棉秆和桑枝疏解木束干燥特性的研究

时萌蒙，雷亚芳，宋孝周，张保健，肖建平

(西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100)



棉秆和桑枝疏解木束干燥特性的研究

时萌蒙，雷亚芳，宋孝周，张保健，肖建平

(西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100)

【目的】 对棉秆、桑枝疏解木束干燥特性进行分析，获得2种疏解木束干燥的最优工艺，为生物质资源的综合利用提供参考。【方法】 以棉秆、桑枝疏解木束为研究对象，采用电热鼓风干燥箱进行试验，在单因素试验结果基础上确定L9(34)正交试验因素水平，研究木束初始干基含水率、气流温度、干燥箱装载率等因素对木束干燥特性的影响，运用极差分析法和方差分析法比较各因素对干燥时间影响的差异，干燥时间以将木束干基含水率降至6%为准，含水率的测定参照国家标准GB/T 1931-2009。【结果】 棉秆、桑枝疏解木束的干燥可采用高温快速干燥方式，其中棉秆束的最优干燥工艺参数为初始干基含水率60%、气流温度110 ℃、干燥箱装载率35%，在此条件下，干燥时间为31 min；桑枝木束最优干燥工艺参数为气流温度120 ℃、初始干基含水率80%、干燥箱装载率45%，在此条件下，干燥时间为65 min。【结论】 在重组方材生产过程中，对不同的材料需要合理控制干燥条件，以节约成本优化重组方材的生产工艺。

棉秆；桑枝；疏解木束；干燥工艺

生物质重组方材是以生物质秸秆、小径级木材或枝桠材为原料，借鉴重组木、重组板材制造工艺[1-5]加工的一种新型人造材料。生物质原料经过疏解加工成纵向不断裂、横向松散而又交错相连的网状单元束，单元束经过干燥、施胶后铺装成板坯，再经上下和前后四面同时热压后形成重组方材[6-8]。原料经碾压疏解得到的网状木束是构成重组方材的基本单元，与刨花、纤维、单板等构成单元不同，网状木束较好地保持了原料原有的特性，从而保证了重组方材的物理力学性能。

在制备重组方材的过程中，未干燥的木束在压制板材时，不仅会影响板坯的铺装，还会对胶黏剂的吸收产生影响。由于含水率较高，热压产生的蒸汽压力较大使板材发生鼓泡、分层等缺陷[9]，因此，木束的干燥质量是制备重组方材的关键因素之一。随着Coleman等[10]对重组木的研发，从20世纪70年代末，我国对重组木的研究也日趋深入，东北林业大学对木束的干燥进行了定性研究[11]，北京林业大学对杉木木束的干燥进行了定量分析，其研究结果显示，木束初含水率、干燥气流温度和装载量对杉木木束热风循环的干燥都有不同程度的影响[12]。李延军等[13-15]探索了杉木木束的干燥特性，分析了干燥过程中木束内部水分在非稳态状态下的扩散及其影响因素，研究了在高温对流干燥过程中杉木木束内部水分迁移和热量传导过程的规律，建立并求解了传热传质的数学模型，为确定杉木木束干燥生产的工艺参数及控制方案提供了理论依据。冯谦等[16]和王冠[17]研究了桑枝屑快速干燥机理，为桑枝碎料干燥提供了理论依据。但对于以桑枝为原料制备木束的研究尚未见文献报道；对于棉秆束的干燥，林雅文等[18]利用数字型洞道干燥试验装置，探讨了不同因素对疏解棉秆干燥速率的影响，并得到改良的Page模型，但发现所用DG100D数字型洞道干燥装置的干燥室宽度不能满足重组方材对木束尺寸的要求。因此，本研究采用电热鼓风干燥箱，分析木束初始干基含水率、气流温度、干燥箱装载率[19]等单因素对棉秆束、桑枝木束干燥特性的影响，并据此安排L9(34)正交试验进行极差分析和方差分析，以获得木束干燥的最优工艺，从而为重组方材的制备节约时间成本。

1　材料与方法

1.1设备与仪器

蒸煮罐和疏解碾压机，均由西北农林科技大学研制；101-1AB型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司产品；208-2型电子天平，上海昊宇衡器有限公司产品。

1.2试验材料

试验材料均采自西北农林科技大学试验田。棉秆系杂交棉棉秆，平均含水率11.17%；桑枝属人工间伐材，1年生，平均含水率9.10%。

棉秆、桑枝经去枝、去根后锯截成400 mm长的小段，分别放置于蒸煮罐中软化蒸煮，然后用疏解碾压机将其加工成网状木束，手工去皮后分选待用。本试验取中等形态的木束，形态基本均匀一致，其中棉秆束平均长、宽、厚分别为406.20，7.64和4.74 mm，桑枝木束平均长、宽、厚分别为412.70，6.88和 4.97 mm。

1.3试验方法

1.3.2试验因素水平的确定影响木束干燥时间的因素很多，如树种、木束形态、初始干基含水率、气流温度、气流速度、干燥箱装载率、铺装方式等[12]。本试验采用电热鼓风干燥箱设置气流速度为中档、不可调，选取初始干基含水率、气流温度、干燥箱装载率3个因素分别进行单因素试验，其中，初始干基含水率设为20%，60%，80%，100%和120%，气流温度设为60，80，100，120和140 ℃，装载率设为15%，20%，25%，35%和45%；各因素固定水平为初始干基含水率(80±2)%、气流温度(103±2) ℃、干燥箱装载率40%，研究3个因素对木束干燥时间的影响。

(1) 初始干基含水率。在木束干燥过程中，降低初始干基含水率会减少木束干燥时间，但是根据试验过程中木束形态的变化发现，在利用疏解碾压机制备网状木束时，棉秆含水率在50%以上[21]、桑枝含水率在85%左右才能保证疏解木束的良好性能，从而保证压制重组方材的质量。考虑到提高生产效率、节约能源等因素，因此疏解时应调整棉秆初始干基含水率在60%左右，桑枝初始干基含水率在85%左右。同时，初始干基含水率的均匀性也是影响干燥质量的重要因素，因此疏解后的木束应密封保存，使其进入干燥箱时木束含水率相对均匀，以提高干燥质量。

(2) 气流温度。干燥箱内气流温度越高干燥效率越高、能力越强。单因素试验结果显示，当温度上升至120 ℃时，干燥效率变化不再明显；与此同时，无论是对于棉秆束还是桑枝木束，试验中均未出现木束变色或炭化现象，但考虑到试验中有少量形态较小的木束，如果温度过高有可能引发火灾，造成危险。因此，在保证生产需要的前提下，综合考虑生产效率、质量和安全因素，建议干燥温度控制在100～120 ℃。

(3) 干燥箱装载率。在木束干燥过程中，装载量是指干燥箱每次干燥木束的量，其大小由干燥箱容积和系统性能决定。装载量实际是干燥系统生产能力的体现，其大小直接决定了生产效率的高低。而装载率是指木束质量占干燥箱满载时木束质量的百分比，即干燥箱装载量与满载量之比[19]。单因素试验结果显示，无论对于棉秆束还是桑枝木束，当装载率从35%增加到45%时，干燥曲线变化不大，表明干燥时间、干燥速率变化不大。因此，根据实际生产需要，在保证木束最终干燥品质的条件下，在一定范围内提高干燥箱装载率有利于提高生产率。在本试验中，认为将干燥箱装载率控制在45%左右比较合适。

1.3.3正交试验设计根据单因素试验结果，对木束初始干基含水率、气流温度、干燥箱装载率3个因素分别取3个水平，采用L9(34)正交试验表[22]安排试验，各因素及其水平见表1，并对试验结果进行极差分析和方差分析[23]。通过预试验观察得知木束在干燥过程中形状、色泽等基本没有变化，因此以干燥终了时间为考察指标分析各因素对疏解木束干燥特性的影响。试验于干燥箱内气流温度逐渐上升至设定条件后开始，每2～6min称质量1次，记录木束质量，直到干燥过程结束，即干燥至终含水率6%。每组平行试验重复3次，结果取其平均值。

表 1　棉秆束和桑枝木束干燥正交试验的因素及水平Table 1　Levels and factors of orthogonal test of drying cotton stalk based wood bunch and mulberry branch based wood bunch

1.3.4验证试验设计根据正交试验结果，分别对2种试材优选条件进行验证，每组平行试验重复3次，结果取其平均值。

1.4数据分析方法

试验数据采用平行试验平均值表示，正交试验结果运用SPSS 12.0 软件进行极差分析和方差分析。

2　结果与分析

2.1棉秆束干燥正交试验结果

棉秆束干燥的正交试验结果见表2，对该试验结果的极差分析和方差分析分别见表3、表4。由表3中各因素对棉秆束干燥时间影响的极差分析可知，在本试验条件下，棉秆束初始干基含水率对干燥时间影响最显著，气流温度次之，干燥箱装载率影响最小。由表3还可知，棉秆束初始干基含水率取第2水平60%，气流温度取第2水平110 ℃，装载率取第1水平35%时，所需干燥时间最短。

由表4中各因素对棉秆束干燥时间影响的方差分析可知，在本试验条件范围内，相较于气流温度、干燥箱装载率，棉秆束初始干基含水率对干燥时间有极显著影响。由于疏解后棉秆束的网状结构比较疏松且厚度小，因而木束初始干基含水率的变化使得相应需要烘干的自由水和结合水变化明显，而气流温度及干燥箱装载率在木束及料层表芯层即厚度方向所能引起的水分迁移却没有那么明显，表芯层蒸汽压力变化不大，即不同含水率的木束水分蒸发的速度基本一致，因此棉秆束初始干基含水率的高低直接影响干燥时间的长短，在实际生产中应合理控制初始含水率,缩短干燥时间，以节约生产成本。

表 2　棉秆束干燥正交试验结果Table 2　Results of orthogonal test in drying cotton stalk based wood bunch

表 3　各因素对棉秆束干燥时间影响的极差分析Table 3　Range analysis on influence of technological factors on drying time of cotton stalk based wood bunch

表 4　各因素对棉秆束干燥时间影响的方差分析Table 4　Variance analysis on influence of technological factors on drying time of cotton stalk based wood bunch

注：F0.10(2,20)=2.59，F0.05(2,20)=3.49，F0.01(2,20)=5.85，*表示影响显著，**表示影响极显著。表7同。

Note:F0.10(2,20)=2.59,F0.05(2,20)=3.49,F0.01(2,20)=5.85,* means significant,** means extremely significant.Same for Table 7.

2.2桑枝木束干燥正交试验结果

桑枝木束干燥的正交试验结果见表5，对该试验结果的极差分析和方差分析分别见表6、表7。由表6中各因素对桑枝木束干燥时间影响的极差分析可知，本试验条件下，气流温度对干燥时间影响最显著，木束初始干基含水率次之，干燥箱装载率影响最小。由表6还可知，气流温度取第3水平即120 ℃，木束初始干基含水率取第1水平80%，干燥箱装载率取第2水平45%时，所需干燥时间最短。

由表7中各因素对桑枝木束干燥时间影响的方差分析可知，本试验条件下，桑枝木束初始干基含水率及干燥箱内气流温度对干燥时间有极显著影响，而干燥箱装载率对干燥时间的影响不大。相较于疏解后的棉秆束，桑枝木束的网状结构比较致密且厚度大，因而在干燥过程中，气流温度的变化使得高温介质作用下木束表层水分所获得的汽化能及芯层水分扩散能力的变化更明显，即干燥过程中木束内部蒸汽压力大小决定其水分蒸发的快慢，因而对干燥时间影响最明显。因此在实际生产中桑枝木束应同时合理控制干燥木束的初始干基含水率及设备的气流温度。

表 5　桑枝木束干燥正交试验结果Table 5　Results of orthogonal test in drying mulberry bunch based wood bunch

表 6　各因素对桑枝木束干燥时间影响的极差分析Table 6　Range analysis on influence of technological factors on drying time of mulberry bunch based wood bunch

表 7　各因素对桑枝木束干燥时间影响的方差分析Table 7　Variance analysis on influence of technological factors on drying time of mulberry bunch based wood bunch

2.3棉秆束和桑枝疏解木束干燥工艺的确定和验证

表8为棉秆束和桑枝木束分别在正交试验所得最佳工艺条件下的验证试验结果。

表 8　棉秆束和桑枝疏解木束在其较佳工艺条件下的验证试验结果Table 8　Results of verifying test under the best drying process for rolling and combing fibre bunch

由表8可知，棉秆束、桑枝木束在其较佳工艺条件下的干燥时间平均值分别为31和65 min，这与棉秆束、桑枝木束干燥正交试验结果相符，且干燥时间在试验范围内均为最短，满足较佳工艺条件要求。

3　讨　论

研究发现，疏解棉秆干燥时间与初始干基含水率、气流温度、铺装质量有密切关系；当干燥棉秆束试样的平均长度、断面最大厚度、最大宽度分别为145，10和18 mm时，对干燥终止时间的影响从大到小依次为初始干基含水率、气流温度、铺装质量和风速，且风速对干燥时间的影响极小，可归为误差考虑[18]。本研究结果与这一结论相符，表明不同形态的疏解棉秆束对干燥时间的影响规律一致，因此考虑到节约成本，在实际生产中棉秆束的干燥要合理安排并控制木束初始干基含水率及干燥设备内的气流温度。

桑枝间伐材或枝条作为新晋的重组方材原料，目前对其特性的研究较少，对桑枝木束的干燥尚未见报道。本试验对桑枝疏解木束干燥特性的研究，借鉴了比较成熟的棉秆束干燥过程、桑枝屑干燥过程和杉木木束热风循环干燥工艺等，采用的试验方法比较单一，因此所得到的试验结果只是初步的，今后还应利用多种方法进一步研究桑枝木束的干燥特性。

4　结　论

1)本研究表明，各因素对棉秆束干燥时间的影响从大到小依次为初始干基含水率、气流温度、干燥箱装载率，而桑枝木束影响因素依次为气流温度、初始干基含水率、干燥箱装载率。

2)在本试验条件下，棉秆束的最优干燥工艺参数为：木束初始干基含水率60%，气流温度110 ℃，干燥箱装载率35%，在此条件下干燥时间为31 min；桑枝木束的最优干燥工艺参数为：气流温度120 ℃，木束初始干基含水率80%，干燥箱装载率45%，在此条件下干燥时间为65 min。

综合分析可知，网状木束作为一种新型重组材原料单元，其干燥可采用高温快速干燥方式进行，但对于不同材料，需要在保证疏解木束性能的同时合理控制干燥条件，以优化重组方材的生产工艺。

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Drying characteristics of wood bunch from cotton stalk and mulberry branch

SHI Mengmeng,LEI Yafang,SONG Xiaozhou,ZHANG Baojian,XIAO Jianping

(CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study aimed to analyze the drying properties of wood bunch from cotton stalk and mulberry branch and obtained the optimum drying process to improve its utilization.【Method】 The drying process was tested used electric drying oven with forced convection.The influences of main parameters (initial moisture content based on dry weight,air temperature and loading rate) on drying time of wood bunch from cotton stalk and mulberry branch were analyzed by range analysis and variance analysis with L9(34) orthogonal test.The drying process stopped when the moisture content was 6% and the moisture content was determined on the basis of the national standard GB/T 1931-2009.【Result】 Cotton stalk based wood bunch and mulberry branch based wood could be quickly dried using high temperature.The best drying process for the cotton stalk based wood bunch was:initial moisture content based on dry weight 60%,air temperature 110 ℃ and loading rate 35%.Under this condition,the drying time was 31 min.The best drying conditions for mulberry branch based wood bunch was:air temperature 120 ℃,initial moisture content based on dry weight 80%,and loading rate 45%.Under this condition,the drying time was 65 min.【Conclusion】 In the production process,reasonable drying process needs to be controlled for different materials for energy conservation.

cotton stalk;mulberry branch;rolling and combing wood bunch;drying process

时间:2016-08-0909:41DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.09.017

2015-03-09

国家林业局林业公益性行业科研专项(201304511)

时萌蒙(1989-)，女，陕西渭南人，在读硕士，主要从事木材加工新技术研究。E-mail:shimengmeng1114@126.com

雷亚芳(1965-)，女，陕西合阳人，教授，博士，主要从事木质资源加工与利用研究。E-mail:leiyafang@sina.com

TS652

A

1671-9387(2016)09-0128-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160809.0941.034.html