太陽能應用于熱處理新技術的探討

太陽能應用于熱處理新技術的探討

宋杰1，安榆林2，王建斌3，許忠祥1，蔡正清4，吳晶1*

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

3.蘇州出入境檢驗檢疫局，蘇州 215000；4.南京林業大學 林學院，南京 210037)

摘要：針對節能環保展開了熱處理新技術的初步研究，并將研究成果在相近領域內應用取得了預期效果。同時，研究過程中解決了國際木質包裝熱處理參數在實際應用領域中的部分技術保障問題，通過改進的實驗設備模擬實際處理環境得出有害生物在實際生存環境下的致死溫度，為熱處理國際標準今后的修訂提供理論基礎，為熱處理新技術的研發提供科學保障。研究同時根據實際處理過程中內部溫度變化情況，得出國際標準中木材中心溫度(最低溫度)在實際操作中測量點的位置確定方法以及誤差范圍，為國際標準的具體執行提供理論依據。

關鍵詞：太陽能；熱處理；新技術；節能

中圖分類號：S 782.3

文獻標識碼：A

文章編號：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

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

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.太陽能應用于熱處理新技術的探討[J].森林工程，2015，31(2)：115-118.

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

熱處理新技術研究的基礎是建立在熱處理指標的科學性上，在研究熱處理新技術之前必須要得到更加科學的處理指標，科學的處理指標必須符合實際生產需要，不能應用于實際生產的技術指標雖然真實可靠，但并不具有科學性。因此，研究熱處理新技術的同時，我們設計了符合實際生產的模擬環境進行熱處理技術指標研究，為科學設計熱處理新技術提供了基礎[9]。

熱處理與熏蒸處理在處理效果相同的前提下，本質上的區別就在環境污染上。從環保角度進行分析，熏蒸處理是直接影響環境，熱處理看似本身不污染環境，但高能耗對環境的影響仍然巨大[10-11]。實現熱處理節能本身就是降低間接污染，就是環保的另一種體現，研究木質包裝的熱處理新技術，不僅僅是研究處理效果本身，更注重的是對處理過程的關注。熱處理技術研究的總體思路就是在保證處理效果的前提下，減少整個處理過程中的污染，實現節能減排，逐步向更加環保的熱處理發展。

1實驗研究方法

熱處理的新技術主要體現能源供給方式的改變與處理效果保障二者結合。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確了解有害生物在木質包裝內部的實際致死溫度[12]。因此，必須通過實驗模擬的方式科學得出常見有害生物實際生存環境下的實際致死溫度，并在處理時適當提高處理溫度，才能確保熱處理效果。第二，研究新技術的目的是節能環保，通過改進能源供給方式或者科學使用能源，均能實現研究目標。改進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行熱處理設備的改造，該方案已經通過應用證明可以達到節能環保的目的。

1.1　處理效果保障

通過對攜帶有害生物的病死木進行不同溫度梯度的熱處理，驗證出常見有害生物在生存環境下的致死溫度。只有得出具體條件下熱處理效果的科學數據，才能保證熱處理新技術研究的科學性。實驗采用模擬大窯的實驗室條件進行，并對實驗儀器進行了創新改造。

試驗為了模擬熱處理窯的實際環境對試驗設備進行了改進，在可控制調節溫、濕度的恒溫恒濕箱內加裝了可調節風速的循環風扇和風速測定儀。使處理環境可模擬實際工作環境，在實驗條件下較為精準的控制熱處理環境參數，實驗設備設計如圖1所示(該裝置已申請國家專利)。

圖1　實驗設備設計 Fig.1 Design of experimental equipment

實驗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溫度70℃，濕度分別為60%和70%，風速2±0.2m/s，處理時間為設定的目標溫度到達后延續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，用以檢測整個處理過程病死木受熱后溫度變化與分布，供剖檢時結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　加熱過程內部溫度變化記錄曲線 Fig.2 Record curve of changes of internal temperature in heating process

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

表1　70℃介質溫度60%-70%相對濕度木質包裝材料熱處理試驗 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。實現熱處理對象達到目標溫度的方法多種多樣，截止目前，通過國內調研與文獻報道，熱處理主要的加熱模式仍為燃料鍋爐加熱窯內散熱片，再通過窯內風機將散熱片熱量提高窯內溫度加熱處理對象。本研究針對企業應用普遍的熱處理模式首次提出將太陽能結合儲熱設備作為輔助熱源進行熱處理的方案，方案理論節能效果明顯，通過該方案的實際生產應用數據表明，該研究方案能在保證處理效果的同時實現節能減排，具有推廣應用價值，具體設計方案如圖3所示。

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

設計通過數字控制單元控制整套系統，在熱處理未進行時，輔助供熱單元(太陽能集熱器)首先將能量收集后進入能量存儲單元(保溫水箱)，在熱處理過程中，集熱單元(窯內散熱器)利用鍋爐提供的熱量和能量存儲單元(保溫水箱)提供的熱量提高窯內溫度，實現熱處理。應用研究過程中按照方案實施后，在集熱器、保溫水箱、供水管、蒸汽出口等多點實時監測數據，并對熱水流量、蒸汽流量、燃料量進行記錄，采用報表形式匯總。

2結果討論

2.1　處理效果保障研究

(1)設置的最低目標溫度52℃，持續處理30 min，60%與70%濕度環境下均能有效殺死天牛幼蟲和蛹。天牛各蟲態死亡溫度有所差異，將各蟲態離開生存環境放置烘箱處理結果顯示，蛹>幼蟲>成蟲，但最高耐受溫度為53℃。在實驗剖檢過程中發現，天牛死亡位置一般靠近病死木表面，距離中心位置較遠，根據不同點溫度記錄儀記錄數據顯示，靠近溫度表面位置的實際溫度遠遠高于中心位置。

(2)木材中心溫度在實際處理過程中略高于設定的目標溫度。實驗過程中根據間隔測溫點的溫度曲線記錄顯示，整個處理過程中的中心溫度達到52℃后持續的30 min里，木材整體本身的溫度仍在持續上升，上升的最高溫度可以達到55℃左右，根據厚度的不同，上升的溫度略有差異，但至少可以上升2℃以上，即木心溫度達到處理溫度后持續30 min后，中心溫度設定目標值為52℃的處理結果一般可達55℃，可見為了保證處理效果，達到目標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到的最高溫度大致相同。以16 cm厚度的木材為例，中心點8 cm處在處理過程中達到的最高溫度若為55℃，中心點附件2 cm附近即6 cm厚度點在處理過程中達到的最高溫度也接近于55℃。這跟木材本身的儲熱以及熱傳導或有相關原因。同時，說明在實際操作過程中，如果適當提高處理的目標溫度，溫度探頭在木材中的位置適當的偏差不影響處理效果。

2.2　熱處理應用太陽能技術研究

太陽能作為輔助能源應用于熱處理理論與實際可行，輔助熱處理加熱應用數據表明改進后可將供水初溫由27.5℃提升至66℃附近，通過提高供水初溫實現節能環保，保證了處理效果與改進應用前相同，設備成本回收期短，生態效益與社會效益顯著，具有一定的應用推廣意義。

3研究展望

(1)繼續針對更多種有害生物實際生存環境致死溫度進行研究，例如松材線蟲精確致死溫度，可根據已經得出的木材內部溫度加熱特性，大致(誤差在±1°)確認松材線蟲死亡溫度，即通過對處理后的攜帶松材線蟲病死木進行不同處理溫度部位的分離，根據線蟲處理結果更加科學的確定松材線蟲在病木內的致死溫度，為制定國際處理標準提供更加科學的依據。

(2)熱處理的節能數字化研究。根據“火用”、“火無”以及“火積”等相關理論為基礎，以烘箱給燒瓶內定量水加熱模擬木包裝處理加熱的實驗中發現，75～90℃的環境溫度在設定目標溫度為56℃30 min時最為節能，實驗中最大節能效果可達到23.6%。根據實驗的結論，或可以考慮在熱處理過程中尋找一個能量供給效率最高的溫度作為處理溫度，科學的加熱溫度即可保證處理效果，又可高效節約能源，實現經濟環保的目標。

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[責任編輯：胡建偉]