太陽能應(yīng)用于熱處理新技術(shù)的探討

宋杰1，安榆林2，王建斌3，許忠祥1，蔡正清4，吳晶1*

(1.南京出入境檢驗(yàn)檢疫局，南京 211100；2.江蘇出入境檢驗(yàn)檢疫局，南京 211100；

3.蘇州出入境檢驗(yàn)檢疫局，蘇州 215000；4.南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，南京 210037)

摘要：針對節(jié)能環(huán)保展開了熱處理新技術(shù)的初步研究，并將研究成果在相近領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用取得了預(yù)期效果。同時(shí)，研究過程中解決了國際木質(zhì)包裝熱處理參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中的部分技術(shù)保障問題，通過改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬實(shí)際處理環(huán)境得出有害生物在實(shí)際生存環(huán)境下的致死溫度，為熱處理國際標(biāo)準(zhǔn)今后的修訂提供理論基礎(chǔ)，為熱處理新技術(shù)的研發(fā)提供科學(xué)保障。研究同時(shí)根據(jù)實(shí)際處理過程中內(nèi)部溫度變化情況，得出國際標(biāo)準(zhǔn)中木材中心溫度(最低溫度)在實(shí)際操作中測量點(diǎn)的位置確定方法以及誤差范圍，為國際標(biāo)準(zhǔn)的具體執(zhí)行提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽能；熱處理；新技術(shù)；節(jié)能

中圖分類號(hào)：S 782.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2015)02-0115-04

Abstract：Focusing on energy-saving and environmental protection，this paper made a preliminary study on new technologies of heat treatment，and the effect was seen as expected after the application of the study results in the similar field.Meanwhile，in the research process，some technological guarantee problems were solved in actual application of parameters of heat treatment for wood packaging.The lethal temperature of detrimental creature in the real living environment was known through simulation of real treatment environment by improved laboratory equipments，which lays a theoretical foundation for future revision of the international standards on heat treatment and provides scientific guarantee for research and development of new technologies of heat treatment.According to the changes of internal temperature in real treatment，the authors worked out the measurement method for determining the position of wood’s core temperature(the lowest temperature)and the range in real treatment in international standards，which offers theoretical basis for specific application of international standards.

Keywords：solar energy；heating treatment；new technologies；energy-saving

收稿日期：2014-09-28

基金項(xiàng)目：國家質(zhì)檢總局項(xiàng)目(№2012IK277)；江蘇出入境檢驗(yàn)檢疫局項(xiàng)目(№2009KJ47)；中美合作科研項(xiàng)目

作者簡介：第一宋杰，碩士，工程師。研究方向：植物檢疫等。

通訊作者：*吳晶，碩士，農(nóng)藝師。研究方向：植物檢疫、木包裝熱處理等。E-mail：wuj2@jsciq.gov.cn

A Preliminary Study on Application of Solar Energyin New Technologies of Heat Treatment

Song Jie1，An Yulin2，Wang Jianbin3，Xu Zhongxiang1，Cai Zhengqing4，Wu Jing1*

(1.Nanjing Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Nanjing 211100；

2.Jiangsu Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Nanjing 211100；

3.Suzhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Suzhou 215000，Jiangsu Province；

4.School of Forestry,Nanjing Forestry University，Nanjing 210037)

引文格式：宋杰，安榆林，王建斌，等.太陽能應(yīng)用于熱處理新技術(shù)的探討[J].森林工程，2015，31(2)：115-118.

熱處理作為有害生物常規(guī)處理方式已有多年。一直以來專家學(xué)者都在研究和探索有害生物處理的新技術(shù)，包括熱處理的改進(jìn)以及環(huán)保熏蒸藥劑的研制[1]。其研究宗旨無不在乎兩點(diǎn)，一是處理的環(huán)保研究；二是在保證處理有效的前提下如何節(jié)能與降低成本[2-4]。熱處理之所以一直為國際上大多數(shù)國家地區(qū)的絕大部分企業(yè)所使用，一是處理成本企業(yè)可以接受，二是相比熏蒸處理在過程中對環(huán)境的直接污染少，處理效果穩(wěn)定，申請政府審批也較為容易。因此在環(huán)保處理藥劑研究不成熟階段，新的替代藥劑尚未廣泛應(yīng)用之前，熱處理在現(xiàn)階段仍處于主導(dǎo)地位。隨著各國環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，熱處理過程中的環(huán)保問題逐漸被暴露，尤其是早期熱處理企業(yè)使用較為廣泛的傳統(tǒng)燃煤鍋爐的環(huán)境污染問題。2014年5月提出的最嚴(yán)環(huán)保措施，其中對熱處理加熱過程中鍋爐的環(huán)保問題也同樣受到限制與牽連。同時(shí)，木質(zhì)包裝的主要使用區(qū)和生產(chǎn)區(qū)大部分集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大城市，而城市正逐步取締高能耗高污染鍋爐。因此，傳統(tǒng)的熱處理只有通過創(chuàng)新與改進(jìn)才可能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，節(jié)能環(huán)保的熱處理新技術(shù)研究就顯得十分必要[5-8]。

熱處理新技術(shù)研究的基礎(chǔ)是建立在熱處理指標(biāo)的科學(xué)性上，在研究熱處理新技術(shù)之前必須要得到更加科學(xué)的處理指標(biāo)，科學(xué)的處理指標(biāo)必須符合實(shí)際生產(chǎn)需要，不能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的技術(shù)指標(biāo)雖然真實(shí)可靠，但并不具有科學(xué)性。因此，研究熱處理新技術(shù)的同時(shí)，我們設(shè)計(jì)了符合實(shí)際生產(chǎn)的模擬環(huán)境進(jìn)行熱處理技術(shù)指標(biāo)研究，為科學(xué)設(shè)計(jì)熱處理新技術(shù)提供了基礎(chǔ)[9]。

熱處理與熏蒸處理在處理效果相同的前提下，本質(zhì)上的區(qū)別就在環(huán)境污染上。從環(huán)保角度進(jìn)行分析，熏蒸處理是直接影響環(huán)境，熱處理看似本身不污染環(huán)境，但高能耗對環(huán)境的影響仍然巨大[10-11]。實(shí)現(xiàn)熱處理節(jié)能本身就是降低間接污染，就是環(huán)保的另一種體現(xiàn)，研究木質(zhì)包裝的熱處理新技術(shù)，不僅僅是研究處理效果本身，更注重的是對處理過程的關(guān)注。熱處理技術(shù)研究的總體思路就是在保證處理效果的前提下，減少整個(gè)處理過程中的污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，逐步向更加環(huán)保的熱處理發(fā)展。

1實(shí)驗(yàn)研究方法

熱處理的新技術(shù)主要體現(xiàn)能源供給方式的改變與處理效果保障二者結(jié)合。第一，熱處理的根本是保障處理效果，若要保障處理效果就必須準(zhǔn)確了解有害生物在木質(zhì)包裝內(nèi)部的實(shí)際致死溫度[12]。因此，必須通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方式科學(xué)得出常見有害生物實(shí)際生存環(huán)境下的實(shí)際致死溫度，并在處理時(shí)適當(dāng)提高處理溫度，才能確保熱處理效果。第二，研究新技術(shù)的目的是節(jié)能環(huán)保，通過改進(jìn)能源供給方式或者科學(xué)使用能源，均能實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)。改進(jìn)能源供給方式目前較為成熟的手段是將太陽能作為輔助能源進(jìn)行熱處理設(shè)備的改造，該方案已經(jīng)通過應(yīng)用證明可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

1.1　處理效果保障

通過對攜帶有害生物的病死木進(jìn)行不同溫度梯度的熱處理，驗(yàn)證出常見有害生物在生存環(huán)境下的致死溫度。只有得出具體條件下熱處理效果的科學(xué)數(shù)據(jù)，才能保證熱處理新技術(shù)研究的科學(xué)性。實(shí)驗(yàn)采用模擬大窯的實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行，并對實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了創(chuàng)新改造。

試驗(yàn)為了模擬熱處理窯的實(shí)際環(huán)境對試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，在可控制調(diào)節(jié)溫、濕度的恒溫恒濕箱內(nèi)加裝了可調(diào)節(jié)風(fēng)速的循環(huán)風(fēng)扇和風(fēng)速測定儀。使處理環(huán)境可模擬實(shí)際工作環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)條件下較為精準(zhǔn)的控制熱處理環(huán)境參數(shù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)如圖1所示(該裝置已申請國家專利)。

圖1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì) Fig.1 Design of experimental equipment

實(shí)驗(yàn)材料選用攜帶有天牛幼蟲和蛹的松材線蟲病死木，處理溫度采用目前熱處理常用的窯內(nèi)溫度70℃，濕度分別為60%和70%，風(fēng)速2±0.2m/s，處理時(shí)間為設(shè)定的目標(biāo)溫度到達(dá)后延續(xù)30 min。病死木中心埋置溫度記錄儀，在距離病木表面每間隔2 cm埋置溫度記錄探頭，用以檢測整個(gè)處理過程病死木受熱后溫度變化與分布，供剖檢時(shí)結(jié)合害蟲所在位置與不同厚度溫度曲線作為參考，溫度曲線記錄走勢如圖2所示。

圖2　加熱過程內(nèi)部溫度變化記錄曲線 Fig.2 Record curve of changes of internal temperature in heating process

實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用兩種方式進(jìn)行綜合評估，第一：對處理后的病木進(jìn)行剖檢，剖檢出來的完整有害生物(一般為天牛的幼蟲或者蛹)現(xiàn)場判斷是否為活體后放置編號(hào)培養(yǎng)皿中培養(yǎng)持續(xù)觀察，若24h后仍無活動(dòng)現(xiàn)象判定為死蟲；第二：剖檢后的病木放置在帶有編號(hào)的密封袋中保存，定期檢查，若無發(fā)現(xiàn)有新蟲體出現(xiàn)，結(jié)合第一種情況，判定處理效果符合要求。無論兩種情況任何一種中發(fā)現(xiàn)有活體出現(xiàn)，均判定處理效果不符合要求，記錄為“活蟲”；若第一種方式發(fā)現(xiàn)死蟲，第二種方式未發(fā)現(xiàn)活蟲，記錄為“死蟲”；若第一種方式和第二種方式均未發(fā)現(xiàn)蟲體，則實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄為“無”。 70℃下60%與70%濕度病死木(木質(zhì)包裝)熱處理結(jié)果見表1。

表1　70℃介質(zhì)溫度60%-70%相對濕度木質(zhì)包裝材料熱處理試驗(yàn) Tab.1 The trial of heat-treatment of the wood-packaging materials with 70℃ medium temperature and 60%-70% relative humidity

1.2　改變傳統(tǒng)熱處理能源供給方案研究

在確定了有害生物致死溫度的情況下，只要能確保處理對象的最低溫度不低于有害生物致死溫度即可確保處理效果。實(shí)現(xiàn)熱處理對象達(dá)到目標(biāo)溫度的方法多種多樣，截止目前，通過國內(nèi)調(diào)研與文獻(xiàn)報(bào)道，熱處理主要的加熱模式仍為燃料鍋爐加熱窯內(nèi)散熱片，再通過窯內(nèi)風(fēng)機(jī)將散熱片熱量提高窯內(nèi)溫度加熱處理對象。本研究針對企業(yè)應(yīng)用普遍的熱處理模式首次提出將太陽能結(jié)合儲(chǔ)熱設(shè)備作為輔助熱源進(jìn)行熱處理的方案，方案理論節(jié)能效果明顯，通過該方案的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，該研究方案能在保證處理效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，具有推廣應(yīng)用價(jià)值，具體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3　新型熱處理技術(shù)方案 Fig.3 Technological solutions of new heat treatment

設(shè)計(jì)通過數(shù)字控制單元控制整套系統(tǒng)，在熱處理未進(jìn)行時(shí)，輔助供熱單元(太陽能集熱器)首先將能量收集后進(jìn)入能量存儲(chǔ)單元(保溫水箱)，在熱處理過程中，集熱單元(窯內(nèi)散熱器)利用鍋爐提供的熱量和能量存儲(chǔ)單元(保溫水箱)提供的熱量提高窯內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)熱處理。應(yīng)用研究過程中按照方案實(shí)施后，在集熱器、保溫水箱、供水管、蒸汽出口等多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對熱水流量、蒸汽流量、燃料量進(jìn)行記錄，采用報(bào)表形式匯總。

2結(jié)果討論

2.1　處理效果保障研究

(1)設(shè)置的最低目標(biāo)溫度52℃，持續(xù)處理30 min，60%與70%濕度環(huán)境下均能有效殺死天牛幼蟲和蛹。天牛各蟲態(tài)死亡溫度有所差異，將各蟲態(tài)離開生存環(huán)境放置烘箱處理結(jié)果顯示，蛹>幼蟲>成蟲，但最高耐受溫度為53℃。在實(shí)驗(yàn)剖檢過程中發(fā)現(xiàn)，天牛死亡位置一般靠近病死木表面，距離中心位置較遠(yuǎn)，根據(jù)不同點(diǎn)溫度記錄儀記錄數(shù)據(jù)顯示，靠近溫度表面位置的實(shí)際溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中心位置。

(2)木材中心溫度在實(shí)際處理過程中略高于設(shè)定的目標(biāo)溫度。實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)間隔測溫點(diǎn)的溫度曲線記錄顯示，整個(gè)處理過程中的中心溫度達(dá)到52℃后持續(xù)的30 min里，木材整體本身的溫度仍在持續(xù)上升，上升的最高溫度可以達(dá)到55℃左右，根據(jù)厚度的不同，上升的溫度略有差異，但至少可以上升2℃以上，即木心溫度達(dá)到處理溫度后持續(xù)30 min后，中心溫度設(shè)定目標(biāo)值為52℃的處理結(jié)果一般可達(dá)55℃，可見為了保證處理效果，達(dá)到目標(biāo)溫度后的延遲是非常有必要的。

(3)木材中心溫度與中心周圍在處理過程中達(dá)到的最高溫度大致相同。以16 cm厚度的木材為例，中心點(diǎn)8 cm處在處理過程中達(dá)到的最高溫度若為55℃，中心點(diǎn)附件2 cm附近即6 cm厚度點(diǎn)在處理過程中達(dá)到的最高溫度也接近于55℃。這跟木材本身的儲(chǔ)熱以及熱傳導(dǎo)或有相關(guān)原因。同時(shí)，說明在實(shí)際操作過程中，如果適當(dāng)提高處理的目標(biāo)溫度，溫度探頭在木材中的位置適當(dāng)?shù)钠畈挥绊懱幚硇Ч?/p>

2.2　熱處理應(yīng)用太陽能技術(shù)研究

太陽能作為輔助能源應(yīng)用于熱處理理論與實(shí)際可行，輔助熱處理加熱應(yīng)用數(shù)據(jù)表明改進(jìn)后可將供水初溫由27.5℃提升至66℃附近，通過提高供水初溫實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，保證了處理效果與改進(jìn)應(yīng)用前相同，設(shè)備成本回收期短，生態(tài)效益與社會(huì)效益顯著，具有一定的應(yīng)用推廣意義。

3研究展望

(1)繼續(xù)針對更多種有害生物實(shí)際生存環(huán)境致死溫度進(jìn)行研究，例如松材線蟲精確致死溫度，可根據(jù)已經(jīng)得出的木材內(nèi)部溫度加熱特性，大致(誤差在±1°)確認(rèn)松材線蟲死亡溫度，即通過對處理后的攜帶松材線蟲病死木進(jìn)行不同處理溫度部位的分離，根據(jù)線蟲處理結(jié)果更加科學(xué)的確定松材線蟲在病木內(nèi)的致死溫度，為制定國際處理標(biāo)準(zhǔn)提供更加科學(xué)的依據(jù)。

(2)熱處理的節(jié)能數(shù)字化研究。根據(jù)“火用”、“火無”以及“火積”等相關(guān)理論為基礎(chǔ)，以烘箱給燒瓶內(nèi)定量水加熱模擬木包裝處理加熱的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，75～90℃的環(huán)境溫度在設(shè)定目標(biāo)溫度為56℃30 min時(shí)最為節(jié)能，實(shí)驗(yàn)中最大節(jié)能效果可達(dá)到23.6%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，或可以考慮在熱處理過程中尋找一個(gè)能量供給效率最高的溫度作為處理溫度，科學(xué)的加熱溫度即可保證處理效果，又可高效節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的目標(biāo)。

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