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(hù)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(jìn)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(qiáng)度的一項(xiàng)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(shí)，木材干燥的重要性和經(jīng)濟(jì)效益日益意識(shí)。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(kuò)大了。木材干燥設(shè)備的制造公司逐漸增多，干燥設(shè)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(shè)備的設(shè)計(jì)水平和技術(shù)性能接近國外先進(jìn)產(chǎn)品。中國開發(fā)的傳統(tǒng)爐氣干燥設(shè)備獨(dú)特，可以利用木材殘?jiān)米魅剂?，適合中國國情。但我國木材干燥行業(yè)在技術(shù)規(guī)范、設(shè)備質(zhì)量、配套元器件及基礎(chǔ)研究等多方面,與國際水平還有一定差距,需要進(jìn)一步改進(jìn)提高.而且我國人工干燥設(shè)備的干燥能力與需求量相比嚴(yán)重不足,據(jù)估計(jì),2000年我國鋸材干燥的需求量為2400萬m3,而我國人工干燥設(shè)備的總干燥能力約占需求量得25%左右.美國干燥設(shè)備能力可達(dá)60%;中等發(fā)達(dá)國家達(dá)30%左右.由此說明我國木材干燥行業(yè)蘊(yùn)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(shì).1我國木材干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀1.1常規(guī)干燥設(shè)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(dǎo)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(yīng)用較少.我國在常規(guī)干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)水平與技術(shù)性能方面,已接近國外先進(jìn)水平,某些方面還有自己的特點(diǎn).目前國內(nèi)多數(shù)廠家生產(chǎn)的常規(guī)干燥設(shè)備質(zhì)量已能滿足木材生產(chǎn)的需求,而價(jià)格卻遠(yuǎn)低于國外產(chǎn)品,因此在選擇木材干燥設(shè)備時(shí)應(yīng)首選國內(nèi)產(chǎn)品.常規(guī)木材干燥室內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備之一是耐高溫、高濕風(fēng)機(jī)的電機(jī).近10年來,以沈陽新華電機(jī)廠為首的幾個(gè)電機(jī)生產(chǎn)廠家經(jīng)過反復(fù)試制、不斷改進(jìn)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(xiàng)技術(shù)是我國常規(guī)干燥設(shè)備中的一個(gè)突破點(diǎn),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(fēng)式的大型木材干燥室逐漸增多.南京林業(yè)大學(xué)從20世紀(jì)80年代以來,研制了用旋風(fēng)燃燒爐燃燒木廢料的爐氣(又稱熱風(fēng))干燥設(shè)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(yù)干與二次窯干結(jié)合的木廢料能源聯(lián)合干燥設(shè)備,并配有自動(dòng)控制系統(tǒng).由于爐氣(熱風(fēng))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(shè)備在我國南方非采暖地區(qū)的中小型工廠,占有相當(dāng)?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(xué)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(jià)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(yīng)用有上升趨勢(shì).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(xué)研制了小型移動(dòng)式熱風(fēng)干燥設(shè)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(yùn)輸.設(shè)備到貨后幾天內(nèi)即可投入生產(chǎn).這種小型干燥設(shè)備已在南方和北方一些工廠應(yīng)用,效果較好.目前,我國生產(chǎn)的常規(guī)干燥設(shè)備與國外先進(jìn)設(shè)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(jī).我國當(dāng)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(shí)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(shí)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(jìn)入材堆干燥木材.蒸汽干燥的這種進(jìn)、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(shí),濕空氣在除濕機(jī)與干燥室間進(jìn)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(xiàn).由除濕機(jī)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(shè)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(diǎn),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(shè)備中已占有相當(dāng)大的比例.我國自1980年后開始引進(jìn)國外的除濕干燥機(jī),20世紀(jì)80年代中期開始由仿制國外產(chǎn)品逐漸走向獨(dú)立設(shè)計(jì)制造.目前我國生產(chǎn)除濕機(jī)的廠家有8個(gè),正在生產(chǎn)中應(yīng)用的各種除濕機(jī)的總干燥能力約占全國總干燥能力的1/10.除濕機(jī)干燥的國產(chǎn)設(shè)備約占70%左右.從整體來看,我國除濕干燥機(jī)的生產(chǎn)水平與國外尚有一定差距,主要是外觀設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)水平來看,我國某些產(chǎn)品的性能已達(dá)到國際水平,如北京林業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的RCG系列中溫、高溫雙熱源除濕機(jī),在制冷劑過冷方式、熱泵進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及二次風(fēng)補(bǔ)充方式等方面有創(chuàng)新,使除濕機(jī)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?zé)岜贸凉窀稍餀C(jī)獲林業(yè)部三等獎(jiǎng),RCG30高溫?zé)岜贸凉窀稍餀C(jī)于同年獲北京市三等獎(jiǎng).我國生產(chǎn)的一些性能較好的除濕干燥機(jī),如北京林業(yè)大學(xué)與原北京冷凍機(jī)廠聯(lián)合研制的RCG30G高溫?zé)岜贸凉窀稍餀C(jī),上海桑菱環(huán)境能源所生產(chǎn)的SRG熱泵干燥機(jī),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(diǎn),但也存在干燥溫度低、干燥時(shí)間長、電耗較高、調(diào)濕不靈活等缺點(diǎn),從而影響了它的推廣應(yīng)用.今后除濕干燥的應(yīng)用前景在于作預(yù)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(jià)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(yīng)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(yīng)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(shí)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(duì)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(yīng)用的太陽能與熱泵除濕機(jī)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(jī)聯(lián)合承擔(dān),既可單獨(dú)使用,又可聯(lián)合運(yùn)行.如果天氣晴好、氣溫高,可單獨(dú)使用太陽能供熱;陰天或夜間,則啟動(dòng)除濕機(jī)(或熱泵).北京林業(yè)大學(xué)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(jī)聯(lián)合干燥系統(tǒng)(林業(yè)部和國家的重點(diǎn)課題),其供熱效率、干燥能耗等方面的性能指標(biāo),達(dá)到了同類產(chǎn)品的國際先進(jìn)水評(píng).其成果推廣到廣西、廣東、北京、云南等省市,這兩項(xiàng)成果曾先后獲得國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng),林業(yè)部科技進(jìn)步三等、二等獎(jiǎng).1.3真空、微波等干燥技術(shù)1.3.1真空干燥的應(yīng)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(dòng)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(shí)由于水在真空狀態(tài)下的飽和溫度低,故真空干燥可實(shí)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(yīng)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(yīng)用.我國在20世紀(jì)80年代中期,當(dāng)時(shí)的南京林學(xué)院和東北林學(xué)院都先后與有關(guān)廠家合作研制了真空干燥機(jī).在此期間國內(nèi)個(gè)別企業(yè)引進(jìn)了德國和意大利的真空干燥機(jī).20世紀(jì)90年代中期,南京林業(yè)大學(xué)又研制了兼有熱能回收裝置的高效節(jié)能真空干燥機(jī).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(jì),故干燥速度快.同時(shí)木材在過熱蒸汽中干燥時(shí)由于表面濕潤,它不僅可減少干燥應(yīng)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(fēng)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(yīng)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(xué)對(duì)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(jìn)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(diǎn),但由于設(shè)備初投資大,電耗高和設(shè)備裝材量少等缺點(diǎn),故在我國應(yīng)用很少.目前只有少數(shù)幾個(gè)廠家生產(chǎn)真空干燥機(jī),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(shí)由于電磁場的頻繁交變,使水分子高速頻繁的擺動(dòng),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(yīng)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(duì)木材的穿透深度小.高頻的頻率比微波低,但波長較長對(duì)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(jì)60年代,由美國、日本、加拿大、德國等國學(xué)者研究開發(fā)的一種干燥技術(shù).我國從1974年開始進(jìn)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(jī).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(yīng)力小、質(zhì)量好;能夠保持木材天然色澤等優(yōu)點(diǎn),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(yīng)用.后來因微波、高頻干燥投資高、電耗大,干燥成本高以及當(dāng)微波干燥工藝處理不當(dāng)時(shí)易出現(xiàn)內(nèi)裂和炭化等缺陷,到20世紀(jì)80年代中期,各廠的微波干燥先后停產(chǎn).進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后,由于微波與高頻干燥設(shè)備不斷完善和改進(jìn),干燥工藝不斷成熟,同時(shí)由于微波、高頻干燥在解決大斷面帶髓心的方材干燥時(shí),有它突出的優(yōu)點(diǎn),從而使這兩種干燥技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用又重新恢復(fù).2木材干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(dāng)今干燥的總目標(biāo)是在對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響最小,不損害環(huán)境和在設(shè)備投資與運(yùn)行費(fèi)用較低的條件下,實(shí)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(shí),他指出創(chuàng)新干燥設(shè)備與目前常規(guī)干燥設(shè)備的主要區(qū)別在于:創(chuàng)新干燥設(shè)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(shè)備、不同干燥參數(shù)(非穩(wěn)態(tài))下、多級(jí)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(shì)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(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),預(yù)計(jì)在21世紀(jì)以至今后相當(dāng)長一段時(shí)間仍將占主導(dǎo)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(biāo)是高效、優(yōu)質(zhì)、低成本,也就是在時(shí)間、質(zhì)量、費(fèi)用三者之間尋求平衡點(diǎn)或者說最優(yōu)組合方案.要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),常規(guī)干燥必須在干燥室設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)簡介干燥室設(shè)計(jì)的精確性即優(yōu)化設(shè)計(jì),應(yīng)該是建立在干燥室設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工設(shè)計(jì).這里所指的干燥室CAD設(shè)計(jì)并非一般的計(jì)算機(jī)繪圖,而是將計(jì)算機(jī)科學(xué)與干燥技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來,它的計(jì)算機(jī)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(jì)算、空氣動(dòng)力計(jì)算、設(shè)備投資與干燥成本計(jì)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(dòng)繪出干燥室的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)木材干燥室的優(yōu)化設(shè)計(jì)或精確設(shè)計(jì).2.2.1.實(shí)驗(yàn)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(gè)干燥階段,干燥介質(zhì)的溫度和相對(duì)濕度(或干、濕球溫差)目前制定的干燥工藝基本上屬于在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)總結(jié).這種制定干燥工藝的方法,優(yōu)點(diǎn)是簡單、可行;缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)、費(fèi)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(dá)到這一目標(biāo),國外和國內(nèi)的學(xué)者都提出了以臨界干燥參數(shù),即臨界干燥應(yīng)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(diǎn)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(zhǔn)確、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.雖然這種方法的實(shí)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(dá)國家大多實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)控制,少部分實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制.而在我國及欠發(fā)達(dá)國家中,大多數(shù)木材干燥室仍依靠操作人員憑經(jīng)驗(yàn)控制干燥過程,從而導(dǎo)致干燥質(zhì)量不易保證,干燥能耗偏高.今后的發(fā)展趨勢(shì)是逐漸由手工操作轉(zhuǎn)向半自動(dòng)、全自動(dòng)控制.干燥過程全自動(dòng)控制的關(guān)鍵及難點(diǎn)在于干燥應(yīng)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(diǎn)在于解決控制參數(shù)在線測試精度這一難題.同時(shí),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(shí)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(diǎn),其應(yīng)用已呈增長趨勢(shì).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(diǎn),估計(jì)在短期內(nèi)太陽能干燥技術(shù)應(yīng)用不會(huì)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(huì)對(duì)2830間干燥室統(tǒng)計(jì)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(jì)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(yù)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(jì),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(shì),實(shí)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(jì)中將這種聯(lián)合干燥列入其他項(xiàng)目中了.真空過熱蒸汽干燥時(shí),木材表面處于濕潤狀態(tài),干燥應(yīng)力小,干燥質(zhì)量優(yōu)于真空熱風(fēng)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(yù)計(jì)這種干燥技術(shù)今后在干燥厚材方面有較好的應(yīng)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(yīng)力和變形小,因此對(duì)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