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    木材干燥技術快速進化,這幾種方法必須知道!

    導讀:
    木材干燥是改善木材物理力學性能,減少木材降等損失,提高木材利用率,保障木制品質量的重要環節。同時,木材干燥的重要性和經濟效益也愈來愈被人們所認識。

    木材干燥是改善木材物理力學性能,減少木材降等損失,提高木材利用率,保障木制品質量的重要環節。同時,木材干燥的重要性和經濟效益也愈來愈被人們所認識。

    近10年來我國木材干燥生產的范圍與規模迅速擴大,木材干燥設備制造企業逐漸增多,干燥設備性能漸趨完善。近幾年還出現了一些專業化的大、中型木材干燥廠。

    特別是我國的常規干燥和除濕干燥設備的設計水平和技術性能方面已接近國外先進產品。我國研制的常規爐氣干燥設備獨具特色,可利用木廢料作燃料,適合中國國情。

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    但我國木材干燥行業在技術規范、設備質量、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%;中等發達國家達30%左右。由此說明我國木材干燥行業蘊藏著巨大的發展潛力。本文著重介紹近10幾年來我國木材干燥技術的研究成果,與國外的差距及木材干燥技術的發展趨勢。

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    一、常規干燥技術

    常規干燥是指以常壓濕空氣作干燥介質,以蒸汽、熱水、爐氣或熱油作熱源,間接加熱空氣,干燥介質溫度在100℃以下。若干燥介質溫度在100℃以上,則稱為高溫干燥。

    常規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干燥,以熱油作熱源的常規干燥應用較少。

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    我國在常規干燥設備的設計水平與技術性能方面,已接近國外先進水平,某些方面還有自己的特點。目前國內多數廠家生產的常規干燥設備質量已能滿足木材生產的需求,而價格卻遠低于國外產品,因此在選擇木材干燥設備時應首選國內產品。

    常規木材干燥室內的關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廠家經過反復試制、不斷改進產品,如今產品質量已能滿足木材干燥生產的需求。這項技術是我國常規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。

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    南京林業大學從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干燥.“八五”國家科技攻關期間,該校又研制了預干與二次窯干結合的木廢料能源聯合干燥設備,并配有自動控制系統。

    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的中小型工廠,占有相當的比例。但隨著環保要求的提高,爐氣干燥在大城市的推廣受到一些限制。

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    近年來南京大學又致力于以熱水為熱源的常規干燥技術的研究。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模小、分布散的需要,北京林業大學研制了小型移動式熱風干燥設備。它與常規爐氣干燥的區別在于結構簡單、靈活、可整體運輸。設備到貨后幾天內即可投入生產。

    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,我國生產的常規干燥設備與國外先進設備相比,其主要差距在于:

    ①檢測與控制系統的精度和可靠性差;

    ②蒸汽閥、疏水器等零配件質量差、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。

    二、除濕干燥

    除濕干燥和蒸汽干燥的干燥介質相同,都是濕空氣,兩者不同的是干燥室降濕方式不同。蒸汽干燥時室內空氣采取開式循環,即定期從干燥室的排氣道排出一部分濕度大的熱空氣,同時經吸收道吸入等量的冷空氣,冷空氣經加熱器加熱變為熱空氣,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,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,節約了能源,與蒸汽干燥相比其節能率在40%~70%,是一種節能設備。

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    由于除濕干燥具有節能效果顯著、干燥質量好、用電作能源不污染環境以及干燥技術比較成熟等優點,目前已成為常規干燥之后處于第二位的干燥技術。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品逐漸走向獨立設計制造。目前我國生產除濕機的廠家有8個,正在生產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。除濕機干燥的國產設備約占70%左右。

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    從整體來看,我國除濕干燥機的生產水平與國外尚有一定差距,主要是外觀設計、加工精度、安裝質量不好,電磁閥、膨脹閥等零部件質量差。

    但從設計水平來看,我國某些產品的性能已達到國際水平,如北京林業大學設計的RCG系列中溫、高溫雙熱源除濕機,在制冷劑過冷方式、熱泵進風系統的設計及二次風補充方式等方面有創新,使除濕機的節能效率提高了15%~20%,而制造成本降低了5%~10%。

    該技術于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。

    我國生產的一些性能較好的除濕干燥機,如北京林業大學與原北京冷凍機廠聯合研制的RCG30G高溫熱泵除濕干燥機,上海桑菱環境能源所生產的SRG熱泵干燥機,除在國內銷售外還有部分出口。

    除濕干燥雖然具有許多優點,但也存在干燥溫度低、干燥時間長、電耗較高、調濕不靈活等缺點,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合干燥。

    三、太陽能干燥

    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,但在產生蒸汽或煙氣的過程中,將帶來燃料燃燒產生的CO2和SO2及煙塵對大氣的污染。

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    近20年在日本、美國、中國等國家開發并推廣應用的太陽能與熱泵除濕機的聯合干燥技術,是一種比較理想的聯合干燥方法。這種聯合干燥中,干燥室的供熱和排濕,由太陽能供熱系統和除濕機聯合承擔,既可單獨使用,又可聯合運行。

    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-熱泵除濕機聯合干燥系統(林業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,林業部科技進步三等、二等獎。

    四、真空干燥

    木材干燥的速率取決于內部水分遷移的速度,研究資料表明,木材表面水分的蒸發速度要比木材內部快100~1000倍。影響木材內水分移動的諸因素中,干燥介質的壓力影響最顯著。

    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,木材內部的水分在內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下的飽和溫度低,故真空干燥可實現較低溫度下的快速干燥,干燥質量好。它特別適于難干的硬闊葉材。

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    木材真空干燥的應用主要在近20年。首先在前蘇聯、意大利、德國、日本、美國有工業性應用。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廠家合作研制了真空干燥機。

    在此期間國內個別企業引進了德國和意大利的真空干燥機。20世紀90年代中期,南京林業大學又研制了兼有熱能回收裝置的高效節能真空干燥機。

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    木材真空干燥的介質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更具優越性,它不僅比常規熱風干燥快3~7倍,而且干燥質量很好。

    近10幾年來,在丹麥、德國、法國、加拿大等國,已有工業應用,效果良好。我國在這方面尚處于研究階段,北京林業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特性進行了初步的探討,并發表了相關的研究論文。

    真空干燥雖具有上述優點,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。目前只有少數幾個廠家生產真空干燥機,其裝材量一般不大于10m3,且尚未形成批量生產。

    五、微波與高頻干燥

    微波和高頻干燥都是以濕木材作電介質,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。

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    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的一種干燥技術。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、質量好;能夠保持木材天然色澤等優點,曾一度在北京、天津、上海、南京、鎮江、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內裂和炭化等缺陷,到20世紀80年代中期,各廠的微波干燥先后停產。

    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,有它突出的優點,從而使這兩種干燥技術在國內的應用又重新恢復。

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    國際干燥界權威人士、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品品質影響最小,不損害環境和在設備投資與運行費用較低的條件下,實現被干物料內最快的水分遷移。

    在談到今后干燥技術的創新時,他指出創新干燥設備與目前常規干燥設備的主要區別在于:創新干燥設備已由單一的干燥參數(視為穩定)的粗放型,逐漸過渡到由多種干燥設備、不同干燥參數(非穩態)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。

    六、聯合干燥技術是今后發展的重點

    聯合干燥符合國際干燥技術的創新發展趨勢。因為每一種干燥方法都有各自的優點和適用范圍,聯合干燥正是取其優點而避其缺點?,F以除濕干燥與常規蒸汽聯合干燥為例,首先用蒸汽熱能對木材預熱,避免了采用除濕干燥時用電加熱預熱而帶來的升溫慢、電耗高的缺點。

    進入干燥初期至中期階段,干燥室的排濕量大,此期間采用除濕干燥回收干燥室排氣的余熱,可以明顯地降低干燥的能耗,與蒸汽干燥相比,其節能率在40%以上。

    在干燥后期,當干燥室排濕量很小時,則用蒸汽干燥,可提高干燥室溫度,加快干燥速度,縮短干燥周期。又如日本采用高頻與常規蒸汽聯合干燥113mm×113mm的方柱柳杉,與單純蒸汽干燥相比,干燥時間快了4倍多,而干燥成本(包括設備、能耗和人工費)降低了3%[31]。

    此外,還可發展高頻-蒸汽、高溫-常規蒸汽干燥、真空-微波、真空-除濕、太陽能-蒸汽、太陽能-熱泵除濕等各種聯合干燥。

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    必須指出,聯合干燥并非兩種干燥方法的簡單組合,而是針對不同干燥對象的優化組合。另外聯合干燥的初投資大,宜于在具有一定規模的專營木材干燥的企業推廣使用。這種專營木材干燥的企業也是今后發展的方向。據資料報道,美國僅西佛利亞州專營木材干燥的公司已達21%。

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