人工林柚木間伐材過熱蒸汽干燥工藝研究?

向 瑤 允 帥 劉文金 孫德林 郝曉峰

（中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

我國(guó)是世界上最大的木業(yè)加工與木制品生產(chǎn)基地，原木進(jìn)口需求強(qiáng)勁。據(jù)中國(guó)海關(guān)進(jìn)口貿(mào)易數(shù)據(jù)顯示，2020 年我國(guó)木材進(jìn)口量達(dá)10 801.77 萬(wàn)m3。隨著全世界范圍內(nèi)天然優(yōu)質(zhì)林限伐，全球86 個(gè)國(guó)家與地區(qū)先后限制原木出口，我國(guó)木材安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻。因此，提高珍貴樹種人工林種植面積成為我國(guó)林產(chǎn)品加工行業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略選擇之一[1]。

柚木（Tectona grandisL.F）又稱胭脂樹、紫柚木、血樹，是珍貴的熱帶闊葉材，其紋理美觀，色調(diào)高雅，使用時(shí)尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)，耐腐蝕，是制造高檔家具與室內(nèi)外裝飾的優(yōu)良材料[2]。在我國(guó)廣東、云南、海南等地有較大面積人工繁育的柚木林，如能對(duì)營(yíng)林過程中產(chǎn)生的大量撫育間伐材加以充分利用，可有效彌補(bǔ)大徑級(jí)木材不足。但間伐材徑級(jí)小、生長(zhǎng)應(yīng)力大、材質(zhì)較成熟材差，若采用常規(guī)工藝干燥存在干燥質(zhì)量差、周期長(zhǎng)和成本高等問題[3-5]。而常壓過熱蒸汽干燥具有能耗低、速率高等特點(diǎn)，在干燥的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)低溫?zé)岣男訹6-9]。因此，采用過熱蒸汽干燥人工林柚木是提升干燥質(zhì)量、縮短干燥周期與降低成本的有效方法。

國(guó)內(nèi)對(duì)木材過熱蒸汽干燥的研究主要集中在過熱蒸汽傳熱傳質(zhì)機(jī)理及工藝方面[10]。齊華春等[11-12]研究了高溫過熱蒸汽處理對(duì)日本柳杉吸濕解吸特性和結(jié)晶性能的影響。呈曦儀等[13-15]研究了馬尾松與速生楊的常壓過熱蒸汽干燥特性。Hao等[16-17]以樟木、柚木和柳杉為研究對(duì)象，研究了過熱蒸汽干燥過程中的水熱遷移機(jī)理。鮑詠澤[18-19]構(gòu)建了柳杉鋸材過熱蒸汽干燥及傳熱傳質(zhì)模型。同時(shí)部分研究表明，汽蒸預(yù)處理可以改善木材滲透性，進(jìn)而提高木材干燥質(zhì)量與干燥速率，減少干燥缺陷[20-22]。本文以人工林柚木間伐材為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究干燥介質(zhì)溫度對(duì)木材干燥過程中傳熱、傳質(zhì)速率與干燥質(zhì)量的影響，研發(fā)梯度控溫的人工林柚木間伐材過熱蒸汽干燥工藝，并在工廠進(jìn)行中試驗(yàn)證，以期獲得一種高效節(jié)能干燥工藝，實(shí)現(xiàn)人工林柚木間伐材的優(yōu)質(zhì)、高效、低成本干燥。

1 材料與方法

1.1 材料

柚木（Tectona grandisL.F.）采自云南省西雙版納傣族自治州，初含水率介于20%～40%之間，鋸材尺寸為650 mm （長(zhǎng)）× 90 mm （寬）× 25 mm（厚）。

1.2 設(shè)備

木材常壓過熱干燥箱，實(shí)驗(yàn)室自制；溫度巡檢儀（SWP-RLK），昌暉自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司；熱電偶（K型），上海金浩電熱儀表廠；數(shù)顯式推拉力計(jì)（HP-20型），樂清市艾德堡儀器有限公司；中試試驗(yàn)設(shè)備為東莞某干燥企業(yè)的端風(fēng)型炭化干燥窯。

1.3 試驗(yàn)方法

1）使用環(huán)氧樹脂對(duì)試件端面進(jìn)行封端處理。

2）在試件厚度方向5 mm和10 mm處分別打孔安裝熱電偶傳感器，用于檢測(cè)表層溫度與芯層溫度的變化情況。在試件側(cè)端釘入鐵絲懸掛質(zhì)量傳感器，用于檢測(cè)試件質(zhì)量的變化情況。

3）柚木過熱蒸汽干燥工藝如表1 所示。

表1 柚木過熱蒸汽干燥工藝Tab.1 High temperature drying schedule of teak

4）對(duì)試件的各干燥質(zhì)量指標(biāo)和不同階段的含水率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。干燥質(zhì)量與含水率均按照GB/T 6491—2012《鋸材干燥質(zhì)量》進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)水平進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 過熱蒸汽溫度對(duì)傳熱的影響

由圖1可知，柚木鋸材干燥過程中內(nèi)部溫度變化可分為3個(gè)階段。階段Ⅰ為預(yù)熱應(yīng)力釋放階段，該階段使用飽和水蒸汽將試件充分熱透，以保證試件芯表層溫度一致，同時(shí)在90 ℃和100 ℃時(shí)各保溫1 h，利用高溫高濕飽和蒸汽釋放柚木試件生長(zhǎng)應(yīng)力，以減少干燥過程中出現(xiàn)開裂翹曲等質(zhì)量問題。由表2可知，該階段芯表層升溫速率略有不同，表層升溫速率略低于芯層。其主要原因在于，在預(yù)熱過程中，表層水分輕度蒸發(fā)會(huì)消耗掉少部分熱量，而芯層水分未發(fā)生蒸發(fā)。階段Ⅱ?yàn)榫徛郎仉A段，表層升溫速率總體快于芯層，因而該階段表層含水率低于纖維飽和點(diǎn)，水分蒸發(fā)速率變慢消耗熱量較少，而芯層含水率較高，水分蒸發(fā)需要消耗更多熱量，導(dǎo)致其升溫速率變慢[23-24]。階段Ⅲ為減速升溫階段，表層升溫速率慢于芯層，主要因?yàn)楸韺釉陔A段Ⅱ升溫較高，導(dǎo)致其與干燥介質(zhì)溫度差較小，而芯層在該階段的含水率較低且其溫度與干燥介質(zhì)溫度差較大，導(dǎo)致其升溫速率較快。

圖1 不同干燥溫度下木材芯表層溫度變化Fig. 1 The change of wood's central and surface at different drying temperatures

表2 不同干燥溫度下木材芯表層升溫速率Tab.2 The heating rate of wood's central and surface layers

階段Ⅱ芯表層平均升溫速率分別為1.50 ℃/h和1.53 ℃/h，階段Ⅲ芯表層升溫速率分別為0.50 ℃/h和0.38 ℃/h，升溫速率較慢，因此階段Ⅱ和階段Ⅲ均為慢速升溫階段。由表2可知，階段Ⅲ中干燥介質(zhì)溫度由110 ℃升至140 ℃時(shí)，升溫速率提升了27%?？紤]到提高升溫速率可以加快工業(yè)生產(chǎn)速度從而縮短生產(chǎn)周期，因此后期干燥溫度應(yīng)介于130～140 ℃之間。

2.2 過熱蒸汽溫度對(duì)傳質(zhì)的影響

由圖2可知，過熱蒸汽干燥人工林柚木間伐材的傳質(zhì)與傳熱過程相似，均具有分階段的特性。階段Ⅰ為恒濕預(yù)熱應(yīng)力釋放階段，該階段使用飽和蒸汽對(duì)試件進(jìn)行充分預(yù)熱，其目的是通過濕熱耦合作用，釋放柚木生長(zhǎng)應(yīng)力及氣干殘余應(yīng)力，保證干燥質(zhì)量。而該階段飽和水蒸汽能容納水分的限度已達(dá)最大，無法繼續(xù)容納水分，試件中水蒸汽無法逸散到外界環(huán)境，從而使得試件中水分穩(wěn)定，故在該階段無傳質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生。階段Ⅱ?yàn)楹闼俑稍镫A段，在該階段飽和水蒸汽進(jìn)一步加熱達(dá)到過熱狀態(tài)。由表3可知，在110、120、130、140 ℃不同干燥介質(zhì)溫度下，傳質(zhì)速率分別為1.34 %/h、1.84 %/h、2.84 %/h、2.84 %/h，隨著干燥介質(zhì)溫度的升高，傳質(zhì)速率也增大。其原因在于不同的過熱度蒸汽能容納水分的能力不同，干燥介質(zhì)過熱度越高其容納水分能力越強(qiáng)，干燥效率越高。但當(dāng)過熱蒸汽溫度超過130 ℃時(shí)，傳質(zhì)速率提升不顯著。這主要是因?yàn)槟静膫髻|(zhì)速率由兩個(gè)速率決定，即水分在鋸材表面蒸發(fā)的速率和鋸材內(nèi)部水分?jǐn)U散至鋸材表面的速率。干燥中后期，內(nèi)部水分?jǐn)U散至表面的速率決定木材的傳質(zhì)速率，而擴(kuò)散速率與木材的結(jié)構(gòu)有關(guān)[25-26]，在溫度達(dá)到一定臨界值后，木材內(nèi)部水分?jǐn)U散速率提升不顯著?？紤]到成本與能耗，柚木在該階段干燥溫度宜最高不超過130 ℃。在階段Ⅲ，110、120、130、140 ℃不同干燥溫度下傳質(zhì)速率分別為0.61 %/h、0.74 %/h、1.34 %/h、1.57%/h，傳質(zhì)速率明顯低于階段Ⅱ，因此屬于減速干燥階段。在該階段傳質(zhì)速率隨著溫度升高而升高，為加快水分遷移速率，可適當(dāng)提升該階段的干燥介質(zhì)溫度。

圖2 不同干燥溫度下木材含水率變化曲線Fig.2 The change curve of moisture content of wood at different drying temperatures

表3 不同干燥溫度下的傳質(zhì)速率Tab.3 Mass transfer rate at different drying temperatures

圖3 柚木鋸材干燥過程中傳熱傳質(zhì)速率Fig.3 Mass and heat transfer rate of teak during drying process

2.3 干燥溫度對(duì)干燥質(zhì)量的影響

表4 統(tǒng)計(jì)了各干燥介質(zhì)溫度下柚木鋸材的彎曲、干裂及厚度截面變形等缺陷。由于以水蒸汽為干燥介質(zhì)，鋸材表面濕潤(rùn)，干燥應(yīng)力小，因此在本試驗(yàn)條件下未出現(xiàn)表裂現(xiàn)象。但介質(zhì)溫度高于130 ℃ 時(shí)，內(nèi)裂現(xiàn)象較為嚴(yán)重，如圖4 所示。

圖4 柚木鋸材干燥缺陷Fig.4 The drying defects of teak

表4 干燥可見缺陷Tab.4 The drying defects

柚木鋸材的干燥質(zhì)量如表5 所示，干燥后柚木的終含水率分別為5.46%、5.27%、5.00%和1.39%。根據(jù)GB/T 6491—2012 中鋸材干燥指標(biāo)，厚度介于21～40 mm的鋸材，厚度上含水率偏差在2.5%以下的為一級(jí)鋸材，因此干燥介質(zhì)溫度在120、130 ℃和140 ℃時(shí)厚度上含水率偏差均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一級(jí)鋸材質(zhì)量的要求。另外，殘余應(yīng)力是干燥木材產(chǎn)生變形開裂的主要原因。根據(jù)GB/T 6491—2012 以殘余應(yīng)力作為檢測(cè)指標(biāo)，通過叉尺法檢測(cè)，結(jié)果表明，除110 ℃時(shí)殘余應(yīng)力稍大，120、130 ℃和140 ℃時(shí)柚木鋸材的殘余應(yīng)力均符合二級(jí)干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表5 干燥質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Statistical table of the wood drying quality

圖5 柚木鋸材干燥殘余應(yīng)力Fig.5 Drying residual stress of teak lumber

從以上結(jié)果可得出，采用過熱蒸汽干燥柚木鋸材時(shí)，溫度為130 ℃時(shí)鋸材會(huì)出現(xiàn)內(nèi)裂。為保證較好的干燥質(zhì)量，人工林柚木間伐材的干燥溫度以不超過120 ℃為宜。

2.4 柚木過熱蒸汽干燥工藝優(yōu)化及中試結(jié)果分析

基于上述研究，調(diào)整柚木干燥工藝如表6所示。調(diào)整后柚木未出現(xiàn)表裂和內(nèi)裂，終含水率和厚度上含水率偏差等干燥指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)干燥質(zhì)量等級(jí)一級(jí)要求，殘余應(yīng)力達(dá)到二級(jí)要求，中試未進(jìn)行養(yǎng)生處理是殘余應(yīng)力較大的主要原因。

表6 優(yōu)化后柚木過熱蒸汽干燥工藝Tab.6 Optimized super-heated steam drying process of teak

按照表6工藝，在廣東東莞某干燥企業(yè)進(jìn)行中試能耗分析。結(jié)果表明：本工藝可以在3～4 d內(nèi)將10 m3初含水率約為40%的人工林柚木鋸材干燥至含水率8%左右。

與原有常規(guī)技術(shù)相比(干燥基準(zhǔn)見表7），采用過熱蒸汽干燥技術(shù)，可以顯著縮短人工林柚木鋸材干燥時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)能耗。經(jīng)計(jì)算，采用新技術(shù)后，柚木鋸材干燥周期縮短64%，總能耗節(jié)約5.76 kg/m3標(biāo)準(zhǔn)煤，其中熱能消耗減少5.57 kg/m3，電能消耗減少0.19 kg/m3，人工費(fèi)用可降低32%，干燥成本可降低17.2%。

表7 人工林柚木常規(guī)干燥基準(zhǔn)Tab.7 Standard for conventional drying of teak in plantation

表8 常規(guī)干燥和過熱蒸汽干燥成本分析表Tab.8 Cost analysis of conventional drying and superheated steam drying

3 結(jié)論

以人工林柚木間伐材為研究對(duì)象，利用不同溫度的過熱蒸汽干燥柚木，得出以下結(jié)論：

1）人工林柚木間伐材的傳熱過程可分為三個(gè)階段，即預(yù)熱應(yīng)力釋放階段、慢速升溫階段、減速升溫階段?？紤]到能耗問題，階段Ⅰ干燥介質(zhì)溫度以110 ℃為宜，干燥階段后期可適當(dāng)提升溫度。

2）人工林柚木間伐材的傳質(zhì)過程也可分為三個(gè)階段，即恒濕應(yīng)力釋放階段、恒速干燥階段、減速干燥階段。其中階段Ⅱ?yàn)樽钪饕母稍镫A段，在該階段，溫度升高，傳質(zhì)速率也隨之提升。但當(dāng)干燥介質(zhì)溫度超過130 ℃臨界值時(shí)，傳質(zhì)速率趨于平緩，因此階段Ⅱ溫度不宜高于130 ℃。

3）建議以低于130 ℃的過熱蒸汽干燥人工林柚木，以減少木材內(nèi)裂；對(duì)于人工林柚木間伐材，其干燥溫度不宜超過120 ℃。

4） 人工林柚木間伐材過熱蒸汽干燥優(yōu)化工藝為：由室溫升至90 ℃，升溫速率為15 ℃/h，在升至60、75、90 ℃時(shí)各保溫1 h，干濕球溫度一致；利用100 ℃飽和蒸汽汽蒸處理0.45 h；在鋸材含水率30%以上時(shí)，采用介質(zhì)溫度為110 ℃。含水率30%～15%時(shí)，介質(zhì)溫度為115 ℃。含水率15%～8%時(shí)，介質(zhì)溫度為120 ℃。

5）采用新工藝，柚木鋸材干燥周期縮短64%，總能耗、人工費(fèi)用、干燥成本、干燥時(shí)間均大幅降低，生產(chǎn)效率提高。