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我國木材干燥技術的創新與發展的幾點思考

   木材干燥的責任與地位 我國木材資源的浪費,大多數是由于濕材未經干燥處理,或處理不當,致使木材降等甚至失去了使用價值。
木材干燥處理的目的在于:
(1)防止木材的變形開裂;
(2)提高木材的力學強度,改善物理性能;
(3)防止木材腐朽蟲蛀;
(4)減輕木材的重量,節省運輸費用。 從以上所述可以看出,木材干燥業的責任在于改善木材的使用性能并提高它的利用率。同時由于木材干燥是能耗最大的工序,因此無論從產品質量或從經濟效益的角度來看,干燥作業都是木制品生產中舉足輕重的關鍵性環節之一。
2.木材干燥技術的現狀
2.1木材干燥業的發展潛力巨大 據有關專家估計,我國現有設備年干燥能力約400萬立方米材,只占2000年需干燥鋸材的17%左右,而中等發達國家的干燥設備能力,可達所需干燥量的30%,美國則高達60%。這說明我國干燥設備的能力與發達國家、中等發達國家相差甚遠,同時也說明我國木材干燥工業的發展潛力很大。
2.2國產干燥設備尚有不足之處 據不完全統計,我國具有一定生產規模的,能生產各類干燥設備的生產廠家約20多個,產品質量能基本滿足生產要求,可替代進口產品,而且某些性能指標已達國際同類產品的先進水平。現階段,我國生產的木材干燥設備與國外的先進設備相比,主要差距在于:(1)檢測與控制系統的精度差、可靠性差;(2)加工粗糙、造型不夠精美;(3)蒸汽閥、疏水器等分部件質量差。以上這些問題,如果上級領導、行業協會和生產廠家給予充分的重視,是完全有能力解決的。
2.3干燥能耗偏高,對環境的污染不容忽視 我國現有的各種干燥設備中,蒸汽干燥占80%以上。而爐氣和直火式煙氣干燥則在小型企業中較多。蒸汽干燥以鍋爐作供熱設備,我國工業鍋爐及其管網的平均熱效率只有60%,同時蒸汽干燥的進、排氣熱損失較大,約占蒸汽熱能的40%,此外還有墻體大門等的散熱損失,故使蒸汽干燥的一次能源利用率一般低于30%。干燥能耗高,不僅使產品成本增加,而且使鍋爐與干燥室排出的煙塵與廢氣增多,從而增加了這些有害物質對大氣的污染。以年干燥能力為1萬立方米材的蒸汽干燥車間為例,約需配4噸/h的鍋爐一臺,它每小時排出的有害物質為:煙塵量約40kg、CO2:1900立方米、SO2:45立方米,還有少量的NO2,這些物質是造成大氣溫室效應、酸雨和臭氧破壞的主要因素。據有關資料報道,在全球監測網上,對40個顆粒污染最嚴重的城市排序中,沈陽、西安、北京、上海和廣州進入前10名。由于能源對環節的貢獻率可達70%-80%,故木材干燥的節能問題必須予以重視。
2.4陳舊簡陋的設備較多,干燥的降等損失嚴重 目前我國多數中小型(尤其小型)木材加工廠,干燥設備陳舊簡陋,操作人員素質低、多數未經專業培訓,導致由于干燥不當而引起的木材降等損失相當嚴重,一般大于20%,其中約5%的木材則完全失去使用價值。據不完全統計,全國這類設備的年干燥總量在100萬立方米左右,以降等20%計,每立方米材的降等損失按50元計,則直接經濟損失在1000萬元以上。以5%木材失去使用價值計,則浪費的森林資源在5萬立方米以上。
3.木材干燥技術的發展與創新
3.1國際干燥技術的發展趨勢 國際干燥咨詢委員會主席、國際干燥界權威雜志“Drying Technology”主編,加拿大的A.SMujumdar教授曾撰文指出,在設計干燥裝置時,必須考慮較高的干燥質量和較低的能耗。當今干燥的總目標是:在對產品品質不利影響最小,不損害環境和在設備投資與運行費用最低的條件下,實現被干物料最快的水分遷移。同時他還進一步指出了當今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)的粗放型干燥,逐漸過渡到由多種干燥設備,在不同干燥參數(非穩定態)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。
3.2聯合干燥技術的應用 聯合干燥符合國際干燥技術的創新發展趨勢,因為每種干燥方法都有各自的優點和適用范圍,如果吸收不同干燥方法的優點,而避其缺點,就能取得良好的效果。以除濕與蒸汽聯合干燥為例,首先用蒸汽熱能對木材預熱,避免除濕干燥用電熱預熱而帶來的升溫慢、電耗高的缺點。進入干燥初期至干燥中期階段,干燥室的排濕量大,采用除濕干燥法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,當干燥室排濕量很少時,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。必須指出,聯合干燥并非兩種或幾種干燥方式簡單的組合,而是將它們進行優化組合,關鍵在于兩種或幾種干燥方法組合時,對不同的干燥對象,不同干燥方法的最佳分界點應在何處為宜。目前已有除濕與蒸汽聯合干燥的應用,但是否達到優化組合還值得探討。 除了上面列舉的除濕與蒸汽聯合干燥外,今后還可發展真空-除濕,除濕-微波,氣干-蒸汽,太陽能-蒸汽,太陽能-除濕等各種聯合干燥。
3.3開發精確性干燥技術 如前所述,我國目前的干燥技術水平已基本能滿足現階段生產的要求,但仍有許多不足之處。在新世紀中的干燥技術需要增加科技含量,由粗放型,向精確性、高科技的方向發展,才能跟上時代發展的步伐。木材干燥的精確性應包括設備、工藝、測試與控制等幾個方面:
3.3.1干燥設備 干燥設備的精確性應包括設計與加工精度兩個方面。干燥室設計的精確性應該是在建立干燥室設計數據庫的基礎上,開發計算機輔助設計,以代替傳統的手工計算,才可能做到為每一個具體干燥對象的干燥室“量體裁衣”,使干燥室的性能盡可能完美。 關于干燥設備加工的精確性,除了需要制定檢驗設備加工精度的待業標準外,期望通過市場的競爭,來促使干燥設備的優勝劣汰。
3.3.2干燥工藝 由國家林業局批準發布的鋸材窯干工藝規程(LY/T1068-92)和鋸材氣干工藝規程(LY/T1069-92),雖已涉及60余種木材,但我國有2000余種木材,加上天然林禁伐后出現了新的情況,使干燥工藝的研究任務仍十分艱巨。今后干燥工藝的研究一方面集中在人工速生材、小徑材、難干闊葉林及進口材的干燥工藝;另一方面則是精確性干燥工藝的研究,它是指在現有干燥設備中的每一具體干燥對象,都有一套最佳匹配的工藝方案。
3.3.3干燥參數的檢測與控制 木材干燥工藝參數的檢測與控制儀表猶如人的眼睛和大腦,直接關系到干燥的質量和經濟效益。以木材含水率的檢測為例,目前干燥生產上普通采用電阻法,這種檢測儀在高含水率(>30%)和低含水率階段(<10%)測試誤差都很大。于是生產上對干燥質量要求高的木材,一般采用比預定的終含水率降低1至2個百分點,即用延長干燥時間的辦法來保障干燥質量。以某除濕干燥機的生產為例,干燥1立方米材每天的平均能耗為6KW.h,終含水率降低1-2個百分點至少需要耗10KW.h的能量,加上工人的工資、管理等費用,每立方米材的干燥成本大約要增加10元左右。由此可看出高精度的檢測與控制系統的重要性。
3.4干燥供熱設備燃燒技術的改進 眾所周知,太陽能、電能是清潔能源。但我國目前仍以蒸汽干燥為主,其次是利用工廠木廢料的爐氣及簡易直火式煙氣干燥。這些供熱設備對大氣造成的污染十分嚴重,因此在新的世紀必須逐漸采用新的潔凈燃燒技術對現有污染嚴重的燃燒設備給予治理。 煤或木廢料的氣化、液化是一種潔凈燃燒技術,早在十幾年前雖然已經有少數工廠采用發生爐煤氣作為干燥介質,但至今未能很好推廣的原因除干燥室設計不合理外,煤氣發生爐的安全性及火災隱患未能圓滿解決是主要的因素。據了解,近來北京及外地一些單位對燃料的氣化燃燒技術已有較大的改進。例如東北電力學院孫健教授研制的煤潔凈燃燒技術已在吉林、山東、遼寧等有數百余臺鍋爐中推廣使用,效果很好。這項技術在理論和結構上都有創新,它將煤氣發生爐與層燃爐有機的結合,在一個爐膛內一并完成,還附有爐內除塵功能。它的鍋爐熱效率可達82%,除塵效果則符合國家環保標準GWPB-1999中的一類地區要求。
3.5創新需要加強基礎理論研究
3.5.1基礎研究的重要性與現狀 干燥理論的基礎研究是產生高新技術的基石和搖籃。中國科學院院長路甬祥在分析百年諾貝爾獲獎規律后指出,近幾十年科學發展的中心移向美國的原因之一在于,美國重視基礎研究,有充實的研究經費和優越的研究條件。 我國在木材干燥理論研究方面的基礎十分薄弱,尚在起步階段,其研究經費很少,大約只有發達國家的0.2%。為解決研究經費的不足,今后除希望增加國家投資外,還希望一些有遠見的干燥設備生產廠與有關的高等院校和科研院所合作,搞一些有應用前景及當前急需解決的技術疑點與難點的基礎研究。
3.5.2基礎研究的重點與范圍 筆者分析了第5屆、第6屆國際木材干燥學術會議論涉及的研究內容,以及目前歐洲一些大學及研究所的研究內容,結合我國的實際情況,認為我國在新世紀里木材干燥理論基礎研究應側重以下幾個方面:
(1)干燥過程的數值模擬
(2)木材干燥過程的傳熱傳質
3)干燥過程中木材內的應力分布及影響因素
(4)高精度的木材含水率分布的無損檢測方法
(5)干燥室氣體動力學與氣流循環的優化
(6)木材干燥與環境問題

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