木材干燥技術(shù)的回顧與展望

木材干燥技術(shù)的回顧與展望

為了保護共同生活的世界和平，世界上大多數(shù)國家都采取了限制森林資源（尤其是天然林）的政策，這將使現(xiàn)有的木材資源依賴于進口木材，這變得越來越有限。因此，如何有效利用有限的木材資源變得越來越重要。木材干燥是提高木材物理強度的一項重要技術(shù)，減少木材減少和其他損失，提高木材利用率，確保木材質(zhì)量的重要組成部分。同時，木材干燥的重要性和經(jīng)濟效益日益意識。在過去的十年里，中國的木材干燥生產(chǎn)規(guī)模和規(guī)模都顯著擴大了。木材干燥設備的制造公司逐漸增多，干燥設備的性能逐漸提高。近年來，一些專業(yè)大型和中型木材干燥廠也出現(xiàn)了。特別是，中國傳統(tǒng)干燥、濕干燥設備的設計水平和技術(shù)性能接近國外先進產(chǎn)品。中國開發(fā)的傳統(tǒng)爐氣干燥設備獨特，可以利用木材殘渣用作燃料，適合中國國情。但我國木材干燥行業(yè)在技術(shù)規(guī)范、設備質(zhì)量、配套元器件及基礎研究等多方面,與國際水平還有一定差距,需要進一步改進提高.而且我國人工干燥設備的干燥能力與需求量相比嚴重不足,據(jù)估計,2000年我國鋸材干燥的需求量為2400萬m3,而我國人工干燥設備的總干燥能力約占需求量得25%左右.美國干燥設備能力可達60%;中等發(fā)達國家達30%左右.由此說明我國木材干燥行業(yè)蘊藏著巨大的發(fā)展?jié)摿?本文著重介紹近10幾年來我國木材干燥技術(shù)的研究成果,與國外的差距及木材干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢.1我國木材干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀1.1常規(guī)干燥設備的發(fā)展常規(guī)干燥是指以常壓濕空氣作干燥介質(zhì),以蒸汽、熱水、爐氣或熱油作熱源,間接加熱空氣,干燥介質(zhì)溫度在100℃以下.若干燥介質(zhì)溫度在100℃以上,則稱為高溫干燥.常規(guī)蒸汽干燥在我國木材干燥中占主導地位,約占80%以上,其次是以爐氣和熱水為能源的常規(guī)干燥,以熱油作熱源的常規(guī)干燥應用較少.我國在常規(guī)干燥設備的設計水平與技術(shù)性能方面,已接近國外先進水平,某些方面還有自己的特點.目前國內(nèi)多數(shù)廠家生產(chǎn)的常規(guī)干燥設備質(zhì)量已能滿足木材生產(chǎn)的需求,而價格卻遠低于國外產(chǎn)品,因此在選擇木材干燥設備時應首選國內(nèi)產(chǎn)品.常規(guī)木材干燥室內(nèi)的關(guān)鍵設備之一是耐高溫、高濕風機的電機.近10年來,以沈陽新華電機廠為首的幾個電機生產(chǎn)廠家經(jīng)過反復試制、不斷改進產(chǎn)品,如今產(chǎn)品質(zhì)量已能滿足木材干燥生產(chǎn)的需求.這項技術(shù)是我國常規(guī)干燥設備中的一個突破點,它使過去的長軸型干燥室逐漸被短軸型替代,使干燥室的布置及干燥容量的變化更靈活,頂風式的大型木材干燥室逐漸增多.南京林業(yè)大學從20世紀80年代以來,研制了用旋風燃燒爐燃燒木廢料的爐氣(又稱熱風)干燥設備,它由初期的爐氣直接加熱,改為爐氣間接加熱濕空氣的常規(guī)干燥.“八五”國家科技攻關(guān)期間,該校又研制了預干與二次窯干結(jié)合的木廢料能源聯(lián)合干燥設備,并配有自動控制系統(tǒng).由于爐氣(熱風)干燥以木廢料為熱源,它既能處理木材加工廠內(nèi)的鋸末、刨花、下角料等垃圾,又能降低干燥成本,故此種干燥設備在我國南方非采暖地區(qū)的中小型工廠,占有相當?shù)谋壤?但隨著環(huán)保要求的提高,爐氣干燥在大城市的推廣受到一些限制.近年來南京大學又致力于以熱水為熱源的常規(guī)干燥技術(shù)的研究.由于熱水鍋爐的價格比蒸汽鍋爐低很多,故在一些不需高溫干燥、且干燥量不大的工廠中的應用有上升趨勢.為滿足小型木材加工廠規(guī)模小、分布散的需要,北京林業(yè)大學研制了小型移動式熱風干燥設備.它與常規(guī)爐氣干燥的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)簡單、靈活、可整體運輸.設備到貨后幾天內(nèi)即可投入生產(chǎn).這種小型干燥設備已在南方和北方一些工廠應用,效果較好.目前,我國生產(chǎn)的常規(guī)干燥設備與國外先進設備相比,其主要差距在于:①檢測與控制系統(tǒng)的精度和可靠性差;②蒸汽閥、疏水器等零配件質(zhì)量差、合格率低;③加工粗糙、造型不美;④干燥室密封性和保溫性能差.1.2濕式和太陽能干燥技術(shù)1.2.1吸濕干燥機.我國當前在生產(chǎn)中已處于世界各國除濕干燥和蒸汽干燥的干燥介質(zhì)相同,都是濕空氣,兩者不同的是干燥室降濕方式不同.蒸汽干燥時室內(nèi)空氣采取開式循環(huán),即定期從干燥室的排氣道排出一部分濕度大的熱空氣,同時經(jīng)吸收道吸入等量的冷空氣,冷空氣經(jīng)加熱器加熱變?yōu)闊峥諝?再進入材堆干燥木材.蒸汽干燥的這種進、排氣換氣熱損失較大,以北京地區(qū)為例,這種損失約占蒸汽供熱量的40%左右.而除濕干燥時,濕空氣在除濕機與干燥室間進行閉式循環(huán),以制冷脫水的方法使干燥室排濕,其工作原理見參考文獻.由除濕機回收干燥室排濕放出的熱量,節(jié)約了能源,與蒸汽干燥相比其節(jié)能率在40%～70%,是一種節(jié)能設備.由于除濕干燥具有節(jié)能效果顯著、干燥質(zhì)量好、用電作能源不污染環(huán)境以及干燥技術(shù)比較成熟等優(yōu)點,目前已成為常規(guī)干燥之后處于第二位的干燥技術(shù).它在加拿大、日本、意大利及美、英、法等國的干燥設備中已占有相當大的比例.我國自1980年后開始引進國外的除濕干燥機,20世紀80年代中期開始由仿制國外產(chǎn)品逐漸走向獨立設計制造.目前我國生產(chǎn)除濕機的廠家有8個,正在生產(chǎn)中應用的各種除濕機的總干燥能力約占全國總干燥能力的1/10.除濕機干燥的國產(chǎn)設備約占70%左右.從整體來看,我國除濕干燥機的生產(chǎn)水平與國外尚有一定差距,主要是外觀設計、加工精度、安裝質(zhì)量不好,電磁閥、膨脹閥等零部件質(zhì)量差.但從設計水平來看,我國某些產(chǎn)品的性能已達到國際水平,如北京林業(yè)大學設計的RCG系列中溫、高溫雙熱源除濕機,在制冷劑過冷方式、熱泵進風系統(tǒng)的設計及二次風補充方式等方面有創(chuàng)新,使除濕機的節(jié)能效率提高了15%～20%,而制造成本降低了5%～10%.該技術(shù)于1991年獲得了國家專利,1996年RCG15中溫熱泵除濕干燥機獲林業(yè)部三等獎,RCG30高溫熱泵除濕干燥機于同年獲北京市三等獎.我國生產(chǎn)的一些性能較好的除濕干燥機,如北京林業(yè)大學與原北京冷凍機廠聯(lián)合研制的RCG30G高溫熱泵除濕干燥機,上海桑菱環(huán)境能源所生產(chǎn)的SRG熱泵干燥機,除在國內(nèi)銷售外還有部分出口.除濕干燥雖然具有許多優(yōu)點,但也存在干燥溫度低、干燥時間長、電耗較高、調(diào)濕不靈活等缺點,從而影響了它的推廣應用.今后除濕干燥的應用前景在于作預干或與其他能源聯(lián)合干燥.1.2.2太陽能供熱聯(lián)合干燥技術(shù)太陽能是一種清潔、廉價的可再生能源,我國和世界上許多國家都有豐富的太陽能資源,但目前各國應用太陽能的木材干燥室規(guī)模都很小,我國太陽能干燥室的總干燥能力約占全國總干燥能力的0.2%.影響太陽能推廣應用的重要原因是太陽能屬間歇性能源,能流密度低、受氣候條件的影響大,干燥周期長,大、中型太陽能干燥室的初投資較高,而且低成本的有效貯能問題尚未解決.同時由于太陽能的間歇性供熱使它作為干燥木材的單一熱源受到限制,常需要與蒸汽或煙氣等熱能配合使用,但在產(chǎn)生蒸汽或煙氣的過程中,將帶來燃料燃燒產(chǎn)生的CO2和SO2及煙塵對大氣的污染.近20年在日本、美國、中國等國家開發(fā)并推廣應用的太陽能與熱泵除濕機的聯(lián)合干燥技術(shù),是一種比較理想的聯(lián)合干燥方法.這種聯(lián)合干燥中,干燥室的供熱和排濕,由太陽能供熱系統(tǒng)和除濕機聯(lián)合承擔,既可單獨使用,又可聯(lián)合運行.如果天氣晴好、氣溫高,可單獨使用太陽能供熱;陰天或夜間,則啟動除濕機(或熱泵).北京林業(yè)大學于1990年,1995年先后研制成功了TRCW中溫型和GRCT高溫型的太陽能-熱泵除濕機聯(lián)合干燥系統(tǒng)(林業(yè)部和國家的重點課題),其供熱效率、干燥能耗等方面的性能指標,達到了同類產(chǎn)品的國際先進水評.其成果推廣到廣西、廣東、北京、云南等省市,這兩項成果曾先后獲得國家科技進步三等獎,林業(yè)部科技進步三等、二等獎.1.3真空、微波等干燥技術(shù)1.3.1真空干燥的應用木材干燥的速率取決于內(nèi)部水分遷移的速度,研究資料表明,木材表面水分的蒸發(fā)速度要比木材內(nèi)部快100～1000倍.影響木材內(nèi)水分移動的諸因素中,干燥介質(zhì)的壓力影響最顯著.木材真空干燥是將木材置于低于大氣壓的密閉容器中干燥,木材內(nèi)部的水分在內(nèi)外壓差的作用下加快了水分的遷移速度.同時由于水在真空狀態(tài)下的飽和溫度低,故真空干燥可實現(xiàn)較低溫度下的快速干燥,干燥質(zhì)量好.它特別適于難干的硬闊葉材.木材真空干燥的應用主要在近20年.首先在前蘇聯(lián)、意大利、德國、日本、美國有工業(yè)性應用.我國在20世紀80年代中期,當時的南京林學院和東北林學院都先后與有關(guān)廠家合作研制了真空干燥機.在此期間國內(nèi)個別企業(yè)引進了德國和意大利的真空干燥機.20世紀90年代中期,南京林業(yè)大學又研制了兼有熱能回收裝置的高效節(jié)能真空干燥機.木材真空干燥的介質(zhì)一般有濕空氣和過熱蒸汽兩種情況,由于過熱蒸汽的比熱和傳熱系數(shù)比濕空氣的大,其傳熱效率高,而且過熱蒸汽中的水分的傳遞阻力可忽略不計,故干燥速度快.同時木材在過熱蒸汽中干燥時由于表面濕潤,它不僅可減少干燥應力還有利于內(nèi)部水分傳送到表面.由此看來,真空過熱蒸汽干燥比用濕空氣作干燥介質(zhì)更具優(yōu)越性,它不僅比常規(guī)熱風干燥快3～7倍,而且干燥質(zhì)量很好.近10幾年來,在丹麥、德國、法國、加拿大等國,已有工業(yè)應用,效果良好.我國在這方面尚處于研究階段,北京林業(yè)大學對木材真空過熱蒸汽干燥特性,真空且浮壓下的傳熱傳質(zhì)特性進行了初步的探討,并發(fā)表了相關(guān)的研究論文.真空干燥雖具有上述優(yōu)點,但由于設備初投資大,電耗高和設備裝材量少等缺點,故在我國應用很少.目前只有少數(shù)幾個廠家生產(chǎn)真空干燥機,其裝材量一般不大于10m3,且尚未形成批量生產(chǎn).1.3.2微波加熱干燥技術(shù)微波和高頻干燥都是以濕木材作電介質(zhì),在微波或高頻的電磁場作用下,引起木材中水分子極化,同時由于電磁場的頻繁交變,使水分子高速頻繁的擺動,摩擦生熱,從而加熱干燥木材.這兩種干燥方法均屬于體積加熱,溫度梯度小、干燥速度快、應力小.微波和高頻的區(qū)別是前者的頻率高、波長短,故加熱效率高,但對木材的穿透深度小.高頻的頻率比微波低,但波長較長對木材的穿透深度比微波深,更適于干燥大斷面木材.微波和高頻干燥是20世紀60年代,由美國、日本、加拿大、德國等國學者研究開發(fā)的一種干燥技術(shù).我國從1974年開始進行這方面的研究和推廣工作,1977年由南京七七二廠微波所研制成功木材微波干燥機.由于微波、高頻加熱均勻、干燥速度很快,其干燥周期比常規(guī)干燥快幾十倍(易干材)至上百倍(難干材).且具有干燥應力小、質(zhì)量好;能夠保持木材天然色澤等優(yōu)點,曾一度在北京、天津、上海、南京、鎮(zhèn)江、青島、哈爾濱等地推廣應用.后來因微波、高頻干燥投資高、電耗大,干燥成本高以及當微波干燥工藝處理不當時易出現(xiàn)內(nèi)裂和炭化等缺陷,到20世紀80年代中期,各廠的微波干燥先后停產(chǎn).進入20世紀90年代以后,由于微波與高頻干燥設備不斷完善和改進,干燥工藝不斷成熟,同時由于微波、高頻干燥在解決大斷面帶髓心的方材干燥時,有它突出的優(yōu)點,從而使這兩種干燥技術(shù)在國內(nèi)的應用又重新恢復.2木材干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢2.1干燥技術(shù)的創(chuàng)新國際干燥界權(quán)威人士、DryingTechnology雜志主編、加拿大的Mujumdar教授曾撰文指出,當今干燥的總目標是在對產(chǎn)品品質(zhì)影響最小,不損害環(huán)境和在設備投資與運行費用較低的條件下,實現(xiàn)被干物料內(nèi)最快的水分遷移.在談到今后干燥技術(shù)的創(chuàng)新時,他指出創(chuàng)新干燥設備與目前常規(guī)干燥設備的主要區(qū)別在于:創(chuàng)新干燥設備已由單一的干燥參數(shù)(視為穩(wěn)定)的粗放型,逐漸過渡到由多種干燥設備、不同干燥參數(shù)(非穩(wěn)態(tài))下、多級組合而成的智能型、精確性干燥.這是干燥觀念上的重要突破.2.2木材干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢2.2.1常規(guī)干燥企業(yè)常規(guī)干燥由于它具有技術(shù)成熟、適應性強等諸多優(yōu)點,預計在21世紀以至今后相當長一段時間仍將占主導地位,而且將出現(xiàn)一些大、中型專營木材干燥的企業(yè).常規(guī)干燥的發(fā)展目標是高效、優(yōu)質(zhì)、低成本,也就是在時間、質(zhì)量、費用三者之間尋求平衡點或者說最優(yōu)組合方案.要實現(xiàn)上述目標,常規(guī)干燥必須在干燥室設計、干燥工藝和監(jiān)測控制與管理等幾方面向精確性與高科技方向發(fā)展.2.2.1.干燥室cad設計簡介干燥室設計的精確性即優(yōu)化設計,應該是建立在干燥室設計數(shù)據(jù)庫的基礎上,開發(fā)計算機輔助設計(CAD)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工設計.這里所指的干燥室CAD設計并非一般的計算機繪圖,而是將計算機科學與干燥技術(shù)有機的結(jié)合起來,它的計算機模塊是由一系列封裝好的功能模塊組成,如包括干燥工藝、熱力計算、空氣動力計算、設備投資與干燥成本計算等功能.它可以根據(jù)用戶要求的干燥室類型,被干材的基本參數(shù)與干燥室總投資等要求,自動繪出干燥室的設計草圖供用戶選擇.只有通過這種現(xiàn)代化的手段,才能真正實現(xiàn)木材干燥室的優(yōu)化設計或精確設計.2.2.1.實驗總結(jié)型干燥配方木材干燥的質(zhì)量和速度在很大程度上依賴于干燥工藝.制定干燥工藝,也就是規(guī)定某一種木材在每一個干燥階段,干燥介質(zhì)的溫度和相對濕度(或干、濕球溫差)目前制定的干燥工藝基本上屬于在實驗基礎上的經(jīng)驗總結(jié).這種制定干燥工藝的方法,優(yōu)點是簡單、可行;缺點是費時、費力,精度差.優(yōu)化工藝參數(shù)的目的,就是在保證干燥質(zhì)量的前提下,盡快提高干燥速度縮短干燥周期,以降低干燥能耗和成本.為達到這一目標,國外和國內(nèi)的學者都提出了以臨界干燥參數(shù),即臨界干燥應力或臨界含水率梯度作為控制干燥過程和制定干燥工藝的約束條件.所謂臨界干燥參數(shù)是指引起干燥缺陷的轉(zhuǎn)折點參數(shù).這種以臨界干燥參數(shù)為依據(jù)控制干燥過程的方法迅速、準確、容易實現(xiàn)自動控制.雖然這種方法的實施還有許多問題尚待解決,但它是今后發(fā)展的方向.2.2.1.干燥過程控制木材干燥過程的監(jiān)測與控制在美國、德國、加拿大等發(fā)達國家大多實現(xiàn)了半自動控制,少部分實現(xiàn)了全自動控制.而在我國及欠發(fā)達國家中,大多數(shù)木材干燥室仍依靠操作人員憑經(jīng)驗控制干燥過程,從而導致干燥質(zhì)量不易保證,干燥能耗偏高.今后的發(fā)展趨勢是逐漸由手工操作轉(zhuǎn)向半自動、全自動控制.干燥過程全自動控制的關(guān)鍵及難點在于干燥應力和含水率梯度的在線檢測,目前已有的檢測方法都存在一定的缺陷,今后干燥過程控制的重點在于解決控制參數(shù)在線測試精度這一難題.同時,現(xiàn)代化管理技術(shù),如專家診斷系統(tǒng)和多媒體管理系統(tǒng)的技術(shù)將逐漸在木材干燥行業(yè)實施.2.2.2真空蒸汽干燥除濕、真空、微波及高頻干燥都以清潔的電作能源,又各具特點,其應用已呈增長趨勢.太陽能雖然是可再生的清潔能源,但由于間歇性供熱等弱點,估計在短期內(nèi)太陽能干燥技術(shù)應用不會有明顯的增長.以日本為例,日本在1991～1995年間大約擁有1648間干燥室,其中蒸汽干燥、除濕干燥、真空干燥、太陽能干燥及其他干燥分別占81.3%,9.2%,5.3%,1%及3.2%.2000年日本木材干燥協(xié)會對2830間干燥室統(tǒng)計的結(jié)果,上述幾種干燥方法的比例分別變?yōu)?4.5%,26%,2.7%,0.8%及6%.從日本的統(tǒng)計數(shù)字看,除濕干燥的增長比較明顯,但除濕干燥溫度低,一般用作預干的較多.另外蒸汽干燥室一般容量較大,如果按干燥容量計,日本2000年蒸汽干燥占70%左右.從表面上看日本真空干燥似有下降趨勢,實際上近年來,日本的高頻-真空、微波-真空聯(lián)合干燥有所增加,在統(tǒng)計中將這種聯(lián)合干燥列入其他項目中了.真空過熱蒸汽干燥時,木材表面處于濕潤狀態(tài),干燥應力小,干燥質(zhì)量優(yōu)于真空熱風干燥.正如Mujumdar教授在撰文中指出:真空過熱蒸汽干燥是一種創(chuàng)新技術(shù),具有潛在的高效率.因此,預計這種干燥技術(shù)今后在干燥厚材方面有較好的應用前景.今后工業(yè)用材中硬闊材、難干材和容易出現(xiàn)干燥缺陷的速生材將逐漸增多,而高頻和微波加熱均勻、溫度梯度很小,應力和變形小,因此對于干燥大斷面的這類木材更有其優(yōu)越性,故有一定的發(fā)展前景.近年來微波-真空、高頻-真空干燥