CN105538453B - 一种加压蒸汽条件下的原木热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对不会对环境造成污染，工艺简单，成本低廉，且能够有效杀死原木中尤其是原木芯部害虫的加压蒸汽条件下的原木热处理方法，其步骤：在原木中心设置温度传感器；将原木放置在预热窑内以饱和湿空气加热，使得原木中心温度达到15‑25℃；把原木置于密闭处理窑内通入饱和蒸汽进行加热加压，使得饱和蒸汽表压达到0.13‑0.21MPa，温度达到125‑135℃；原木中心温度达到48‑52℃时停止加热，原木在自身内外温差的作用下木芯温度逐渐达到或超过71.1℃后至少保持75min；将处理窑内蒸汽向外排出，逐渐降低处理窑内温度和压力至常温常压。

Description

一种加压蒸汽条件下的原木热处理方法

技术领域

本发明涉及原木杀虫处理方法，具体地说，是一种以高温加压蒸汽杀死原木中的各种真菌和病虫害，例如寄生线虫的汽蒸杀虫处理方法，属于木材检疫除害技术领域。

背景技术

近些年，随着木结构建筑行业的发展，我国进口原木的数量越来越多，原木的防虫检疫工作越来越重要。

原木检疫热处理用于消除进出口原木中可能存在的各类病虫害，以保证出口地生态系统的健康安全。目前与我国签订协议可到岸进行检疫处理的原木有加拿大BC省木材，美国阿拉斯加材和俄罗斯远东材，主要为径级在200~600 mm的针叶材。

当前对于原木的检疫杀虫主要是采用药物熏蒸的方法。药物熏蒸主要是采用溴化钾。但是，溴甲烷是臭氧层破坏的原因物质之一，近年来从地球环境保护的观点出发，限制溴甲烷使用的倾向有所增强。因此，原木熏蒸结束后，需要对药物进行回收，但是回收成本相对较高，且回收不彻底的话，会对环境造成污染，另外，药物在原木中也会有所残留，造成后续的污染。药物熏蒸处理原木，主要对原木表层害虫起到作用，难以渗透到原木内部。

根据国家标准（GB/T 20478-2006），植物检疫热处理是“按照一定的技术规范，对商品加热直至该商品在最低温度点维持最短时间的过程”，通常采用的加热方法为汽蒸、干燥窑干燥或介电加热等。国家质检总局对进境原木的检疫热处理有明确的技术要求，即原木的木芯温度需达到71.1℃并保持75min。

汽蒸热处理是将木材置于蒸汽环境中进行加热，使生物体内的蛋白质，特别是酶发生变性，以达到除害效果。在汽蒸处理过程中应保证蒸汽处于或接近于饱和状态（干球和湿球温度相等），否则木材在被加热的同时还会伴随着内部水分的迁移和蒸发，即干燥过程。干燥使木材表面温度低于处理环境的温度，降低了木材表面到木芯的温度梯度，使加热时间随干湿球温差的扩大而呈指数级增加，当湿球温度低于木材心部的目标温度（71.1℃）时这种延迟效应尤为显著。原木汽蒸处理目前主要的问题在于能耗和时效性。对于直径为400mm，初含水率100%，比重为0.45的原木，在起始温度为21℃的热处理窑中采用98.9℃的饱和蒸汽中加热，木材中心达到71.1℃的时间的理论计算值为16.6小时。如果木材径级进一步增加，加热时间可延长至20多小时，相应的能耗也会增加。

木材介电加热通常以微波为加热介质。微波的超高频（300MHz~300GHz）电磁场会引发木材内部水分子的高速旋转和碰撞，使木材发热升温；与此同时，生物质的体液也会振动发热，热敏性蛋白质在高温下会发生凝固，使其在内外因素的双重作用下被杀灭。微波加热的优点在于时间短，加热在木材内外同时发生，而对流加热时热量需由木材表面向内部逐渐传递。但是由于木材本身的介电性很弱，微波加热的升温水平和均匀性受木材含水率、密度分布以及纹理方向的影响，由此会导致部分区域温度较低而影响灭虫效果。微波加热的另一个问题在于对木材的加热深度较浅，不适于原木和厚板材的热处理。国际植物保护公约组织已在其标准中明确规定，微波处理的木材厚度不得超过20cm。在进行规模化应用时，微波处理的能耗也很大，如用含水率45%、初始温度为10℃的杨木板材，以7s/个的速度生产托盘，相应的热处理设备功率可高达800kW。

原木也可以在干燥窑中进行干燥的同时完成除害处理。木材干燥技术在研究和应用上都已经历了长期的发展，形成了较为完整的理论和技术体系。但是这种方法主要用于板材，而原木的尺寸比普通板材要大得多，在干燥过程中内部的应力水平也高于板材，极易出现开裂等缺陷，破坏木材的质量，因而在实践中主要应用于径级小且易干燥的木材，在工艺上则多采用较“软”的干燥基准。干燥处理的另一个不足在于周期过长，汽蒸处理周期可以小时计，而干燥处理则需以天计，一般对原木进行剥皮或纵向开槽处理可以缩短干燥周期，由于进口原木只有经过检疫处理后才能进入木材加工区，因此这些方法都不适于检疫性干燥处理。

综合来说，在三种热处理方法中只有汽蒸处理法可适用于大径级原木的处理，因为木材在饱和蒸汽环境中的干燥过程十分缓慢，因此无需过多考虑木材处理过程中的应力和开裂问题。实际上在某些情况下原木经汽蒸处理后含水率还会略有增加，这是因为在饱和蒸汽条件下的加热属于相变换热，开始汽蒸时由于木材表面温度较低会使部分蒸汽冷凝而被木材吸收。

发明内容

本发明的目的是提供一种对不会对环境造成污染，工艺简单，成本低廉，且能够有效杀死原木中尤其是原木芯部害虫的加压蒸汽条件下的原木热处理方法，它克服了传统汽蒸处理在能耗和时效性面的不足，在满足处理要求的同时实现处理的高效和节能。

本发明所述的加压蒸汽条件下的原木热处理方法，它包括下述步骤：

a：预热：在原木中心设置温度传感器；将原木放置在预热窑内在温度为40~50℃，相对湿度100%的参数条件下进行预热，使得原木中心温度达到15-25℃；

b：汽蒸处理：把原木置于密闭处理窑内通入饱和蒸汽进行加热加压，使得饱和蒸汽表压达到0.13-0.21MPa，温度达到125-135℃；温度传感器检测的原木中心温度达到48-52℃时停止加热，原木在自身内外温差的作用下木芯温度逐渐达到或超过71.1℃后至少保持75min；

c：冷却：将处理窑内蒸汽向外排出，逐渐降低处理窑内温度和压力至常温常压。

上述的原木热处理方法，冷却时将处理窑内排出的蒸汽排入到预热窑内对原木进行预热。

上述的原木热处理方法，汽蒸处理时，先向处理窑内通入饱和蒸汽，快速升温至65-75℃并保持约10min；然后使得饱和蒸汽温度快速升温至125-135℃，蒸汽压力同步上升至0.13-0.21MPa。

上述的原木热处理方法，冷却时，保持窑内蒸汽处于饱和状态下，向窑外排出蒸汽，窑内蒸汽温度下降速度8-12℃/h，逐渐冷却木材并同步降低窑内压力至常压。

本发明的有益效果：本发明以高温蒸汽作为消灭害虫的热源，相对于药物熏蒸本方法是纯物理处理，没有污染。而且采用蒸汽高温处理可以达到原木芯部，杀死原木芯部的害虫，效果显著。

采用加压饱和蒸汽替代常压蒸汽，缩短处理周期。由于原木热处理需在饱和蒸汽环境中进行，因而在常压下蒸汽温度被限制在100℃以下，而采用加压饱和蒸汽后蒸汽温度可进一步上升，使热处理时间显著缩短。仍以初始温度为21℃，径级为400mm的原木为例，当蒸汽温度上升至130℃时，加热时间可缩短至约13h。此外，加压蒸汽对处理窑的密闭性提出了更高的要求，有助于实现在停止加热加压后原木在内外温差的作用下木芯温度上升过程中所需的绝热环境。

利用木材内部的自发性热平衡使木芯温度达到处理要求，降低处理能耗。目前木材热处理的一般操作是在原木中心插入温度传感器，在处理过程中实时监测原木中心温度，待温度达到71.1℃并保持75min后停止加热。原木由于断面尺寸较大，当木芯温度达到71.1℃时，原木表皮温度等于处理介质温度，即表面和芯部存在显著的温度梯度，在绝热条件下，该温度梯度会驱动木材内部的热量传递，当木材内外温度最终达到一致时，其木芯温度值一定高于71.1℃，超出了国家标准的要求，产生了不必要的热量消耗。由此，在实际处理时可在较低的温度水平下就停止加热，同样也能满足国家标准的技术要求。根据试验，在100℃的常压蒸汽条件下对直径400~600mm的原木进行加热，木心温度的自动提升可达25℃左右。

在整个升温过程中，窑内一直保持湿度在100%，使原木内的水分不蒸发，原木不会因为干燥而出现开裂的缺陷，同时保证一定的升温速度，处理后的原木力学性质基本不变。

冷却时将处理窑内排出的蒸汽排入到预热窑内对原木进行预热，也就是说，预热阶段所需热量部分来自于后续冷却阶段排放尾气中的余热，用余热对木材进行预热，减少能耗。在北方地区，预热阶段处理还可用来对冬季的冻材进行解冻。在南方地区，如环境温度的四季变化较小，则预热阶段可以省去。

汽蒸处理时，饱和蒸汽温度达到125-135℃即可，不宜进一步升高，以防止木材化学组分在高温下发生热解，影响木材的强度指标。冷却时，控制降温速度，保持处理窑内蒸汽处于饱和状态，防止木材由于过快降温而产生热应力对木材质量造成影响。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

将含水率28.4%，小头直径49cm，大头直径61cm，长度约4m，初始温度为2℃的阿拉斯加云杉原木适当放置在预热窑内，在原木中间预埋热电偶，深度至原木中心。向预热窑内通入湿空气，对原木在温度为50℃，相对湿度100%的条件下预热，12小时后木材温度升至15℃。

接着，将原木移至密闭处理窑，向处理窑内通入蒸汽，使得处理窑内干湿球温度快速升至70℃并保持约10min。之后将窑内蒸汽温度快速升至135℃，将蒸汽压力同步上升至0.21MPa，使木材在加压饱和蒸汽中加热。加热12h后，木芯温度达到48℃，停止加热；12h后木芯温度达到71.1℃，2小时后木芯最高温度达到76.3℃。然后将处理窑内蒸汽向外排出，逐渐降低处理窑内温度和压力至常温常压。处理窑排出的蒸汽通入预热窑内，用于对原木进行预热。处理结束后，未发现表面开裂，原木有轻微端裂现象。

在实际应用中，原木的预热和热处理分别在预热窑和热处理窑中独立进行，第一批原木进行热处理时，第二批原木可同步进行预热。在热处理窑中的处理过程约30h，其中汽蒸加热时间为12h。

实施例2

将含水率18.1%，小头直径37cm，大头直径40cm，长度约4m，初始温度为5℃的花旗松原木适当放置在预热窑内，在原木中间位置埋热电偶，深度至原木中心。向预热窑内通入湿空气，对原木在温度为50℃，相对湿度100%的条件下预热，8小时后木材温度升至15℃。

接着，将原木移至密闭处理窑，向处理窑内通入饱和蒸汽，使得处理窑内干湿球温度快速升至70℃并保持约10min。之后将窑内蒸汽温度快速升至125℃，将蒸汽压力同步上升至0.13MPa，使木材在加压饱和蒸汽中加热。加热8h后，木芯温度达到50℃，停止加热；11h后木芯温度达到71.1℃，1.5小时后木芯最高温度达到74.8℃。然后保持窑内蒸汽处于饱和状态下，向窑外排出蒸汽，窑内蒸汽温度下降速度10℃/h，逐渐冷却木材并同步降低窑内压力至常压。处理窑排出的蒸汽通入预热窑内，用于对原木进行预热。处理结束后，未发现表面开裂，原木有轻微端裂现象。

在实际应用中，原木的预热和热处理分别在预热窑和热处理窑中独立进行，第一批原木进行热处理时，第二批原木可同步进行预热。在热处理窑中的处理过程约24h，其中汽蒸加热时间为8h。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (4)

1.一种加压蒸汽条件下的原木热处理方法，其特征在于，它包括下述步骤：

a：预热：在原木中心设置温度传感器；将原木放置在预热窑内以饱和湿空气加热，使得原木中心温度达到15-25℃；

b：汽蒸处理：把原木置于密闭处理窑内通入饱和蒸汽进行加热加压，使得饱和蒸汽表压达到0.13-0.21MPa，温度达到125-135℃；温度传感器检测的原木中心温度达到48-52℃时停止加热，原木在自身内外温差的作用下木芯温度逐渐达到或超过71.1℃后至少保持75min；

c：冷却：将处理窑内蒸汽向外排出，逐渐降低处理窑内温度和压力至常温常压。

2.如权利要求1所述的原木热处理方法，其特征在于，冷却时将处理窑内排出的蒸汽排入到预热窑内对原木进行预热。

3.权利要求1所述的原木热处理方法，其特征在于，汽蒸处理时，先向处理窑内通入饱和蒸汽，快速升温至65-75℃并保持10min；然后使得饱和蒸汽温度快速升温至125-135℃，蒸汽压力同步上升至0.13-0.21MPa。

4.权利要求1所述的原木热处理方法，其特征在于，冷却时，保持窑内蒸汽处于饱和状态下，向窑外排出蒸汽，窑内蒸汽温度下降速度8-12℃/h，逐渐冷却木材并同步降低窑内压力至常压。