劉 穎 李賢軍 郝曉峰

（中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410004)

過熱蒸汽干燥是近年發(fā)展起來的新型干燥技術(shù)，是一種利用過熱蒸汽直接與物料接觸而去除水分的干燥方式[1-2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)木材過熱蒸汽干燥特性進(jìn)行研究。Pang[3]、章國強(qiáng)[4]、鮑詠澤[5]等探究了木材過熱蒸汽干燥水熱遷移規(guī)律，為木材過熱蒸汽干燥工藝優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)；Yonggun[6-10]等系統(tǒng)研究了落葉松、樟木、楊木等木材過熱蒸汽干燥特性，結(jié)果表明過熱蒸汽干燥技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)木材的高效快速干燥。但目前大多數(shù)干燥工藝仍局限于實(shí)驗(yàn)室，尚未轉(zhuǎn)化至企業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用，在產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用方面存在不足[11-13]。此外，木材過熱蒸汽干燥方面的生產(chǎn)能耗對(duì)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有較大影響，但目前相關(guān)生產(chǎn)能耗統(tǒng)計(jì)分析研究相對(duì)缺失[14-16]。因此有必要進(jìn)一步探究適用于產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的杉木過熱蒸汽干燥工藝。

本文以速生杉木鋸材為研究對(duì)象，采用過熱蒸汽對(duì)其進(jìn)行干燥處理，探討了初含水率、鋸材厚度、干燥溫度對(duì)杉木鋸材過熱蒸汽干燥特性的影響規(guī)律，初步獲得了杉木實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化過熱蒸汽干燥工藝，并對(duì)其進(jìn)行企業(yè)生產(chǎn)性中試驗(yàn)證，為促進(jìn)杉木木材過熱蒸汽干燥的產(chǎn)業(yè)化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)室杉木過熱蒸汽干燥特性研究試驗(yàn)用材為290 mm(長)×120 mm(寬)×20/30/40 mm(厚)的四面刨光規(guī)格試件，平均初含水率約為20%～40%，干燥前用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行封端處理。企業(yè)生產(chǎn)性中試研究試驗(yàn)用材為5 m3杉木鋸材，板材規(guī)格為2 500 mm(長)×120～ 200 mm(寬)×25 mm(厚)，于工廠堆垛進(jìn)行初步氣干預(yù)干處理至含水率約為30%。

1.2 設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室杉木過熱蒸汽干燥特性研究試驗(yàn)設(shè)備參照文獻(xiàn)[17]，包括實(shí)驗(yàn)室改裝的過熱蒸汽干燥設(shè)備，溫度巡檢儀（SWP-RLK，昌暉自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司），熱電偶（WRNK-191，顏歷自動(dòng)化儀表有限公司），數(shù)顯式推拉力計(jì)（HP-20 型，樂清市艾德堡儀器有限公司）。企業(yè)生產(chǎn)性中試試驗(yàn)所用干燥設(shè)備為端風(fēng)機(jī)型炭化干燥窯，設(shè)備詳細(xì)結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)[17]。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)室杉木過熱蒸汽干燥特性研究

杉木過熱蒸汽干燥試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：選取110、120、130、140、150 ℃五個(gè)水平過熱蒸汽溫度，設(shè)置20、30、40 mm三種規(guī)格鋸材厚度和20%、30%、40%三個(gè)水平的鋸材初含水率，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)三次，并取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

過熱蒸汽干燥試件處理參照文獻(xiàn)[18]。升溫程序?yàn)閺氖覝匾?0 ℃/h的速率升溫至80 ℃，通入飽和水蒸汽至排氣口有大量蒸汽逸出，再以同樣速度升溫至100 ℃， 保溫2 h，待試件均勻熱透后，然后以10 ℃/h的速率升溫至設(shè)定值，直至試件含水率降至10%左右結(jié)束，試件自然降溫至室溫后取出。干燥每隔30 min升溫一次。干燥結(jié)束后參照GB/T6491—2012《鋸材干燥質(zhì)量》對(duì)各條件下干燥鋸材的干燥質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

1.3.2 企業(yè)生產(chǎn)性中試

將被干材堆垛擺放于窯內(nèi)，關(guān)閉窯門僅打開風(fēng)機(jī)，測(cè)定材堆各位置風(fēng)速分布，并讀取干燥窯電表讀數(shù)，升溫程序與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)一致，干燥結(jié)束后按照GB/T6491—2012 抽樣檢測(cè)鋸材質(zhì)量，讀取干燥窯電表讀數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 初含水率對(duì)木材干燥特性的影響

過熱蒸汽干燥速率較快，速生杉木材質(zhì)疏松、滲透性較差，高含水率杉木鋸材過熱蒸汽干燥質(zhì)量較差，結(jié)合本課題組前期楊木過熱蒸汽干燥經(jīng)驗(yàn)[18]，選擇纖維飽和點(diǎn)附近試件進(jìn)行過熱蒸汽干燥試驗(yàn)。

圖1 不同初含水率鋸材的表層溫度(a)、芯層溫度（b）和含水率（c）變化曲線Fig.1 Curves of surface temperature (a), core temperature (b) and moisture content (c) of sawn timber with diあerent initial moisture contents

在120 ℃條件下，過熱蒸汽干燥過程中不同初含水率杉木鋸材的表芯層溫度和含水率變化情況如圖1所示。杉木過熱蒸汽干燥過程大致可以分為三個(gè)階段[19-20]：第一階段為快速升溫預(yù)熱段，木材內(nèi)部溫度快速上升，表芯層升溫趨勢(shì)一致，但芯層溫度較表層略有滯后；第二階段為恒溫快速干燥段，此時(shí)木材內(nèi)部溫度基本穩(wěn)定在92 ℃左右；第三階段為梯度升溫減速干燥段，鋸材溫度緩慢上升并逐漸穩(wěn)定在120 ℃左右。隨著干燥過程的進(jìn)行，鋸材的含水率逐漸降低，預(yù)熱階段鋸材含水率變化幅度較小；恒速干燥階段鋸材含水率快速降低，干燥速率基本保持恒定；減速干燥階段鋸材干燥速率呈減小趨勢(shì)。

表1 不同初含水率速生杉木過熱蒸汽干燥質(zhì)量Tab. 1 Superheated steam drying quality of fast-growing Chinese fir with diあerent initial moisture content

不同初含水率杉木鋸材過熱蒸汽干燥的質(zhì)量情況如表1 所示，鋸材初含水率對(duì)干燥速率有明顯影響。隨著鋸材初含水率的增加，其平均干燥速率明顯提高，增幅可達(dá)47.58%。當(dāng)初含水率低于30%時(shí)，平均終含水率偏低，厚度上含水率分布均勻，同時(shí)無開裂產(chǎn)生，鋸材的截面變形量隨初含水率的降低而減小，杉木鋸材干燥質(zhì)量較佳。當(dāng)鋸材初含水率為40%時(shí)，鋸材出現(xiàn)了內(nèi)裂和端裂。

2.2 鋸材厚度對(duì)木材干燥特性的影響

圖2 不同厚度鋸材的表層溫度(a)、芯層溫度(b)和含水率(c)變化曲線Fig.2 Surface temperature (a), core temperature (b) and moisture content (c) of diあerent thickness sawn timber

在過熱蒸汽干燥過程中，不同厚度杉木鋸材的表層溫度、芯層溫度和含水率變化趨勢(shì)如圖2 所示。不同厚度鋸材的總體升溫趨勢(shì)一致，表層溫度極其接近，但芯層溫度與表層溫度相比存在較大差異。隨著鋸材厚度的增加，其表芯層溫度差異增大。此外，不同厚度鋸材的含水率降低趨勢(shì)基本一致，快速升溫預(yù)熱階段鋸材干燥速率呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，但整體較慢；恒溫快速干燥階段鋸材干燥速率基本維持恒定；梯度升溫減速干燥階段鋸材干燥速率呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。

不同厚度杉木鋸材過熱蒸汽干燥質(zhì)量如表2 所示，鋸材厚度對(duì)干燥速率影響明顯。隨著鋸材厚度的增加，其平均干燥速率呈降低趨勢(shì)，降幅達(dá)到48.99%。在干燥質(zhì)量方面，不同厚度鋸材經(jīng)過熱蒸汽干燥后均無內(nèi)裂發(fā)生。但當(dāng)鋸材厚度增加至40 mm時(shí)，有端裂出現(xiàn)。隨著鋸材厚度增加，截面變形量增大，厚度上的含水率偏差增加，但總體變形量和厚度含水率差異較小。

表2 不同厚度速生杉木過熱蒸汽干燥質(zhì)量Tab. 2 Superheated steam drying quality of fast-growing Chinese fir with diあerent thickness

2.3 干燥溫度對(duì)木材干燥特性的影響

杉木鋸材在過熱蒸汽干燥過程中的表層溫度、芯層溫度和含水率變化曲線如圖3 所示，干燥過程中鋸材的表層溫度和芯層溫度的變化趨勢(shì)相同，且與前文研究相吻合。

圖3 杉木過熱蒸汽干燥的表層溫度（a）、芯層溫度（b）和含水率（c）變化曲線Fig.3 Curves of surface temperature (a), core temperature (b), and moisture content (c) of Chinese fir dried by superheated steam

不同溫度水平下杉木鋸材過熱蒸汽干燥的質(zhì)量情況見表3，干燥溫度對(duì)杉木鋸材的干燥速率影響顯著。隨著干燥溫度的升高，鋸材的平均干燥速率逐漸增加，增幅達(dá)到87.36%。當(dāng)介質(zhì)溫度不超過140 ℃時(shí)，干燥鋸材無開裂發(fā)生，鋸材的干燥質(zhì)量較好；而當(dāng)介質(zhì)溫度為150 ℃時(shí)，有少許內(nèi)裂發(fā)生，隨干燥溫度的增加鋸材的截面變形量呈增大趨勢(shì)。

表3 不同過熱蒸汽溫度下速生杉木的干燥質(zhì)量Tab. 3 The drying quality of fast-growing Chinese fir by diあerent superheated steam temperature

因此優(yōu)化的杉木過熱蒸汽干燥工藝為：杉木鋸材初含水率不超過30%；設(shè)置升溫程序?yàn)轭A(yù)熱段以20 ℃/h的速率升溫至100 ℃，恒溫段以100 ℃保溫2 h，梯度升溫段以10 ℃/h的速率升溫至140 ℃；當(dāng)預(yù)熱段干燥溫度升高至約80 ℃時(shí)，通入飽和水蒸汽至排氣口有大量蒸汽逸出，干燥至含水率約為10%，最后進(jìn)行冷卻平衡處理。

2.4 企業(yè)生產(chǎn)性中試研究

基于上述實(shí)驗(yàn)室獲得的優(yōu)化工藝參數(shù)，進(jìn)行企業(yè)生產(chǎn)性中試試驗(yàn)。干燥試驗(yàn)開始前檢測(cè)到窯體內(nèi)不同位置材堆間的風(fēng)速分布如圖4 所示。水平方向上，送風(fēng)側(cè)的風(fēng)速差異較出風(fēng)側(cè)大，經(jīng)材堆過濾后風(fēng)速分布略有變化，故每隔30 min轉(zhuǎn)換風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向，使窯內(nèi)風(fēng)速循環(huán)更均勻。高度方向上，在送風(fēng)側(cè)的同一位置材堆間以頂部風(fēng)速最大，底部風(fēng)速次之；出風(fēng)側(cè)以中部風(fēng)速最大，頂部風(fēng)速次之。深度方向上，隨著與風(fēng)機(jī)距離的增大風(fēng)速呈減小趨勢(shì)，端風(fēng)型炭化干燥窯的風(fēng)機(jī)位于窯體正后方，靠近后方材堆，因而靠近風(fēng)機(jī)的后方材堆風(fēng)速較高，而前方材堆風(fēng)速最低[21-22]。

圖4 不同位置材堆送風(fēng)側(cè)(a)、出風(fēng)側(cè)(b)的風(fēng)速分布Fig.4 Wind speed distribution at the air supply side (a) and the air outlet side (b) of the stack at diあerent positions

窯內(nèi)各材堆間不同位置鋸材的干燥質(zhì)量如表4 所示，鋸材終含水率在6.10%～8.55%之間。由于工廠對(duì)采伐來的濕材堆垛進(jìn)行自然氣干預(yù)處理，材堆內(nèi)部氣流循環(huán)不均勻，內(nèi)部和表面含水率存在較大差異，降低了鋸材干燥均勻度。實(shí)際生產(chǎn)過程中，可采用常規(guī)干燥等強(qiáng)制干燥手段進(jìn)行預(yù)干處理，提高木材干燥均勻度。此外，不同位置材堆間的終含水率略有差異，前方材堆最高，后方材堆最低，這與材堆間的風(fēng)速循環(huán)強(qiáng)度有關(guān)。本試驗(yàn)采用端風(fēng)型炭化干燥窯對(duì)木材進(jìn)行干燥處理，該窯長度方向超過8 m，其內(nèi)部風(fēng)速循環(huán)不均勻，導(dǎo)致不同位置材堆間的終含水率存在差異，降低了鋸材的整體干燥速率，因而尚需進(jìn)一步研制高效節(jié)能的專用木材過熱蒸汽干燥設(shè)備[23]。

從表4 可以看出，鋸材過熱蒸汽干燥的整體干燥質(zhì)量較好，無內(nèi)裂和表裂發(fā)生，其厚度含水率偏差和殘余應(yīng)力滿足鋸材干燥質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)要求，同時(shí)截面變形較小，介于0.54～1.07 mm。

表4 低含水率鋸材企業(yè)生產(chǎn)性中試的干燥質(zhì)量Tab. 4 Drying quality of low moisture content sawn timber in productive pilot test

圖5 杉木過熱蒸汽干燥前后質(zhì)量效果圖Fig.5 Drying quality chart of Chinese fir before and after by superheated steam

圖5 為杉木過熱蒸汽干燥前后效果圖，杉木過熱蒸汽干燥前后表面顏色無明顯變化，同時(shí)板面平整，變形小，未出現(xiàn)明顯的開裂變形等干燥缺陷。

在干燥窯上使用獨(dú)立電表監(jiān)測(cè)干燥過程耗電情況。經(jīng)計(jì)算，5 m3杉木鋸材經(jīng)過熱蒸汽干燥的整體耗電量為676 kW·h，單位板材耗電量為135.2 kW·h/m3，干燥過程能源消耗量較少，生產(chǎn)成本較低[24-25]。

3 結(jié)論

本文以速生人工林杉木鋸材為研究對(duì)象，探究杉木常壓過熱蒸汽干燥特性，并優(yōu)化杉木過熱蒸汽干燥工藝，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行企業(yè)生產(chǎn)性中試研究，最終得出了較為成熟的杉木過熱蒸汽干燥技術(shù)，主要研究結(jié)論如下：

1）初含水率、鋸材厚度和干燥溫度均會(huì)顯著影響杉木過熱蒸汽干燥速率和干燥質(zhì)量。隨著初含水率的增加，鋸材干燥速率明顯增大。當(dāng)初含水率在30%以內(nèi)時(shí)，鋸材干燥質(zhì)量較好。隨著鋸材厚度的增加和干燥溫度降低，其干燥速率呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)。當(dāng)過熱蒸汽溫度不超過140 ℃時(shí)，鋸材干燥質(zhì)量較好。

2）獲得較為成熟的杉木鋸材過熱蒸汽干燥工藝為：將初含水率不超過30%的杉木鋸材按要求堆垛在干燥窯中；設(shè)置升溫程序?yàn)轭A(yù)熱段以20 ℃/h的速率升溫至100 ℃，恒溫段以100 ℃保溫2 h，梯度升溫段以10 ℃/h的速率升溫至140 ℃；并當(dāng)預(yù)熱段干燥溫度升高至約80 ℃時(shí)通入飽和水蒸汽，直至排氣口有大量蒸汽逸出，在此條件下干燥至含水率約為10%，最后進(jìn)行冷卻平衡處理。

3）企業(yè)生產(chǎn)性中試研究表明，采用140 ℃過熱蒸汽干燥30%左右初含水率杉木鋸材，干燥速度快，干燥質(zhì)量好，材色無明顯變化，可以實(shí)現(xiàn)杉木木材的工業(yè)化快速高效干燥。此外，干燥過程無需通入空氣，且無廢氣排出，整體耗能少，節(jié)能環(huán)保。

4）采用端風(fēng)型炭化干燥窯對(duì)木材進(jìn)行過熱蒸汽干燥處理時(shí)，由于其內(nèi)部風(fēng)速循環(huán)不均勻，會(huì)降低鋸材干燥均勻度和整體干燥速率，尚需進(jìn)一步研制高效節(jié)能的專用木材過熱蒸汽干燥設(shè)備。