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國內外木材干燥的方式和干燥機的選用

1引言
  隨著社會的進步,人們崇尚自然。回歸大自然的心情日益迫切,使木質家具及木建筑與裝飾材料倍受喜愛。另一方面,當今世界正面臨著森林資源日益減少所帶來的環保和生態問題。因此,如何合理有效地利用有限的木材資源顯得更為重要。木材干燥是保障和改善木材品質,減少木材降等損失、提高木材利用率的重要環節。同時,木材干燥也是木質品生產過程中能耗最大的工序,在我國約占企業總能耗的60%~70%[1]。因此,木材干燥的總目標是在保障干燥質量的前提下,不斷的探索如何加快干燥速度,減少能耗和干燥成本。國內外木材干燥技術的應用研究與基礎理論研究,都圍繞著木材干燥質量、速度和成本問題,尋求三者的協調和平衡點的優化組合。
  我國是一個少林國家,人均森林蓄積量為9.048m3,只有世界人均72 m3的12.6%[2]。同時我國木材加工業普遍存在節能意識差,管理粗放,一次能源利用率僅30%左右,為發達國家的4~6倍[3],而且我國一些偏遠地區由于干燥設備和工藝落后,木材干燥質量差,能耗更大,由干燥缺陷引起的降等損失十分驚人,木材資源的浪費現象十分嚴重。因此我國木材干燥界的從業人員和科研工作者的責任十分重大。
  2木材干燥技術的國內外現狀
  2.1常用的人工木材干燥方法
  迄今已實現工業化的常用人工木材干燥方法包括:常規干燥、高溫干燥、除濕干燥、太陽能干燥、真空干燥、高頻干燥,微波干燥及煙氣干燥等。其中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。高溫干燥指干燥介質溫度在100℃以上,其干燥介質可以是常壓過熱蒸汽,也可以是濕空氣,但以常壓過熱蒸汽居多。常規爐氣干燥和煙氣干燥都配有燃燒木廢料(或其它燃料)的燃燒爐,以燃燒產生的煙氣作熱源,但煙氣干燥是爐氣干燥的初級階段,一般是指土法建造的干燥窯,以燃料燃燒生成的煙氣直接或間接加熱干燥木材。除濕干燥(又稱熱泵干燥)與常規干燥的干燥介質相同,都是濕空氣,二者區別在于空氣的降濕方式。常規干燥空氣是采用開式循環,即定期從干燥室排出一部分濕度大的熱空氣,同時從外界吸入等量的冷空氣,故常規干燥的換氣熱損失比較大。除濕干燥時,濕空氣經過除濕機的制冷系統,冷卻脫濕—加熱—再回到干燥室,進行空氣的閉式循環。濕空氣脫濕時放出的熱量,依靠制冷工質回收,又用于加熱空氣,故除濕干燥的節能效果比較明顯,它與蒸汽干燥相比,其節能率一般在40%以上。
  高頻和微波干燥都是以濕木材作電介質,在交變電磁場的作用下使木材中的水分子高速頻繁的轉動,水分子之間發生摩擦而生熱,使木材從內到外同時加熱干燥。這兩種干燥方法的特點是干燥速度快,木材內溫度場均勻,殘余應力小,干燥質量較好。高頻與微波干燥的區別是前者的頻率低、波長較長,對木材的穿透深度較深,適于干大斷面的厚木材。微波干燥的頻率比高頻更高(又稱超高頻)但波長較短,其干燥效率比高頻快,但木材的穿透深度不及高頻干燥。
  木材真空干燥時,木材內外的水蒸汽壓差增大,加快了木材內水分遷移速度,故其干燥速度明顯高于常規干燥,同時由于真空狀態下水的沸點低,它可在不高的干燥溫度(如70℃左右)下達到較高的干燥速率、干燥周期短、干燥應力小、干燥質量好。
  木材太陽能干燥一般是利用太陽能直接加熱空氣,依靠風機使空氣在太陽能集熱器和干燥室材堆之間循環。一般有溫室(暖房)型和集熱器型兩種。前者將集熱器與干燥室做成一體,后者則將集熱器和干燥室采取分體式布置。其容量較溫室型大,布置也靈活。太陽能干燥由于受氣候條件限制,常與爐氣、蒸汽、熱泵等聯合干燥。
  由于真空、高頻、微波及太陽能干燥等所占分額均小于3%,本文著重介紹常規和除濕干燥現狀。
  2.2常規干燥的應用
  2.2.1應用概況
  所有的木材干燥方法中,以蒸汽為熱媒的常規干燥(俗稱常規蒸汽干燥),由于具有性能穩定、工藝成熟、干燥容量大、干燥質量較好,易操作等優點,目前在世界各國的木材干燥設備中仍占主導地位,在我國占80%以上[3.4]。以爐氣為能源的常規干燥,在我國南方非采暖地區的中小型木材廠中占有相當的比例,由于它能處理廠內的木廢料,又能降低干燥成本,故受到一些干燥量不太大的工廠的歡迎。土法建造的煙氣干燥室,在我國及一些不發達國家中,環境要求不高的地區仍較盛行。熱水為熱源的常規干燥,由于熱水鍋爐的價格比蒸汽鍋爐低得多,故在一些不需要高溫干燥,且干燥量不大的工廠有上升的趨勢。熱油為熱源的常規干燥, 目前在國內外的應用都占少數。
  我國的常規干燥設備中國產設備占80%左右[3],其中爐氣干燥幾乎全部為國產設備。國內具有一定規模的常規干燥設備生產廠家有20多家,在設備的設計水平、技術性能上已接近國外產品,某些方面還具有自己的特色,符合國情需要,國內干燥設備的質量完全能滿足木材干燥生產的要求[3]。且由于國內外產品差價大,因此國內生產廠家和企業在選擇干燥設備時,應立足于國內,首選國內產品。
  2.2.2我國與國際先進水平的差距
  我國在常規干燥設備的設計方面與國際水平相當。木材干燥工藝研究方面比國外更全面,可以認為某些方面處于國際先進水平。我國生產的常規干燥設備與國外先進的干燥設備相比,主要的差距在于:①檢測與控制系統的精度差,可靠性差。主要是平衡含水率、相對濕度與木材含水率的測試誤差大。②蒸汽閥、疏水器等零配件質量差,合格率低。國產蒸汽閥合格率僅30%左右[3],使蒸汽泄漏嚴重,能耗大。③干燥室熱力計算粗放,通常按經驗,每m3材配3-6 m3換熱面積。④設備加工粗糙,造型不美觀。⑤干燥窯密封性和保溫性能差,有些干燥室散熱損失高達20%[3]。⑥干燥設備市場的無序競爭,以降價吸引用戶導致產品質量下降[5]。
  2. 3 除濕干燥應用
  除濕干燥由于節能效果顯著、干燥質量好、用電作能源不污染環境、技術比較成熟,目前已成為常規干燥之后處于第二位的干燥技術[3] [4],它在加拿大、日本、意大利及美、英、法等國木材干燥設備中,已占有相當大的比例。我國自1980年后開始引進國外的除濕機,80年代中期開始由仿制國外產品,逐漸走上獨立設計制造除濕機。進入90年代后,我國除濕機的制造和應用有了較大的發展,在南方的普及率優于北方。目前我國生產除濕機廠家有8—10個,據粗略的估計,我國正在應用的除濕機的總干燥能力約占全國總干燥能力的1/10[6]。除濕干燥機的國產設備大約占70%左右,我國進口的除濕機主要來自意大利、加拿大、荷蘭,日本及英國等國家。
  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,主要在外觀設計、加工精度、安裝質量、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,由于它在制冷劑過冷方式,熱泵進風系統的設計及二次風補充方式等方面有創新,使除濕機的節能率提高15—20%,而制造成本則降低5—10%[6]。它因此而獲得了國家專利,并于1996年至1998年間先后獲得了北京市、林業部和國家的各項獎勵。
  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RCG系列熱泵除濕干燥機、上海桑菱環境能源所生產的SRG熱泵干燥機,不僅在國內銷售而且還有部分出口國外。
  影響除濕干燥推廣的原因有以下幾個方面:
  ①除濕干燥溫度低,干燥周期長,目前常用的制冷工質為R22和R142b。兩者相應的干燥室最高溫度分別為低于50℃和65℃,而常規干燥的最高工作溫度一般在80℃-90℃。除濕干燥要比常規干燥周期長1/3到1/2。
  ②單純的除濕干燥一般用電加熱作輔助熱源,除濕機只能回收干燥室排氣的熱量。干燥室的升溫依靠電加熱器,電耗高。故除濕干燥在電力緊張電價高的地區節能不節錢。
  ③大部分木材加工企業的節能意識差,對除濕干燥節能的原理不太了解。
  3木材干燥的理論研究動態
  國際林聯組織(IUFRO)木材干燥組每兩年召開一次學術會。2005年8月在我國南京召開第9屆,每屆出一本論文集。我國木材干燥界自1987年起每兩年召開一次學術會,至2005年10月在北京召開第十屆,共出論文集7本,共收集論文近500篇。縱觀近幾屆國際和國內木材干燥學術會論文集的內容,可以看出國際和國內木材干燥研究的動態[7,8]。
  3.1木材干燥的數學模型與數值模擬
  建立描述木材干燥過程的數學模型及其求解一直是木材干燥界理論工作者研究的主要課題之一,但由于木材構造的復雜和其中水分存在狀態的特殊性,增加了建立數學模型及其求解的難度。
  木材是一種復雜的含濕多孔彈性生物體,其水分存在于木材內縱橫交錯的各級毛細管系統中,木材中水分存在的形式可粗略的分為自由水和吸著水兩大類。當自由水蒸發完,而吸著水尚處于飽和狀態時的木材含水率稱為纖維飽和點,用FSP表示。自由水存在于細胞腔及細胞內的間隙中。木材內自由水的遷移的驅動力主要依靠木材內外的水蒸氣壓差及毛細管張力,水分通過滲透以容積流的形式遷移。吸著水存在于細胞璧組成的微毛細管系統中。常規對流干燥條件下,吸著水遷移的驅動力主要靠濃度梯度(即含水率梯度)引起的分子擴散,可以采用傅立葉導熱方程和菲克(A.Fick)擴散定律建立熱、質傳遞模型。然而在真空、微波干燥過程中,吸著水的驅動力是水蒸氣壓力梯度,不適于用菲克定律來描述水分的擴散。
  由此看出木材干燥的數學模型不僅和干燥方式有關,而且還與木材中水分存在的形式和木材的內部構造及材性有關。因此要建立一個比較滿意的數學模型及精確求解的的難度較大。
  3.2木材干燥過程的傳熱傳質
  除研究干燥介質與木材間的熱、質傳遞外,重點是研究木材內部的熱、質傳遞,它包括:
  ①木材構造與材性(針葉材與闊葉材) 木材密度、紋理方向(縱向、弦向、徑向)、早材與晚材、邊材與心材對水分遷移與熱量傳遞的影響。
  ②木材不同含水率階段(FSP以上或以下)及不同干燥方法,木材內水分遷移的驅動力。
  ③外界干燥參數(溫度、相對濕度、壓力、風速)對內部熱、質傳遞的影響。
  ④熱擴散與質擴散的相互影響即熱質耦合問題。
  3.3干燥新技術與工藝
  ①新技術如聲波干燥木材、激光鉆孔干燥木材、加壓干燥木材、正、負壓交替干燥及各種聯合干燥等。
  ②干燥新工藝包括近年來出現的各種速生材、難干材的干燥工藝的研究。
  ③汽蒸、微波及滾壓等各種預熱處理工藝,提高干燥速度的研究。
  ④干燥過程中的防變色(如橡膠木、泡桐)和脫脂(如馬尾松)工藝的研究。
  3.4木材干燥應力
  ①干燥過程中應力的發生與發展變化。
  ②干燥參數(溫度、壓力、含水率梯度等)對應力的影響。
  ③不同熱處理方式對應力的影響。
  ④干燥缺陷與干燥應力的關系。
  3.5干燥過程的檢測與控制
  ①木材干燥應力檢測是控制干燥質量的關鍵。干燥應力的無損在線檢測是實現全自動控制的前提。
  ②木材含水率檢測新技術,如CT掃描、倫琴射線法,γ射線法測含水率分布。
  ③木材干燥控制與管理,如專家診斷系統和多媒體管理系統。
  3.6木材干燥室的優化設計
  ①干燥室空氣動力循環的的優化。
  ②干燥室加熱設備與風機配置的優化。
  3.7木材干燥對環境的影響
  近十幾年來由于環境問題越來越受到重視,國外和國內逐漸開始研究不同的干燥方法、不同能源及不同干燥參數條件下,干燥室排放物對環境的影響。
  4 木材干燥技術的發展趨勢
  4.1常規蒸汽干燥仍占主導地位
  常規干燥由于它具有技術成熟、適應性強等諸多優點,預計在21世紀以至今后相當長一段時間仍將占主導地位[3、6],而且將出現一些大、中型專營木材干燥的企業。常規干燥的發展目標是高效、優質、低成本,也就是在時間、質量、費用三者之間尋求平衡點或者說最優組合方案[33]。要實現上述目標,常規干燥必須在干燥室設計、干燥工藝和監測控制與管理等幾方面向精確性與高科技方向發展:
  4.1.1干燥室優化設計
  干燥室設計的精確性即優化設計,應該是建立在干燥室設計數據庫的基礎上,開發計算機輔助設計(CAD)以代替傳統的手工設計。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有機的結合起來,它的計算機模塊是由一系列封裝好的功能模塊組成,如包括工藝計算、熱力計算、空氣動力計算,設備投資與干燥成本計算等功能。它可以根據用戶要求的干燥室類型,被干材的基本參數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[62]。只有通過這種現代化的手段,才能真正實現木材干燥室的優化設計或精確設計。
  4.1.2干燥工藝的優化
  木材干燥的質量和速度在很大程度上依賴于干燥工藝。制定干燥工藝,也就是規定某一種木材在每一個干燥階段, 干燥介質的溫度和相對濕度(或干、濕球溫差)目前制定的干燥工藝的方法(百度試驗)基本上屬于在實驗基礎上的經驗總結。這種制定干燥工藝的方法, 其優點是簡單、可行;缺點是費時、費力,精度差。優化工藝參數的目的,就是在保證干燥質量的前提下,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,國外和國內的學者都提出了以臨界干燥參數,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。所謂臨界干燥參數是指引起干燥缺陷的轉折點參數。這種以臨界干燥參數為依據控制干燥過程的方法迅速、準確、容易實現自動控制。雖然這種方法的實施還有許多問題尚待解決,但它是今后發展的方向。
  4.1.3干燥過程的自動化、現代化監測控制與管理
  木材干燥過程的監測與控制在美國、德國、加拿大等發達國家大多實現了半自動控制,少部分實現了全自動控制。而在我國及欠發達國家中,大多數木材干燥室仍依靠操作人員憑經驗控制干燥過程,從而導致干燥質量不易保證,干燥能耗偏高。今后的發展趨勢是逐漸由手工操作轉向半自動、全自動控制。干燥過程全自動控制的關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在線測試精度這一難題。同時,現代化管理技術,如專家診斷系統和多媒體管理系統的技術將逐漸在木材干燥行業實施。
  4.2 除濕、真空、微波及高頻干燥將呈增長趨勢
  除濕、真空、微波及高頻干燥都以清潔的電作能源,又有各自的特點,已經呈現了增長趨勢。太陽能干燥雖然是可再生的清潔能源,但由于間歇性供熱等弱點,估計在短期內也不會有明顯的增長。以日本為例,日本在1991~1995年間對1648間干燥室[4]統計的結果,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%。然而到2000年日本木材干燥協會對2830間干燥室統計的結果, 上述幾種干燥方法的比例分別變為64.5%、26%、2.7%、0.8%及6%。從日本的統計數字看,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—真空聯合干燥有所增加,在統計中將這種聯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,干燥應力小,干燥質量更優于真空熱風干燥,正如A?S?Mujumdar教授在撰文中[63]指出:真空過熱蒸汽干燥是一種創新技術, 具有潛在的高效率。因此,預計這種干燥技術今后在干燥厚的硬闊葉材方面有較好的發展應用前景。
  今后工業用材中硬闊材、難干材和容易出現干燥缺陷的速生材將逐漸增多,而高頻和微波加熱時,木材內溫度分布比較均勻,應力和變形很小,因此對于干燥大斷面的這類木材更有其優越性,故有一定的發展前景。近年來微波—真空、高頻—真空干燥因兼有二者的優點,可以在低溫下實現快速干燥厚板難干材,因此工業應用前景較好。
  4.3 組合干燥技術是今后發展的重點
  組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, 組合干燥正是取其優點而避其缺點。現以除濕干燥與常規蒸汽組合干燥為例,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[59]。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組合干燥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%[4]。         
     此外,還可能有高頻—蒸汽、真空—微波、微波-對流、真空—除濕、太陽能—蒸汽、太陽能—熱泵除濕等各種組合干燥。
  4.4 木材干燥生產的規模化和專業化
  木材干燥生產只有達到一定的經營規模后才有可能采用高新技術和現代化的管理系統。木材干燥質量才有可靠保障。同時木材干燥生產有了一定規模,干燥節能和環保問題才會引起重視。而且集約化的生產有利于降低干燥成本,使干燥生產進入良性循環。一些發達國家如美國、加拿大等都有專營木材干燥的公司[64],即公司根據用戶訂貨要求干燥不同規格的板材或方材。而各種小家具廠不必自備木材干燥室,既降低成本又保證家具質量。近幾年來我國的廣東省深圳和東北的綏芬河地區及北京市都出現了專業化的木材干燥廠。這是一件可喜的現象。今后建議在木材采伐區附近和進口材口岸附近建立專業化的大型木材干燥廠,對木材進行預干后再發送至用戶所在地的工廠干燥到所需的終含水率,可明顯降低木材的降等損失和運輸成本。
  5 結束語
  從木材干燥的國內外現狀和發展趨勢看,常規干燥在目前乃至今后相當長一段時間內,仍占主導地位。除濕(熱泵)干燥、真空干燥、微波與高頻干燥以及太陽能干燥等都將在各自的適用范圍內有一定程度地發展。各種組合干燥技術是今后發展的重點。木材干燥生產的規模化和專業化是今后發展的方向之一。木材干燥的節能和環保問題將日益受到重視。今后木材干燥技術的發展更加依賴于干燥的理論研究和高科技。同時高新技術的實施還依賴于現代化的信息管理系統。總之現代化的木材干燥技術是一項集多學科的系統工程,需要聯合攻關不斷完善。

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  以人為本,樹立人性化的產品設計理念
  通常我們在干燥設備產品設計中主要考慮的是它的材質、結構、機械強度、工作性能、使用壽命等要素,在評價干燥設備的優劣的冷卻水也越多。這就是單效濃縮器能耗大的原因。
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  (1)回收乙醇時蒸發器內溫度要控制在80 ℃左右。
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  結語
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