微波在闊葉樹木材預處理中的應用

木材干燥是木材加工過程中不可或缺的生產環(huán)節(jié)，也是能耗最高的過程。由于闊葉樹材的滲透性低,使木材干燥周期延長,耗能大,且干燥缺陷增多、干燥降等、干燥成本高等問題突出。微波處理可改善木材的滲透性,因此,筆者對微波作為干燥前的預處理技術,及技術應用的經濟性進行了分析,旨在為微波預處理技術在我國木材工業(yè)中的應用提供參考。1微波預處理木材微波處理使高含水率木材的細胞內集聚蒸汽壓力,并在高蒸汽壓作用下,木材細胞壁的紋孔膜、導管中的侵填體,以及強度較弱的射線細胞被破壞,從而形成水分容易移動的通道。澳大利亞專家在微波處理對木材構造、材性的影響等方面,進行了系統(tǒng)研究,結果表明,對于滲透性較低的木材,經微波處理后,沿木材徑向及長度方向上的滲透性可提高幾千倍。對于30~50mm厚硬闊葉樹木材,采用微波能耗為70~110kW·h/m3預處理時,可降低含水率4%~11%,使整體干燥時間縮短50%左右;當微波能耗為100~180kW·h/m3時,木材含水率可降低12%~32%,木材干燥速度提高5~10倍,但此時木材發(fā)生表裂及內裂的可能性則顯著增加。澳大利亞主產桉樹木材,為減少干燥開裂、皺縮等缺陷發(fā)生,通常在窯干前要進行長時間的氣干。而微波預處理技術,為木材鋸解后立即進行窯干提供了技術基礎,并解決了高含水率木材,在窯干時易發(fā)生皺縮的問題,有效提高了高質量木材的出材率。經微波處理的桉木,可不再需要3~6個月的氣干,且窯干時間可縮短2~3周;經微波處理的紅橡(Quercusrubra)木材總干燥時間,由60天縮短到12天,同時降低了木材運輸、存貯及人工的費用。斜葉桉(Eucalyptusoblique)木材經微波預處理后,干燥時間較未處理縮短了50%~90%。白橡(Q.alba)、紅橡及槭木(Acerspp.)木材的試驗亦表明,微波處理可縮短總干燥時間,且木材的強度、硬度、膠合強度等,以及加工性能與對照材均無顯著差異。采用能耗為70~110kW·h/m3的微波,處理斜葉桉、彈丸桉(E.pilularis)、柳葉桉(E.saligna)、王桉(E.regnans)、邊緣桉(E.marginata)及亮果桉(E.nitens)等試材,試驗后與對照材的干燥質量對比,如表1所示。從表1可看出,在同樣干燥條件下,木材開裂的數(shù)量及程度與對照材沒有明顯差別,斜葉桉和邊緣桉的開裂還略有下降。綜合分析表明,窯干前的微波預處理,有益于提高難干闊葉樹材的干燥速度,減少干燥缺陷,增加木材出材率。2微波預處理系統(tǒng)微波預處理技術應用于鋸材廠時,無需對原設備及工藝做較大調整,鋸解后的生材可直接采用微波設備進行預處理,然后再使用常規(guī)干燥窯干燥。在澳大利亞,目前進行微波預處理的工業(yè)微波頻率為2450、922MHz兩種。圖1為墨爾本大學創(chuàng)新中心,2005年用于處理大截面(枕木)木材的中試裝置。該設備主機功率由3個100kW的微波源組成,微波頻率為922MHz,全套設備由進給系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成,年處理能力達1萬m3,可處理最大鋸材尺寸為4700mm×200mm×300mm,原木最大直徑為350mm。3設備在項目中的運行費用木材微波預處理經濟分析的基本參數(shù)有:1)按木材處理能力2.4萬m3/年,每天3班,全年工作時間6000h;或按處理能力1.6萬m3/年,每天2班,全年4000h;2)微波設備功率按360kW計;3)頻率為922MHz的設備造價為142.80萬澳元(AU$),頻率為2450MHz的設備造價為234.80萬AU$;4)微波設備全自動控制,或一個操作員;5)頻率為922MHz設備,能耗按113kW·h/m3;頻率為2450MHz設備,能耗按127kW·h/m3;6)當?shù)仉妰r為0.06~0.12AU$/kW·h;7)設備折舊率為17%。估算成本中還包括:設備投資、維護費、磁電管更換、人工、場地及電費等,但不包括設備安裝、電力連接、非直接成本及納稅等費用。分析結果見圖2。由圖2可看出,①對于全自動設備的微波處理費用,當電價從低價增加到0.12AU$/kW·h時,微波處理費用增加16%~29%;②一名操作工人與全自動設備比較,設備頻率為922MHz時,微波處理費用增加11%~17%;設備頻率為2450MHz時,微波處理費用增加16%~25%;③由于設備費用和電耗均較高,因此,頻率高的設備,處理費用高于頻率低的設備。按電價0.08AU$/kW·h及年產2.4萬m3(3班/天)、年產1.6萬m3(2班/天)分別計算,微波處理木材的各項費用及其占總處理費用的百分比,見表2。從表2中可見,設備投資占總費用的34%~49%,電費占20%~30%,人工費用占11%~19%。每天3班生產的企業(yè)效益更好。與鋸材價格相比,微波處理增加的費用并不顯著。微波處理費用一般為30~36AU$/m3,通常只占低質量木材價格的4.1%~4.9%,而對于高質量木材,只占其價格的2.3%~2.8%。例如,澳大利亞質量較好的王桉木材,售價在730~1300AU$/m3,但經微波處理后,木材出材率和干燥質量提高所帶來的增值利益,則明顯增加。4微波預處理在木材工業(yè)中的應用價值木材微波預處理具有很多優(yōu)點,但也存在著一些問題:1)根據(jù)樹種不同,需要有對應的優(yōu)化處理工藝參數(shù);2)并不是對所有木材均能起到改善滲透性的作用;3)對設備的技術要求較高,如微波處理腔形狀、微波泄漏的防護、系統(tǒng)的效率等。這些問題在澳大利亞的科研單位進行了多年研究,中試已經開展近5年,但與大規(guī)模地實現(xiàn)工業(yè)化推廣應用還有差距。我國闊葉樹材加工市場龐大,尤其是名貴的闊葉樹木材的干燥技術,亦是當前企業(yè)亟需解決的問題;此外,微波預處理在木材防腐、阻燃及新材料的加工方面也有著較好的應用前景。國產的高功率微波源技術已經過關,這些都為微波處理技術