竹片炭化工藝及裝備的設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用?

曾 琦 劉 君 賀 霞 袁 聰 丁小兵

（湖南城市學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413400）

竹片涼席（俗稱麻將席）為大宗竹制品。自20世紀(jì)80年代出現(xiàn)以來，一直較受市場(chǎng)青睞，已成為眾多家庭夏季必需的消暑納涼物品[1]。竹片涼席透氣、涼爽、不粘汗、不卷曲、價(jià)格較水竹涼席便宜80%以上，較竹條涼席舒適[2]。這些特點(diǎn)使其占有全國(guó)夏季床席30%以上的市場(chǎng)份額和70%的沙發(fā)、汽車坐墊市場(chǎng)份額，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷東南亞、非洲等地區(qū)，2017年全國(guó)涼席生產(chǎn)總值75億元以上[3-4]。

竹片涼席采用速生資源——毛竹加工制作。湖南竹資源豐富，據(jù)2017年統(tǒng)計(jì)，竹林面積為1.1×106hm2[5-6]，居全國(guó)第二位； 益陽(yáng)為全國(guó)涼席主要生產(chǎn)基地之一，2016年產(chǎn)值超16億元[7]。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于對(duì)生產(chǎn)工藝和裝備缺少研究和改進(jìn)，竹片涼席一直為高污染、高勞動(dòng)強(qiáng)度、勞動(dòng)密集型、低附加值產(chǎn)品，因此轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)在必行[8-9]。

有人對(duì)涼席竹片防蟲防霉上色處理方法進(jìn)行了研究。某實(shí)用新型專利采用竹材加工剩余物作為爐體燃料，竹片放入爐體中，邊加熱，邊轉(zhuǎn)動(dòng)，通過高溫達(dá)到竹片殺菌消毒、炭化上色目的[10]。但這種方法缺陷較多：人工添加爐膛燃料，爐內(nèi)溫度不易控制，不良品率高，且工作環(huán)境惡劣，夏季無(wú)法操作生產(chǎn)。另有某實(shí)用新型專利，使用天燃?xì)鉃榧訜峤橘|(zhì)炭化竹片。天燃?xì)庖子谡{(diào)控爐內(nèi)溫度，但環(huán)境溫度高，且有發(fā)生一氧化碳中毒的危險(xiǎn)性[11]。另一發(fā)明專利研究制造了用電作為加熱介質(zhì)的竹片炭化爐，炭化成本高，一爐竹片（每爐1 800～2 000 kg） 需電費(fèi)500元以上[12]。

為實(shí)現(xiàn)綠色制造要求，本研究在進(jìn)行大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)竹片生蟲、長(zhǎng)霉、色澤不一致處理方法進(jìn)行了專題研究，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種竹片炭化爐與炭化工藝[發(fā)明專利]。

1 竹片炭化裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究在分析比較重組竹炭化窯[13]、木材高壓炭化罐[14]和現(xiàn)有竹片炭化爐特性及優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了以導(dǎo)熱油（或天燃?xì)猓榧訜峤橘|(zhì)的竹片炭化爐[15]。炭化爐通過加熱了的導(dǎo)熱油對(duì)竹片傳導(dǎo)熱量，析出竹片中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以達(dá)到竹片防蟲防霉、顏色一致的處理目的[16]。

以導(dǎo)熱油為加熱介質(zhì)的炭化爐設(shè)備投入稍大，但可利用竹材加工剩余物制作的顆粒炭為燃料加熱導(dǎo)熱油，具有廢料再利用又保護(hù)生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)，熱量循環(huán)利用，炭化成本低[17-18]。

以天燃?xì)鉃榧訜峤橘|(zhì)的炭化爐適用于城鄉(xiāng)結(jié)合部。管道燃?xì)庖捉尤?，投入少，具有較電加熱成本低的特點(diǎn)，但存在夏天工作環(huán)境溫度高，從而無(wú)法加工，并有可能出現(xiàn)一氧化炭中毒、起火的危險(xiǎn)缺陷[19]。

下面以導(dǎo)熱油為加熱介質(zhì)的炭化爐為例簡(jiǎn)要介紹其爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1 單個(gè)炭化爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

竹片炭化爐主要包括機(jī)架、外筒、內(nèi)筒、動(dòng)力傳動(dòng)裝置等。外筒內(nèi)側(cè)設(shè)有保溫隔熱材料的夾層，夾層內(nèi)壁上安置有從導(dǎo)熱油爐接出的導(dǎo)熱油管，外筒上部設(shè)置有將筒內(nèi)溫度傳遞到主控制臺(tái)的溫控系統(tǒng)和冷卻水噴淋裝置；裝載竹片的內(nèi)筒設(shè)置于外筒中，由動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)帶動(dòng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，接收導(dǎo)熱油傳遞的熱量翻炒竹片直至竹片炭化。內(nèi)筒壁為網(wǎng)狀或板狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒內(nèi)壁上固定有均勻分布的2～3片螺旋形葉片，葉片由進(jìn)出料口呈螺旋狀延伸至內(nèi)筒末端，葉片螺旋升角為50°～70°，葉片寬度為內(nèi)筒回轉(zhuǎn)半徑的30%～40%，截面為弧形，矢高為1～30 mm，通過電機(jī)的正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)內(nèi)筒順、逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒中的竹片被旋進(jìn)旋出并翻炒至竹片均勻受熱，實(shí)現(xiàn)高溫炭化目的。

爐體的一端設(shè)有進(jìn)出料口，進(jìn)出料口處設(shè)置有可開、關(guān)的非密閉門，非密閉門開設(shè)有竹片取樣觀察孔；進(jìn)出料口與輸送竹片的傳送帶相連，且進(jìn)出料口處設(shè)有蒸汽體回收裝置，回收的蒸汽可提取竹醋和竹油。

炭化爐的導(dǎo)熱油管為螺旋形或蛇形均勻分布于外筒的內(nèi)壁上；導(dǎo)熱油管內(nèi)徑設(shè)計(jì)為30～60 mm。

導(dǎo)熱油爐簡(jiǎn)圖如下：

圖1 竹片炭化爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bamboo sheet carbonizing furnace

1.2 炭化加工中心設(shè)計(jì)

因?qū)嵊吞炕O(shè)備投入較大，可組建炭化加工中心集中炭化竹片，網(wǎng)上線下訂單加工，之后分銷給各個(gè)企業(yè)制作涼席成品。

炭化加工中心由竹片干燥輸送帶、炭化拋光一體機(jī)、竹片輸出帶組成（見圖2），實(shí)現(xiàn)竹片干燥、炭化、拋光連續(xù)作業(yè)。

竹片經(jīng)干燥輸送帶I送至工位1處的炭化內(nèi)筒中，內(nèi)筒筒身處設(shè)有開合門，接收來自輸送帶的竹片，內(nèi)筒擱置在炭化小車上，小車運(yùn)行至工位2進(jìn)入炭化爐體內(nèi)炭化，炭化完成后炭化小車退出運(yùn)行至工位3添加拋光粉對(duì)竹片實(shí)施拋光，之后轉(zhuǎn)運(yùn)至工位4竹片卸出至輸出輸送帶II進(jìn)入下一工序。

由于連續(xù)干燥炭化拋光作業(yè)，減少了竹片工序與工序之間的裝袋、貯存、移運(yùn)環(huán)節(jié)，減少車間使用面積，極大地提高生產(chǎn)效率。

2 竹片炭化工藝設(shè)計(jì)

本炭化工藝適應(yīng)于麻將席小塊竹片炭化，通過控制炭化溫度和時(shí)間獲取不同顏色竹片，并在炭化過程中析出竹片內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)達(dá)到防蟲防霉目的[20-22]。單個(gè)炭化爐炭化工藝如下：

預(yù)熱干燥：一邊啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)爐，一邊將竹片送至進(jìn)料口，當(dāng)竹片從進(jìn)料口喂入爐內(nèi)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動(dòng)和葉片帶動(dòng)，竹片被送至轉(zhuǎn)爐上部和深處，竹片在爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)，促使其均勻受熱干燥。當(dāng)預(yù)熱干燥時(shí)，轉(zhuǎn)爐內(nèi)溫度逐漸加熱至80～140 ℃，并保持這一溫度2～3 h。

竹片炭化：預(yù)熱干燥2～3 h后，將轉(zhuǎn)爐內(nèi)溫度升至140～190 ℃，保持這一溫度約1～2 h，這一時(shí)段主要對(duì)竹片實(shí)施炭化。如需竹片炭化顏色較深，則加熱時(shí)間加長(zhǎng)；如需竹片炭化顏色較淺，則加熱時(shí)間縮短。需加長(zhǎng)或縮短的時(shí)間控制在10～30 min范圍之內(nèi)。

降溫出爐：當(dāng)溫度達(dá)到約190 ℃后，關(guān)掉促進(jìn)熱量充分傳遞的鼓風(fēng)機(jī)，然后用直徑約1吋大小的水管向轉(zhuǎn)爐內(nèi)注水2～6 min左右，并繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)爐至爐內(nèi)溫度降至60～80 ℃，爐內(nèi)竹片水分蒸發(fā)至含水率14%左右竹片出爐。注水出爐是因?yàn)闋t內(nèi)竹片溫度高，出爐遇氧后極易燃燒。若自然冷卻，一是由于爐內(nèi)溫度高和缺氧，靠近轉(zhuǎn)爐內(nèi)壁部分炭化燒焦；二是冷卻時(shí)間長(zhǎng)至使炭化時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。出料時(shí)，電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，通過葉片帶動(dòng)竹片向出口處移動(dòng)，經(jīng)出料斗出料。

3 產(chǎn)品創(chuàng)新性和效益分析

本研究研制的竹片炭化工藝具有一定的產(chǎn)品創(chuàng)新性，也能帶來不同的效益：

1） 竹片受熱均勻，優(yōu)良品率高。內(nèi)筒內(nèi)壁設(shè)置有三組螺旋形葉片，竹片在內(nèi)筒中旋進(jìn)旋出并翻炒，致竹片均勻受熱炭化，使竹片內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分析出，竹片上色處理均勻。

2） 竹片采用導(dǎo)熱油加熱炭化，生產(chǎn)周期短，成本低。導(dǎo)熱油循環(huán)加熱炭化竹片，熱量損失小，熱能利用率高，且易于調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)較優(yōu)炭化效果。

3） 竹片加工不需任何藥水蒸煮，不污染環(huán)境。采用竹片高溫處理方法替代雙氧水加消毒、殺蟲、克霉菌化學(xué)藥劑對(duì)竹片進(jìn)行浸泡處理以改變、減少竹片中營(yíng)養(yǎng)成分的做法，改變了用染料對(duì)竹片浸染著色的做法，無(wú)有毒廢水排放，對(duì)大氣、土壤不造成污染，竹席上不殘留化學(xué)藥劑[23-25]。

4） 竹片不需晾曬，節(jié)約保護(hù)耕地。運(yùn)用傳統(tǒng)加工方法，生產(chǎn)廠家需安排3 500～7 000 m2(1條生產(chǎn)線3 500 m2)耕地晾曬竹片。這種晾曬方法一是受天氣影響較大，非晴天不能作業(yè)生產(chǎn)，如遇天氣變化，則必須在下雨前迅速收回竹片，否則竹片顏色發(fā)黃，晦暗；二是晾曬竹片時(shí)滯帶的藥水會(huì)留滲農(nóng)田，從而影響土地品質(zhì)。

5） 生產(chǎn)周期縮短，加工成本降低。一是采用炭化爐只需約6～8 h便可達(dá)到4～5 d的晾曬效果，且不受天氣條件限制；二是采用炭化爐只需購(gòu)買設(shè)備成本約15萬(wàn)元（兩種爐體均價(jià)）。而同等生產(chǎn)規(guī)模采用過去的生產(chǎn)方式需建容量為3 m3的蒸煮池6～8個(gè)，建造成本約4萬(wàn)元；蒸煮車間廠房需200 m2，建造成本至少4萬(wàn)元；晾曬場(chǎng)以7 000 m2糧田計(jì)，每年租金約5 000元；還需化學(xué)藥劑購(gòu)買成本約30～40萬(wàn)元。比較兩種生產(chǎn)方式，采用炭化爐從理論上每年可節(jié)省直接成本數(shù)十萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

上述專利產(chǎn)品在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中已運(yùn)行一年多，生產(chǎn)情況良好，為企業(yè)創(chuàng)造較高產(chǎn)值提供了質(zhì)量和環(huán)境保障。該產(chǎn)品中的炭化加工中心還可擴(kuò)展至小微竹塊粒材料加工，實(shí)現(xiàn)竹片炭化方式的較大轉(zhuǎn)變。但值得注意的是該專利產(chǎn)品目前炭化爐的炭化時(shí)間、竹片成色的界定以人工觀察為主，憑細(xì)致的觀察和經(jīng)驗(yàn)確定炭化時(shí)長(zhǎng)、溫度高低。后續(xù)需要對(duì)不同含水率、不同濕度條件下的竹片炭化工藝進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，以期依據(jù)不同條件下測(cè)試的工藝曲線智能控制加熱時(shí)間溫度，獲取更高的良品率，從而帶來更加廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。