速生楊木常規(guī)-過熱蒸汽干燥特性研究?

李昀彥 韋妍薔 程曦依 全 鵬 李賢軍

常規(guī)干燥因具有工藝成熟、裝載量大、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中[1]，但存在能量利用率低、干燥周期長(zhǎng)等局限，不太適用于楊木等質(zhì)軟易干樹種木材的快速、高效干燥[2-3]。

楊木作為我國(guó)主要的速生用材樹種之一，在木材工業(yè)中發(fā)揮著重要作用[4-5]。但楊木材質(zhì)松軟、含水率高且分布不均勻，干燥過程中極易產(chǎn)生皺縮、彎曲等干燥缺陷[6]，嚴(yán)重阻礙了楊木的高附加值使用[7-9]。為解決楊木的快速高效干燥問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了系列研究，如采用連續(xù)式干燥基準(zhǔn)，對(duì)楊木進(jìn)行干燥預(yù)處理，開發(fā)微波-真空組合干燥技術(shù)等[10-14]，這些方法在一定程度上可以加快楊木干燥速率或改善干燥質(zhì)量，但與根本上解決楊木的高效干燥問題尚存在一定距離。

常壓過熱蒸汽干燥作為一種以過熱氣化水蒸汽為干燥介質(zhì)的干燥方法，具有干燥速率快、節(jié)能、環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)[15]，在食品、化工等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ母稍锛夹g(shù)[16]。由于木材屬于多孔介質(zhì)的各向異性材料[17]，其組分、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨著干燥溫度的升高，木材的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，對(duì)高含水率試件的干燥質(zhì)量影響較為顯著，因此課題組在采用過熱蒸汽干燥技術(shù)實(shí)現(xiàn)速生馬尾松木材快速、高效干燥的基礎(chǔ)上[18]，進(jìn)一步研究速生楊木的常壓過熱蒸汽干燥特性，對(duì)高含水率的試件進(jìn)行常規(guī)-過熱蒸汽聯(lián)合干燥，以期為從根本上解決楊木的高效干燥技術(shù)難題提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究用速生楊木（Populus L.）弦鋸板材購(gòu)自湖南益陽(yáng)，其規(guī)格為2 000 mm（長(zhǎng)）× 120 mm（寬）× 30 mm（厚），平均初含水率介于100%～120%之間。試驗(yàn)前，將楊木鋸材加工成規(guī)格為320 mm（長(zhǎng)）×110 mm（寬）×20 mm（厚）的四面刨光試件，試件無腐朽、變色、開裂等明顯可見缺陷。為防止干燥過程中大量水分從楊木端部排出，采用雙組分耐高溫環(huán)氧樹脂對(duì)試件兩端進(jìn)行封閉處理。

1.2 儀器與設(shè)備

試件的干燥處理在恒溫干燥箱改裝而成的常壓過熱蒸汽干燥裝置中進(jìn)行，該裝置由蒸汽發(fā)生器、干燥箱體、質(zhì)量在線檢測(cè)、溫度在線檢測(cè)和微壓控制系統(tǒng)5個(gè)部分構(gòu)成（見圖1）。

圖1 過熱蒸汽干燥處理裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Brief structure of superheated steam drying treatment equipment

1.3 方法與步驟

研究中過熱蒸汽干燥處理分兩組進(jìn)行，其中一組為連續(xù)過熱蒸汽干燥處理，即將試材從初始含水率直接用過熱蒸汽干燥至終了含水率，另外一組為常規(guī)-過熱蒸汽聯(lián)合干燥處理，即先將濕材低溫常規(guī)干燥到含水率為10%、20%、30%和40%四個(gè)水平，其中常規(guī)干燥基準(zhǔn)參考LY/T 1068—2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》[19]，然后再用過熱蒸汽對(duì)其進(jìn)行干燥處理。

干燥處理前，將封端處理后的標(biāo)準(zhǔn)試件安置在常壓過熱蒸汽干燥裝置內(nèi)的懸掛裝置上，開啟加熱裝置，在120、130、140 ℃和150 ℃四個(gè)溫度水平下進(jìn)行干燥處理，具體干燥過程如下：以30 ℃/h的升溫速率將干燥裝置內(nèi)的介質(zhì)溫度由室溫升溫到100 ℃，并保持1 h；再以15 ℃/h的升溫速率將過熱蒸汽升溫到設(shè)定干燥溫度，并在此狀態(tài)下保持恒溫干燥，直到試件含水率達(dá)到10%以下。干燥過程中，通過溫度和質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄干燥過程中楊木試件溫度和質(zhì)量的變化。干燥結(jié)束后，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6491—2012《鋸材干燥質(zhì)量》[20]對(duì)試件的干燥質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括內(nèi)裂和可見缺陷（表裂、截面變形、翹曲和皺縮）。

表1 楊木鋸材常規(guī)干燥基準(zhǔn)表Tab. 1 The conventional drying schedule table for poplar lumber

2 結(jié)果與分析

2.1 楊木連續(xù)常壓過熱蒸汽干燥特性

圖2和圖3分別表示了采用過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)將楊木試材直接從初始含水率干燥至終了含水率過程中的溫度和含水率變化規(guī)律。結(jié)合圖2和圖3可以看出，楊木試材的連續(xù)常壓過熱蒸汽干燥過程可以分為前期快速升溫慢速干燥、中期恒溫恒速干燥和后期升溫減速干燥三個(gè)階段。其中在前期快速升溫慢速干燥段，木材試件溫度均勻快速上升，木材含水率幾乎保持不變，此階段木材從外界獲得的熱能基本用于提高木材本身的溫度，此過程持續(xù)時(shí)間約為3 h。在中期恒溫恒速干燥段，木材的溫度基本維持在90～100 ℃，木材含水率迅速下降至20%～50%，干燥速率基本維持恒定，此階段持續(xù)時(shí)間約為4 h。在這一階段，木材從外界獲得的能量幾乎全部用于蒸發(fā)木材內(nèi)的水分。隨著干燥過程的進(jìn)行，楊木試件的干燥進(jìn)入到后期升溫減速干燥段，在此階段木材的溫度逐漸上升，直至逼近干燥介質(zhì)溫度，木材干燥速率明顯降低。在這一階段，木材從外界獲得的熱量用于提高木材自身的溫度和蒸發(fā)剩余的吸著水。從圖2還可以看出，隨著介質(zhì)溫度的升高，木材試件的干燥速率明顯加快，但其在前期快速升溫慢速干燥段和中期恒溫恒速干燥段的溫度無明顯區(qū)別。當(dāng)過熱蒸汽溫度為120、130、140、150℃，木材試件的平均干燥速率分別為0.12、0.13、0.16、0.18%/min，方差分析也證明，過熱蒸汽溫度對(duì)木材干燥速率影響顯著。這是由于介質(zhì)溫度越高，楊木試材單位時(shí)間內(nèi)吸收的能量越多，水分蒸發(fā)和木材干燥速率越快。

圖2 楊木溫度變化曲線Fig. 2 Temperature variation of poplar

圖3 楊木含水率變化曲線Fig. 3 Moisture content variation of poplar

表2表示過熱蒸汽干燥處理對(duì)楊木試材干燥質(zhì)量的影響規(guī)律。從表中可以看出，隨著過熱蒸汽溫度的升高，楊木試材的截面變形、皺縮深度和裂紋（表裂和內(nèi)裂）數(shù)量整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。由于后期干燥條件劇烈，高溫會(huì)引起水分蒸發(fā)及移動(dòng)加快，因此試材皺縮深度等缺陷隨處理溫度的升高加劇，而表裂隨溫度的升高減少，其原因是在過熱蒸汽干燥進(jìn)行初期，過熱蒸汽降低了木材試件表面水分的蒸發(fā)速率或強(qiáng)度，使得木材試件表層的干燥拉應(yīng)力較小，從而降低了表裂發(fā)生的可能性。

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在120～150 ℃的范圍內(nèi)，采用過熱蒸汽對(duì)楊木進(jìn)行干燥時(shí)，木材試件內(nèi)部都出現(xiàn)了不同程度內(nèi)裂缺陷，這表明采用過熱蒸汽直接對(duì)楊木濕材進(jìn)行干燥處理是不可行的。

表2 速生楊木過熱蒸汽干燥處理材的干燥缺陷Tab. 2 Drying defects of fast-growing poplar under superheated steam drying

2.2 楊木常規(guī)-過熱蒸汽干燥特性

鑒于楊木連續(xù)過熱蒸汽干燥過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的內(nèi)裂缺陷，無法達(dá)到干燥質(zhì)量要求，因此研究先用常規(guī)干燥將木材含水率降低到10%、20%、30%、40%四個(gè)水平，再用過熱蒸汽對(duì)低含水率楊木進(jìn)行干燥處理。

圖4和圖5分別表示了過熱蒸汽干燥過程中楊木試材溫度和含水率的變化規(guī)律。分析圖4曲線趨勢(shì)可以看出，低含水率楊木的過熱蒸汽干燥過程同樣可以分為三個(gè)階段，與高含水率楊木過熱蒸汽干燥不同的是，低含水率楊木干燥過程中，中期恒溫恒速干燥段持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，且初含水率越低，此階段持續(xù)時(shí)間越短。當(dāng)初含水率為10%、20%、30%、40%，木材試件的平均干燥速率分別為0.04、0.05、0.07、0.08%/min，初含水率對(duì)木材干燥速率影響并不顯著。從圖5還可以看出，隨著初含水率的降低，楊木試材的干燥速率減慢，中期恒溫恒速干燥段尤為明顯，這是由于初含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，隨著含水率的降低，吸著水的橫向擴(kuò)散系數(shù)減小，而水蒸氣在細(xì)胞腔中的擴(kuò)散系數(shù)則增大，并且干燥過程中水蒸氣在細(xì)胞腔中擴(kuò)散所占比例不大，因此含水率越低水分?jǐn)U散路徑越長(zhǎng)，導(dǎo)致試材的干燥速率相對(duì)減緩。

圖4 楊木溫度變化曲線Fig. 4 Temperature variation of poplar

圖5 楊木含水率變化曲線Fig. 5 Moisture content variation of poplar

表3表示聯(lián)合干燥處理對(duì)楊木干燥質(zhì)量的影響規(guī)律。從表中可以看出，聯(lián)合干燥的木材試件并沒有產(chǎn)生內(nèi)表裂、皺縮等干燥缺陷，截面變形和翹曲度也能達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。這是由于在過熱蒸汽干燥前采用低溫常規(guī)干燥將楊木含水率降低到了纖維飽和點(diǎn)附近或者低于纖維飽和點(diǎn)，能顯著降低后期過熱蒸汽干燥過程中楊木試件在厚度方向的含水率梯度，減小了自由水遷移而造成的毛細(xì)張力，因此有效地減少了楊木的干燥缺陷。從相同含水率干燥至目標(biāo)含水率，常規(guī)干燥所需時(shí)間約為100 h[21]，而聯(lián)合干燥所需時(shí)間較常規(guī)干燥縮短2.5～3倍。由于不同初含水率的木材試材干燥質(zhì)量均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)且差別不大，在實(shí)際生產(chǎn)中可以考慮先采用低溫常規(guī)處理將試件干燥到含水率介于30%～40%后再進(jìn)行過熱蒸汽干燥，這樣既能保證干燥質(zhì)量，又能提高干燥速率。

表3 速生楊木聯(lián)合干燥處理材的干燥缺陷Tab. 3 Drying defects of poplar under combined drying

3 結(jié)論

以20 mm厚速生楊木鋸材為研究對(duì)象，采用連續(xù)常壓過熱蒸汽干燥和常規(guī)-過熱蒸汽聯(lián)合干燥兩種方法對(duì)其進(jìn)行干燥處理，系統(tǒng)研究了干燥方法和條件對(duì)楊木鋸材干燥特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：

1）楊木的連續(xù)常壓過熱蒸汽干燥過程可分為前期快速升溫慢速干燥、中期恒溫恒速干燥及后期升溫減速干燥三階段。在干燥過程中，楊木試材出現(xiàn)了嚴(yán)重的內(nèi)表裂缺陷。

2）采用低溫常規(guī)干燥方法將楊木干燥到含水率為10%～40%的范圍內(nèi)，再采用過熱蒸汽干燥對(duì)其進(jìn)行干燥處理，既可以保證干燥質(zhì)量，又能顯著縮短干燥時(shí)間。因此，采用常規(guī)-過熱蒸汽聯(lián)合干燥方法實(shí)現(xiàn)楊木鋸材的快速高效干燥處理具有現(xiàn)實(shí)可行性。

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