木材干燥技术的现状与展望

一般木材本身都会含有大量的水分,如果不及时处理,其水分就会不断地蒸发而导致木材变形、萎缩或者开裂,不利于后序的加工。因此,使用高效的木材干燥技术对木材进行干燥处理是非常重要的。

Generally wood contains a lot of water and its moisture will evaporate and lead to wood deformation, shrinkage or cracking without drying process. It is not conducive to the subsequent processing. Thus, using efficient wood drying technology is very important.

干燥木材可以有效防止木材的变形和开裂,提升木材的强度、加工性能和利用率,同时,它也是节省木材资源的重要措施,为企业节省一定的成本。因此,木材干燥已成为加工生产中的重要工序,因此,进一步了解干燥木材的技术也十分有必要。

 

干燥木材的原因及目的

经过许多研究者的调查后发现,木材中水分的存在与变化是影响木材尺寸稳定的根本原因。尤其是当木材暴露在户外的环境中时,因气候多变,以及木材本身的各向异性,其形状难以保持稳定。当木材产生水分的时候,木材的细胞壁内部膨胀,并将膨胀传递给外部尺寸,体积会膨胀,而当阳光照射木材中的水分被蒸发时,木材的体积又会缩小。因木材长期处于不断膨胀和缩小的过程,如果不对新鲜木材及时进行干燥,无论是否经过防腐处理,都会因此而造成开裂和变形等现象。根据相关调查显示,在中国比较干旱的西北地区,木材的平均含水率大约为10%,木料须相应干燥至7%到9%的含水率。在东南沿海地区,气候湿润,木材干燥的最终含水率应为12%至13%。在东北地区使用出口到北美的木制品,因考虑到室内采暖条件的要求,需要干燥至6%至8%的终含水率。

其次,干燥木材是改善木材物理性能的快捷方式之一。据了解,当木材的含水率低于纤维饱和点时,其力学强度将随着含水率的降低而上升,适当降低木材的含水率,可以改善木材的物理性能,提高胶合质量。

同时,经过干燥的木材可以有效降低木材重量,大约可减轻30%至50%及以上的质量,如在林区的附近制材原木,并将锯材的含水率降至20%,然后外运,可以大幅度节省运输吨位和费用。

此外,当木材含水率在20%至100%之间,容易导致腐朽和产生虫蛀和霉菌。若将木材含水率降低到20%以下可以避免木材的腐朽、变色及昆虫的危害,有效地保证木材的固有品质。

 

干燥木材的流程

根据北京林业大学的教授介绍道,干燥工艺的整体流程包括干燥前的准备、制定基准、具体实施以及检测质量。

其中,准备工作非常重要,包括设备检查、锯材的堆积、干燥前的预处理及选制检验板。所堆积的锯材应是力学性能较好、变形程度小及硬度高的干木材,四面刨光。干燥前的预处理过程较为复杂,包括预干、预刨、预浸泡、预汽蒸和预分选。在预干处理时,将锯材堆放在宽敞的空间内进行气干,使含水率达到20%至30%,接着进行室干,如果采用气干与窑干相结合的方式进行干燥会比较经济,这样能够提升干燥室的工作效率,降低损失;预汽蒸处理是为了更好地改善部分锯材的品质、使用价值及干燥速度。

制定的干燥基准是干燥过程各含水率或时间阶段所采用的干燥介质温度(木心温度)和相对湿度的规定程序,它往往会直接影响到最终成品的质量与效益,因此,工作人员在制定、选用和执行基准时都需要谨慎,结合加工的实际情况。

在具体实施的阶段中,包括预热阶段、干燥阶段(多次中间处理及平衡处理)和终了阶段。值得注意的是,在预热阶段木材进入干燥室后,不能马上升温干燥,需要先对其进行高温高湿处理,让其里外都热得彻底,预热的目的之一就是提升木材的温度,使其沿着厚度的方向均匀热透,而且预热中一定要保证介质的温度,否则容易产生缺陷。

 

干燥木材常用的技术方法

目前干燥方法主要分为两种:常规干燥(占80%)与特种干燥(占20%)。常规干燥是指以饱和蒸气等为热源,湿空气为介质的传统窑干木材的方法;特种干燥主要指常规干燥之外的其他人工干燥,如真空干燥、微波干燥、太阳能干燥、除湿干燥、炉气干燥和化学干燥等。在现阶段,常规的蒸气干燥在中国仍然占主导地位,这种技术已经发展得非常成熟,目前使用蒸汽式木材干燥设备的厂家的所使用的干燥工艺有主要分为以下两种:一种是传统方法,包括预热、初中后末期处理以及平衡处理等,最后降温、出窑 ;另一种是欧式干燥,以木材含水率为基础,分阶段进行调整温度,利用木材内部蒸发出来的水分调节窑内空气的湿度,中间过程不进行蒸汽处理,只在干燥末期进行一次平衡处理。由此可见,尽管传统的方法比较完整,可以消除有效地木材生长应力及干燥应力,但是需要消耗大量的蒸汽,不利于节省能源。而欧式干燥相对更加节省能源,但无法一次性消除木材生长应力及干燥应力,所以这种传统的干燥方式仍有待于提高。根据业内研究者指出,可以将变频调速技术应用于木材干燥领域,实现可调风速干燥木材,即木材干燥过程进入减速干燥阶段时,使用调频装置调整电机转速,减小风量,在保证木材干燥质量的同时,可以节省电能。在中国,干燥技术所消耗的能源偏高,巨大的排放量更是会对环境造成负面影响,其污染物会导致温室效应和酸雨等问题,因此,如何实现节能减排是常规干燥技术未来的发展方向。

相比常规干燥,特种干燥的方式都比较节省能源。例如比较常见的除湿干燥,利用低沸点的制冷剂由气体变为液体时放出的热量将空气加热,又利用它由液态变为气态时吸收热量的作用,使木材蒸发出的水分冷凝成液体而排出室外。使用的设备为干燥室和除湿机。这种干燥方式不会在干燥窑中设置进排气道,湿热废气不是排入大气而是 经除湿机先将其中的水分除去,再将变干了的空气加热后送进干燥室,继续干燥木材的干燥方式,又称热泵干燥,因此,这种方式可以使得能源被循环利用,而不是排放到外界环境,但由于除湿干燥属于低温干燥,根据调查数据显示,通常辅助加热器预热空气温度约至24 ℃,热泵供热使干燥室渐升温到32 ℃至49℃,所以花费的干燥时间比较长。

另一种常见的特种干燥方式是真空干燥,是把木材置于密闭容器内,在低于大气压力的条件下加热干燥木材的方法。其过程就是对干燥的木材不断加热的同时,利用真空系统抽走干燥室内的空气,在真空作用下,干燥室内的汽化温度会降低,提高蒸发速度,木材内部的水分移动速度将随着周围空气压力的减小而急剧扩大,在温度梯度、含水率梯度和蒸汽压力梯度的作用下,木材内部的水分迅速向外移动,从而加快木材干燥的速度。所以干燥速度非常快,且干燥质量可以保证,在真空的环境中不会因为过高的温度以及含氧量导致变形及色变现象。此外,相对常规木材干燥室来说,真空木材干燥室的干燥周期缩短了约5-15倍的时间,真空干燥室内的水汽化温度相对常规干燥室更低,能量要求有所下降,再加上真空干燥设备的密封性能良好,能够集中回收干燥后所排出的有用或有害物质,所以这种干燥方式也被称为绿色干燥。值得一提的是,真空干燥设备必须要配备能量回收装置,否则真空干燥机的能耗会大于常规干燥。因此,干燥设备通常结构复杂,加大了干燥成本。

此外,太阳能干燥也越来越受到业内人员的重视。因为太阳能本身是自然、清洁、可再生的能源,主要使用集热器来吸收太阳辐射能加热空气,再通过空气的对流传热对木材进行干燥,而且使用的设备结构相比之前而言更加简单化。但太阳能来自大自然,使用能源时往往会受到环境条件的约束。

 

木材干燥技术前景

目前相比国外的木材干燥设备,中国的干燥技术及设备仍存在差距,但已处于高速发展阶段。据相关数据统计,中国的木材干燥量占全球30%,还有很大的提高空间。

刚才列举的一些木材干燥方式都各有利弊,研发出可以取长补短的干燥技术应是未来技术发展的方向,即在保证木材干燥质量的同时,优化设备配置,并尽可能节能减排,倡导绿色干燥,所以联合干燥技术将是未来的发展重点。它是一种根据物料的特性,将2 种或2 种以上的干燥方式优势互补,分阶段进行的一种复合干燥技术,它并不是简单地将几种干燥技术进行组合,而是可以根据不同的干燥对象及干燥阶段采取串联的方式进行木材的干燥,大幅度提升了干燥效率。例如将热风和微波联合干燥,由于微波加热的特殊方式使加热使物料温度短时间内快速升高,且温度梯度和水分蒸发方向相同,以缩短干燥时间。又例如热风和冷冻联合干燥既具有热风干燥低成本的特点,又可以通过冷冻干燥保证成品品质,只是单一使用一种方式难以避免缺点,而联合干燥技术能将许多技术的优势互补,所以非常值得重视。

此外,随着计算机技术的发展,将其应用于木材干燥领域也应是必然趋势。在干燥的过程中可以根据不同的材质实时控制温度及工作量,干燥后可以及时进行质量检测。另一方面,将能量回收装置更加智能化,使排放出来的资源能够及时地直接转换为其他可利用的能源,并且合理优化能源过度消耗问题。整个干燥过程属于自动化控制,大幅度提升工艺效率。

 

总结

只有经过及时干燥处理的木材才能够被更好地应用于其他加工制造环节。然而木材干燥是一种能源消耗极大的工艺技术,整个流程也比较漫长复杂,企业在进行干燥时除了需要考虑最终成品的质量之外,还需要思考如何在保证品质的前提下实现低能耗及环保。能源的消耗及排放过度既不利于加工环境和员工的健康,同时高耗能的设备也同样会加重企业的成本负担。因此,研发更多低能耗高效率的干燥设备是企业需要努力的方向。

 

 

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