微波在闊葉樹(shù)木材預(yù)處理中的應(yīng)用

微波在闊葉樹(shù)木材預(yù)處理中的應(yīng)用

木材干燥是木材加工過(guò)程中不可或缺的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也是能耗最高的過(guò)程。由于闊葉樹(shù)材的滲透性低,使木材干燥周期延長(zhǎng),耗能大,且干燥缺陷增多、干燥降等、干燥成本高等問(wèn)題突出。微波處理可改善木材的滲透性,因此,筆者對(duì)微波作為干燥前的預(yù)處理技術(shù),及技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析,旨在為微波預(yù)處理技術(shù)在我國(guó)木材工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。1微波預(yù)處理木材微波處理使高含水率木材的細(xì)胞內(nèi)集聚蒸汽壓力,并在高蒸汽壓作用下,木材細(xì)胞壁的紋孔膜、導(dǎo)管中的侵填體,以及強(qiáng)度較弱的射線細(xì)胞被破壞,從而形成水分容易移動(dòng)的通道。澳大利亞專家在微波處理對(duì)木材構(gòu)造、材性的影響等方面,進(jìn)行了系統(tǒng)研究,結(jié)果表明,對(duì)于滲透性較低的木材,經(jīng)微波處理后,沿木材徑向及長(zhǎng)度方向上的滲透性可提高幾千倍。對(duì)于30~50mm厚硬闊葉樹(shù)木材,采用微波能耗為70~110kW·h/m3預(yù)處理時(shí),可降低含水率4%~11%,使整體干燥時(shí)間縮短50%左右;當(dāng)微波能耗為100~180kW·h/m3時(shí),木材含水率可降低12%~32%,木材干燥速度提高5~10倍,但此時(shí)木材發(fā)生表裂及內(nèi)裂的可能性則顯著增加。澳大利亞主產(chǎn)桉樹(shù)木材,為減少干燥開(kāi)裂、皺縮等缺陷發(fā)生,通常在窯干前要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的氣干。而微波預(yù)處理技術(shù),為木材鋸解后立即進(jìn)行窯干提供了技術(shù)基礎(chǔ),并解決了高含水率木材,在窯干時(shí)易發(fā)生皺縮的問(wèn)題,有效提高了高質(zhì)量木材的出材率。經(jīng)微波處理的桉木,可不再需要3~6個(gè)月的氣干,且窯干時(shí)間可縮短2~3周;經(jīng)微波處理的紅橡(Quercusrubra)木材總干燥時(shí)間,由60天縮短到12天,同時(shí)降低了木材運(yùn)輸、存貯及人工的費(fèi)用。斜葉桉(Eucalyptusoblique)木材經(jīng)微波預(yù)處理后,干燥時(shí)間較未處理縮短了50%~90%。白橡(Q.alba)、紅橡及槭木(Acerspp.)木材的試驗(yàn)亦表明,微波處理可縮短總干燥時(shí)間,且木材的強(qiáng)度、硬度、膠合強(qiáng)度等,以及加工性能與對(duì)照材均無(wú)顯著差異。采用能耗為70~110kW·h/m3的微波,處理斜葉桉、彈丸桉(E.pilularis)、柳葉桉(E.saligna)、王桉(E.regnans)、邊緣桉(E.marginata)及亮果桉(E.nitens)等試材,試驗(yàn)后與對(duì)照材的干燥質(zhì)量對(duì)比,如表1所示。從表1可看出,在同樣干燥條件下,木材開(kāi)裂的數(shù)量及程度與對(duì)照材沒(méi)有明顯差別,斜葉桉和邊緣桉的開(kāi)裂還略有下降。綜合分析表明,窯干前的微波預(yù)處理,有益于提高難干闊葉樹(shù)材的干燥速度,減少干燥缺陷,增加木材出材率。2微波預(yù)處理系統(tǒng)微波預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于鋸材廠時(shí),無(wú)需對(duì)原設(shè)備及工藝做較大調(diào)整,鋸解后的生材可直接采用微波設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理,然后再使用常規(guī)干燥窯干燥。在澳大利亞,目前進(jìn)行微波預(yù)處理的工業(yè)微波頻率為2450、922MHz兩種。圖1為墨爾本大學(xué)創(chuàng)新中心,2005年用于處理大截面(枕木)木材的中試裝置。該設(shè)備主機(jī)功率由3個(gè)100kW的微波源組成,微波頻率為922MHz,全套設(shè)備由進(jìn)給系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成,年處理能力達(dá)1萬(wàn)m3,可處理最大鋸材尺寸為4700mm×200mm×300mm,原木最大直徑為350mm。3設(shè)備在項(xiàng)目中的運(yùn)行費(fèi)用木材微波預(yù)處理經(jīng)濟(jì)分析的基本參數(shù)有:1)按木材處理能力2.4萬(wàn)m3/年,每天3班,全年工作時(shí)間6000h;或按處理能力1.6萬(wàn)m3/年,每天2班,全年4000h;2)微波設(shè)備功率按360kW計(jì);3)頻率為922MHz的設(shè)備造價(jià)為142.80萬(wàn)澳元(AU$),頻率為2450MHz的設(shè)備造價(jià)為234.80萬(wàn)AU$;4)微波設(shè)備全自動(dòng)控制,或一個(gè)操作員;5)頻率為922MHz設(shè)備,能耗按113kW·h/m3;頻率為2450MHz設(shè)備,能耗按127kW·h/m3;6)當(dāng)?shù)仉妰r(jià)為0.06~0.12AU$/kW·h;7)設(shè)備折舊率為17%。估算成本中還包括:設(shè)備投資、維護(hù)費(fèi)、磁電管更換、人工、場(chǎng)地及電費(fèi)等,但不包括設(shè)備安裝、電力連接、非直接成本及納稅等費(fèi)用。分析結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可看出,①對(duì)于全自動(dòng)設(shè)備的微波處理費(fèi)用,當(dāng)電價(jià)從低價(jià)增加到0.12AU$/kW·h時(shí),微波處理費(fèi)用增加16%~29%;②一名操作工人與全自動(dòng)設(shè)備比較,設(shè)備頻率為922MHz時(shí),微波處理費(fèi)用增加11%~17%;設(shè)備頻率為2450MHz時(shí),微波處理費(fèi)用增加16%~25%;③由于設(shè)備費(fèi)用和電耗均較高,因此,頻率高的設(shè)備,處理費(fèi)用高于頻率低的設(shè)備。按電價(jià)0.08AU$/kW·h及年產(chǎn)2.4萬(wàn)m3(3班/天)、年產(chǎn)1.6萬(wàn)m3(2班/天)分別計(jì)算,微波處理木材的各項(xiàng)費(fèi)用及其占總處理費(fèi)用的百分比,見(jiàn)表2。從表2中可見(jiàn),設(shè)備投資占總費(fèi)用的34%~49%,電費(fèi)占20%~30%,人工費(fèi)用占11%~19%。每天3班生產(chǎn)的企業(yè)效益更好。與鋸材價(jià)格相比,微波處理增加的費(fèi)用并不顯著。微波處理費(fèi)用一般為30~36AU$/m3,通常只占低質(zhì)量木材價(jià)格的4.1%~4.9%,而對(duì)于高質(zhì)量木材,只占其價(jià)格的2.3%~2.8%。例如,澳大利亞質(zhì)量較好的王桉木材,售價(jià)在730~1300AU$/m3,但經(jīng)微波處理后,木材出材率和干燥質(zhì)量提高所帶來(lái)的增值利益,則明顯增加。4微波預(yù)處理在木材工業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值木材微波預(yù)處理具有很多優(yōu)點(diǎn),但也存在著一些問(wèn)題:1)根據(jù)樹(shù)種不同,需要有對(duì)應(yīng)的優(yōu)化處理工藝參數(shù);2)并不是對(duì)所有木材均能起到改善滲透性的作用;3)對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求較高,如微波處理腔形狀、微波泄漏的防護(hù)、系統(tǒng)的效率等。這些問(wèn)題在澳大利亞的科研單位進(jìn)行了多年研究,中試已經(jīng)開(kāi)展近5年,但與大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)工業(yè)化推廣應(yīng)用還有差距。我國(guó)闊葉樹(shù)材加工市場(chǎng)龐大,尤其是名貴的闊葉樹(shù)木材的干燥技術(shù),亦是當(dāng)前企業(yè)亟需解決的問(wèn)題;此外,微波預(yù)處理在木材防腐、阻燃及新材料的加工方面也有著較好的應(yīng)用前景。國(guó)產(chǎn)的高功率微波源技術(shù)已經(jīng)過(guò)關(guān),這些都為微波處理技術(shù)