用于處理木質纖維素生物質物料的料塞螺旋給料器、給料器布置及系統的制作方法

本文總的涉及給料器布置并且尤其涉及用于處理木質纖維素生物質物料的料塞螺旋給料器、給料器布置及系統。

背景技術：

在處理諸如木屑、草本植物、稻草、甘蔗渣等的木質纖維素生物質物料的工業中，輸送布置是至關重要的。待處理或已經處理好的木質纖維素生物質物料的饋送取決于很多因素。諸如纖維長度、含水量、密度等的木質纖維素生物質物料的性質引起不同的要求以及在輸送之前和/或之后進行的處理的特性。

其中旋轉螺旋器向前輸送物料的料塞螺旋給料器是纖維物料處理中通常使用的類型的給料器，特別是用于木質纖維素生物質物料。在將物料饋送到下一階段的同時，螺旋器和相關聯的螺旋器管或殼體也起到體積壓縮的作用。通常通過在靠近后端的料塞螺旋給料器的側面中的入口開口提供木質纖維素生物質物料。

在基本裝置中，并且特別是當木質纖維素物料由木屑或其它更致密的物料組成時，可以簡單地借助重力通過入口開口提供木質纖維素生物質物料。然而，當處理秸稈和其它低密度物料時，并且如果在料塞螺旋給料器的前端處需要可良好再現的高密度，則可以采用強制饋送。這種強制饋送的示例可見于例如美國專利5,320,034或公開的國際專利申請WO2013/126007A1中。離開前端的物料在某些應用中要求具有高密度。例如，當將木質纖維素生物質物料饋送到在高壓下運行的蒸煮器中時，要求前端物料體積本身為高壓提供密封。因此，需要在通過料塞螺旋給料器饋送期間對木質纖維素生物質物料進行高度的、均勻的且可靠的壓縮。

使用現有技術的料塞螺旋給料器，特別是用于具有相對較長纖維的纖維物料，例如木質纖維素生物質物料中可能發生的一個問題是，料塞螺旋給料器的作業變得不規則。實際饋送到料塞螺旋給料器中和內似乎是間歇地或不平穩地提供。料塞螺旋給料器往往暴露于反復的短時間的非常高應力，并且總體壓縮結果變差。例如，常見的是，在前端所呈現的物料上獲得的壓縮在周向方向上顯著不同。此外，料塞螺旋給料器的功率要求變得不規則，這需要高安全邊際。

因此，需要一種適合于所有種類的木質纖維素生物質物料的改進的饋送布置。

相關背景

JPS 5216274 U提出了一種基于具有螺紋的料塞螺旋器的水平饋送布置。物料允許從上方落入料塞螺旋器中。整個螺旋器的螺紋具有鋸齒狀周界緣邊。

EP0336702A2公開了一種冷料橡膠擠出機，其包括在筒體中的螺旋器，具有進料口、壓縮段、塑化段和出口段。螺旋器設置有槽口，該槽口以大于螺旋葉的導程角的導程角切割穿過螺旋器螺旋葉，以提供新鮮料的正向牽引和向前輸送。

CA 528792A公開了一種用于擠出目的、特別是用于與塑料物料一起使用的混合器。鄰近料斗的螺紋的脊部設置有多個槽口。

技術實現要素：

本技術的總體目的是提供用于改進木質纖維素生物質物料通過料塞螺旋給料器進行饋送的裝置和系統。

該目的通過根據所附專利權利要求的用于處理木質纖維素生物質物料的料塞螺旋給料器、給料器布置和系統來實現。諸較佳實施例在諸從屬權利要求中限定。總體而言，在第一方面，料塞螺旋給料器包括具有螺紋的料塞螺旋器和包圍料塞螺旋器的料塞螺旋器殼體。料塞螺旋器殼體包括在平行于料塞螺旋器的側面中并且在料塞螺旋器的第一軸向端附近的入口開口。料塞螺旋器布置成用于在旋轉時將木質纖維素生物質物料從入口開口饋送到料塞螺旋器的與第一軸向端相對的第二軸向端。在料塞螺旋器的入口段的至少一部分中，螺紋存在鋸齒形周界緣邊。入口段被定義為在旋轉期間料塞螺旋器經過入口開口的段。在入口段的至少一部分中，周界緣邊包括齒。在入口段的至少一部分中，周界緣邊段具有表面法線，該表面法線具有向內指向的徑向分量。

在第二方面，饋送裝置包括根據第一方面的料塞螺旋給料器和布置成向料塞螺旋給料器的入口段提供木質纖維素生物質物料的強制饋送螺旋器。

在第三方面，用于處理木質纖維素生物質物料的系統包括根據第一方面的料塞螺旋給料器和處理容器。料塞螺旋給料器布置成將木質纖維素生物質物料饋送到處理容器中。

本文所提出的技術的一個優點是，料塞螺旋給料器具有更加均勻的作業，并且離開料塞螺旋給料器的所生產的壓縮木質纖維素生物質物料具有改善的壓縮，特別是在均勻性和可預測性方面。其它優點結合下文進一步描述的實施例來討論。

附圖說明

參照以下進行的描述及附圖可以最佳地理解本發明及其進一步的目的和優點，在附圖中：

圖1是現有技術料塞螺旋給料器的示意剖視圖；

圖2是圖2是總體料塞螺旋給料器實施例的示意圖；

圖3是料塞螺旋給料器的示例的示意剖視圖；

圖4是用于處理木質纖維素生物質物料的系統的實施例的示意圖；

圖5是用于處理木質纖維素生物質物料的系統的另一實施例的示意圖；

圖6是料塞螺旋器螺紋的示例的部分的示意圖；以及

圖7-9是料塞螺旋器螺紋的實施例的部分的示意圖；以及

圖10是入口段的延伸部分的圖示。

具體實施方式

在全部附圖中，相同的附圖標記用于相似或對應構件。

在本發明的上下文中，術語“料塞螺旋給料器”涉及包括螺旋器或類似旋轉裝置的給料器，并且該給料器能夠以增加或保持的物料密度饋送或輸送木質纖維素物料通過給料器，并且產生朝向給料器端部的木質纖維素物料的基本上氣密和流體密封的料塞。例如，根據這種料塞螺旋給料器的實施例，給料器的圓形殼體的橫截面面積和螺旋器直徑沿饋送方向減小，從而在螺旋器與殼體之間產生逐漸減小的空間，并且因此導致朝向給料器的端部的木質纖維素物料的基本氣密和流體密封的料塞。根據這種料塞螺旋給料器的另一實施例，給料器的圓形殼體的橫截面面積保持不變，而螺旋器直徑和螺旋器軸線沿饋送方向增大，從而在螺旋器與殼體之間產生逐漸減小的空間，并且因此導致朝向給料器的端部的木質纖維素物料的基本氣密和流體密封的料塞。如技術人員意識到的，存在實現該目的并且因此包括在術語“料塞螺旋給料器”的定義內的給料器的其它實施例。

經過徹底調查后，不規則料塞螺旋給料器作業帶來的問題的根源局限于料塞螺旋給料器的入口。圖1示出了穿過軸線的現有技術的料塞螺旋器10的一部分的剖視圖，其中，示出了略小于一個全螺紋12匝。繞軸16的預期旋轉方向用箭頭R表示。螺紋12的緣邊14遵循料塞螺旋器殼體20的內表面22。料塞螺旋器殼體20的入口開口24設置在平行于料塞螺旋器10的側面中。纖維物料、特別是木質纖維素生物質物料99可選地以強制方式提供到入口開口24。螺紋12的緣邊14經過入口開口24，并且意味著木質纖維素生物質物料99的部分應被推入螺紋之間的空隙中。當料塞螺旋器10相對較新且尖銳時，緣邊14會刮掉一些來自入口開口的木質纖維素生物質物料并使其進入料塞螺旋器的旋轉。然而，已經發現，特別是當料塞螺旋器10的螺紋12磨損時，緣邊14的作用反而可能將木質纖維素生物質物料朝向入口開口24推回。結果可能是在入口開口處形成更致密的木質纖維素生物質物料的餅塊98。當餅塊98上的力最終變得足夠大時，大塊餅塊將同時進入料塞螺旋器10。這是所經歷的作業不規則的主要原因。當要輸送長纖維時，木質纖維素生物質物料急劇輸入料塞螺旋器10的這種傾向通常增加。

此外，由于在料塞螺旋器10內的木質纖維素生物質物料的輸送主要是軸向指向，并且由于木質纖維素生物質物料基本上沉積在料塞螺旋器10最靠近入口開口10的部分中，因此木質纖維素生物質物料繞軸16的分布變得不均勻，從而導致在料塞螺旋器10的輸出端處的壓縮不均勻。

圖2示意性地示出了沿軸16的料塞螺旋給料器1的實施例的剖視圖。料塞螺旋給料器1包括具有螺紋12的料塞螺旋器10。料塞螺旋器殼體20包圍料塞螺旋器10。料塞螺旋器殼體20包括在平行于料塞螺旋器10的側面26中并且在料塞螺旋器10的第一軸向端18附近的入口開口24。料塞螺旋器10布置成用于在旋轉時將纖維材料、尤其是木質纖維素生物質物料從入口開口24饋送到料塞螺旋器10的與第一軸向端18相對的第二軸向端19。饋送方向用C表示，并且旋轉方向用R表示。為了理解本文所提出的技術的基本思想，料塞螺旋器10的入口段15被定義為在料塞螺旋器10旋轉期間料塞螺旋器10經過入口開口24的段。

圖3示出了在料塞螺旋器10的入口段15內穿過料塞螺旋器10的軸16截取的料塞螺旋器10的示例的剖視圖。在入口開口區域內的料塞螺旋器殼體的內表面22用虛線表示。料塞螺旋器10的螺紋12的緣邊14A示出具有波浪形狀。換言之，在料塞螺旋器10的入口段15的至少一部分中，螺紋12存在鋸齒狀周界緣邊14A。這種鋸齒狀周界緣邊14A的結果是，料塞螺旋器的緣邊施加到在待進入的入口開口處等待的纖維物料上的壓力在時間和空間上變化。接觸壓力的這種變化有助于打破可能在入口處形成的任何餅塊，并且通過入口開口的木質纖維素生物質物料流變得更連續。

在具體實施例中，在上述入口段的部分中，周界緣邊14A包括齒11。空隙容積13設置在這些齒11之間，從而在料塞螺旋器10與料塞螺旋器殼體的內表面22之間存在自由空間。進入入口開口的木質纖維素生物質物料可以部分進入空隙容積13。該物料由此將被賦予繞軸16的旋轉運動。木質纖維素生物質物料的這種額外運動的結果是，木質纖維素生物質物料變得更均勻地繞軸16散布。

上文所述的原理可以應用于所有類型的料塞螺旋給料器和所有種類的木質纖維素生物質物料。生物質物料例如包括諸如木屑、鋸屑、鑿削或錘磨的森林殘余物的木質原料，諸如甘蔗渣、甘蔗秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、玉米穗軸的農業殘余物，以及油棕果實殘留物(所謂的空果串)。根據本發明可以使用的其它類型的木質纖維素生物質物料包括禾草、蘆葦和能源甘蔗。

圖4是用于處理木質纖維素生物質物料的系統100的實施例的示意圖。該系統包括根據在本公開的任何實施例中描述的原理的料塞螺旋給料器1。在該實施例中，饋送布置2包括料塞螺旋給料器和入口布置40。在該具體實施例中，料塞螺旋給料器1通過包括滑槽的入口布置40由木質纖維素生物質物料饋料，在該滑槽中，木質纖維素生物質物料99通過使用其自身重量落入入口開口24。系統100還包括高壓處理容器50，諸如用于通過蒸煮或水解處理生物質物料的反應器。料塞螺旋給料器1布置成將木質纖維素生物質物料99饋送到處理容器50中。

如果處理容器例如是用于水解的蒸煮器或反應器，則在處理容器50內可能存在超壓。大約1-40巴的超壓是常見的。因此，料塞螺旋給料器1優選地必須在料塞螺旋給料器的端部處提供木質纖維素生物質物料的壓縮，該壓縮足夠高以承受在例如1-40巴的超壓下的處理容器作業。

圖5示意性地示出了用于處理木質纖維素生物質物料的系統100的另一個實施例。大部分部件類似于圖4所示的部件。然而，在該實施例中，采用木質纖維素生物質物料的強制饋送。因此，該系統示出為從上面觀察到的。這里，饋送布置2包括根據在本公開提出的任一實施例的料塞螺旋給料器1，以及強制饋送螺旋器60。強制饋送螺旋器60布置成向所述料塞螺旋給料器1的入口段15提供木質纖維素生物質物料。強制饋送螺旋器60可以是另一料塞螺旋器或任何其它類型的饋送螺旋器布置。

可以以不同的方式設計料塞螺旋器的螺紋的周界緣邊的實際形狀。優選實施例例如取決于待處理的木質纖維素生物質物料的組成、布置的尺寸、所需的木質纖維素生物質物料壓縮、料塞螺旋器的運行速度等。這里，下文討論設計的一些非限制性示例。

在圖6中，示意性地圖示料塞螺旋器螺紋的示例的一部分。所示段設置在料塞螺旋器的入口段的至少一部分中。旋轉方向用R表示。這里，周界緣邊14A存在多個齒狀結構，該齒狀結構具有各自末端70。結合末端70，周界緣邊14A具有比后緣72更陡的前緣74。

在圖7中示意性地示出了特別有利于木質纖維素生物質物料的料塞螺旋器螺紋的實施例的一部分。類似于上述，所示段設置在料塞螺旋器的入口段的至少一部分中。旋轉方向用R表示。在該實施例中，周界緣邊14A被賦予爪狀形狀。末端70設置有尖銳切割邊緣76。位于入口開口的纖維將被末端70刮掉抓住。尖銳切割邊緣還可以有助于實際上將長纖維切割成較短塊，這也有利于隨后的壓縮。空隙容積13允許木質纖維素生物質物料沿旋轉方向卷繞(bring around)，從而使木質纖維素生物質物料繞料塞螺旋器的軸分布。周界緣邊14A的段78(在該實施例中為前緣)被賦予表面法線80。表面法線80具有一徑向分量84和一切向分量82。在該實施例中，徑向分量向內指向料塞螺旋器的中心。換言之，前緣具有部分地向內指向的表面。這提供了實現尖銳切割邊緣的良好可能性，該尖銳切割邊緣可撕掉木質纖維素生物質物料來自入口開口的部分。

因此，向內指向的前緣提供了對木質纖維素生物質物料特別有利的作業。這種物料通常包含纖維物料。待進入料塞螺旋給料器的纖維物料通常被末端70抓住。通過段78，纖維物料被拉向螺旋器的中心，并且由此被從等待進入的物料容積中拉出。因此，向內指向的前緣不僅有助于在末端70處的切割，而且有助于通過入口拉出未被直接切割的纖維物料。這有助于實現更均勻的物料進入速率。由于纖維通常是細長的，因此纖維可以不完全容納在螺紋之間，這最終另外地有助于末端70也將拉出的木質纖維素生物質物料切割成更小的塊。

圖8中示意性地示出了料塞螺旋器的另一實施例的部分。類似于上述，所示段設置在料塞螺旋器的入口段的至少一部分中。旋轉方向用R表示。在該實施例中，切割邊緣76通過線性切割設置成大致圓形形狀。在該實施例中，切割邊緣76變得相對剛性，并且末端70之間的空隙容積13相對較大，以能夠通過向內指向的前緣74的作業來輸送相對大體積的纖維。

上述實施例全部基于單一重復形狀。然而，不同類型的形狀可以在同一個料塞螺旋器上組合。圖9示出了一個示例，其中具有切割邊緣76的尖銳末端70的組由較大的空隙容積13分開。尖銳末端70旨在切割設置在入口開口處的纖維物料、特別是木質纖維素生物質物料的表面，以便于釋放較大部分，該較大部分可通過后續空隙容積13和向內指向的前緣74帶到料塞螺旋器中。

容易理解，鋸齒狀周界緣邊可具有形狀，在該形狀中，末端、切割邊緣和空隙容積以任何形狀和相對距離設置。鋸齒狀周界緣邊甚至可以完全沒有任何規則形狀，但可以由不規則的末端和邊緣組成。

圖10示出了料塞螺旋器的實施例的入口段。鋸齒狀周界緣邊14A設置在料塞螺旋器10的入口段15的一部分17上方。如上所述，入口段15被定義為在料塞螺旋器的旋轉期間料塞螺旋器經過入口開口24的部分。在優選實施例中，具有鋸齒狀周界緣邊14A的部分17覆蓋整個入口段15。換言之，在整個入口段15中，螺紋12具有鋸齒狀周界緣邊14A。然而，入口開口的在輸送方向上更靠近前端的周界緣邊14A中具有更小和更淺的結構可能是有用的，以避免物料卡在料塞螺旋器與料塞螺旋器殼體20之間。

由于類似的原因，因此在優選實施例中，鋸齒狀周界緣邊14不延伸超過入口段15，即部分17應保持在入口段15內。換言之，螺紋12在入口段15外部具有遵循料塞螺旋器殼體20的內表面的緣邊。這也是為了避免木質纖維素生物質物料卡在料塞螺旋器10與料塞螺旋器殼體20之間。

料塞螺旋器的螺紋具有一定的螺距或螺距分布。螺距被定義為螺紋的兩個連續圈之間的距離。優選的螺距主要由壓縮、料塞螺旋器轉速、總饋送體積速度等的要求確定。有時，這種要求給出小于待輸送的物料，例如木質纖維素生物質物料的纖維長度的螺距，這在現有技術中增加了卡住的風險。然而，使用具有鋸齒狀周界緣邊的所提出的料塞螺旋器，這樣的問題顯著減少。如上所示，甚至可能有利于具有螺紋，該螺紋具有小于木質纖維素生物質物料進入入口段時木質纖維素生物質物料的最大延伸的螺距。由于鋸齒狀周界緣邊不僅提供對木質纖維素生物質物料的輸送作用，而且通常提供對木質纖維素生物質物料的切割作用，因此，與進來的物料相比，所得到的輸出木質纖維素生物質物料通常具有減小的纖維長度。這在許多應用中，諸如在消解或水解布置中是非常有利的。

上述所有實施例將被理解為本發明的一些說明性示例。本領域的技術人員應該理解，可對實施例進行多種修改、組合和改變而不偏離本發明的范圍。具體地說，不同實施例中的不同部件解決方案可在其它構型中組合，這在技術上是可行的。然而，本發明的范圍由所附權利要求書限定。