生物質致密成型技術研究進展

薛冬梅 武佩 馬彥華 陳鵬宇 王昊毅

摘要 從生物質原料成分、含水率、粒徑、成型壓力、溫度以及輔助工藝（添加黏結劑、振動輔助壓縮、超聲波輔助制粒、蒸氣爆破預處理和焙燒預處理）等方面，綜述了國內外生物質致密成型技術的研究現狀，并進行了相應分析。指出應從成型影響因素交互作用的角度出發(fā)，探索致密成型機理，進一步改進成型工藝，減小成型能耗，提高成型產品品質。結合國情，提出“因地制宜”發(fā)展各地區(qū)特色生物質成型技術；通過建立典型生物質原料組分和成型工藝參數數據庫的方式加快研究進展和行業(yè)發(fā)展。

關鍵詞 生物質；致密成型；影響因素；進展

中圖分類號 S216.2文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）01-0032-05

Abstract The present research situation of biomass compacting technology at home and abroad was reviewed and analyzed in terms of biomass composition moisture content， particle size， molding pressure， temperature as well as other auxiliary technology（using binder，vibration-assisted compaction，ultrasonic vibration-assisted pelleting，steam explosion pretreatment，torrefaction pretreatment）. It was pointed out that the mechanism of densification should be explored from the perspective of the interaction of forming factors in order to further ameliorate the upgrading process， energy consumption reduction and product quality improvement. Combined with national conditions it put forward that to develop regional-characteristic biomass compressing technologies accoeding to the local conditions. It was suggested that the research progress and industry development should be accelerated by establishing the database of typical biomass raw material components and upgrading process parameters.

Key words Biomass；Densification；Influencing factors；Progress

在世界能源日益匱乏的情況下，生物質作為一種主要的可再生能源可以提供相當數量的能源支持。由于生物質密度小、體積大、松散不成型等特點，在利用之前先進行致密成型尤為重要。生物質致密成型產品既可為生物質氣化、液化產業(yè)提供相應的原料供應，又可直接用作固體燃料。目前，針對生物質致密成型技術的研究主要包括：關注成型產品密度、耐久性等物理特性，進一步提高成型產品品質；在保證成型產品品質的前提下，降低成型能耗，提高成型技術的經濟性。為達到以上2個目標，國內外學者主要從影響生物質致密成型過程和效果的因素出發(fā)，探究其本質上的作用機理，不斷改進和優(yōu)化最佳工藝方法，為生物質致密成型技術的發(fā)

展提供理論和技術支持。筆者從致密成型影響因素角度出發(fā)，綜述國內外近年來的研究進展，并針對我國國情提出相應的改進建議。

1 致密成型影響因素

1.1 生物質成分

用于致密成型的原料主要是纖維素類生物質，如農林廢棄物（秸稈、樹葉、木屑）、農產品加工廢料（甘蔗渣、果殼）、草場資源和水生植物資源。纖維素類生物質的主要組成成分為纖維素、半纖維素、木質素及少量果膠、淀粉、蛋白質、脂肪。不同的生物質其成分含量有所不同，表1為幾種典型生物質的主要成分含量。

蔣恩臣等[6]試驗發(fā)現，纖維素單獨成型的微觀結構表現為物料纖維素間相互鑲嵌和纏繞，隨溫度和成型壓力升高該現象更加明顯，成型顆粒的密度和強度也進一步提高。Sun等[7]研究指出，纖維素在成型時可以起到強化結構的作用，但其含量越高，需要的成型壓力也相應增大。Lam等[8]研究發(fā)現，單糖成分可以起到黏結劑的作用，有助于增強成型顆粒的硬度和穩(wěn)定性，但該種成分同時會導致成型顆粒的擠出能耗增加。Tumuluru等[9]研究指出，蛋白質在成型過程中受熱變性并具有膠凝作用，可以增強成型顆粒的耐久性。Kaliyan等[10]研究表明，在成型過程中淀粉糊化，起到黏結劑的作用，可以提高成型顆粒的硬度和耐久性。Stelte等[11]提出，由于木質素在秸稈生物質中的含量低于在木質生物質中的含量，在相同條件下，前者制得的成型顆粒的抗壓強度低于后者。Lee等[12]試驗測得不同的生物質中木質素含量不同，導致在相同成型條件下成型顆粒的耐久性有所差別。Stelte等[13]研究發(fā)現，秸稈類生物質表面的蠟狀角質層在成型過程中可以作為潤滑劑，成型時減小摩擦，降低擠出能耗，但會影響到成型顆粒的機械性能。Kaliyan等[10]研究指出，脂肪在成型過程中起到潤滑作用，可以降低原料與模具之間的摩擦，減小成型能耗，但是脂肪含量多會影響成型顆粒的耐久性。

以上研究說明，生物質的成分對其致密成型起一定的作用，主要可以分為3類：強化結構、黏結作用、潤滑作用。對于不同種類的生物質，各組成成分不同，在選擇成型工藝時應區(qū)別對待。如，對于木質素含量高的木質生物質，在成型時不必額外添加黏結劑；而對于秸稈類生物質來說，由于其表面的蠟狀角質層不利于黏結成型，則需要通過高溫高壓及添加黏結劑的方法成型，或者利用一定預處理方法分解該物質來提高成型產品的機械強度。因此，在探究致密成型工藝條件時應先了解生物質的各組成成分及其含量，恰當利用其性質，這對于降低成型能耗，生產密度高、耐久性好的成型產品具有關鍵作用。并且成分不同也決定了各類生物質適用的成型領域有所不同。如纖維素和半纖維素是制備生物質乙醇的主要成分，該類成分含量高的秸稈類生物質在致密成型后可為生產工業(yè)乙醇提供原料[14-15]。

1.2 成型工藝參數

不同類型的生物質成分含量不同，決定了其致密成型時所需的工藝也有所區(qū)別，幾種常見生物質的成型工藝參數見表2。

1.2.1 原料含水率。

從宏觀角度上來說，水分可以促進生物質細胞中木質素、淀粉、果膠等物質的軟化，同時水分具有潤滑作用，在成型過程中，適宜的含水率可以減小原料與成型模具之間的摩擦，降低成型能耗。從微觀方面考慮，適當的水分可以起到填充原料孔隙的作用，在成型產品體積不變的情況下質量得以增加，密度也相應變大；同時水分還可以使粒子間的結合面積增大，在黏結力不變的情況下，結合面積越大所制成的成型產品抗壓強度越高[25]。并且在成型過程中，適量的水分可以促進原料粒子滑動，增強成型過程中原料的流動性，有利于生物質進一步致密成型[26]。

馬培勇等[19]研究發(fā)現，成型顆粒的密度和耐久性隨著含水率的逐漸升高會出現2個不同的峰值點；Zafari等[27]試驗發(fā)現，隨著原料含水率的增加，成型產品的抗壓強度和耐久性呈先增加后減小的趨勢；Tumuluru等[28]研究發(fā)現，高比例的含水率在成型過程中由于溫度的作用會出現水分閃蒸的情況，這將導致成型顆粒密度降低；Zafari等[29]指出，在一定范圍內，水分的增加會導致生物質的流變特性由黏塑性轉為黏彈性，使成型顆粒的耐久性變差。以上這些研究表明，原料含水率并不是越高越好。Lee等[12]通過試驗證明不同的生物質最佳含水率均有一定的范圍，在該范圍中成型后的顆粒耐久性良好。Huang等[25]強調，原料水分對于成型顆粒密度和抗壓強度的影響程度遠大于溫度和成型壓力，并發(fā)現最佳含水率可能與生物質本身細胞壁的含水率有一定關系。Kaliyan等[10]研究指出，提高原料含水率可以降低木質素玻璃化轉變的溫度，使生物質在較低溫度下黏結成型，可以降低成型能耗。

上述研究證明，原料含水率對于生物質成型產品的密度、耐久性以及成型能耗有著重要影響。對于不同種類的生物質而言，原料的最佳含水率不同，甚至在其他工藝參數改變時，最佳含水率有所變化。因此，在探究原料含水率對致密成型的影響時要著重關注其他影響因素與其交互作用。并且應該透過現象深入研究含水率這一影響因素在成型過程中對生物質本身成分、性質的影響，這將有利于在今后的研究中總結不同生物質的成型規(guī)律，為成型工藝的改進提供條件。

1.2.2 成型壓力。

成型壓力是致密成型的必要參數。足夠的壓力使生物質細胞中的木質素、蛋白質、淀粉等成分分離，起到黏結劑的作用；同時原有的生物質結構在一定的壓力作用下被破壞，微觀粒子間的范德華力增強，氫鍵形成，形成新的組織結構，促進成型過程的進行。合適的壓力可以制得密度大、機械性能好的高品質成型產品，但是壓力并不是越大越好，壓力過大會帶來能耗高、模具磨損等負面效應[30]。

張霞等[31]建立了壓力對水葫蘆成型顆粒燃料密度和徑向抗壓力的一元二次函數模型，分別為 y=-0.027 1x2+6.854 3x+933.820 0和y=-0.000 04x2+0.747 7 。姬愛民等[32]研究發(fā)現，最初逐漸增大壓力，成型產品的密度隨之增加，產品外觀趨于光滑；當壓力大于15 MPa后，產品密度隨壓力增加的幅度變小；當壓力大于25 MPa 后，成型塊與模具摩擦生熱，表面出現碳化現象。Huang等[25]試驗證明，成型顆粒的強度和密度隨著成型壓力的增加而增加。Zafari等[29]研究指出，過度加壓會在顆粒內部引起殘余應力，降低顆粒出模后的耐久性。Stelte等[13]試驗表明，在一定壓力范圍內，成型顆粒的密度隨著壓力的增加而顯著增加，當壓力達到某一值時，密度隨壓力增加的趨勢不再顯著。Poddar等[33]通過試驗證明，成型壓力對成型顆粒的密度影響顯著，而對于成型產品的熱值沒有明顯影響。

綜上可以發(fā)現，成型壓力對于成型能耗、產品密度和耐久性的影響是互相制約的。高壓可以生產出密度高、耐久性好的產品，但不可避免會加大能耗。因此，對于生物質致密成型而言，在保證成型產品質量的前提下，尋求最低能耗的成型壓力則尤為重要。并且以上研究均是在實驗室條件下進行的，未考慮實際成型機結構的影響。而不同的成型機壓縮形式不同，如柱塞式成型機和壓輥式成型機，前者是活塞對被壓縮生物質在垂直方向上施壓；而后者則是壓輥滾過壓模，此時壓力作用到被壓縮生物質上的力是有一定角度的。并且由于成型模具尺寸不同，克服生物質與模具的摩擦所需的壓力也不同。因此，在實驗室得出的最適宜成型壓力并不完全適用于不同成型機的設計。建議學者可以通過實際的成型機結構設計試驗臺，最大程度地模擬實際成型過程，從而使試驗數據更接近實際生產需求。

1.2.3 原料粒徑。

多數成型試驗證明，在其他條件不變的前提下，原料的粒徑越小，越易成型，且成型產品品質越好。因為當原料粒徑較小時，成型過程中原料間相互接觸的面積變大，有利于粒子間的相互結合；并且粒徑小的原料孔隙率也較小，粒子的填充性和流動性較好，對于提高成型產品的松弛密度和耐久性是有幫助的。

Zafari等[27]研究發(fā)現，大粒徑原料壓縮后得到的成型顆粒外觀上有裂縫并且耐久性不佳。Mat等[34]試驗證明，在相同壓力作用下原料的粒徑越小，成型塊的密度越大。Balamurugan等[35]研究提出，在其他條件一定的情況下，原料粒徑越小，壓實成型越易。張霞等[31]則建立了原料粒徑與成型顆粒密度和徑向抗壓力的對數函數關系式，分別為

y=-43.149 0 ln（x）+1 336.600 0和y=-0.239 3 ln（x）+1.287 2 。Lee等[12]研究表明，不同種類的生物質在成型時需要的最佳粒徑不同，但總體狀態(tài)表現為原料粒徑越小，成型后顆粒的耐久性越高，使用混合粒徑的原料成型可以生產出質量更佳的成型顆粒。柳恒饒等[36]提出，粒徑對成型密度的影響本質上是影響原料粒子的流動性。Harun等[37]研究發(fā)現，混合生物質的孔隙率受到原料粒徑影響，平均粒徑較小的原料孔隙率也相應較小，而小孔隙率有利于致密成型。

通過以上研究可知，原料粒徑越小，越易成型，且在其他條件相同的情況下成型產品的密度越大，耐久性越好。但在實際生產時原料粉碎和篩分的過程都會帶來相應的能耗和資金投入，因此，兼顧經濟效益，實際生產時并不能無限制地降低原料粒徑，必須找到保證成型產品質量和經濟性兼得的平衡點，為致密成型產業(yè)的發(fā)展提供支持。

1.2.4 溫度。

溫度在成型過程中不僅會影響到生物質含水率的變化，更會引起生物質成分的變化：一定溫度下，生物質中的纖維素、半纖維素、木質素、蛋白質、果膠等物質會出現軟化甚至變性等現象，這將對成型過程產生影響，且會改變成型產品的品質特性。常用的成型工藝可以分為2種：冷壓成型和熱壓成型。冷壓成型工藝是在成型的整個過程中不需要對生物質進行額外加熱的工藝；而熱壓成型工藝則會對生物質進行預熱或者在成型時對其進行加熱。而無論選用哪種成型工藝，溫度對于致密成型的影響都是不可避免的。

對于冷壓成型工藝而言，由于原料之間、原料與模具間的摩擦都會產生相應的熱量，使成型溫度發(fā)生變化。如顆粒燃料成型機在成型過程中原料和模具之間會產生較大的摩擦，其溫度可達100 ℃，即使沒有額外加熱，摩擦生熱造成的溫度變化亦是不可忽略的。涂德浴等[16]在優(yōu)化水稻秸稈冷壓成型工藝時提到其忽略了摩擦產生的熱量，因此得出的成型壓力值較高。齊天等[38]研究指出，生物質原料因為摩擦熱而產生的熱效應會影響生物質本身的物化特性尤其是熱特性。

對于熱壓成型工藝而言，則要合理控制成型溫度。適當的成型溫度可以起到軟化生物質成分的作用，并使具有黏結功能的成分發(fā)揮其黏結作用，提高成型產品的耐久性。但當溫度超出這個合適的范圍后，則會造成成型產品炭化；當生物質含水率較高時，高溫還會引發(fā)模具內原料“放炮”現象的發(fā)生；并且高溫會引起成型模具退火，縮短成型機的使用壽命。Balamurugan等[35]提出當壓力一定時，溫度越高成型塊的密度越大。Lee等[12]研究指出，在一定的溫度范圍內，升溫可以提高成型顆粒的耐久性。Huang等[25]研究表明，在一定溫度范圍內，升溫可以提高成型顆粒強度。Stelte等[11]試驗證明，在100 ℃制粒比30 ℃制粒粒子間的黏附性更強，成型產品回彈現象不明顯，抗壓強度更高，密度更大。張霞等[39]研究發(fā)現，當其他條件固定時，成型產品的密度和徑向抗壓力隨溫度的升高呈現先上升后下降的趨勢。張得政等[40]試驗證明，不同種類的生物質成型顆粒的密度和徑向抗壓力峰值所對應的溫度不同。Zafari等[29]研究發(fā)現，在一定的范圍內溫度越高，原料分子的運動加劇而黏結性減弱，成型顆粒的耐久性降低。Larsson等[41]研究指出，在成型溫度范圍一定時，將模具溫度控制到較低水平，對于生產較高密度和耐久性的成型顆粒是有利的。

由以上研究可知，將溫度控制在合理范圍，對于致密成型是有利的。在工藝選擇時需要綜合整體的技術路線來確定實施冷壓成型還是熱壓成型。冷壓成型工藝雖不需額外耗能加熱，但成型時所需的壓力要比熱壓成型大，用于成型的原料粒徑也需粉碎的更小，因此其能耗也是非常可觀的。然而，在成型領域中關于冷壓成型和熱壓成型整套工藝流程所造成的能耗比較研究較少、研究人員可以對此進行探索，為尋求耗能少、經濟效益高的成型工藝提供依據。

1.3 輔助工藝

研究人員還嘗試通過一些輔助成型工藝方法來減小成型過程中的能耗，提高成型產品品質。

1.3.1 添加黏結劑。

Muazu等[42-43]研究發(fā)現，額外添加淀粉、水膠等黏結劑可以提高成型塊的抗壓強度，但是會降低其密度；將生物質污泥作為黏結劑可以提高成型顆粒密度，微藻作為黏結劑則可以提高成型顆粒密度、耐久性和熱值。Jiang等[44]通過試驗證明，將污泥作為黏結劑，可以降低成型壓縮和擠出能耗，提高成型顆粒硬度，減少吸濕性，改善其燃燒特性。Ahn等[45]研究指出，菜籽粉、咖啡粉和木質素作為黏結劑可以提高生物質成型顆粒的耐久性，且添加咖啡粉和木質素還可以提高成型顆粒的熱值。

以上研究說明，學者除了使用傳統(tǒng)的木質素、淀粉等黏結劑外，為了促進資源、廢料的循環(huán)利用，還在不斷尋求新型黏結劑。污泥、微藻、菜籽粉等原料作為黏結劑用于生物質致密成型不僅有利于提高成型產品品質，對于環(huán)保、節(jié)能也有一定貢獻，可以大大提高經濟效益。

1.3.2 振動輔助壓縮。

Wu等[46]通過試驗證明，振動輔助制?？梢越档蜕镔|原料與模具之間的摩擦，減小生物質回彈，降低成型能耗。Ma等[47]研究發(fā)現，振動輔助制?？梢蕴岣叱尚蛪K密度，減小其回彈現象，提高成型塊品質。

在壓縮過程中引入振動因素，使生物質粒子間的摩擦力減小，增強粒子的流動性，使塑性變形充分、成型塊微觀結構中空隙變小、分布減少，粒子間填充更加緊密，從而可以生產出密度高、耐久性好的高品質成型產品。

1.3.3 超聲波輔助制粒。

Zhang等[48-49]研究發(fā)現，超聲波輔助制?？梢蕴岣叱尚皖w粒的糖產量。Song等[50]通過試驗證明，隨著超聲功率和造粒壓力的增加，成型顆粒密度相應增加。Zhang等[51]研究指出，超聲波輔助制?？梢蕴岣叱尚皖w粒的耐久性。Zhang等[52]研究證明，超聲波輔助制?？梢越档蜕镔|成型過程中所需的壓力。

將超聲波的振動特性、熱效應及穿透性運用于輔助制粒中可以提高成型產品的品質，降低成型能耗；同時超聲波輔助制?？梢蕴岣呱镔|的產糖量，這一作用可以被用于為工業(yè)制乙醇提供成型原料，從而降低生產成本，提高經濟效益。

1.3.4 蒸氣爆破預處理。

Lam等[53]通過試驗證明，蒸氣爆破可以提高成型顆粒的密度、機械強度和尺寸穩(wěn)定性，但是需要更高的成型壓力，同時擠出能耗也大大增加。Adapa等[54-55]研究指出，蒸氣爆破預處理對于成型顆粒耐久性、密度、比能耗的影響比例明顯高于其他影響因素；他還發(fā)現[56]經蒸氣爆破后的成型顆粒密度、松弛密度、耐久性均明顯高于未經蒸氣爆破的。Lam等[8，53]研究發(fā)現，經過蒸氣爆破的生物質生產出的成型產品疏水性明顯增加，吸濕性降低，且機械強度也有所提高，有助于運輸儲存。

蒸氣爆破預處理工藝主要通過改變生物質本身成分的含量與性質來影響致密成型。相關研究表明，一些生物質經蒸氣爆破后，用于增強結構強度的纖維素、半纖維素的含量比例明顯提高；而木質素、脂肪、淀粉、果膠等可起到黏結、潤滑作用的成分含量降低，從而會影響成型顆粒的密度和耐久性。同時，經蒸氣爆破后的生物質原料纖維變得疏松且空隙增大，灰分降低，更易于用作燃料燃燒。

1.3.5 焙燒預處理。

Chen等[57]研究發(fā)現，與常規(guī)成型顆粒相比，經焙燒預處理后的成型顆?？梢詼p少溫室氣體的排放。Arteaga-Pérez等[58]提出，焙燒可以降低生物質中半纖維素的含量，提高成型顆粒的能量密度，增加致密成型的經濟性。Benavente等[59]試驗證明，焙燒預處理有助于減少致密成型過程中的比能耗。Ara等[60]研究發(fā)現，焙燒處理可以提高成型顆粒的尺寸穩(wěn)定性，減小其吸濕性。

焙燒溫度可以分解生物質中的纖維素和半纖維素，使其在質量降到原始質量70%的情況下仍能保持90%的能量，從而提高生物質的能量密度。 通過焙燒預處理后的生物質能量密度高、疏水性強，研磨性能提高，經過制粒后得到的成型顆粒不易分解，可以較大程度地減少儲存和運輸成本[61-64]。

2 展望

綜述國內外的研究現狀，針對生物質致密成型技術在我國的進一步發(fā)展，建議今后從以下幾方面進行探索：

（1）由于每種生物質成分不同，成型工藝參數的選擇會有差別，今后的研究工作可以針對典型生物質組分和成型工藝參數進行數據庫的建立，為致密成型技術的發(fā)展提供相應的基礎支持。

（2）在實際成型中各因素對致密成型的影響并不是相互獨立的，而是彼此影響的，建議加強對成型影響因素間交互作用對成型機理影響的研究。

（3）由于我國國土遼闊，各地區(qū)氣候差異顯著，不同地方的生物質種類有著極大差別。結合2017年中國國際生物質能源與生物質利用高峰論壇會議的主題“結合國情，走中國特色的生物質發(fā)展之路”，我國在發(fā)展生物質致密成型產業(yè)時，要著重強調“因地制宜”。研究人員應針對本地區(qū)可用于致密成型的原料種類開展成型機理、成型工藝等方面的探索，并研制、開發(fā)特色生物質的成型設備。

（4）輔助工藝的實施主要是為了減小成型能耗，提高產品品質，前述5種輔助成型工藝從各自的作用機理出發(fā)對于成型技術的研究與發(fā)展起到了一定的作用。但是截至目前，不同工藝均有利弊，因此，在今后的研究中，在尋求新型成型工藝的同時，更要加強對現有工藝的優(yōu)化和改進，在發(fā)現已有問題的基礎上進行提高，促進生物質致密成型技術進一步的發(fā)展。

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