 всасывания вода, отжатая из древесной щепы 2, всасывается сквозь бесконечный конвейер 5, который является водопроницаемым. В таком случае происходит удаление воды из области первой зоны N сжатия, что важно, поскольку в противном случае отжатая из древесной щепы 2 вода может быть обратно всосана в щепу 2 при выходе щепы 2 из области первой зоны N сжатия. Благодаря размещению всасывающего устройства 6 с обеспечением его взаимодействия как с наружной поверхностью 7 первого барабана 3, так и с внутренней поверхностью 8 бесконечного конвейера 5 с образованием герметичного соединения, всасывание может быть выполнено непосредственно на выходе из первой зоны N сжатия или на входе в нее в зависимости от расположения всасывающего устройства 6 ниже или выше по потоку от первой зоны N сжатия. Таким образом, вода, отжатая из древесной щепы 2, может быть сразу удалена с бесконечного конвейера, что сокращает время, в течение которого может произойти обратное всасывание воды в щепу 2. Как показано на Фиг. 4, всасывающее устройство 6 может быть присоединено к выпускной трубе 25, через которую осуществляется сброс воды.
1
1
В целом, первый барабан 3 может быть выполнен как всасывающий барабан с перфорационными отверстиями в кожухе. Несмотря на то, что имеется возможность использования всасывающего барабана с перфорационными отверстиями в его кожухе, при использовании камеры всасывания, выполняющей всасывание сквозь проницаемый конвейер, существует меньшая вероятность засорения. Поскольку указанные барабаны, используемые в первой зоне N сжатия, используются для приложения давления к древесной щепе 2, кожухи барабанов должны иметь определенную толщину для обеспечения необходимой прочности. Отсюда следует, что перфорационные отверстия в кожухе барабана (рубашке барабана) будут соответственно длинными, что неизбежно повысит вероятность их засорения. Если вместо этого используется отдельный бесконечный конвейер, который является проницаемым, указанный конвейер не должен быть очень толстым, так как он не выполняет ту же функцию, что и барабан. Соответственно, перфорационные отверстия в таком конвейере могут быть значительно более короткими, чем указанные отверстия в кожухе барабана. Таким образом, значительно уменьшается вероятность засорения перфорационных отверстий мусором от древесной щепы. Следовательно, проницаемый бесконечный конвейер и всасывающее устройство, выполненное отдельно от указанных барабанов в первой зоне N сжатия, является лучшим решением, чем всасывающий барабан. В настоящем изобретении первый барабан 3 предпочтительно представляет собой барабан без перфорационных отверстий, а напротив имеющий сплошную оболочку (т.е. он не является всасывающим барабаном). Предпочтительно использовать такое решение и в отношении других барабанов. Сплошная оболочка первого барабана 3 (т.е. оболочка без перфорационных отверстий) является более прочной, чем перфорированная оболочка, и обеспечивает возможность приложения больших усилий при обезвоживании. При использовании больших усилий обезвоживание может быть более эффективным.
1
1
1
1
Как показано на фиг. 4 и 8а, устройство 1 предпочтительно содержит всасывающее устройство 6, 11 на каждой стороне первой зоны N сжатия в направлении перемещения бесконечного конвейера 5. Как показано, например, на фиг. 8а, всасывающее устройство 6 расположено на одной стороне первой зоны N сжатия, тогда как второе всасывающее устройство расположено на другой стороне первой зоны N сжатия. В таком случае вода может быть удалена путем всасывания с обеих сторон от первой зоны N сжатия. Соответственно, дополнительно уменьшается вероятность обратного всасывания воды древесной щепой 2.
Как показано на фиг. 4, 5а и 5b, указанное по меньшей мере одно всасывающее устройство 6 дополнительно снабжено стенкой 12 осевых торцов по меньшей мере на одном из осевых торцов 13, 14 всасывающего устройства 6. Стенка (стенки) 12 у осевых торцов всасывающего устройства 6 ограничивают ограниченную зону 26 всасывания также у осевых торцов указанного по меньшей мере одного всасывающего устройства 6 так, что ограниченная зона 26 всасывания закрыта также у осевых торцов всасывающего устройства 6. Несмотря на то, что стенка (стенки) 12 у осевого торца (торцов) всасывающего устройства 6 является/-ются преимущественными, возможны варианты выполнения, в которых не используются такие торцевые стенки 12 всасывающего устройства 6. Когда осевые торцы всасывающего устройства 6 закрыты торцевыми стенками 12, это обеспечивает выполнение более эффективного всасывания, а также лучшее удаление воды. Как показано на фиг. 5b, 5c и 5d, торцевые стенки 12 указанного по меньшей мере одного всасывающего устройства 6 могут быть оснащены изогнутыми уплотнениями 28, которые могут обеспечить плотную посадку на наружной поверхности 7 первого барабана 3. Как показано на фиг. 6, в первом барабане 3 у его осевых торцов может быть выполнена кольцевая канавка 29 (возможны варианты выполнения, в которых лишь один осевой торец первого барабана содержит такую канавку 29). Изогнутые уплотнения 28 всасывающего устройства 6 могут проходить в кольцевые канавки 29, выполненные у осевых торцов первого барабана 3. Изогнутые уплотнения 28 могут взаимодействовать с нижней частью кольцевых канавок 29, но предпочтительно они соприкасаются со стенкой каждой кольцевой канавки, а не с нижней частью указанной канавки. По мнению авторов изобретения, такое уплотнение будет более надежным и обеспечит лучшее уплотнительное воздействие.
Как можно видеть на фиг. 5а, всасывающее устройство 6 может быть оснащено элементами 31 жесткости для увеличения его прочности.
1
Выбор материала и размеров бесконечного конвейера 5 зависит от требуемых характеристик указанного конвейера. Конвейер должен иметь определенную минимальную прочность, устойчивость к износу и истиранию. В то же время он должен быть гибким и достаточно проницаемым для воды. Было установлено, что бесконечный конвейер может, соответственно, представлять собой стальную ленту толщиной в диапазоне 0,3 мм-2,5 мм, предпочтительно в диапазоне 0,4 мм-2 мм. Очевидно, что настоящее изобретение не ограничено использованием одного конвейера 5, но предположительно в некоторых видах применения преимущественным может быть использование двух бесконечных конвейеров 5, т.е. одного снизу и одного сверху, что обеспечивает, например, лучшую способность перемещения более крупного и/или скользкого зернистого материала в зону N сжатия и через нее.
Дополнительное возможное преимущество, обеспечиваемое благодаря использованию двух конвейеров, заключается в обеспечении поддержания некоторого давления, оказываемого на материал при выполнении многократных прессований, что обеспечивает возможность только частичного сброса давления, что позволит уменьшить необходимое усилие прессования в последующей зоне сжатия. Это может быть особенно предпочтительно в случае «жесткой древесины» (например, поздней древесины), которая имеющей толстые клеточные оболочки, наиболее трудные для смягчения и содержащие наибольшее количество связанной воды. Благодаря возможности уменьшения величины давления для максимального прессования до требуемого уровня и затем многократного его повторения (прохождения через зоны сжатия) может быть сэкономлена энергия. Кроме того, полный сброс давления после каждой зоны сжатия может привести к перегреву «мягкой древесины» с тонкой клеточной оболочкой (например, ранней древесины), что может привести к нежелательному расходу энергии из-за использования горячей пропитывающей жидкости, например нагретого масла (как будет изложено далее более подробно).
1
1
Фиг. 3A изображает участок, обозначенный на фиг. 2 как «D», являющийся частью верхней поверхности бесконечного конвейера 5. Как показано на фиг. 3a, бесконечный конвейер 5 имеет перфорационные отверстия (сквозные отверстия) 15, через которые может проходить вода, т.е. указанный конвейер является водопроницаемым. Соответственно, бесконечный конвейер 5 имеет перфорационные отверстия 15 диаметром в диапазоне 0,5 мм-5,0 мм, предпочтительно в диапазоне 1,0 мм-5,0 мм. Перфорационные отверстия 15 могут иметь круглую (округлую) форму и предпочтительно расположены по принципу равностороннего треугольника. Бесконечный конвейер 5 с такими перфорационными отверстиями может иметь хорошую водопроницаемость, а также способствует перемещению древесного материала через зону N сжатия благодаря сочетанию большого количества относительно острых «захватывающих» краев (образованных каждым отверстием), обладающих высокой прочностью. Соответственно, указанные признаки способствуют осуществлению перемещения древесного материала в зону N сжатия и через нее, в противном случае большая погонная нагрузка может вызывать затруднения.
На фиг. 3B изображен участок, обозначенный на фиг. 2 как «E», и показано, что металлическая лента 5 предпочтительно скреплена сварным швом 50, смежно с которым расположены предпочтительно неперфорированные участки 51, 52. Предпочтительно неперфорированные участки 51, 52 имеют ширину X в диапазоне 10-60 мм, более предпочтительно 20-40 мм. Также, у боковых сторон/краев металлической ленты 5 предпочтительно имеются неперфорированные участки 53, имеющие поперечную протяженность приблизительно 5-30 мм, более предпочтительно 10-20 мм.
В контексте настоящей заявки термин «диаметр» может быть применим к перфорационным отверстиям с некруговой формой (например, эллиптической, прямоугольной или треугольной формой). Для таких перфорационных отверстий под термином «диаметр» можно понимать, что перфорационное отверстие, имеющее определенный диаметр, имеет такие размеры, при которых пропускная область (т.е. область, через которую может проходить вода и/или воздух) имеет такой же размер, что и область кругового перфорационного отверстия этого диаметра.
Соответственно, бесконечный конвейер 5 имеет площадь пропускного сечения в диапазоне 10%-50%, предпочтительно в диапазоне 15%-45% и более предпочтительно в диапазоне 25%-40%. Таким образом, достигается хорошая водопроницаемость одновременно с возможностью сохранения достаточной прочности конвейера.
В одном прошедшем испытание варианте выполнения, предложенном автором изобретения, бесконечный конвейер 5 может представлять собой стальную ленту (в частности, ленту из нержавеющей стали) толщиной 0,6 мм, в то время как перфорационные отверстия 15 имеют диаметр 3 мм, а общая площадь пропускного сечения может составлять 32,6%.
Как показано на фиг. 7, очищающее устройство 16 для бесконечного конвейера 5 может быть расположено внутри петли указанного конвейера 5 с обеспечением воздействия на указанный конвейер 5 для удаления с него мусора, таким образом, предотвращая его засорение. Очищающее устройство 16 может представлять собой, например, вращающуюся щетку, воздействующую непрерывно или с перерывами на внутреннюю поверхность бесконечного конвейера 5 для удаления мусора из перфорационных отверстий 15 в указанном конвейере 5. Очищающее устройство не обязательно должно представлять собой щетку, а может быть выполнено, например, в виде сопла, выпрыскивающего жидкость или воздух под давлением на поверхность указанного конвейера 5. Очищающее устройство 16 не обязательно должно воздействовать на внутреннюю поверхность бесконечного конвейера 5, оно также может воздействовать на его наружную поверхность. Дополнительно, возможно использование более чем одного очищающего устройства 16. Например, одно очищающее устройство 16 может быть расположено с обеспечением воздействия на внутреннюю поверхность 8 бесконечного конвейера 5, в то время как другое очищающее устройство может быть расположено с обеспечением воздействия на наружную поверхность указанного конвейера 5.
2
Далее приведено описание другого варианта выполнения настоящего изобретения, показанного на фиг. 9. В варианте выполнения, показанном на фиг.9, предлагаемое устройство 1 дополнительно содержит третий барабан 17, расположенный внутри петли бесконечного конвейера 5, и четвертый барабан 18, расположенный снаружи петли бесконечного конвейера 5. Четвертый барабан 18 расположен с возможностью образования с третьим барабаном 17 второй зоны N2 сжатия для отжима воды из древесной щепы 2, которая проходит на указанном конвейере 5 через вторую зону N сжатия. Четвертый барабан 18 может быть выполнен с возможностью приведения во вращение с такой скоростью, что его окружная скорость превышает скорость бесконечного конвейера 5. Преимущество такого решения заключается в том, что когда четвертый барабан 18 вращается быстрее, чем перемещается указанный конвейер 5, то древесная щепа 2 стремится занять положение, при котором ее волокна будут ориентированы по существу в той же плоскости, что и указанный конвейер 5. Это способствует более эффективному обезвоживанию по сравнению с вариантом, когда щепа 2 «стоит», при этом ее волокна ориентированы в той же плоскости, что и усилия в зоне сжатия. Усилие, необходимое для отжима воды из древесной щепы 2, меньше, когда ее волокна ориентированы по существу в той же плоскости, что и бесконечный конвейер. Авторами изобретения было установлено, что разность скоростей бесконечного конвейера 5 и указанного барабана, расположенного снаружи петли указанного конвейера 5, обеспечивает такое воздействие на ориентацию древесной щепы 2, которое улучшает ее обезвоживание.
Как показано на фиг. 10, также возможны варианты выполнения, в которых используются три зоны сжатия. Кроме того, в таких вариантах выполнения верхний барабан в последней зоне сжатия может иметь окружную скорость, превышающую скорость бесконечного конвейера 5.
1
2
Возможны варианты выполнения, в которых устройство 1 имеет только одну зону сжатия и в которых используется один первый барабан 3 и второй барабан 4, причем второй барабан 4 (барабан, расположенный снаружи петли бесконечного конвейера 5) приводится в движение с такой скоростью, что его окружная скорость превышает скорость указанного конвейера 5. Однако опыт показал, что в вариантах выполнения только с одной зоной сжатия трудно обеспечить приведение в движение одного барабана со скоростью, превышающей скорость указанного конвейера 5. При использовании двух (или более) зон сжатия скорость бесконечного конвейера может определяться скоростью приводных барабанов в одной зоне сжатия, в то время как более высокая окружная скорость может быть использована барабаном в другой зоне сжатия (барабаном, расположенным снаружи петли бесконечного конвейера 5). Следовательно, при использовании двух зон N, N сжатия легче получить разницу в скоростях.
Следует отметить, что в вариантах выполнения, в которых использован конвейер с перфорационными отверстиями, указанные отверстия могут способствовать удержанию древесной щепы в зоне сжатия, когда наружный барабан приведен в движение с окружной скоростью, превышающей скорость указанного конвейера 5. Кроме того, в случаях, когда оба барабана в зоне сжатия приведены в движение с одинаковой окружной скоростью, перфорационные отверстия могут выполнять функцию удержания древесной щепы. Соответственно, это обеспечивает уменьшение вероятности отбрасывания некоторого количества древесной щепы при достижении зоны сжатия и образования небольшой горстки щепы перед зоной сжатия. Таким образом, перфорационные отверстия могут способствовать увеличению производительности предлагаемого устройства.
Во время работы предлагаемого устройства всасывающее устройство 6 или всасывающие устройства 6, 11, приводят в действие во время сжатия древесной щепы 2, при этом в ограниченной зоне 26 всасывания образуется пониженное давление, и вода всасывается сквозь проницаемый бесконечный конвейер. Вода, удаленная таким всасыванием из зоны сжатия, проходит через всасывающее устройство 6, которое может содержать выпускной трубопровод 25 (см. фиг. 4). Во время работы пониженное давление в зоне 26 всасывания может составлять приблизительно 100 миллибар. Например, пониженное давление может быть в диапазоне 90-300 миллибар. Однако также возможны и другие значения пониженного давления. Что касается каждого конкретного применения, то могут быть проведены испытания различных уровней давления, таким образом, специалисту в данной области техники рекомендуется провести испытания для определения достаточности более низкого уровня пониженного давления (который может обеспечить экономию энергии), или более высокого уровня пониженного давления, при котором может быть обеспечено более эффективное обезвоживание.
3
Бесконечный конвейер 5 может быть приведен в движение первым и вторым барабанами 3, 4 и/или третьим и четверым барабанами 17, 18. В альтернативном варианте выполнения, бесконечный конвейер 5 может быть приведен в движение одним из барабанов 19, 20 или ими обоими (см. фиг. 1). Дополнительно, все барабаны, показанные на фиг. 1 или 9, расположенные с возможностью воздействия на бесконечный конвейер 5, могут быть использованы для приведения в движение указанного конвейера 5. Бесконечный конвейер 5 может быть приведен в движение со скоростью в диапазоне 0,3 м/с-10 м/с, предпочтительно в диапазоне 0,6 м/с-5 м/с. Такая скорость обеспечивает эффективное обезвоживание. При слишком высоких скоростях не хватает времени для осуществления достаточного сжатия древесной щепы 2. При слишком низких скоростях производительность будет неудовлетворительной. В одном варианте выполнения, предложенном авторами изобретения, бесконечный конвейер может быть приведен в движение со скоростью приблизительно 1 м/с для выработки продукции приблизительно 80-100 м/час при обработке на указанном конвейере 5 стружечного ковра толщиной 30 мм.
1
В первой зоне N сжатия может быть приложена погонная нагрузка в диапазоне 400 кН/м-1500 кН/м, предпочтительно в диапазоне 500 кН/м-1000 кН/м. Такое усилие является достаточным для эффективного обезвоживания во многих практических случаях. Следует добавить, что требуемое давление может изменяться в зависимости от типа древесины, содержащейся в щепе 2. Кроме того, требуемая нагрузка может быть уменьшена благодаря предварительному нагреванию древесного материала, так как предварительное нагревание древесного материала приводит к его размягчению, например, предварительное нагревание до 100°C может уменьшить требуемую нагрузку на 30%-50%.
Во многих случаях практического применения зона сжатия может иметь зазор (расстояние между прессующими барабанами), который во время работы может составлять порядка 1 мм-10 мм, в зависимости от типа древесной щепы и других факторов. Возможны также другие размеры указанного зазора.
Благодаря настоящему изобретению древесная щепа может быть обезвожена без избыточного повторного поглощения воды после зоны сжатия, а также обеспечивается уменьшение засорения перфорационных отверстий, через которые всасывается вода.
Принцип использования разности скоростей барабана и бесконечного конвейера для обеспечения ориентации древесной щепы также может быть использован при отсутствии всасывающего устройства. В вариантах выполнения без всасывающего устройства бесконечный конвейер не обязательно должен быть проницаемым.
Следует понимать, что все вышеизложенное применительно к указанному по меньшей мере одному всасывающему устройству 6, расположенного на одной стороне зоны сжатия, может также быть применено к всасывающему устройству, расположенному на другой стороне зоны сжатия (если на каждой из сторон зоны сжатия имеется всасывающее устройство).
На фиг. 11, 12 и 13 показан преобразованный вариант выполнения в соответствии с настоящим изобретением. В указанном варианте выполнения смежно с зоной сжатия расположено пропитывающее устройство 200, выполненное, например, в виде парораспределительной камеры 200. Парораспределительная камера 200 содержит подвод 201 пара, выполненный в виде непрерывного паза или отдельных сопел, впрыскивающих пар в заднюю область зоны сжатия. Посредством устройства 200, 201 перегретый пар, предпочтительно в диапазоне 180°C-220°C, подается к древесной щепе в зоне сжатия. Благодаря подаче перегретого пара возникает относительная вязкоупругая термокомпрессия, что в свою очередь приводит к механосорбционному эффекту, благодаря которому дополнительно уменьшается содержание влаги в древесной щепе. Это обусловлено тем, что 25%-45% влаги в древесной щепе содержится в оболочках клеток, и данная влага не может быть удалена только путем сжатия; для ее удаления требуется нагрев, обеспечиваемый путем подачи перегретого пара в соответствии с преобразованными вариантами выполнения настоящего изобретения. Соответственно, способ использования этого нового принципа действий в целом описан далее. В первую очередь древесную щепу подвергают сжатию (как описано выше) в зоне сжатия посредством барабанов 3, 4. При сжатии эластичность древесной щепы будет способствовать ее расширению, что в свою очередь обеспечит поглощение щепой окружающего перегретого пара и тем самым испарение существенного количества содержащейся в щепе остаточной влаги, что дополнительно уменьшит содержание влаги в древесной щепе. Перегретый пар непрерывно подают через подвод 201 пара и непрерывно удаляют посредством всасывающих устройств 6, 11.
В соответствии с дополнительным преобразованием согласно настоящему изобретению вязкоупругое восстановление древесной щепы также может быть использовано для ее пропитки различными видами жидкостей, например, пропиточной жидкостью перед введением щепы в автоклав. Упругое восстановление создает всасывающую силу, приводящую к интенсивному впитыванию жидкости в пропиточном устройстве 200 порами древесной щепы и, соответственно, что приводит к значительно более эффективной пропитке по сравнению с обычными способами. При этом может быть получена неожиданная эффективность, например, вместо приблизительно 90 мин для обеспечения достаточной пропитки она может быть выполнена менее чем за 5 с, или даже быстрее, фактически испытание показало, что она может быть выполнена менее чем за 1 с, на практике пропитка происходит мгновенно или почти мгновенно и может «регулироваться» скоростью конвейера 5. Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что этот принцип может быть использован в различных технологических процессах, относящихся к обработке древесной щепы, например при производстве волокнистой массы (например, пропиточного щелока), при изготовлении древесно-стружечных плит, стружечных брикетов, пеллет и т.д. Во многих случаях применениях предпочтительным может быть отдельное применение масла и влаги для повторного использования масла в данном технологическом процессе.
Дополнительно, данное изобретение может быть использовано для производства биотоплива с крайне низким содержанием влаги, например, для газификации, благодаря использованию соответствующей пропиточной жидкости для вытеснения большего количества влаги из волокон. Соответствующая пропиточная жидкость, например, масло предпочтительно имеет большую вязкость, чем вода. В одном варианте выполнения последнее получают путем подачи масла в пропиточное устройство 200, при этом на первом этапе это масло всасывается в материал, т.е. заполняет поры (просветы) волокон. В последующей зоне сжатия/на следующем этапе масло вместе с влагой отжимают из материала, что без затруднений обеспечивает содержания влаги ниже 27%. Благодаря использованию горячего масла (например, при температуре 200°C, вместо холодного масла) можно легко добиться содержания влаги ниже 25% и даже ниже 20% за один этап. Путем повторения данного процесса можно добиться крайне низкого содержания влаги, например, можно легко получить содержание влаги ниже 19%. Более того, теоретически возможно добиться любого содержания влаги (MC - moisture content) в зависимости от количества циклов, температуры и пропиточной жидкости.
В таблице показано, что с помощью настоящего изобретения могут быть получены весьма положительные результаты.
Помимо этого, пропиточную жидкость можно использовать для изменения содержимого обрабатываемого волокнистого материала, например, если при использовании масла не удалять остаток масла, можно повысить калорийность топлива.
На фиг. 14 показан другой преобразованный вариант выполнения в соответствии с настоящим изобретением, в котором пропиточное устройство 200 используется в сочетании с тремя зонами N1-N3 сжатия. В этом варианте выполнения указанное устройство 200 выполнено в виде ванны, содержащей пропиточную жидкость, например масло. Для обеспечения легкого перемещения материала 2 на конвейере 5 в направлениях вниз и вверх в пропиточной емкости 200 с погружением тем самым древесного материала 2 в пропиточную жидкость во второй зоне N2 и рядом с ней, при этом вторая зона N2 сжатия предпочтительно расположена на более низком уровне, чем соседние зоны N1 и N3 сжатия. Помимо этого, на фиг. 14 показано, что для достижения существенных результатов с помощью устройства в соответствии с настоящим изобретением нет необходимости использовать всасывающее устройство. Несмотря на то что всасывающее устройство улучшает обезвоживание, во многих случаях применения такое обезвоживание не является необходимым/требуемым. В особенности, если данный процесс выполняют в сочетании с использованием пропиточного устройства 200, использование всасывающего устройства может быть излишним, так как содержание влаги итак может быть снижено до очень низких уровней, что очевидно следует из вышеизложенного.
Предполагается, что настоящая заявка может быть объектом для многочисленных выделенных заявок, в формулах которых могут быть отражены различные аспекты идеи изобретения, например, в одной из них может быть изложен аспект использования всасывающего устройства (с пропиткой или без нее и/или с конвейером в виде металлической ленты), в еще одной - использование конвейера, выполненного в виде металлической ленты (с пропиткой или без нее и/или с всасывающим устройством), и еще в одной - использование пропиточного устройства (с всасывающим устройством или без него и/или с конвейером в виде металлической ленты).
3
Другой существенный результат настоящего изобретения заключается в том, что обработанный материал будет более мягким, чем исходный материал (например, древесная щепа), и вероятно станет пористым. Благодаря этому обрабатываемый материал легче использовать во многих случаях, например, при его прессовке. В действительности испытание показало, что таким образом можно легко изготовить брикеты плотностью выше 1000 кг/м.
2
2
В приведенной ниже таблице представлены результаты испытаний трех различных партий материала, в данном случае древесной щепы, причем каждая партия спрессована с одинаковым усилием сжатия, соответственно, до какой-либо обработки и после обработки, для измерения высоты партии в сжатом состоянии до и после ее обработки. В различных испытаниях были использованы различные усилия сжатия. Было установлено, что несмотря на использование различных усилий сжатия, увеличение коэффициента уплотнения всегда составляет более 25% при использовании усилия сжатия в диапазоне 1,5-10 кг/см, что является существенным преимуществом во многих случаях, например, в отношении требования к размещению во время транспортировки. Помимо этого, интересно отметить, что такое увеличение будет больше при меньшем значении усилия сжатия, т.е. менее 5 кг/см, что обеспечивает возможность использования уплотняющего оборудования, использующего относительно небольшие усилия сжатия, к примеру, завертывающие машины, используемые для других целей, например, для прессования сена в брикеты.
Более того, волокнистый материал также будет частично разделен на волокна, что может обеспечить значительные преимущества, например, при производстве волокнистой массы, в особенности древесной массы благодаря снижению необходимости в последующей обработке (химическими веществами и/или обработки с использованием энергии) для достижения достаточного разделения указанного материала на волокна.
Несмотря на то что данное изобретение описано в отношении устройства и способа, следует понимать, что эти категории лишь отражают различные аспекты одного и того же изобретения. Соответственно, данный способ может включать такие этапы, которые представляют собой неизбежным результат использования признаков/элементов предлагаемого устройства.
Несмотря на то, что предлагаемые способ и устройство в основном предназначены для обработки древесной щепы, очевидно, что они могут быть использованы подобным образом для обработки других материалов, например, древесных опилок, древесной коры, древесных отходов и т.д. Кроме того, предлагаемое устройство также может быть использовано по другим назначениям помимо обезвоживания, например для сжатия предварительно высушенной древесной щепы, т.е. для уплотнения указанной щепы. Очень сухая древесная щепа с содержанием воды 12% или менее не сильно пружинит при ее сжатии. Это обстоятельство может быть использовано для увеличения плотности древесной щепы для того, чтобы она стала менее объемной. Затем спрессованную древесную щепу можно с большей легкостью перевозить из одного в другое место. Такая спрессованная древесная щепа может быть сожжена для получения тепла. Что касается сжатия предварительно высушенной древесной щепы, при ее обработке нет необходимости ни в проницаемом конвейере, ни в камере всасывания.
Однако основное преимущество настоящего изобретения заключается в его эффективной способности обезвоживания древесной щепы. В испытании, проведенном авторами изобретения, древесная щепа с содержанием влаги 55%-65% была обезвожена до содержания влаги 28%-35%, причем, понятно, что более низкая начальное значение содержания влаги будет способствовать достижению более низкого конечного значения, как показано на фиг. 15 и в приведенной ниже таблице.