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第四章 单元干燥

本章基本要求：（1）掌握木材中水的种类，及各种水的干燥脱离基本原理；（2）掌握单板、纤维和刨花三种单元的干燥工艺及设备工作原理，能横向对比三种单元的干燥；（3）了解干燥过程产生的环境污染问题。

一、木材干燥基本原理
1、木材中水分的种类
（1）自由水：存在于木材细胞腔和细胞间隙中的水分，它的含量由木材孔隙的体积或孔隙度决定。这种水分除影响木材的质量、燃烧性、渗透性等以外，对于木材其他物理力学性质显著的影响。
（2）结合水：存在于细胞壁微纤丝之间的水分，又称为吸着水。它的含量约为全干木材质量的30％。由该水分存在的部位可知，水分对木材的物理力学性质和木材的加工利用有重要的影响。
对于未经干燥的大块木材来说，自由水和结合水往往同时存在，并且当木材含水率变化时，这两种水分彼此相互转化。

2、含水率
（1）绝对含水率：木材中水分的质量与木材全干质量的百分比，称为绝对含水率。

（2）相对含水率：木材中的水分质量与湿材质量的百分比来表示，称为相对含水率。

在木材加工生产中，通常都采用绝对含水率来表示，所以，绝对含水率常常简称含水率。相对含水率常用于造纸工业和纤维板湿板坯含水率的计算，也用于木材燃料水分的计算。
（3）纤维饱和点：是指木材细胞壁含水率达到饱和状态，而细胞腔无自由水时的含水率。纤维饱和点的含水率因树种而异，变异范围在23~33%，通常平均约为30%。各种木材纤维饱和点时的含水率之所以相似，是因为各种木材的基本化学成分相近似的缘故。
纤维饱和点是木材材性变异的转折点。当含水率下降至纤维饱和点以下时，随含水率减少，木材体积收缩，强度增加，导电性减弱；相反，随着含水率的增加，木材体积膨胀，强度下降，导电性增强。因此，纤维饱和点具有重要意义。
(4)平衡含水率：湿材的空气中放置，木材中的水分就会蒸发到大气中去，称为解吸；干材在空气中放置，大气中的水分子也会被吸到木材中来，称为吸湿。当蒸发和吸收水分子的速度相等，呈动态平衡，此时与外界温度、湿度相平衡的含水率，称为木材的平衡含水率。
3、木材干燥
（1）干燥中水分的运动
木材（包括单板、刨花、纤维）在热空气中加热时，首先在表面引起水分蒸发，使表面的水分减少，而内部的水分由于毛细管张力作用将不断顺纤维横向向表面扩散，这样就形成了一个表面与内部的含水率梯度和水蒸汽压力梯度，随着表面不断的水分蒸发，内部不断向表面的水分扩散，含水率则不断降低，直至最后达到含水率要求，干燥过程即告完成。理论上，干燥开始后自由水首先蒸发，当细胞腔里已不再有自由水时（即达到纤维饱和点），吸着水才开始不断运动、蒸发。
(2)干燥过程
整个干燥过程主要分三个阶段：
l 第一阶段（升温阶段）：有一个较为短暂的升温加热时间，此时板面温度低于“露点”（水蒸汽从湿空气中凝结成露滴的温度），水汽凝结在单板表面。这一阶段外界作用主要用于升温。
l 第二阶段（持续稳定干燥阶段）：这时单极内部的水分（主要是自由水）通过毛细管以恒定的干燥速度及恒定的单板表面温度向外扩散蒸发，这时单板表面温度保持较稳定的湿球温度，表面的水分蒸发与内部的水分扩散速度基本一致。
l 第三阶段（后期干燥阶段）：这时单板处于含水率低于纤维饱和点的减速干燥时期，自由水已完全蒸发，主要是蒸发吸着水，这时单板表面的温度在迅速上升，并基本接近干燥介质的温度，在这一阶段干燥速度降低。

二、单板干燥工艺与设备
1、单板干燥方法分类（干燥设备）
l 网带干燥：应用最为广泛，采用网带连续运输单板带，高温热媒（蒸汽、热空气、烟气）横向冲击单板带，对流加热单板。
l 辊式干燥：采用热压辊连续运输和传导加热单板，适用于薄木干燥。
l 热板干燥：采用热压板传导加热单板，同时防止单板干燥翘曲变形和开裂缺陷，属于周期式干燥，适用于幼龄材含量较高的木材和速生木材的单板。

2、单板网带喷气式干燥过程中的热传递
单板干燥时，若热气流平行于单板表面流过，气流与单板表面之间便会产生摩擦，使气流形成一种离单板表面越近速度越小，直至与单板表面接触的边界上，气流速度接近零的分布状态。这个气流速度接近零的界面近似一种空气薄膜，被称为临界层，它将热空气与单板表面隔开，使单板内的水分要通过扩散作用，穿过这个临界层向外蒸发，而空气中的热量也要穿过这个临界层才能向单板内部传导。因此临界层对单板水分蒸发及热量向单板的热传递起了负作用，直接影响单板干燥的速度。
要加快干燥过程、提高热传递效率，就必须破坏或扰乱临界层。实验表明，干燥介质（热气流）的速度越高，热传递效果越好，热传递速率与VA0.8成正式。此处VA是干燥介质的速度。
目前广泛使用的喷气式单板干燥机中，采用喷咀方式垂直于单板表面喷射热气流就是破坏临界层的极好方法。采用这种办法极大地提高了热传递效率，加速了单板内部水分的扩散、蒸发，缩短了干燥时间。
研究表明，垂直喷射在单板表面的气流速度越高，对临界层的破坏效果就越好。比较常用的喷气速度范围在15-60m/s之间。目前，设计先进的干燥机，在气流速度、喷咀形状与结构、风速与放热的关系等方面都做了大量研究试验工作，以力求最大限度上提高干燥的效率，达到高效节能的最佳效果。
另外，为了确保热媒在单板带宽度方向的喷射速度均匀性，把喷箱横截面设计为由大到小的渐变结构。

3、工艺参数
l 热媒种类：不饱和蒸汽
l 热媒温度：80-110℃；
l 热媒速度：15-27m/s；
l 单板带运行速度：前高后低；
l 单板终含水率：5-8%(均匀性)。

4、干燥设备
喷气式干燥机是五十年代出现的，在单板干燥设备中是一次革命性的发展。从结构上这种干燥机分为喷气式辊筒干燥机和喷气式网带干燥机两类。这两种机型在单板干燥过程中除输送单板方式有网带和辊筒的差别，其它部分基本相同。其主要特点是经加热的空气由风机鼓入喷箱以高速从风咀中垂直喷在单板上、下两面，对单板表面的临界层起强烈的冲击和干扰作用，同以往各类干燥机热空气平行单板表面的方式大不相同。
喷气式干燥机具有以下优点：
l 干燥效率明显提高，单板干燥时间只有普通型网带或辊筒干燥机的25-50%，这样就可减少生产线数量或干燥机层数，而且干燥机长度可以缩短。
l 由于层数减少，简化了进出料机构，更便于操作，节省劳动力，减少维修工作量。
l 干燥单板厚度从0.3-1.3mm均可，尺寸大小也有很大的范围。
l 可干燥一些特殊材质，用其他设备无法很好干燥的面板。
l 机型结构紧凑、热量损失很少。
l 干燥效果极均匀。
l 可保持单板理想的光泽、平整性及弹性，不易变色、褪色。
l 进一步减少了单板损耗，节省了原材料，可提高出材率3.5-6.5%。

三、纤维干燥工艺与设备
1、目的
MC变化：45％（热磨后）→70~80％（施胶后）→5~10％（干燥后）。

2、结构：长70~100m；直径1~1.5m。

3、工艺：1）时间：5~10s（“闪击式”），一般3.5~4.0s；
2）气流速度：20~30m/s（悬浮速度：8.5~10m/s）；
3）送料浓度：热介质：绝干纤维＝12m3：1Kg。

4、构成：燃烧炉——空气预热器——干燥管道——风送系统——旋风分离器——监测装置——防火设施

5、防火措施：

1） 定点防护：高敏探测器。
2） 控制干燥介质的含氧量（必须低于17％；安全值13.3％；实际情况18~20％）：增设含氧量控制系统，通过输入N2降低O2浓度。
3） 严格控制杂质含量：金属碎片或石子可能撞击管道壁产生火花。
4） 隔离措施：把干燥系统与分离和成型系统隔离。
5） 纤维阻燃处理：热磨后与胶粘剂同时加入阻燃剂。

四、刨花干燥工艺与设备
1、理论分析
刨花(特指木质刨花) 干燥是刨花板生产中的一个重要环节,干燥质量的好坏将直接影响到产品的质量。刨花干燥与成材干燥既有相似之处，同时也有很大的区别。
l 相似之处在于：
l 木材和刨花的干燥过程都是水分移动的过程；
l 木材和刨花的干燥过程都是与周围介质传热传质的过程，传热与传质方向相反；
l 木材和刨花的干燥过程都主要以对流为主，其次为传导。
l 不同之处在于：
l 刨花厚度小、比表面积大，因而水分移动路程短；
l 呈现疏松的运动状态，传热传质效率高，因而不易产生内部水分扩散慢于表面蒸发现象；
l 采用较高温度和较低湿度的干燥介质进行快速干燥，基本上属于恒速干燥；
l 干燥时不会发生翘曲、开裂等缺陷。

2、干燥工艺
刨花的干燥质量一般以最终含水率偏离指标的程度、终含水率的均匀性以及干燥后刨花破碎情况来评判。优良的干燥质量是通过正确地控制干燥时间(即刨花在干燥机内的停留时间) 、干燥介质温度及在干燥设备内的流动速度3项工艺参数来实现的。这些参数的拟定和控制无不直接依据湿刨花的初含水率、干燥的终含水率、平衡含水率、临界含水率及纤维饱和点。因此,在研究刨花对流干燥过程中的热质传递时,必须充分考虑到这几个关键含水率。
（1）初含水率：为了确保刨花形态，木材原料含水率在40 %~50 %；
（2）终含水率：为了确保热压安全，刨花终含水率确定在2 %~6 %；
（3）干燥介质入口温度：；
（4）干燥介质出口温度：；
（5）刨花/介质比例：

3、干燥方法与设备
刨花板生产线中的干燥机是刨花板过程中干燥刨花、控制刨花含水率的关键设备。刨花的干燥直接影响到产品的质量和产量。目前在刨花板生产过程中，使用的干燥机主要有以下一种结构形式:①滚筒式干燥机；②转子式干燥机；③管道式干燥机。
随着刨花板上业的不断发展，滚筒式干燥机由于其产量较小、效率较低、容易泄漏、维修困难等原因，在年产量超过15000m3刨花板生产线已很少使用；而转子式干燥机由于维修方便、效率较高、能耗较低、产量高，被广泛用于年产量为5000-50000m3刨花板的生产线；管道式干燥机通常应用于产量大的刨花板生产线或专用于防止刨花形态破坏的定向结构板生产线。

（1）转子式干燥机（Rotor Particle Dryer）
所谓“转子式干燥机”，即在干燥机筒身内，设置电动机驱动运转的传热管束，同时充当刨花流的推进装置和热源。刨花的滞留时间通过电机的调速（2~12r/min）实现。刨花螺旋式前进，同时在抄板作用下，不断上扬、翻滚和下落。在整个过程中，刨花间接吸收干燥管束加热介质传递来的热量(旁进暖风管传来的热风主要用来平衡机体内的环境温度，以利于加速热量的有效利用)。在吸热的同时，湿刨花产生的蒸汽从壳体上部排湿口通过外部风机排出壳体，从而实现湿刨花的干燥，得到生产上艺所需含水率的理想刨花。
干燥机主轴的传动是通过速度可调的电机带动减速机，再由减速机通过链轮链条将动力传递给干燥机主轴。通过调整电机的转速，可使主轴获得2-12r/nin的转速。这样可以根据刨花初含水率通过速度调整来控制刨花在干燥机内的停留时间，以达到最佳的干燥效果.例如，刨花原料采用鲜材时，初含水率可达到70%-80%，此时，在投料量为30m3/h、油温为180℃的条件下，将主轴速度调整为32r/min，刨花干燥后的含水率可达1.0%左右；当鲜材露天放置一段时间，经过自然干燥后刨花初含水率达50%-60%时，在投料量和热油温度不变的条件下，将主轴速度调整为4r/min时，刨花干燥后的含水率仍然可达1.0%左右。
热传递介质可为蒸汽、烟气或导热油。（A）使用蒸汽作为热介质，对设备的密封性能要求不高，但压力与温度稳定性差，供热能耗大、水资源浪费大，生产成本较高，因系统压力较高(最高可达1.6-1.8 MPa)，故安全性较差。（B）使用导热油作为热介质，其热焓值高，热损失少(供热方式为循环使用)，但对设备的密封性能要求高，对热油质量要求高，应选择专用导热油。此外，系统环境卫生条件要求较高，管道内部的杂质、焊渣等存在均会缩短导热油的使用寿命。因系统压力较低(约0.6-0.8MPa)，故安全性较好。导热油最高油温可达230℃，进出口温差可控制在25℃以内。进入干燥机内的导热油温度通过调节进油阀或回油阀的开启来控制，导热油的温度在200℃的情况下，比热可达2.6kJ/kg.℃，导热系数可达0.4kg/m.h.℃，具有传热均匀的特性，同时具有良好的热稳定性，其导热性和恒温性均强于蒸汽。实践证明：使用导热油为介质在同等条件下与蒸汽相比，可使刨花板的A级品率提高6%左右。采用以导热油为介质的另一优点是：在较低压力下可获得较高的温度，在通常情况下，刨花干燥机腔体内的温度在110℃左右时，工作压力约为6×105Pa，同等条件下，以蒸汽为介质的干燥机工作压力约为13-15×105Pa。所以在管束采用同样材质的情况下，采用以导热油为介质的干燥机其安全系数远远大于使用蒸汽为介质的干燥机。

注：上述材料以昆明人造板机器厂的BG235/2D转子式干燥机为例。

（2）通道式干燥机
在定向刨花板、华夫刨花板的生产中，为了避免在干燥过程中对刨花板形态造成过度破坏，采用通道式干燥机，工作原理与纤维的管式干燥类似，根据干燥时间和车间场地实际情况，分为单通道、三通道等形式。

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