木材含水率分級干燥及其節(jié)能分析

平立娟，王喜明

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

干燥過程是許多行業(yè)生產(chǎn)加工重要的工序之一，同時干燥能耗占整個加工過程的絕大部分，占企業(yè)生產(chǎn)總能耗的40%～70%，占國民經(jīng)濟(jì)總能耗的12%左右[1]，但是通常干燥的熱利用率較低，木材行業(yè)干燥的熱利用率僅占30%～40%。干燥又容易引起開裂等缺陷，使得木材降等，因此，木材干燥是木材加工行業(yè)減少能耗，降低成本的關(guān)鍵[2]。此外，木材干燥過程釋放的有機揮發(fā)性氣體(VOCs)也會對人體和環(huán)境造成嚴(yán)重危害。所以，尋求高效、節(jié)能、環(huán)保的干燥技術(shù)始終是木材加工企業(yè)追求的目標(biāo)[3]。

1 木材干燥能耗狀況

每年我國的鋸材用量約9 500萬m3，人工干燥量僅占24%[4]。我國的木材干燥設(shè)備落后且工藝不當(dāng)，造成木材的嚴(yán)重浪費，熱效率低，通常一次能源的利用率僅僅為30%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家[5]。表1是縱軸干燥室，干燥5 cm厚紅松和水曲柳齊邊板材的干燥能耗。

表1 木材干燥基本能耗

一般情況下，木材干燥過程的有效熱能約占總熱能的80%左右，殼體散熱等熱損失占總熱能消耗的20%。其中，有效熱能的60%隨木材中的水分蒸發(fā)排放到窯外，此時這部分高溫高濕空氣的熱能也認(rèn)為是無效的。所以我國木材干燥企業(yè)在干燥生產(chǎn)節(jié)能減排等方面有很大的潛力[6-11]。

2 水分對干燥過程的影響

2.1 生材含水率

生材的含水率隨樹種、部位不同而有所差別。通常邊材的含水率大于心材，針葉材尤其明顯；有些樹種，其樹根部位的含水率常大于樹梢部位。這些不同導(dǎo)致每一塊木材的干燥特性有較大差異。

木材的含水率與離地高度有關(guān)。通常情況下，含水率隨離地高度增加呈先增大后減小的趨勢[12-13]，但是，鄧恩桉的含水率變化與此相反[14]。

2.2 與水分移動有關(guān)的木材性質(zhì)的差異

木材在干燥過程中成分發(fā)生物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致木材的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[15]。不同的干燥方法、干燥基準(zhǔn)，木材的物理力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的變化程度也有所不同[16]。云南松人工林木材干燥時的抗彎強度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強度等力學(xué)性質(zhì)與木材的密度呈正比[17]。

木材是由木材實質(zhì)、水分及空隙組成的多孔性材料。木材實質(zhì)是不包含內(nèi)部空隙的細(xì)胞壁物質(zhì)；木材空隙中的空氣對木材的質(zhì)量沒有影響，空隙中的水分的質(zhì)量隨環(huán)境的變化而變化。由于木材細(xì)胞壁的質(zhì)量是恒定的，木材中的水分含量認(rèn)為只與其密度有關(guān)。

速生楊成熟材從地面到樹梢基本密度先變大后變小，從離地高度不同的3處取樣密度的最大差異為3.6%[18]，小于成材樹種軸向密度不低于10%的變化[19-21]。

木材的基本密度和含水率與樹株個體有關(guān)。不同速生楊清林樹株，其含水率和基本密度不同[13]；不同世代杉木的密度不同[22]。不同樹株間，基本密度受環(huán)境影響的變化小于含水率的變化。

2.3 木材中各種狀態(tài)水分的干燥能耗[23]

自然界中水分的存在狀態(tài)基本有3種：水蒸汽、液態(tài)水和冰。不同狀態(tài)的勢能不同，3種狀態(tài)通過吸收釋放能量相互轉(zhuǎn)變。木材中的水分與自然界中的水分有所不同，主要是2種形式的水分，即細(xì)胞腔中與木材相互作用力小、與液態(tài)水性質(zhì)相似的自由水和細(xì)胞壁中與木材結(jié)合作用較強的吸著水[24]，木材中水分的勢能如圖1。由于木材中水分所處的位置不同水分、與木材的結(jié)合力不同，水分勢能不同，水分蒸發(fā)所需要的能量不同。干燥過程中當(dāng)含水率降到纖維飽和點以下時，木材中吸著水與木材結(jié)合的作用力大，水分蒸發(fā)所需的熱能越多[25]。由圖2可知，每蒸發(fā)1 kg水分所消耗的能量隨含水率的降低而快速增加，5%以下的初級吸附水蒸發(fā)所消耗的能量要比5%以上水分蒸發(fā)多消耗247 J/g。在干燥末期含水率只要降低1%，就要耗用大量的熱量，這是因為脫出結(jié)合水所需克服的潤濕熱隨含水率的降低而急劇上升，而且隨木材中纖維狀況而異的擴(kuò)散系數(shù)在含水率降低后變得越來越小，從而使傳導(dǎo)速度變小，既影響干燥速度，又耗用了大量的熱量，圖3更細(xì)分了不同含水率時水分的濕潤微分熱、自由能及熵與含水率關(guān)系，可知隨含水率的降低這3個能量的消耗在快速增加[26]。當(dāng)含水率降低時，木材中微毛細(xì)管傳導(dǎo)水分的效率降低，而水分通過大毛細(xì)管傳導(dǎo)的效率增加；當(dāng)含水率較高，木材中的水分傳導(dǎo)不存在這種規(guī)律[27]。

圖1 木材中的水分勢能

3 木材分級干燥過程的研究

3.1 含水率分級干燥理論

干燥過程中由于木材材性、木材內(nèi)水分遷移特性等不同，干燥結(jié)束時，同一鈑材的橫斷面之間在終含水率分布不均的情況[28-29]。終含水率不均勻或有殘余干燥應(yīng)力，使得木材降等率增大、廢品率增多、后續(xù)加工中會引發(fā)各種機械加工缺陷，而且還使刀具等消耗增長，生產(chǎn)成本上升，降低了實木產(chǎn)品的市場競爭力。一般采用在干燥末期進(jìn)行調(diào)濕處理，及時消除干燥后木材內(nèi)部的含水率梯度，并使木材內(nèi)殘余應(yīng)力得到釋放[30]。

圖2 每蒸發(fā)1 kg水分所消耗的能量與初、終含水率的關(guān)系

圖3 濕潤微分熱、自由能及熵與含水率關(guān)系

目前，國內(nèi)外大多木材加工企業(yè)進(jìn)行調(diào)濕處理時無法實時檢測干燥應(yīng)力的消除狀況，調(diào)濕處理時間的長短往往取決于試驗操作者的經(jīng)驗，導(dǎo)致調(diào)濕不精確。一般情況下，傳統(tǒng)的調(diào)濕處理只能釋放一部分殘余應(yīng)力，現(xiàn)在，人們以剖面含水率和應(yīng)力試片間距來判斷應(yīng)力的釋放程度[31]，以切片法分析調(diào)濕處理中的殘余變形，歸納總結(jié)了殘余變形減小量的公式，以期預(yù)測調(diào)濕處理的時間[32]。

目前，國內(nèi)大多數(shù)木材加工企業(yè)使用的木材干燥養(yǎng)生處理設(shè)備是平衡養(yǎng)生窯，木材干燥后養(yǎng)生處理可以減少變形、開裂等干燥缺陷[33]。但是，絕大多數(shù)木材加工企業(yè)對于干燥養(yǎng)生處理都是僅憑經(jīng)驗象征性放置一段時間，平衡養(yǎng)生窯并未得到充分利用。近幾年來，學(xué)者們主要關(guān)注基于膠黏劑固化的木質(zhì)刨花板的養(yǎng)生處理[34]，但是木材干燥后的養(yǎng)生處理的研究基本空白，所以實施含水率分級干燥技術(shù)是十分必要的。

對于針葉樹材，含水率分級是十分有必要的，天然林針葉材與速生人工林針葉材的初含水率普遍存在很大差值，速生人工林針葉材幾乎全部含有不規(guī)則的濕心材，濕心材含水率較高，比正常材的含水率高1倍左右。同一干燥窯內(nèi)當(dāng)濕心材和正常材同時存在時，按照正常材的干燥基準(zhǔn)達(dá)到平衡含水率時，濕心材的含水率還很高，可能存在含水率大于纖維飽和點的濕心材，導(dǎo)致整批干燥鋸材的干燥質(zhì)量較差，干燥后的鋸材可能存在開裂等干燥缺陷。干燥濕心材時應(yīng)選用較為溫和的干燥基準(zhǔn)，且由于濕心材的含水率較高，其干燥周期往往比正常材多出1倍左右。在實際生產(chǎn)過程中，為了保證每次干燥鋸材最終含水率的均勻性，在干燥的末期都要實施最終處理，把高含水率木材的水分降下來的同時，低含水率的木材進(jìn)行了過度干燥，再做調(diào)濕處理，把過度干燥木材的含水率提高至平衡含水率要求。這樣不僅延長了干燥時間，還增加了干燥成本?；诖?，提出木材含水率分級干燥的設(shè)想，改革木材干燥工藝，減少木材干燥過程的能耗(圖4)。

圖4 分級干燥的節(jié)能原理

由于木材存在明顯的各向異性，在木材干燥時，當(dāng)規(guī)格、干燥周期和環(huán)境都相同的條件下，相同的干燥室內(nèi)不同板材的含水率和同一板材不同部位的含水率之間都會存在差別。所以，木材在干燥過程中，如果不能明確板材的初含水率，就會直接影響到干燥基準(zhǔn)的確定，進(jìn)而影響木材的干燥質(zhì)量，還會造成木材損失和成本提高等，同時也不符合國家節(jié)能環(huán)保的要求[35]。

3.2 分級干燥對木材干燥效率的影響

木材干燥過程的干燥效率一般包括干燥質(zhì)量和干燥周期。

3.2.1 分級干燥對木材干燥質(zhì)量的影響 現(xiàn)代木材干燥技術(shù)要求干燥效率高，周期短，變形、開裂等干燥缺陷少，并且干燥成本較低[36]。一件實體木制品通常是由多塊板材膠合而成的，若這些板材含水率不均勻，在使用過程中往往會因一塊高含水率板材的干縮而導(dǎo)致整個部件產(chǎn)生內(nèi)部拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致幅面的局部開裂或破壞性變形。有研究表明，由于木材加工時對原材料含水率掌握不準(zhǔn)確造成的木制品質(zhì)量問題占75%左右。

同一干燥室生產(chǎn)的合格三級鋸材最高和最低含水率的差值為10%。以水曲柳鋸材為例[37]：其弦向、徑向和體積干縮系數(shù)分別為0.338%、0.184%和0.548%。10%含水率差值的水曲柳板材的干縮率差值分別為3.38%、1.84%和5.48%。如1塊寬度為100 mm的弦切板，10%含水率差值所引起的干縮差值為3.38 mm。這一干縮差值必然在這個制品中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致制品變形和開裂。

木材干燥時要求依據(jù)高含水率木材的應(yīng)力和含水率變化作為判斷標(biāo)準(zhǔn)[38]。依據(jù)高含水率木材制定的干燥基準(zhǔn)很可能不適用于低含水率木材，勢必會影響這部分木材的干燥效率；并且當(dāng)高含水率木材達(dá)到平衡含水率要求時，低含水率木材勢必已經(jīng)導(dǎo)致過度干燥，可能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

不同含水率的木材對于機械加工缺陷程度的影響也不一樣，例如，機械加工時的切削溝紋和毛刺紋隨含水率的增加而增多，含水率<5%時，切削溝紋更頻繁發(fā)生。木材機械加工時，含水率過高過低會產(chǎn)生凹凸紋。這些缺陷在木制品完成前往往不顯示，但是對實木產(chǎn)品的質(zhì)量和使用性的影響較大。通常減小終含水率差異可以減小這些缺陷。木材機械加工的含水率在8%～12%條件下最適宜，在使用中維持在該含水率范圍，可以最小化的減小機械加工缺陷[39]。

3.2.2 分級干燥技術(shù)對木材干燥周期的影響 在木材加工過程中，一般國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)都是將生材簡單裝堆等待后續(xù)干燥處理，這種方法無法保證同批試件的初含水率相同。在氣干下，生材含水率普遍下降較快，含水率平均每天下降1.5%～2%。鋸材進(jìn)行干燥時依據(jù)不同的含水率進(jìn)行分批干燥，干燥順序有先有后，這就導(dǎo)致不同批鋸材的干燥周期不同[40]。將含水率在90%的鋸材干燥到12%所需要的干燥時間，將會是把含水率在30%的鋸材干燥到12%所需時間的4倍左右。同一樹種，當(dāng)干燥窯木材容量、工人的數(shù)量和工資等都相同時，把30%初含水率的鋸材干燥到12%的含水率需要支付給工人的工資是將初含水率為90%的鋸材干燥到含水率為12%時支付給工人工資的1/4左右[41]。

對楊木進(jìn)行高溫干燥處理時，利用時域核磁共振技術(shù)(TD-NMR)研究干燥過程水分的分布情況，發(fā)現(xiàn)在干燥過程中，心材內(nèi)長弛豫時間自由水的擬合面積先減小后增大然后又減小。高溫干燥時自由水的蒸發(fā)速度遠(yuǎn)大于結(jié)合水；邊材含水率減少的速達(dá)大于心材。這主要是因為通常邊材的密度小于心材，心材中常存在較多對侵填體導(dǎo)致心材內(nèi)水分的運輸能力下降，干燥時水分的蒸發(fā)速度減慢；而邊材結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部存在較多空隙，雖然含水率小于心材，但邊材內(nèi)自由水的最長弛豫時間遠(yuǎn)大于心材，木材對水分的束縛作用減弱，水分易于排出木材[42]。

3.3 分級干燥對木材干燥過程節(jié)能減排的影響

木材干燥過程中，水分蒸發(fā)主要發(fā)生在木材表面。在板材各層含水率都在纖維飽和點(FSP)以上時，板材表層的水分蒸發(fā)情況可以認(rèn)為是自由水的蒸發(fā)，這時，木材含水率越高，干燥耗能越大[43-44]。當(dāng)表層含水率開始降到FSP以下，木材內(nèi)部含水率仍在FSP以上，木材內(nèi)部水分幾乎全部為吸著水，在內(nèi)外含水率梯度的作用下，吸著水通過細(xì)胞壁的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于水蒸氣速度，吸著水穿過細(xì)胞壁的擴(kuò)散系數(shù)與木材吸著水的含水率有關(guān)。含水率越高，木材中吸濕點與水分的結(jié)合能越小，在FSP時，結(jié)合能趨近于零。含水率

從表1可以看到，紅松和水曲柳每蒸發(fā)1 kg水分的平均能耗分別為2 319 kJ/kg和2 344 kJ/kg，依據(jù)BET[45]吸附理論和Dent水分吸著理論[46-47]，5%以下的水分為初級吸附水，木材內(nèi)表面全部初級吸著點被單層水分子覆蓋時的含水率為7.5%，初級吸著水的自由能增量為-205 J/g，次級吸附水的自由能增量為42 J/g，兩者的極差為247 J/g，即每蒸發(fā)1 g初級吸附水比蒸發(fā)1 g次級吸附水多消耗能量247 J。所以，過度干燥所形成的能耗是巨大的。

圖5[48]利用3個含水率狀態(tài)(干燥狀態(tài)、FSP和飽水狀態(tài))下試材的橫向弛豫時間(T2)分布，表示木材干燥過程中水分的變化情況。從圖5可以看出，隨著干燥過程的進(jìn)行，自由水和吸附水弛豫峰的峰面積都在不斷減小，弛豫峰的頂點位置左移，表示自由水和吸附水的含量呈減少趨勢，平均橫向弛豫時間變短。即在干燥過程中，木材對殘余水分的束縛作用逐漸增強，干燥難度越來越大，干燥耗能逐漸增加。

圖5 不同含水率狀態(tài)下試材的T2分布

4 含水率分級干燥的實施

將木材含水率分級技術(shù)應(yīng)用到木材加工行業(yè)中，只需增加木材含水率分級設(shè)備，將板材按照含水率大小分級干燥、管理和使用，干燥過程中盡量實現(xiàn)智能監(jiān)控[49]，根據(jù)含水率變化及時調(diào)整干燥基準(zhǔn)。木材含水率的檢測方法很多，其中無損檢測方法可實現(xiàn)在線連續(xù)檢測板材的含水率，適用于木材含水率分等。如高頻含水率和聲發(fā)射技術(shù)[50]應(yīng)用與木材干燥中，測定技術(shù)可以將電極板安裝在木材上方，當(dāng)木材通過時發(fā)出高頻波測量木材的含水率，并借助機械裝置將不同含水率的板材分級堆放和使用，并可以檢測由應(yīng)力應(yīng)變引起的干燥缺陷。對于規(guī)格鋸材也可以使用質(zhì)量法，依據(jù)板材的重量推算木材的含水率實現(xiàn)分級。

5 結(jié)論與展望

提高我國木材干燥的技術(shù)水平，減少木材干燥能耗以及采取節(jié)能降耗措施，是一項復(fù)雜而又繁瑣的任務(wù)。所以采用合理的干燥技術(shù)以提高木材的干燥質(zhì)量、降低干燥成本是干燥行業(yè)一直以來追求的目標(biāo)。采用含水率分級技術(shù)，可以達(dá)到縮短干燥周期，降低能耗，提高干燥質(zhì)量的目的。但是關(guān)于木材的含水率分級標(biāo)準(zhǔn)并不明確。接下來的研究應(yīng)該根據(jù)干燥材用途要求，在節(jié)能經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，制定合適的含水率分級標(biāo)準(zhǔn)。尋求綠色高效節(jié)能的干燥技術(shù)對木材加工企業(yè) 提高生產(chǎn)效率、降低成本具有重要的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值。