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《中国胶合板行业干燥白皮书》正式发布

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-08-17 10:08:39    浏览次数:3312    评论:0
导读

前言将企业与行业进行对比和标杆分析是常用的一种对企业未来发展进行预测的方法。即使没有毕业于北京大学或是哈佛大学这样的世界名校也能够看出社会的各个行业都在朝着自动化的方向发展,也能够理解这一趋势为何能够席卷各行各业。目前已经有许多行业已经开始适应和发展自动化技术,但有一些行业却没能跟随自动化的浪潮,始

前言

将企业与行业进行对比和标杆分析是常用的一种对企业未来发展进行预测的方法。即使没有毕业于北京大学或是哈佛大学这样的世界名校也能够看出社会的各个行业都在朝着自动化的方向发展,也能够理解这一趋势为何能够席卷各行各业。目前已经有许多行业已经开始适应和发展自动化技术,但有一些行业却没能跟随自动化的浪潮,始终处于发展先进技术的初期阶段。这样的情况不仅发生在中国,在全球范围内都是如此。与早年的欧洲和美洲一样,中国的许多行业正在充分利用现代化技术,朝着不断提高效率的方向迈进,产品的质量和产能都日新月异。相反的是,其他一些行业与五十年前相比几乎没有变化。

中国的胶合板产业正在经历产业转型,需要解决产品质量和生产效率之间的矛盾。中国的胶合板生产厂商相比于世界其他地区生产厂商整体上在技术的差距正在突显。这种现象形成的原因根据类别,大致可以分为以下三类:第一,来自中国在原材料供给情况以及森林管理结构方面的所带来的影响;第二,来自最终用户对质量和价格的要求,即一般市场行情所带来的影响;第三,来自中国胶合板制造业所使用的生产技术以及胶合板行业自身对于质量、产能、效率和利润等方面设定的指标所带来的影响。

将中国的胶合板行业与世界其他地区胶合板行业进行比较,两者最大的不同之处在于,中国将整个胶合板产业划分为两个几乎独立的部分,即单板生产部分和胶合板生产部分。这种特殊的产业结构,造成生产上不能完全连续,而处于两个步骤之间的单板干燥环节作为“间断点”,自然而然的在中国有了与世界其他地区不同的情况。需要肯定的是,利用太阳作为主要能源进行自然晾晒来对单板进行干燥处理是非常合乎逻辑的,历史上很多地区都长时间的采用了这种方法作为干燥湿单板的主要方式。然而,现在世界上的其他地区,几乎都已经不再采用这种传统方法来进行干燥处理。而为何世界其他地区不再继续使用这种方法而转向了工业化干燥?这其中的原因值得我们思考。

本文是《中国胶合板行业白皮书》系列中的第一篇。《中国胶合板行业白皮书》旨在客观的以全球化的视角阐述未来将可能会影响中国胶合板行业因素。劳特(Raute)作为全球胶合板和单积层板材行业的领军者,我们并没有试图解释每一个现象背后真正的形成原因,例如:为什么该中国的胶合板行业会划分为两个单独的生产部分?尽管这两个部分对干燥方法的选择有着直接的影响。并且我们也不会在此分享完整的商业案例,并尝试证明其投资的合理性。本文将围绕讨论影响单板质量的基本因素,单板干燥所需的能耗,以及最佳干燥条件。本文将客观的表达基于物理学原理的事实,而不是主观的表达来自劳特(Raute)的“观点”。

目录

一.木材结构和水

二.单板干燥过程

三.单板干燥的成本

四.单板干燥方法

五.高效干燥工艺

六.干燥中的能耗

七.单板干燥工艺的优点

八.对干燥工艺的投资

九.结论

一. 木材结构和水

木材结构和水

木质材料是一种具有植物细胞结构的材料,而每一种木材的植物细胞结构则因木材种类的不同而不同,一般按照阔叶木材和针叶木材两大类别进行分类。树干中处于不同位置的部分的木材水分含量也会有所不同,从纵向角度来看,树顶部分相比根部附近的含水率较高。而从横向角度来看,其含水率会因具体木材种类的不同有所差异。一般情况下,阔叶木材从木材表面和木芯之间的横向水分变化不是很大,大约为100%至60%不等。而针叶木材从木材表面和木芯之间的横向水分变化则相对较大,大约在200%至50%之间。这是由于密度差异大所致的,针叶木材的芯材密度较小而边材密度较大。从显微镜下观察的话,木材中的水分位于木材的细胞结构中:木细胞之间、木细胞内部和细胞壁内部。

在木细胞间隙、木细胞内部存在的水,被称为“游离水”,而存在于细胞壁内的水被称为“结合水”。在干燥单板过程中,游离水将会首先被去除。当干燥过程即将结束时,木质材料的尺寸发生改变(收缩)时,结合水将会被去除。如果将木材的含水率(M.C.)以百分比(%)计算,机械木材加工过程中木材含水率的计算公式如下:

M.C.=(质量(木材+水)-质量(烘干))/(质量(烘干))×100%

由公式中可以看出,木材的含水率是能够达到100%以上。含水率大于100%则表示木材的吸水量大于木材的重量。

单板进行干燥处理前,了解木材的含水率是至关重要的,但更重要的是要了解单板真实的含水率。木材密度对含水率有显著影响。以含水率为100%和密度差异在370-410 kg/m3之间的杨木单板为例,在相同干燥参数下进行干燥处理,单板中的含水率是不同的。当单板密度为370 kg/m3时,1m3单板中有370 kg的水,如果单板密度达到410 kg/m3,在1m3单板中则有410 kg的水,这意味在密度更高的木材单板中需要额外去除水分。相比370 kg/m3,密度为410 kg/m3的单板需要多去除11%的水分。

二.单板干燥过程

单板干燥过程分为三步,可以根据单板干燥的目的来进行描述,即:

1.  去除单板水分,将单板含水率降至能够高效的对单板施胶和压制胶合板的水平;

2.  控制去除水分的过程,减少如单板因过干而破碎所导致的品质下降所造成的不必要的损耗,同时仍需实现较高的产能和收益。

3.  尽量减少干燥过程中的能耗,从而提高干燥工艺的能效。

对干燥过程中单板干燥前后的含水率进行统计,得到的结果如下图所示。图1所展示的是传统干燥方法的干燥效果,图2展示的是采用现代先进的工业干燥工艺的效果,通过两张图片的对比,我们能够观察到两者的明显不同,这也为本文的进一步讨论奠定了基础。

图1

图1——传统工业化干燥工艺,大量单板过度干燥(0%M.C.),生产的单板品质过低。

图2

图2——先进干燥工艺,控制单板的最终含水率,获得较高的价值和产量。

三.单板干燥的成本

单板干燥是一种工业过程,需要资源以及人员成本。单板干燥工艺的成本可分为以下几类:

1.热能和电能成本;

2.人工成本;

3.设备投资和维护成本。

热能用于加热干燥机中的空气,并将木材细胞结构中的水移除到空气中;电能用于干燥机内单板的移动以及循环空气。人工用于操作和观察干燥过程。整个生产过程都需要用到干燥机技术,而持续运行则需要维护相关技术。

四.单板干燥方法

干燥

目前,中国单板和胶合板行业的单板干燥方法主要有三种:日晒干燥、网带式干燥机和辊筒式干燥机。日晒干燥则属于人工操作的方法。网带式干燥机和辊筒式干燥机则属于用设备进行的工业方法。

日晒干燥是利用木材的吸湿特性,在自然的环境中通过太阳照射进行晾晒。这意味着木材的含水率将取决于周围的空气情况,与室外空气的温度和湿度有关。这会导致单板干燥情况不能保持稳定,会因为天气条件的变化而变化,这是胶合板行业不争的事实。虽然日晒干燥的成本较低,但需要大量人工进行操作,并且无法实现单板含水率的稳定。此外,这种方法只有在单板尺寸为2’X4’时才能较好地进行干燥。因为需要先清除单板中的多余水分才能使单板有效的胶合。所以通常情况下,通过日晒晒干的单板会造成在胶合工序和热压工序产生更多的成本支出,需要使用更多的胶水和更多的热压时间,热压能耗也会更大。

带式干燥机和辊筒式干燥机工艺相似,不同的是单板的运输方式,即单板是在网带上传输,还是在旋转辊上传输。自动干燥过程中,最重要的因素是根据特定单板性能参数严格控制干燥条件。目前最先进的干燥工艺可以做到全自动生产,通过自动送料机将单板输送到干燥机,干燥后自动分级堆放干燥单板。

五.高效干燥工艺

实现高效干燥工艺前需要收集和了解以下信息。首先需要了解进行干燥处理单板的实际情况、干燥机内的运行情况以及预期的干燥结果。其次需要选择使用了自动化技术的干燥设备。必须具有各项自动控制功能和对不同的工艺进行自动调节的功能。并且需要相关的操作人员进行过操作培训,操作人员需要了解干燥的过程并且在出现问题是,能够快速的在不同的条件下调整相对应的正确参数。每一种木材种类的单板都须遵循其干燥工艺特定的工艺参数。

毫无疑问,对干燥过程进行工业化控制是唯一能够将正态分布(图3)区间尽可能挤压的关键,以确保同一批单板的含水率能够符合要求。那么如何在干燥的过程中实现高效率的工业干燥?最直接的答案是,从干燥开始前就需要进行准备。在进行干燥之前,要测量单板的含水率,并按照不同的含水率将单板划分为“低含水率”和“高含水率”分别进行堆垛。对于不同含水率的单板需要使用不同的参数分别进行干燥。只有这样,才能够在同一批干燥的单板中,实现挤压正态分布范围的目的,从而使得干燥效率和单板的质量都能够达到最高。

图3

图3——两组单板的初始含水率分布及分类

如前文图2所示。根据单板含水率的不同对湿单板进行分类,以确保干燥过程的高效,避免大量单板被过度干燥以及减少不必要的能量消耗。

表格1

表格1——两种湿单板含水率分等(每组50%)的干燥效率实例计算

根据含水率将湿单板分为两类,能够使干燥时间从4分钟缩减到3.5分钟,共节省12.5%的干燥时间。这将充分提高能源的利用率,节省不必要的能量浪费。

然而即使这样,也并不能真正的解决中国胶合板行业在干燥环节上的挑战。我们仍然面临着一些挑战,其中甚至有些重大的挑战。众所皆知,手工测量每个单板的含水率以及手工堆垛这些单板会造成不便和低效。所以测量单板含水率和以及按照“低含水率”和“高含水率”分别进行堆垛的假设成立都基于同一个前提:我们能够利用自动化技术来执行这些步骤。而另一方面,中国的单板生产长期依靠人工,是一个依靠“手工”进行生产的过程。因此,考虑到方便人工处理单板的操纵性,很自然地造成中国将单板的标准尺寸变成2‘x4’。恰恰相反的是,目前所有的自动化生产线都针对4‘x4’尺寸甚至更大的单板尺寸进行开发的。如图4所示。生产大尺寸的单板能够大大降低劳动力成本,并且提高生产效率。那么实际所面临的问题是:为什么没有人愿意针对中国市场开发2‘x4’单板的自动化设备?答案也很简单:因为将2‘x4’作为生产标准尺寸的唯一原因是需要方便人工进行操作,因此并不会有设备商会开发这样的设备。所以我们可以得出结论:当选择进行自动化生产时, 2‘x4’大小的单板将不会再作为标准尺寸。

图4

图4——自动化干燥工艺每年可节省的潜在成本,取决于选择的干燥技术

干燥机的内部条件也是实现高效干燥工艺中的一个重要因素,稳定的干燥条件能够使得生产的单板质量高、生产需要的能耗降低。因为高湿度最能有效地传递热量。根据理论和实践,在干燥机内空气的保持高温高湿条件下,干燥工艺的能耗最低、干燥出单板质量最高。另外,高湿空气以高速、正确方向的流动也是至关重要的。这将对传递单板表面的热量以及将单板中的水移除到循环空气中的过程造成影响。

干燥工艺的成本很高,需要严格和全面控制干燥的过程,这需要使用先进的仪器对单板的含水率进行测量,得到单板的含水率信息。因为许多因素都会对单板干燥的效率有影响,如如木材的种类、单板的厚度、单板的初始以及最终含水率、干燥空气的温湿度、干燥机内空气的流速、排气流量的控制、单板(输送机)的传输速度和单板表面的温度等。所以原则上,工业单板采用何种干燥工艺主要取决于单板干燥的木材种类和使用目的。先进的干燥设备应具备对干燥过程中的大部分影响因素的测量技术,并将收集到的测量信息进行分析,用于干燥过程的自动化控制。设备还需要配备先进的PLC控制系统和智能分析处理软件才能够同时对多种影响因素进行全面的分析,从而实现干燥过程持续稳定高效的运行。

六.干燥中的能耗

对单板进行干燥的过程是一个物质状态转变的物理过程,这将需要一定的能量才能够使其发生。一般而言,从木材中去除1 kg的水需要大约2.5 MJ的能量。例如,对于桉树单板而言,如果对一立方米(m3)的桉树单板(密度为480 kg/m3)进行干燥处理,使其含水率从120%降到10%,就意味着去除了528 kg的水分。这就需要1320MJ的能量(1.32 GJ)。实际上,这种能量的消耗是无法避免的,而且干燥过程中总的能耗显然更高,因为单板干燥过程中的能量消耗包括:去除水分、加热空气、空气循环、单板移动以及一些热量损失。

目前最新的干燥设备相比较于之前的设备,在能耗有了很大的改进。经过了重新设计的干燥设备,应用了最先进的检测技术和干燥工艺,从而最大限度地减少了生产过程中的热量消耗和泄漏。在干燥过程中,首先将单板进行不同含水率分类,然后在干燥过程中使用高温高湿的空气(图5),最后使用先进的含水率测量仪对干燥后的单板进行再次检测。这一过程的实现需要高可靠性的自动化控制,其核心在于通过自动化技术将热能有效的传递到循环空气(散热器设计)中,需要有效控制的干燥空气的气流速度和方向、以及排气流量,还需要保证干燥机的机械密封和保温性能。

图5

图5——例如,干燥机内部的高湿度空气会显著降低热能消耗。

实际运行数据表明,传统干燥机与新一代干燥机之间的耗电量存在着显著差异,每立方米干单板耗电量差异可达几十千瓦时。如图6所示,使用新一代的干燥设备能够实现成本的显著降低,

图6

图6——烘干每立方米单板每年可节约的电能,取决于选择的干燥技术

干燥设备的能效取决于其消耗的能量,即去除木材中水分所需的额外能量。干燥设备的能效越高,其消耗的附加能量就越少。

目前较先进的设备,可以以热水或热空气的形式将废气中的热能进行回收再利用,平衡能量使用,使能量的得到更充分的利用。这些回收的能量作为加热介质,通常用于原木蒸煮,或用于加热工厂设施所需的水或空气。

七.单板干燥工艺的优点

对单板干燥工艺进行控制有着多种益处。首先,能够使单板含水率均匀并且将过干单板的数量降到最少,使得单板的价值和质量都能得到提高。因为在这种情况下,单板产生的缺陷(如裂缝和翘曲)较少,属于完整的整板,这将有助于提高单板的价值。然后,采用先进的干燥控制工艺能够实现工艺节约:由于能够使能量消耗与单板性价比方面达到平衡,提高了能效;由于单板含水率适当,在单板上涂胶所消耗的胶水明显减少;由于单板含水量均匀,且单板中的水分在干燥过程中已被去除,因此压制时间也缩短。此外,还可节省胶合板制造工艺干燥阶段和后续阶段的劳动力成本。板芯和板面含水量均匀,则面板质量和价值就高,易于形成稳定尺寸,如面板翘曲少、压制后厚度更精确等。无孔、无开裂的优质单板也为生产优质芯板和提高面板表面质量奠定了基础。

八.对干燥工艺的投资

目前单板干燥技术方案的差异较大,对干燥工艺的投资一直是胶合板工厂中相对较大的投资。有许多案例向我们证明了短期一味地追求低成本而进行的投资往往是失败的,因此对干燥工艺技术的投资应被视为一项必要的长期投资。

进行投资规划时需要选择合适的干燥技术。有多种因素将会对干燥技术的选择造成影响。当对设备比较性能值时,应始终以每立方米干单板为单位,考虑产能、能耗等性能值。对不同替代技术进行研究分析时,应考虑以下几个问题:

•如何控制特定的干燥工艺和技术?

•如果能够明确湿单板的初始数据,特定的干燥技术是否能保证干单板产量?

•如何对干单板的最终含水率进行测量和控制?

•该干燥技术的能耗是多少?如何避免能耗损失?

•该干燥技术的自动化水平的高低以及人员需求是多少?

仔细研究和分析每一种干燥技术的不同特点,可以有效地帮助我们进行决策,会更有利于单板和胶合板的长期生产。

九.结论

我们在这里并未讨论更多关于自动化的问题。但通过以上内容,我们能够得出的以下结论:高效、精确的干燥工艺可显著提高胶合板的质量。而对于行业中标准的2'x4'单板尺寸,我们也需重新考虑和审查是否应该坚持。在整张胶合板的生产过程中,如果我们不考虑2'x4'尺寸在生产过程中的限制时,许多目前遇到的难题都能迎刃而解。

事实上,去除木材水分必然需要消耗能量,但是通过采用先进控制技术,以及精心设计的单板干燥工艺将最大限度地减少不必要的能量损耗。干燥工艺的首要目标就是生产出高质量的干单板,这正是以较低成本生产更高质量胶合板的关键因素。先进的单板干燥工艺控制是获得高质量单板的关键因素,良好的工艺控制能提高单板干燥过程中以及胶合板加工的后续阶段的效率,实现能耗最小化、质量损失最小化和工艺成本最小化。

 
(文/小编)
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