竹片炭化工艺及装备的设计开发与应用∗

曾 琦 刘 君 贺 霞 袁 聪 丁小兵

（湖南城市学院，湖南 益阳 413400）

竹片凉席（俗称麻将席）为大宗竹制品。自20世纪80年代出现以来，一直较受市场青睐，已成为众多家庭夏季必需的消暑纳凉物品[1]。竹片凉席透气、凉爽、不粘汗、不卷曲、价格较水竹凉席便宜80%以上，较竹条凉席舒适[2]。这些特点使其占有全国夏季床席30%以上的市场份额和70%的沙发、汽车坐垫市场份额，产品远销东南亚、非洲等地区，2017年全国凉席生产总值75亿元以上[3-4]。

竹片凉席采用速生资源——毛竹加工制作。湖南竹资源丰富，据2017年统计，竹林面积为1.1×106hm2[5-6]，居全国第二位； 益阳为全国凉席主要生产基地之一，2016年产值超16亿元[7]。但在实际生产过程中，由于对生产工艺和装备缺少研究和改进，竹片凉席一直为高污染、高劳动强度、劳动密集型、低附加值产品，因此转型升级势在必行[8-9]。

有人对凉席竹片防虫防霉上色处理方法进行了研究。某实用新型专利采用竹材加工剩余物作为炉体燃料，竹片放入炉体中，边加热，边转动，通过高温达到竹片杀菌消毒、炭化上色目的[10]。但这种方法缺陷较多：人工添加炉膛燃料，炉内温度不易控制，不良品率高，且工作环境恶劣，夏季无法操作生产。另有某实用新型专利，使用天燃气为加热介质炭化竹片。天燃气易于调控炉内温度，但环境温度高，且有发生一氧化碳中毒的危险性[11]。另一发明专利研究制造了用电作为加热介质的竹片炭化炉，炭化成本高，一炉竹片（每炉1 800～2 000 kg） 需电费500元以上[12]。

为实现绿色制造要求，本研究在进行大量调研的基础上，对竹片生虫、长霉、色泽不一致处理方法进行了专题研究，创新设计了一种竹片炭化炉与炭化工艺[发明专利]。

1 竹片炭化装备结构设计

本研究在分析比较重组竹炭化窑[13]、木材高压炭化罐[14]和现有竹片炭化炉特性及优缺点的基础上，创新设计了以导热油（或天燃气）为加热介质的竹片炭化炉[15]。炭化炉通过加热了的导热油对竹片传导热量，析出竹片中的营养物质以达到竹片防虫防霉、颜色一致的处理目的[16]。

以导热油为加热介质的炭化炉设备投入稍大，但可利用竹材加工剩余物制作的颗粒炭为燃料加热导热油，具有废料再利用又保护生态环境的特点，热量循环利用，炭化成本低[17-18]。

以天燃气为加热介质的炭化炉适用于城乡结合部。管道燃气易接入，投入少，具有较电加热成本低的特点，但存在夏天工作环境温度高，从而无法加工，并有可能出现一氧化炭中毒、起火的危险缺陷[19]。

下面以导热油为加热介质的炭化炉为例简要介绍其炉体结构设计。

1.1 单个炭化炉结构设计

竹片炭化炉主要包括机架、外筒、内筒、动力传动装置等。外筒内侧设有保温隔热材料的夹层，夹层内壁上安置有从导热油炉接出的导热油管，外筒上部设置有将筒内温度传递到主控制台的温控系统和冷却水喷淋装置；装载竹片的内筒设置于外筒中，由动力传递机构带动内筒旋转，接收导热油传递的热量翻炒竹片直至竹片炭化。内筒壁为网状或板状结构，内筒内壁上固定有均匀分布的2～3片螺旋形叶片，叶片由进出料口呈螺旋状延伸至内筒末端，叶片螺旋升角为50°～70°，叶片宽度为内筒回转半径的30%～40%，截面为弧形，矢高为1～30 mm，通过电机的正、反向运转带动内筒顺、逆时针方向旋转，内筒中的竹片被旋进旋出并翻炒至竹片均匀受热，实现高温炭化目的。

炉体的一端设有进出料口，进出料口处设置有可开、关的非密闭门，非密闭门开设有竹片取样观察孔；进出料口与输送竹片的传送带相连，且进出料口处设有蒸汽体回收装置，回收的蒸汽可提取竹醋和竹油。

炭化炉的导热油管为螺旋形或蛇形均匀分布于外筒的内壁上；导热油管内径设计为30～60 mm。

导热油炉简图如下：

图1 竹片炭化炉结构示意图Fig.1 Schematic diagram of bamboo sheet carbonizing furnace

1.2 炭化加工中心设计

因导热油炭化设备投入较大，可组建炭化加工中心集中炭化竹片，网上线下订单加工，之后分销给各个企业制作凉席成品。

炭化加工中心由竹片干燥输送带、炭化抛光一体机、竹片输出带组成（见图2），实现竹片干燥、炭化、抛光连续作业。

竹片经干燥输送带I送至工位1处的炭化内筒中，内筒筒身处设有开合门，接收来自输送带的竹片，内筒搁置在炭化小车上，小车运行至工位2进入炭化炉体内炭化，炭化完成后炭化小车退出运行至工位3添加抛光粉对竹片实施抛光，之后转运至工位4竹片卸出至输出输送带II进入下一工序。

由于连续干燥炭化抛光作业，减少了竹片工序与工序之间的装袋、贮存、移运环节，减少车间使用面积，极大地提高生产效率。

2 竹片炭化工艺设计

本炭化工艺适应于麻将席小块竹片炭化，通过控制炭化温度和时间获取不同颜色竹片，并在炭化过程中析出竹片内营养物质达到防虫防霉目的[20-22]。单个炭化炉炭化工艺如下：

预热干燥：一边启动电机转动转炉，一边将竹片送至进料口，当竹片从进料口喂入炉内时，随着转炉的转动和叶片带动，竹片被送至转炉上部和深处，竹片在炉内运动、翻转，促使其均匀受热干燥。当预热干燥时，转炉内温度逐渐加热至80～140 ℃，并保持这一温度2～3 h。

竹片炭化：预热干燥2～3 h后，将转炉内温度升至140～190 ℃，保持这一温度约1～2 h，这一时段主要对竹片实施炭化。如需竹片炭化颜色较深，则加热时间加长；如需竹片炭化颜色较浅，则加热时间缩短。需加长或缩短的时间控制在10～30 min范围之内。

降温出炉：当温度达到约190 ℃后，关掉促进热量充分传递的鼓风机，然后用直径约1吋大小的水管向转炉内注水2～6 min左右，并继续转动转炉至炉内温度降至60～80 ℃，炉内竹片水分蒸发至含水率14%左右竹片出炉。注水出炉是因为炉内竹片温度高，出炉遇氧后极易燃烧。若自然冷却，一是由于炉内温度高和缺氧，靠近转炉内壁部分炭化烧焦；二是冷却时间长至使炭化时间长，生产效率低。出料时，电机反向运转，通过叶片带动竹片向出口处移动，经出料斗出料。

3 产品创新性和效益分析

本研究研制的竹片炭化工艺具有一定的产品创新性，也能带来不同的效益：

1） 竹片受热均匀，优良品率高。内筒内壁设置有三组螺旋形叶片，竹片在内筒中旋进旋出并翻炒，致竹片均匀受热炭化，使竹片内营养物质充分析出，竹片上色处理均匀。

2） 竹片采用导热油加热炭化，生产周期短，成本低。导热油循环加热炭化竹片，热量损失小，热能利用率高，且易于调节炉内温度实现较优炭化效果。

3） 竹片加工不需任何药水蒸煮，不污染环境。采用竹片高温处理方法替代双氧水加消毒、杀虫、克霉菌化学药剂对竹片进行浸泡处理以改变、减少竹片中营养成分的做法，改变了用染料对竹片浸染着色的做法，无有毒废水排放，对大气、土壤不造成污染，竹席上不残留化学药剂[23-25]。

4） 竹片不需晾晒，节约保护耕地。运用传统加工方法，生产厂家需安排3 500～7 000 m2(1条生产线3 500 m2)耕地晾晒竹片。这种晾晒方法一是受天气影响较大，非晴天不能作业生产，如遇天气变化，则必须在下雨前迅速收回竹片，否则竹片颜色发黄，晦暗；二是晾晒竹片时滞带的药水会留渗农田，从而影响土地品质。

5） 生产周期缩短，加工成本降低。一是采用炭化炉只需约6～8 h便可达到4～5 d的晾晒效果，且不受天气条件限制；二是采用炭化炉只需购买设备成本约15万元（两种炉体均价）。而同等生产规模采用过去的生产方式需建容量为3 m3的蒸煮池6～8个，建造成本约4万元；蒸煮车间厂房需200 m2，建造成本至少4万元；晾晒场以7 000 m2粮田计，每年租金约5 000元；还需化学药剂购买成本约30～40万元。比较两种生产方式，采用炭化炉从理论上每年可节省直接成本数十万元。

4 结语

上述专利产品在企业实际生产过程中已运行一年多，生产情况良好，为企业创造较高产值提供了质量和环境保障。该产品中的炭化加工中心还可扩展至小微竹块粒材料加工，实现竹片炭化方式的较大转变。但值得注意的是该专利产品目前炭化炉的炭化时间、竹片成色的界定以人工观察为主，凭细致的观察和经验确定炭化时长、温度高低。后续需要对不同含水率、不同湿度条件下的竹片炭化工艺进行试验测试，以期依据不同条件下测试的工艺曲线智能控制加热时间温度，获取更高的良品率，从而带来更加广阔的产业化应用前景。