太阳能应用于热处理新技术的探讨

2016-01-12宋杰,安榆林,王建斌等

森林工程 2015年2期

太阳能应用于热处理新技术的探讨

宋杰1，安榆林2，王建斌3，许忠祥1，蔡正清4，吴晶1*

(1.南京出入境检验检疫局，南京 211100；2.江苏出入境检验检疫局，南京 211100；

3.苏州出入境检验检疫局，苏州 215000；4.南京林业大学林学院，南京 210037)

摘要：针对节能环保展开了热处理新技术的初步研究，并将研究成果在相近领域内应用取得了预期效果。同时，研究过程中解决了国际木质包装热处理参数在实际应用领域中的部分技术保障问题，通过改进的实验设备模拟实际处理环境得出有害生物在实际生存环境下的致死温度，为热处理国际标准今后的修订提供理论基础，为热处理新技术的研发提供科学保障。研究同时根据实际处理过程中内部温度变化情况，得出国际标准中木材中心温度(最低温度)在实际操作中测量点的位置确定方法以及误差范围，为国际标准的具体执行提供理论依据。

关键词：太阳能；热处理；新技术；节能

中图分类号：S 782.3

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2015)02-0115-04

Abstract：Focusing on energy-saving and environmental protection，this paper made a preliminary study on new technologies of heat treatment，and the effect was seen as expected after the application of the study results in the similar field.Meanwhile，in the research process，some technological guarantee problems were solved in actual application of parameters of heat treatment for wood packaging.The lethal temperature of detrimental creature in the real living environment was known through simulation of real treatment environment by improved laboratory equipments，which lays a theoretical foundation for future revision of the international standards on heat treatment and provides scientific guarantee for research and development of new technologies of heat treatment.According to the changes of internal temperature in real treatment，the authors worked out the measurement method for determining the position of wood’s core temperature(the lowest temperature)and the range in real treatment in international standards，which offers theoretical basis for specific application of international standards.

Keywords：solar energy；heating treatment；new technologies；energy-saving

收稿日期：2014-09-28

基金项目：国家质检总局项目(№2012IK277)；江苏出入境检验检疫局项目(№2009KJ47)；中美合作科研项目

作者简介：第一宋杰，硕士，工程师。研究方向：植物检疫等。

通讯作者：*吴晶，硕士，农艺师。研究方向：植物检疫、木包装热处理等。E-mail：wuj2@jsciq.gov.cn

A Preliminary Study on Application of Solar Energyin New Technologies of Heat Treatment

Song Jie1，An Yulin2，Wang Jianbin3，Xu Zhongxiang1，Cai Zhengqing4，Wu Jing1*

(1.Nanjing Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Nanjing 211100；

2.Jiangsu Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Nanjing 211100；

3.Suzhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Suzhou 215000，Jiangsu Province；

4.School of Forestry,Nanjing Forestry University，Nanjing 210037)

引文格式：宋杰，安榆林，王建斌，等.太阳能应用于热处理新技术的探讨[J].森林工程，2015，31(2)：115-118.

热处理作为有害生物常规处理方式已有多年。一直以来专家学者都在研究和探索有害生物处理的新技术，包括热处理的改进以及环保熏蒸药剂的研制[1]。其研究宗旨无不在乎两点，一是处理的环保研究；二是在保证处理有效的前提下如何节能与降低成本[2-4]。热处理之所以一直为国际上大多数国家地区的绝大部分企业所使用，一是处理成本企业可以接受，二是相比熏蒸处理在过程中对环境的直接污染少，处理效果稳定，申请政府审批也较为容易。因此在环保处理药剂研究不成熟阶段，新的替代药剂尚未广泛应用之前，热处理在现阶段仍处于主导地位。随着各国环保意识的增强，热处理过程中的环保问题逐渐被暴露，尤其是早期热处理企业使用较为广泛的传统燃煤锅炉的环境污染问题。2014年5月提出的最严环保措施，其中对热处理加热过程中锅炉的环保问题也同样受到限制与牵连。同时，木质包装的主要使用区和生产区大部分集中在经济发达的大城市，而城市正逐步取缔高能耗高污染锅炉。因此，传统的热处理只有通过创新与改进才可能适应时代发展，节能环保的热处理新技术研究就显得十分必要[5-8]。

热处理新技术研究的基础是建立在热处理指标的科学性上，在研究热处理新技术之前必须要得到更加科学的处理指标，科学的处理指标必须符合实际生产需要，不能应用于实际生产的技术指标虽然真实可靠，但并不具有科学性。因此，研究热处理新技术的同时，我们设计了符合实际生产的模拟环境进行热处理技术指标研究，为科学设计热处理新技术提供了基础[9]。

热处理与熏蒸处理在处理效果相同的前提下，本质上的区别就在环境污染上。从环保角度进行分析，熏蒸处理是直接影响环境，热处理看似本身不污染环境，但高能耗对环境的影响仍然巨大[10-11]。实现热处理节能本身就是降低间接污染，就是环保的另一种体现，研究木质包装的热处理新技术，不仅仅是研究处理效果本身，更注重的是对处理过程的关注。热处理技术研究的总体思路就是在保证处理效果的前提下，减少整个处理过程中的污染，实现节能减排，逐步向更加环保的热处理发展。

1实验研究方法

热处理的新技术主要体现能源供给方式的改变与处理效果保障二者结合。第一，热处理的根本是保障处理效果，若要保障处理效果就必须准确了解有害生物在木质包装内部的实际致死温度[12]。因此，必须通过实验模拟的方式科学得出常见有害生物实际生存环境下的实际致死温度，并在处理时适当提高处理温度，才能确保热处理效果。第二，研究新技术的目的是节能环保，通过改进能源供给方式或者科学使用能源，均能实现研究目标。改进能源供给方式目前较为成熟的手段是将太阳能作为辅助能源进行热处理设备的改造，该方案已经通过应用证明可以达到节能环保的目的。

1.1　处理效果保障

通过对携带有害生物的病死木进行不同温度梯度的热处理，验证出常见有害生物在生存环境下的致死温度。只有得出具体条件下热处理效果的科学数据，才能保证热处理新技术研究的科学性。实验采用模拟大窑的实验室条件进行，并对实验仪器进行了创新改造。

试验为了模拟热处理窑的实际环境对试验设备进行了改进，在可控制调节温、湿度的恒温恒湿箱内加装了可调节风速的循环风扇和风速测定仪。使处理环境可模拟实际工作环境，在实验条件下较为精准的控制热处理环境参数，实验设备设计如图1所示(该装置已申请国家专利)。

图1　实验设备设计 Fig.1 Design of experimental equipment

实验材料选用携带有天牛幼虫和蛹的松材线虫病死木，处理温度采用目前热处理常用的窑内温度70℃，湿度分别为60%和70%，风速2±0.2m/s，处理时间为设定的目标温度到达后延续30 min。病死木中心埋置温度记录仪，在距离病木表面每间隔2 cm埋置温度记录探头，用以检测整个处理过程病死木受热后温度变化与分布，供剖检时结合害虫所在位置与不同厚度温度曲线作为参考，温度曲线记录走势如图2所示。

图2　加热过程内部温度变化记录曲线 Fig.2 Record curve of changes of internal temperature in heating process

实验结果采用两种方式进行综合评估，第一：对处理后的病木进行剖检，剖检出来的完整有害生物(一般为天牛的幼虫或者蛹)现场判断是否为活体后放置编号培养皿中培养持续观察，若24h后仍无活动现象判定为死虫；第二：剖检后的病木放置在带有编号的密封袋中保存，定期检查，若无发现有新虫体出现，结合第一种情况，判定处理效果符合要求。无论两种情况任何一种中发现有活体出现，均判定处理效果不符合要求，记录为“活虫”；若第一种方式发现死虫，第二种方式未发现活虫，记录为“死虫”；若第一种方式和第二种方式均未发现虫体，则实验结果记录为“无”。 70℃下60%与70%湿度病死木(木质包装)热处理结果见表1。

表1　70℃介质温度60%-70%相对湿度木质包装材料热处理试验 Tab.1 The trial of heat-treatment of the wood-packaging materials with 70℃ medium temperature and 60%-70% relative humidity

1.2　改变传统热处理能源供给方案研究

在确定了有害生物致死温度的情况下，只要能确保处理对象的最低温度不低于有害生物致死温度即可确保处理效果。实现热处理对象达到目标温度的方法多种多样，截止目前，通过国内调研与文献报道，热处理主要的加热模式仍为燃料锅炉加热窑内散热片，再通过窑内风机将散热片热量提高窑内温度加热处理对象。本研究针对企业应用普遍的热处理模式首次提出将太阳能结合储热设备作为辅助热源进行热处理的方案，方案理论节能效果明显，通过该方案的实际生产应用数据表明，该研究方案能在保证处理效果的同时实现节能减排，具有推广应用价值，具体设计方案如图3所示。

图3　新型热处理技术方案 Fig.3 Technological solutions of new heat treatment

设计通过数字控制单元控制整套系统，在热处理未进行时，辅助供热单元(太阳能集热器)首先将能量收集后进入能量存储单元(保温水箱)，在热处理过程中，集热单元(窑内散热器)利用锅炉提供的热量和能量存储单元(保温水箱)提供的热量提高窑内温度，实现热处理。应用研究过程中按照方案实施后，在集热器、保温水箱、供水管、蒸汽出口等多点实时监测数据，并对热水流量、蒸汽流量、燃料量进行记录，采用报表形式汇总。

2结果讨论

2.1　处理效果保障研究

(1)设置的最低目标温度52℃，持续处理30 min，60%与70%湿度环境下均能有效杀死天牛幼虫和蛹。天牛各虫态死亡温度有所差异，将各虫态离开生存环境放置烘箱处理结果显示，蛹>幼虫>成虫，但最高耐受温度为53℃。在实验剖检过程中发现，天牛死亡位置一般靠近病死木表面，距离中心位置较远，根据不同点温度记录仪记录数据显示，靠近温度表面位置的实际温度远远高于中心位置。

(2)木材中心温度在实际处理过程中略高于设定的目标温度。实验过程中根据间隔测温点的温度曲线记录显示，整个处理过程中的中心温度达到52℃后持续的30 min里，木材整体本身的温度仍在持续上升，上升的最高温度可以达到55℃左右，根据厚度的不同，上升的温度略有差异，但至少可以上升2℃以上，即木心温度达到处理温度后持续30 min后，中心温度设定目标值为52℃的处理结果一般可达55℃，可见为了保证处理效果，达到目标温度后的延迟是非常有必要的。

(3)木材中心温度与中心周围在处理过程中达到的最高温度大致相同。以16 cm厚度的木材为例，中心点8 cm处在处理过程中达到的最高温度若为55℃，中心点附件2 cm附近即6 cm厚度点在处理过程中达到的最高温度也接近于55℃。这跟木材本身的储热以及热传导或有相关原因。同时，说明在实际操作过程中，如果适当提高处理的目标温度，温度探头在木材中的位置适当的偏差不影响处理效果。

2.2　热处理应用太阳能技术研究

太阳能作为辅助能源应用于热处理理论与实际可行，辅助热处理加热应用数据表明改进后可将供水初温由27.5℃提升至66℃附近，通过提高供水初温实现节能环保，保证了处理效果与改进应用前相同，设备成本回收期短，生态效益与社会效益显著，具有一定的应用推广意义。

3研究展望

(1)继续针对更多种有害生物实际生存环境致死温度进行研究，例如松材线虫精确致死温度，可根据已经得出的木材内部温度加热特性，大致(误差在±1°)确认松材线虫死亡温度，即通过对处理后的携带松材线虫病死木进行不同处理温度部位的分离，根据线虫处理结果更加科学的确定松材线虫在病木内的致死温度，为制定国际处理标准提供更加科学的依据。

(2)热处理的节能数字化研究。根据“火用”、“火无”以及“火积”等相关理论为基础，以烘箱给烧瓶内定量水加热模拟木包装处理加热的实验中发现，75～90℃的环境温度在设定目标温度为56℃30 min时最为节能，实验中最大节能效果可达到23.6%。根据实验的结论，或可以考虑在热处理过程中寻找一个能量供给效率最高的温度作为处理温度，科学的加热温度即可保证处理效果，又可高效节约能源，实现经济环保的目标。

【参考文献】

[1]朱政贤.木材干燥(2版)[M].北京：中国林业出版社，1991.

[2]李芝茹，董希斌，赵小强，等.可升降太阳能灭虫装置的设计与实现[J].森林工程，2010，26(1)：37-40.

[3]李芝茹，董希斌，赵小强.可升降太阳能灭虫装置的灭虫效果评价[J].森林工程，2010，26(3)：29-32.

[4]刘贞先，伊晓路，傅军.太阳能综合利用技术探讨[J].应用能源技术，2006(1)：31-34.

[5]宋杰，许忠祥，王建斌，等.太阳能结合辅助加热型节能热处理窑的理论设计[J].中南林业科技大学学报，2013(1)：99-103.

[6]冯小江，伊松林，王海江，等.移动式相变储热木材太阳能干燥装置的理论设计[J].干燥技术与设备，2010，8(1)：9-15.

[7]宋杰，许忠祥，吴晶，等.太阳能应用于检验检疫热处理领域的可行性分析[J].太阳能，2012(15)：13-15.

[8]晏学兵，叶卫兵，杨凌，等.太阳能热处理装置实验研究[J].机械工程师，2011(10)：8-0.

[9]张壁光，高建民，伊松林，等.太阳能与热泵联合干燥木材的优化匹配[J].太阳能学报，2009，30(11)：1501-1505.

[10]原永兰，冯玲，孙延杰，等.太阳能熏蒸库的设计与应用[J].中国国境卫生检疫杂志，2005，28(S1)：57-59.

[11]杨世军，杨学春，尤浩田.木托盘的发展前景及存在的问题研究[J].森林工程，2013，29(2)：135-138.