張建超 德雪紅 李 震 郭文斌 于立坤

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，包頭 014010）

生物質(zhì)能在自然界中儲量巨大，可直接轉(zhuǎn)換為含碳燃料[1]，彌補(bǔ)現(xiàn)有能源不足，為經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展提供多樣化保障[2]。我國屬于資源短缺型國家，能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，而燃燒煤炭會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此研究開發(fā)綠色、清潔、高效的新能源技術(shù)是能源行業(yè)發(fā)展的重要方向。

目前生物質(zhì)能源的開發(fā)利用研究主要集中在三個方向：一是生物質(zhì)固化成型作為燃料，燃燒產(chǎn)生熱能；二是生化轉(zhuǎn)化，即通過發(fā)酵和厭氧性消化將秸稈、農(nóng)業(yè)廢棄物等生物質(zhì)轉(zhuǎn)化獲得液態(tài)或氣體燃料；三是通過生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)固、液、氣三種高質(zhì)量能源產(chǎn)品。其中，生物質(zhì)固化成型燃料技術(shù)成本低，工藝簡單，且經(jīng)濟(jì)效益良好，生物質(zhì)成型燃料的熱值和使用效果明顯優(yōu)于普通煤炭，同時燃料溫室氣體排放量不到煤炭的1/9[3]，因此生物質(zhì)固化成型燃料技術(shù)是目前生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用的重要方向。

1 生物質(zhì)能源利用現(xiàn)狀

1.1 國外生物質(zhì)能源利用現(xiàn)狀

在歐美地區(qū)，針對家庭、工業(yè)用的生物質(zhì)燃料以及配套清潔小型燃燒鍋爐的制造和銷售商業(yè)運(yùn)營已非常成熟。以生物質(zhì)能源利用率較高的美國、瑞典和奧地利為例，生物質(zhì)能源在一次性能源消耗中占比分別達(dá)4%、16%和10%，約15%的電力來源于生物質(zhì)發(fā)電，預(yù)計到2023 年這一比例會增至17%[4]。預(yù)計2025 年全球生物質(zhì)能源市場規(guī)模將達(dá)154.7 億美元，主要用于發(fā)電、供熱等領(lǐng)域。

截至2019 年底，已有超過450 座生物質(zhì)發(fā)電站，且裝機(jī)規(guī)模不斷增大，例如美國生物質(zhì)發(fā)電總量近 7 358 MW。歐洲的生物質(zhì)成型技術(shù)最為先進(jìn)，生物質(zhì)能源占?xì)W洲可再生能源近60%，供熱和制冷使用了大約75%的生物能源。瑞典是利用生物質(zhì)能源的典型國家，其年生物質(zhì)燃料產(chǎn)量超過200 萬t，人均消耗超 160 kg。愛爾蘭國家電網(wǎng)計劃2020 年前將可再生能源比例從27%提高到40%。英國計劃到2026 年，生物質(zhì)能增長60%，占能源需求的9.5%[5-7]。

1.2 國內(nèi)生物質(zhì)能源利用現(xiàn)狀

為了維護(hù)國家能源穩(wěn)定安全，我國將發(fā)展生物質(zhì)能源作為重要國家戰(zhàn)略，在《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出：利用生物質(zhì)替代化石能源發(fā)電規(guī)模達(dá)到1 500 萬kW，年產(chǎn)量達(dá)900 億kW·h；生物質(zhì)燃料利用規(guī)模達(dá)3 000萬t，計劃投資生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)1 400億元[8-10]，并繼續(xù)財政支持生物質(zhì)成型技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)示范項(xiàng)目。

經(jīng)過科研人員的不斷努力，我國在生物質(zhì)能源領(lǐng)域也基本達(dá)到了國際水平，且生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模全球第一?！爸袊镔|(zhì)發(fā)電行業(yè)調(diào)查分析及發(fā)展趨勢預(yù)測報告（2019-2025 年）”顯示，截至2018 年底，已投產(chǎn)生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目902 個，且隨著生物質(zhì)壓縮和燃燒技術(shù)的發(fā)展，單位成本降低，各省都在積極新增裝機(jī)量，2019 年一季度，我國生物質(zhì)發(fā)電量達(dá)245 億kW·h，同比增長16.7%

2 生物質(zhì)固化成型理論研究現(xiàn)狀

生物質(zhì)固化成型技術(shù)是指通過一定溫度、壓力作用將生物質(zhì)原料固化成一定形狀燃料。目前該領(lǐng)域的理論研究主要集中在壓縮前物料預(yù)處理、壓縮成型工藝和成型后壓塊密度、燃燒效率等方面。國內(nèi)主要集中在對“開式”結(jié)構(gòu)及其在工程中的應(yīng)用，壓縮時機(jī)械力、摩檫力與機(jī)器功耗、磨損間的關(guān)系，壓縮過程中物料溫度場的變化，固化所需粘結(jié)介質(zhì)，木質(zhì)素，固化時的添加劑，成型后產(chǎn)品形狀、密度等方面的研究。

生物質(zhì)固化成型機(jī)理研究主要著重于物料的密實(shí)填充、表面變形與破壞及塑性變形三方面。對微觀機(jī)理的研究則主要集中在物料的切碎尺寸對物料升溫后分子間連結(jié)性的影響，以及物料受外力擠壓作用時，達(dá)到其屈服強(qiáng)度后碎裂變形，變成小的粒子，形成纖維流動狀態(tài)后的物理、生化特性[11]等。

2.1 國外生物質(zhì)固化成型理論研究

Rumpf[12]在研究不同生物質(zhì)原料壓縮成型時發(fā)現(xiàn)：生物質(zhì)顆粒間粘結(jié)有五種方式：固體顆粒間橋接、粒子間鑲嵌結(jié)合、無移動粘結(jié)、液體自由移動的表面張力和毛細(xì)壓力、顆粒間范德華力或靜電吸引力。Panelli等[13-14]研究了成型壓力參數(shù)與物料致密度之間的關(guān)系，提出了一種新壓縮方程，可預(yù)測和改進(jìn)壓實(shí)特性的評估。Kaliyan[15]測定固化成型產(chǎn)品的耐磨性、機(jī)械強(qiáng)度和抗水性，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)組成元素（如纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等）影響成型后的產(chǎn)品質(zhì)量，并得出生物質(zhì)顆粒大小、水分含量、成型工藝參數(shù)等對其的影響規(guī)律。O,Dogherty[16]研究壓縮成型時原料進(jìn)料量、直徑和形狀保持時間等因素，發(fā)現(xiàn)出口模直徑減小，壓縮密度、能耗比增大，在110 MPa時保持10 s后釋放，生物質(zhì)固化產(chǎn)品沒有出現(xiàn)明顯松散現(xiàn)象。Finell等[17]以蘆葦草為原料，用機(jī)械活塞沖壓式成型機(jī)生產(chǎn)直徑為65 mm棒狀燃料，顆粒密度為640 kg/m3，機(jī)械強(qiáng)度隨分餾法（dry fractiionation）所剩組分含量的減少而降低。Demirbas[18]以紙漿和小麥秸稈為原料，利用液壓擠壓成型，分析了成型燃料的物理性能，得出物料溫度、密度及壓縮時所受壓力對固化成型產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。Yumak[19]分別進(jìn)行了壓縮物料含水率為7%、10%、13%時，在圓形和矩形?？咨鲜┘硬煌瑝毫Φ某尚蛯?shí)驗(yàn)，獲得不同成型?？讌?shù)下草料固化成型的理想?yún)?shù)：含水率為7%～10%，壓力為31.4 MPa，溫度為85～105 ℃。P?ivi[20]研究發(fā)現(xiàn)固化成型產(chǎn)品抗?jié)B水性和吸濕性與粒子粒徑有密切關(guān)系，粒徑小的粒子比表面積大，成型塊容易吸濕回潮；粒子間空隙大，易于充填，可壓縮性大，成型產(chǎn)品內(nèi)部殘存內(nèi)應(yīng)力變小，親水性低，抗?jié)B水性高。Wolfgang等[21-22]研究了生物質(zhì)燃料造粒過程中物料顆粒形狀、模具溫度、含水率和粒度對成型壓力的影響，得出物料成型壓力隨顆粒增大而增大。

2.2 國內(nèi)生物質(zhì)固化成型理論研究

郭康權(quán)等[23]通過顯微鏡觀測固化成型后產(chǎn)品內(nèi)部粒子，建立了粒子微觀結(jié)合模型：垂直于最大主應(yīng)力方向上的粒子向四周延展，粒子間的結(jié)合形式是嚙合；沿最大主應(yīng)力方向上的粒子變?yōu)楸∑瑺?，粒子間的結(jié)合形式是貼合。Lin等[24]研究發(fā)現(xiàn)，減少生物質(zhì)原料的ζ電勢會提高固化成型產(chǎn)品的強(qiáng)度，而不同原料的ζ電勢值不同，生物質(zhì)顆粒在水中接觸時間、吸水后顆粒含水率、溫度及添加劑等因素都會影響ζ電勢絕對值?；酐慃惖萚25]從力學(xué)角度研究生物質(zhì)原料壓縮成型機(jī)理，通過對比不同種類生物質(zhì)原料壓縮的應(yīng)力與能耗，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)原料顆粒密度越高，應(yīng)力越大，壓縮能耗越高。簡相坤等[26]認(rèn)為，對生物粒子特性進(jìn)行研究有助于分析生物質(zhì)原料含水率對壓縮成型的影響規(guī)律。王冬梅[27]利用熱力學(xué)分析軟件，模擬生物質(zhì)物料壓縮過程中的內(nèi)部溫度場，揭示了成型過程中生物質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變及變化規(guī)律，得出不同溫度場下生物質(zhì)各斷面木質(zhì)素軟化和溶融情況。莫遠(yuǎn)東等[28]采用超聲壓縮工藝制備生物質(zhì)成型產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的致密性比無超聲壓力壓縮更好；溫凱林[29]采用雙超聲壓縮工藝，進(jìn)行顆粒度、含水率、預(yù)壓力、超聲電源功率和壓縮時間等單因素實(shí)驗(yàn)，研究麥草固化成型產(chǎn)品抗跌碎性能，結(jié)果表明：抗跌碎性能與生物質(zhì)顆粒度正相關(guān)，與預(yù)壓力、超聲功率和壓縮時間負(fù)相關(guān)，隨含水率先增強(qiáng)、后減弱。許俊等[30]研究壓縮時長、預(yù)壓力、顆粒質(zhì)量、含水率因素對木屑成型塊密度的影響，得出對密度影響程度為：壓縮時長＞顆粒質(zhì)量＞預(yù)壓力＞含水率；采用超聲壓縮工藝時成型最優(yōu)參數(shù)為：壓縮時長50 s、預(yù)壓力0.172 MPa、顆粒質(zhì)量1.0 g、含水率15%。沈顯華[31]首先用低壓力、低溫進(jìn)行生物質(zhì)預(yù)熱壓縮，改變物料顆粒排列結(jié)構(gòu)，減少其內(nèi)部孔隙率，然后二次壓縮熔融木質(zhì)素，使其內(nèi)部形成非自由移動粘結(jié)劑作用的粘結(jié)力，兩次壓縮工藝提高了成型顆粒間結(jié)合強(qiáng)度和耐久性。鄧勇[32]研究了壓輥式生物質(zhì)壓縮環(huán)模不規(guī)則磨損，發(fā)現(xiàn)壓縮室內(nèi)原料不均勻分布是不規(guī)則磨損的主因，通過對環(huán)模均布及非均布載荷模擬有限元分析，根據(jù)環(huán)模沿軸向應(yīng)力與應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到了延長環(huán)模壽命的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。鄒嵐等[33]分析成型模孔幾何參數(shù)，得出?？咨疃戎睆奖?、物料與?？妆陂g摩擦因數(shù)和?？變啥藟簭?qiáng)差三因素耦合關(guān)系，及其對生物質(zhì)成型產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的影響。申樹云[34]分析了環(huán)模溫度場分布規(guī)律，進(jìn)行其結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、動力學(xué)、熱耦合數(shù)值模擬，得出環(huán)模應(yīng)力、應(yīng)變、位移分布數(shù)據(jù)及環(huán)模結(jié)構(gòu)對其應(yīng)力應(yīng)變的影響，探索了壓輥式成型機(jī)結(jié)構(gòu)、壓縮性能與使用壽命之間的關(guān)系。吳云玉[35]研究了環(huán)模失效形式、機(jī)理，通過環(huán)模S-N曲線和Palmgren-Miner線性累積磨損，模擬預(yù)測模擬環(huán)模疲勞，得到了不同溫度環(huán)模的壽命曲線。

3 生物質(zhì)固化成型設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

生物質(zhì)能源的固化理論和生產(chǎn)設(shè)備的研究和制造是很多發(fā)達(dá)國家的研究重點(diǎn)。為進(jìn)一步發(fā)展生物質(zhì)固化成型技術(shù)，增加能源多樣性，我國在30 年間也投入了大量的人力和財力。目前國內(nèi)外生物質(zhì)固化設(shè)備已經(jīng)發(fā)展得較為完善，開始應(yīng)用于居民生活和能源建設(shè)。對成型設(shè)備研究的主要目標(biāo)為：低能耗、高生產(chǎn)率、關(guān)鍵零部件的耐用性、良好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，著重對原料預(yù)處理、成型模具、壓縮成型壓力、壓縮件材料以及表面處理工藝、磨損機(jī)理等展開研究。

3.1 生物質(zhì)固化成型設(shè)備類型

市場上商用生物質(zhì)固化成型設(shè)備主要有螺旋擠壓式、活塞沖壓式和壓輥式三類（如表1）。根據(jù)工藝特征差異，螺旋擠壓式分為熱壓成型和常溫成型；根據(jù)驅(qū)動動力的不同，活塞沖壓式可分為機(jī)械驅(qū)動式和液壓驅(qū)動式兩類；根據(jù)壓模形狀的不同，壓輥式分為平模、環(huán)模、對輥式和柱塞式[36]。

表1 生物質(zhì)固化成型設(shè)備類型Tab.1 Types of biomass curing molding equipment

在現(xiàn)有生物質(zhì)固化成型設(shè)備中，螺旋擠壓式是開發(fā)最早的機(jī)型，整體運(yùn)行平穩(wěn)，成本低，應(yīng)用最為普遍。但是其單位產(chǎn)品能耗高，100～125 kW·h/t；成型部件磨損嚴(yán)重，壽命短，例如螺桿壽命僅為60～80 h；效率低；僅適于加工稻殼、木屑等木質(zhì)原料?；钊麤_壓式成型設(shè)備成本低，壓縮工作壓強(qiáng)約12 MPa；壓縮物料來源豐富，可加工稻草、麥草等生物質(zhì)原料，且不需要過多預(yù)處理；成型產(chǎn)品顆粒度范圍廣，成型密度較大；但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差，故障率高，噪音大，成型腔易磨損，生產(chǎn)效率不高。壓輥式固化成型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，壓輥直徑可根據(jù)生產(chǎn)需求調(diào)整，技術(shù)較為成熟；適合木屑、沙柳和秸稈等原料，對原料狀況容忍度高，成本低，適用于各種生產(chǎn)環(huán)境，容易規(guī)模化發(fā)展；但環(huán)模及壓輥易損部件磨損較為嚴(yán)重。

3.2 國外設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

美國研究生物質(zhì)壓縮技術(shù)最早，研制的螺旋擠壓式成型機(jī)，在溫度110～350 ℃、擠壓強(qiáng)度為10 MPa條件下，將碎木屑、刨花壓縮固化成型。19 世紀(jì)70 年代后期，丹麥、比利時等歐洲國家開始研發(fā)生物質(zhì)成型技術(shù)與設(shè)備，比利時、丹麥、瑞典等國的生物質(zhì)成型機(jī)已經(jīng)投入市場使用。泰、韓、日本、印度等國也已經(jīng)建立了生物質(zhì)固化專業(yè)生產(chǎn)廠用以規(guī)?；a(chǎn)。

圖1 德國RUF生物壓塊機(jī)Fig.1 RUF biological briquetting machine from Germany

圖2 德國KAHL制粒成型機(jī)Fig.2 Curing machine produced by KAHL in Germany

德國研發(fā)的生物壓塊機(jī)可用廢棄木材顆粒、棉花稻稈、農(nóng)業(yè)廢料等生產(chǎn)壓縮燃料，生產(chǎn)的顆粒燃料直徑最大為80～240 mm。意大利研發(fā)的一款秸稈收獲機(jī)，功能與玉米聯(lián)合收割機(jī)類似，能在田地里一次完成秸稈的收割、切碎、擠壓水分、烘干、固體燃料成型。還有德國生產(chǎn)的制粒成型機(jī)可以制飼料、燃料棒等多種產(chǎn)品，其模具直徑為175～1 500 mm，產(chǎn)品直徑為0.4～40 mm。

3.3 國內(nèi)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

我國于20 世紀(jì)80 年代開始研究螺旋擠壓式成型技術(shù)。1985 年湖南省衡陽市糧食機(jī)械廠制成第一臺ZT-63 型生物質(zhì)壓縮成型機(jī)；此后，西北農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)機(jī)院能源動力研究所、山東宇龍機(jī)械有限公司等機(jī)構(gòu)、廠家研制了機(jī)械沖壓式、雙頭活塞式、大?？灼侥Ｊ?、環(huán)模式等生物質(zhì)固化成型設(shè)備。

圖3 MUZL1610M制粒機(jī)Fig.3 MUZL1610M granulato

學(xué)者如俞國勝[37]設(shè)計的常溫柱塞式生物質(zhì)環(huán)模致密成型機(jī)，采用開式成型方式，利用柱塞凸模將物料推入成型模孔，對原料進(jìn)行壓縮成型，比同規(guī)格的常規(guī)環(huán)模成型機(jī)能耗降低35%以上；付敏[38]設(shè)計的對輥式生物質(zhì)壓塊機(jī)，全閉式對原料進(jìn)行壓縮、增壓、成型，其以兩個半橢球成型凹槽為成型模具，降低了物料與模具摩擦阻力，從而降低能耗至38. 8 kW·h/t；姚宗路[39]設(shè)計帶有強(qiáng)制喂料器的模輥式成型機(jī)，采用物料二次粉碎、連續(xù)喂料與調(diào)節(jié)喂料相結(jié)合的物料混配預(yù)處理工藝，建立連續(xù)生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率比單機(jī)提升了17.3%，經(jīng)濟(jì)效益提升13.3%，成型率達(dá)98%，成型致密性好。

目前國內(nèi)市場投入使用的生物質(zhì)固化成型設(shè)備大約在1 000～1 700 臺之間，根據(jù)2020 年生物質(zhì)固化成型燃料產(chǎn)量約達(dá)5 000 萬t的規(guī)劃，越來越多的廠家投入到生物質(zhì)壓縮機(jī)研發(fā)中。

3.4 固化設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究方向

在成型機(jī)中軟化纖維和木質(zhì)素需要較高能耗，螺桿擠壓成型過程電耗一般100 kW·h/t。因此，降低固化成型設(shè)備的能耗是亟待研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

生物質(zhì)成型設(shè)備的成型部件是易損部件，滾輪和成型孔磨損快，國產(chǎn)螺桿因摩擦磨損使用壽命低于500 h，國際上最長的也只有約1 000 h；此外，國內(nèi)外同類設(shè)備維護(hù)修復(fù)周期約為1 000 h，費(fèi)用約1～4 萬元，生產(chǎn)效率低，維護(hù)成本高，如德國某廠環(huán)模成型機(jī)環(huán)模維修周期為3 個月，費(fèi)用高達(dá)4 500 歐元，生命周期內(nèi)需維修10次。因此，改善固化成型設(shè)備成型部件的摩擦磨損問題，提高設(shè)備使用壽命也是需要解決的關(guān)鍵問題。

研發(fā)原料適應(yīng)性強(qiáng)的生物質(zhì)固化設(shè)備是當(dāng)今成型技術(shù)重要的研究方向。目前，不同成型機(jī)對原料粒度和含水率（6%～35%不等）要求各有不同，超出原料處理范圍會導(dǎo)致原料不能致密成型或增大能耗。如為鋸末、木屑設(shè)計的成型設(shè)備不能處理秸稈，處理稻殼的設(shè)備不能處理棉花稈等。故設(shè)計原料通用性強(qiáng)、可調(diào)成型模具等的固化成型設(shè)備尤為關(guān)鍵。

4 結(jié)語

目前生物質(zhì)固化成型機(jī)理研究取得了諸多成果，但對固化成型過程中物料和關(guān)鍵成型模具的力學(xué)特性和固化倉內(nèi)的熱耦合、溫度場、壓力場等耦合分析仍存在不足。因此，應(yīng)結(jié)合定性與定量、宏觀與微觀、物理與化學(xué)的研究方法，進(jìn)一步深入探索固化成型技術(shù)。

不同類型的生物質(zhì)固化成型設(shè)備已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，其各有優(yōu)缺點(diǎn)，克服設(shè)備的不足仍然是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。同時，生物質(zhì)固化成型設(shè)備存在工作部件磨損嚴(yán)重、功率大、能耗高，因此通過研究成型機(jī)理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和物料的預(yù)處理，減少成型模具摩擦磨損，研發(fā)能耗低、生產(chǎn)效率高、生命周期長的關(guān)鍵成型部件是未來生物質(zhì)固化成型技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展方向和目標(biāo)。