木材含水率分级干燥及其节能分析

平立娟，王喜明

(内蒙古农业大学 材料科学与艺术设计学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

干燥过程是许多行业生产加工重要的工序之一，同时干燥能耗占整个加工过程的绝大部分，占企业生产总能耗的40%～70%，占国民经济总能耗的12%左右[1]，但是通常干燥的热利用率较低，木材行业干燥的热利用率仅占30%～40%。干燥又容易引起开裂等缺陷，使得木材降等，因此，木材干燥是木材加工行业减少能耗，降低成本的关键[2]。此外，木材干燥过程释放的有机挥发性气体(VOCs)也会对人体和环境造成严重危害。所以，寻求高效、节能、环保的干燥技术始终是木材加工企业追求的目标[3]。

1 木材干燥能耗状况

每年我国的锯材用量约9 500万m3，人工干燥量仅占24%[4]。我国的木材干燥设备落后且工艺不当，造成木材的严重浪费，热效率低，通常一次能源的利用率仅仅为30%，远低于发达国家[5]。表1是纵轴干燥室，干燥5 cm厚红松和水曲柳齐边板材的干燥能耗。

表1 木材干燥基本能耗

一般情况下，木材干燥过程的有效热能约占总热能的80%左右，壳体散热等热损失占总热能消耗的20%。其中，有效热能的60%随木材中的水分蒸发排放到窑外，此时这部分高温高湿空气的热能也认为是无效的。所以我国木材干燥企业在干燥生产节能减排等方面有很大的潜力[6-11]。

2 水分对干燥过程的影响

2.1 生材含水率

生材的含水率随树种、部位不同而有所差别。通常边材的含水率大于心材，针叶材尤其明显；有些树种，其树根部位的含水率常大于树梢部位。这些不同导致每一块木材的干燥特性有较大差异。

木材的含水率与离地高度有关。通常情况下，含水率随离地高度增加呈先增大后减小的趋势[12-13]，但是，邓恩桉的含水率变化与此相反[14]。

2.2 与水分移动有关的木材性质的差异

木材在干燥过程中成分发生物理和化学变化，导致木材的结构发生变化[15]。不同的干燥方法、干燥基准，木材的物理力学性质和结构的变化程度也有所不同[16]。云南松人工林木材干燥时的抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度等力学性质与木材的密度呈正比[17]。

木材是由木材实质、水分及空隙组成的多孔性材料。木材实质是不包含内部空隙的细胞壁物质；木材空隙中的空气对木材的质量没有影响，空隙中的水分的质量随环境的变化而变化。由于木材细胞壁的质量是恒定的，木材中的水分含量认为只与其密度有关。

速生杨成熟材从地面到树梢基本密度先变大后变小，从离地高度不同的3处取样密度的最大差异为3.6%[18]，小于成材树种轴向密度不低于10%的变化[19-21]。

木材的基本密度和含水率与树株个体有关。不同速生杨清林树株，其含水率和基本密度不同[13]；不同世代杉木的密度不同[22]。不同树株间，基本密度受环境影响的变化小于含水率的变化。

2.3 木材中各种状态水分的干燥能耗[23]

自然界中水分的存在状态基本有3种：水蒸汽、液态水和冰。不同状态的势能不同，3种状态通过吸收释放能量相互转变。木材中的水分与自然界中的水分有所不同，主要是2种形式的水分，即细胞腔中与木材相互作用力小、与液态水性质相似的自由水和细胞壁中与木材结合作用较强的吸着水[24]，木材中水分的势能如图1。由于木材中水分所处的位置不同水分、与木材的结合力不同，水分势能不同，水分蒸发所需要的能量不同。干燥过程中当含水率降到纤维饱和点以下时，木材中吸着水与木材结合的作用力大，水分蒸发所需的热能越多[25]。由图2可知，每蒸发1 kg水分所消耗的能量随含水率的降低而快速增加，5%以下的初级吸附水蒸发所消耗的能量要比5%以上水分蒸发多消耗247 J/g。在干燥末期含水率只要降低1%，就要耗用大量的热量，这是因为脱出结合水所需克服的润湿热随含水率的降低而急剧上升，而且随木材中纤维状况而异的扩散系数在含水率降低后变得越来越小，从而使传导速度变小，既影响干燥速度，又耗用了大量的热量，图3更细分了不同含水率时水分的湿润微分热、自由能及熵与含水率关系，可知随含水率的降低这3个能量的消耗在快速增加[26]。当含水率降低时，木材中微毛细管传导水分的效率降低，而水分通过大毛细管传导的效率增加；当含水率较高，木材中的水分传导不存在这种规律[27]。

图1 木材中的水分势能

3 木材分级干燥过程的研究

3.1 含水率分级干燥理论

干燥过程中由于木材材性、木材内水分迁移特性等不同，干燥结束时，同一钣材的横断面之间在终含水率分布不均的情况[28-29]。终含水率不均匀或有残余干燥应力，使得木材降等率增大、废品率增多、后续加工中会引发各种机械加工缺陷，而且还使刀具等消耗增长，生产成本上升，降低了实木产品的市场竞争力。一般采用在干燥末期进行调湿处理，及时消除干燥后木材内部的含水率梯度，并使木材内残余应力得到释放[30]。

图2 每蒸发1 kg水分所消耗的能量与初、终含水率的关系

图3 湿润微分热、自由能及熵与含水率关系

目前，国内外大多木材加工企业进行调湿处理时无法实时检测干燥应力的消除状况，调湿处理时间的长短往往取决于试验操作者的经验，导致调湿不精确。一般情况下，传统的调湿处理只能释放一部分残余应力，现在，人们以剖面含水率和应力试片间距来判断应力的释放程度[31]，以切片法分析调湿处理中的残余变形，归纳总结了残余变形减小量的公式，以期预测调湿处理的时间[32]。

目前，国内大多数木材加工企业使用的木材干燥养生处理设备是平衡养生窑，木材干燥后养生处理可以减少变形、开裂等干燥缺陷[33]。但是，绝大多数木材加工企业对于干燥养生处理都是仅凭经验象征性放置一段时间，平衡养生窑并未得到充分利用。近几年来，学者们主要关注基于胶黏剂固化的木质刨花板的养生处理[34]，但是木材干燥后的养生处理的研究基本空白，所以实施含水率分级干燥技术是十分必要的。

对于针叶树材，含水率分级是十分有必要的，天然林针叶材与速生人工林针叶材的初含水率普遍存在很大差值，速生人工林针叶材几乎全部含有不规则的湿心材，湿心材含水率较高，比正常材的含水率高1倍左右。同一干燥窑内当湿心材和正常材同时存在时，按照正常材的干燥基准达到平衡含水率时，湿心材的含水率还很高，可能存在含水率大于纤维饱和点的湿心材，导致整批干燥锯材的干燥质量较差，干燥后的锯材可能存在开裂等干燥缺陷。干燥湿心材时应选用较为温和的干燥基准，且由于湿心材的含水率较高，其干燥周期往往比正常材多出1倍左右。在实际生产过程中，为了保证每次干燥锯材最终含水率的均匀性，在干燥的末期都要实施最终处理，把高含水率木材的水分降下来的同时，低含水率的木材进行了过度干燥，再做调湿处理，把过度干燥木材的含水率提高至平衡含水率要求。这样不仅延长了干燥时间，还增加了干燥成本。基于此，提出木材含水率分级干燥的设想，改革木材干燥工艺，减少木材干燥过程的能耗(图4)。

图4 分级干燥的节能原理

由于木材存在明显的各向异性，在木材干燥时，当规格、干燥周期和环境都相同的条件下，相同的干燥室内不同板材的含水率和同一板材不同部位的含水率之间都会存在差别。所以，木材在干燥过程中，如果不能明确板材的初含水率，就会直接影响到干燥基准的确定，进而影响木材的干燥质量，还会造成木材损失和成本提高等，同时也不符合国家节能环保的要求[35]。

3.2 分级干燥对木材干燥效率的影响

木材干燥过程的干燥效率一般包括干燥质量和干燥周期。

3.2.1 分级干燥对木材干燥质量的影响 现代木材干燥技术要求干燥效率高，周期短，变形、开裂等干燥缺陷少，并且干燥成本较低[36]。一件实体木制品通常是由多块板材胶合而成的，若这些板材含水率不均匀，在使用过程中往往会因一块高含水率板材的干缩而导致整个部件产生内部拉应力，从而导致幅面的局部开裂或破坏性变形。有研究表明，由于木材加工时对原材料含水率掌握不准确造成的木制品质量问题占75%左右。

同一干燥室生产的合格三级锯材最高和最低含水率的差值为10%。以水曲柳锯材为例[37]：其弦向、径向和体积干缩系数分别为0.338%、0.184%和0.548%。10%含水率差值的水曲柳板材的干缩率差值分别为3.38%、1.84%和5.48%。如1块宽度为100 mm的弦切板，10%含水率差值所引起的干缩差值为3.38 mm。这一干缩差值必然在这个制品中产生内应力，最终导致制品变形和开裂。

木材干燥时要求依据高含水率木材的应力和含水率变化作为判断标准[38]。依据高含水率木材制定的干燥基准很可能不适用于低含水率木材，势必会影响这部分木材的干燥效率；并且当高含水率木材达到平衡含水率要求时，低含水率木材势必已经导致过度干燥，可能出现开裂现象。

不同含水率的木材对于机械加工缺陷程度的影响也不一样，例如，机械加工时的切削沟纹和毛刺纹随含水率的增加而增多，含水率<5%时，切削沟纹更频繁发生。木材机械加工时，含水率过高过低会产生凹凸纹。这些缺陷在木制品完成前往往不显示，但是对实木产品的质量和使用性的影响较大。通常减小终含水率差异可以减小这些缺陷。木材机械加工的含水率在8%～12%条件下最适宜，在使用中维持在该含水率范围，可以最小化的减小机械加工缺陷[39]。

3.2.2 分级干燥技术对木材干燥周期的影响 在木材加工过程中，一般国内大多数企业都是将生材简单装堆等待后续干燥处理，这种方法无法保证同批试件的初含水率相同。在气干下，生材含水率普遍下降较快，含水率平均每天下降1.5%～2%。锯材进行干燥时依据不同的含水率进行分批干燥，干燥顺序有先有后，这就导致不同批锯材的干燥周期不同[40]。将含水率在90%的锯材干燥到12%所需要的干燥时间，将会是把含水率在30%的锯材干燥到12%所需时间的4倍左右。同一树种，当干燥窑木材容量、工人的数量和工资等都相同时，把30%初含水率的锯材干燥到12%的含水率需要支付给工人的工资是将初含水率为90%的锯材干燥到含水率为12%时支付给工人工资的1/4左右[41]。

对杨木进行高温干燥处理时，利用时域核磁共振技术(TD-NMR)研究干燥过程水分的分布情况，发现在干燥过程中，心材内长弛豫时间自由水的拟合面积先减小后增大然后又减小。高温干燥时自由水的蒸发速度远大于结合水；边材含水率减少的速达大于心材。这主要是因为通常边材的密度小于心材，心材中常存在较多对侵填体导致心材内水分的运输能力下降，干燥时水分的蒸发速度减慢；而边材结构疏松，内部存在较多空隙，虽然含水率小于心材，但边材内自由水的最长弛豫时间远大于心材，木材对水分的束缚作用减弱，水分易于排出木材[42]。

3.3 分级干燥对木材干燥过程节能减排的影响

木材干燥过程中，水分蒸发主要发生在木材表面。在板材各层含水率都在纤维饱和点(FSP)以上时，板材表层的水分蒸发情况可以认为是自由水的蒸发，这时，木材含水率越高，干燥耗能越大[43-44]。当表层含水率开始降到FSP以下，木材内部含水率仍在FSP以上，木材内部水分几乎全部为吸着水，在内外含水率梯度的作用下，吸着水通过细胞壁的扩散速度远小于水蒸气速度，吸着水穿过细胞壁的扩散系数与木材吸着水的含水率有关。含水率越高，木材中吸湿点与水分的结合能越小，在FSP时，结合能趋近于零。含水率

从表1可以看到，红松和水曲柳每蒸发1 kg水分的平均能耗分别为2 319 kJ/kg和2 344 kJ/kg，依据BET[45]吸附理论和Dent水分吸着理论[46-47]，5%以下的水分为初级吸附水，木材内表面全部初级吸着点被单层水分子覆盖时的含水率为7.5%，初级吸着水的自由能增量为-205 J/g，次级吸附水的自由能增量为42 J/g，两者的极差为247 J/g，即每蒸发1 g初级吸附水比蒸发1 g次级吸附水多消耗能量247 J。所以，过度干燥所形成的能耗是巨大的。

图5[48]利用3个含水率状态(干燥状态、FSP和饱水状态)下试材的横向弛豫时间(T2)分布，表示木材干燥过程中水分的变化情况。从图5可以看出，随着干燥过程的进行，自由水和吸附水弛豫峰的峰面积都在不断减小，弛豫峰的顶点位置左移，表示自由水和吸附水的含量呈减少趋势，平均横向弛豫时间变短。即在干燥过程中，木材对残余水分的束缚作用逐渐增强，干燥难度越来越大，干燥耗能逐渐增加。

图5 不同含水率状态下试材的T2分布

4 含水率分级干燥的实施

将木材含水率分级技术应用到木材加工行业中，只需增加木材含水率分级设备，将板材按照含水率大小分级干燥、管理和使用，干燥过程中尽量实现智能监控[49]，根据含水率变化及时调整干燥基准。木材含水率的检测方法很多，其中无损检测方法可实现在线连续检测板材的含水率，适用于木材含水率分等。如高频含水率和声发射技术[50]应用与木材干燥中，测定技术可以将电极板安装在木材上方，当木材通过时发出高频波测量木材的含水率，并借助机械装置将不同含水率的板材分级堆放和使用，并可以检测由应力应变引起的干燥缺陷。对于规格锯材也可以使用质量法，依据板材的重量推算木材的含水率实现分级。

5 结论与展望

提高我国木材干燥的技术水平，减少木材干燥能耗以及采取节能降耗措施，是一项复杂而又繁琐的任务。所以采用合理的干燥技术以提高木材的干燥质量、降低干燥成本是干燥行业一直以来追求的目标。采用含水率分级技术，可以达到缩短干燥周期，降低能耗，提高干燥质量的目的。但是关于木材的含水率分级标准并不明确。接下来的研究应该根据干燥材用途要求，在节能经济的基础上，制定合适的含水率分级标准。寻求绿色高效节能的干燥技术对木材加工企业 提高生产效率、降低成本具有重要的社会价值和经济价值。