郭文斌 齊文靜 王志鵬 王春光

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

農(nóng)林廢棄物是重要的生物質(zhì)資源，主要來源于農(nóng)業(yè)與林業(yè)生產(chǎn)加工后的植物殘留，如秸稈、牧草、稻殼、木屑、落葉、樹枝、薯渣、甘蔗渣、果殼等，具有可再生，可持續(xù)，利用方式多樣，資源豐富等特點。近年來我國年產(chǎn)農(nóng)林廢棄物接近20億t，種類繁多，產(chǎn)量巨大[1-2]，除少部分得到再利用外，大多被焚燒或掩埋，造成了資源浪費，直接或間接導(dǎo)致了環(huán)境污染。農(nóng)林廢棄物大多具有群體松散，容積密度小，保持形狀及尺寸能力差，可壓縮性好的特點，其在生產(chǎn)過程中既呈現(xiàn)固體態(tài)又表現(xiàn)出了流體性質(zhì)，因此國內(nèi)外從20世紀(jì)30年代起就對其開始了壓縮成型技術(shù)與應(yīng)用研究，其應(yīng)用主要集中在生產(chǎn)飼料與燃料上，推動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展[3-6]。例如我國于20世紀(jì)90年代起步的秸稈類草物料流變學(xué)特性試驗及成型理論研究[7-9]，其研究方法、思路不斷擴展至其他物料，促進了我國農(nóng)林廢棄物資源化利用技術(shù)的發(fā)展。

近年來，我國在農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)成型領(lǐng)域的研究進展有所放緩，許多研究仍集中在單一種類農(nóng)林廢棄物的成型及力學(xué)特性分析上，大多數(shù)單一物料壓縮時常需要較高溫度和較大壓力才能達到預(yù)期的成型效果，其較高的能耗制約了相關(guān)農(nóng)林廢棄物的再利用。由于單一物料在資源量及性能指標(biāo)方面相對欠缺[10-12]，使得農(nóng)林廢棄物混配成型成為了該領(lǐng)域研究的未來發(fā)展方向之一。本研究擬對農(nóng)林廢棄物混配成型后進行資源化利用的研究現(xiàn)狀進行綜述，探討將不同理化特點的農(nóng)林廢棄物分類后，混配實現(xiàn)組分互補，進而改善單一物料成型能力與品質(zhì)的可行性；同時提出借助力學(xué)特性試驗、顯微形貌觀測、物理性能測試等手段，多尺度分析混合物料成型機理及條件的對策；旨在為解決農(nóng)林廢棄物加工成型能耗大、處理成本高、再利用率低等問題提供思路與關(guān)鍵方法。

1 混配成型條件下農(nóng)林廢棄物資源化利用研究現(xiàn)狀

農(nóng)林廢棄物中不僅含有豐富的有機質(zhì)、營養(yǎng)元素、礦物質(zhì)等成分，而且含有纖維、粗蛋白、淀粉等大量可燃燒物質(zhì)，故其資源化利用在燃料化與飼料化方面起步較早，相關(guān)研究也較多。此外，作為生物質(zhì)殘留，農(nóng)林廢棄物具有很好的可降解性，經(jīng)過恰當(dāng)處理可自然降解成無害有機物質(zhì)而被土壤等吸收利用，因此隨著加工技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來材料化利用逐漸成為了農(nóng)林廢棄物資源化利用的新途徑，用于制作生物質(zhì)復(fù)合材料等。

1.1 燃料化利用研究現(xiàn)狀

我國農(nóng)林廢棄物逐年增多，利用其制備生物質(zhì)燃料已成為處理這些廢棄物最方便、最直接的方式。生物質(zhì)燃料是以農(nóng)林廢棄物為原料，經(jīng)粉碎、干燥、混合、擠壓、固化成型等工藝，制成的具有一定形狀(塊狀、棒狀、顆粒狀)的燃料，雖可直接進行燃燒，但也存在燃燒不充分、燃燒熱值低、成型困難、生產(chǎn)成本高等問題。為解決上述問題，提高生物質(zhì)成型燃料品質(zhì)，增加農(nóng)林廢棄物有效利用途徑，國內(nèi)外近年來從混配成型角度進行了探索性的研究嘗試：1)利用農(nóng)林廢棄物混配成型優(yōu)化生物質(zhì)燃料的燃燒性能指標(biāo)，例如燃燒熱值、灰分含量[13-14]、燃盡率、著火點[15]、燃燒速率[16]等。已有研究大多選擇燃燒熱值較高的煤粉[17-19]、木屑[20-22]等作為混配成型燃料的組分，利用其燃燒熱值高的特點，與燃燒特性差的農(nóng)林廢棄物形成互補，提升混合生物質(zhì)的整體燃燒品質(zhì)與機械物理性能。2)利用多種農(nóng)林廢棄物混配成型時，選擇將松散、致密化成型難的物料與含水率高、粘結(jié)性強、成型容易的物料按比例混合[23-25]，在特點上形成互補的同時，以物料本身作為天然粘結(jié)劑替代人工粘結(jié)劑，以降低成型能耗[26-28]，制備低成本、高品質(zhì)的生物質(zhì)成型燃料?；炫涑尚腿剂系某Ｒ娫辖M成及代表性研究成果見表1。

1.2 飼料化利用研究現(xiàn)狀

農(nóng)林廢棄物中的植物類廢棄物(如秸稈、檸條等)，因其來源和分布廣泛、產(chǎn)量大、成本低且含有粗蛋白、粗脂肪、各種氨基酸、微量元素等成分，在我國北方地區(qū)常被用作飼料的主要原料進行生產(chǎn)加工，用于飼喂家畜，以解決當(dāng)前飼草料短缺的問題；但由于秸稈、檸條等植物類廢棄物的粗纖維含量高、適口性差，即使切短、揉碎后飼喂，也會出現(xiàn)采食率低、消化率低等問題，單一飼喂效果不佳，因此相關(guān)研究常用其部分替代粗料，混配制備飼料顆粒，分析飼喂效果：謝立宏等[29]制備全混復(fù)合秸稈顆粒飼料時發(fā)現(xiàn)，在溫度、水分和壓力綜合作用下，飼料原料中淀粉發(fā)生糊化、酶活性增強，從而促進飼料更有效地被羊消化吸收，并轉(zhuǎn)化為體重的增加，因此與常規(guī)飼料相比復(fù)合顆粒飼料能顯著提高羊的產(chǎn)肉性能、增重速度和出欄率；王昊等[30]分析了環(huán)模?？字睆?、長徑比對復(fù)合飼料顆粒硬度及飼喂效果的影響，發(fā)現(xiàn)?？字睆脚c長徑比均顯著影響顆粒硬度，進而影響肉雞的消化率及日增重，并給出了生產(chǎn)肉雞飼料適宜選用的環(huán)模直徑；朝魯孟其其格[31]將苜蓿與檸條、秸稈分別混合后壓制草顆粒，通過正交試驗得到了兩種混合草物料成型的最佳工藝，并發(fā)現(xiàn)混草顆粒很好地改善了秸稈與檸條的適口性，其采食量明顯高于單獨飼喂秸稈顆?；驒帡l顆粒。此外，對飼喂效果進一步調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，畜禽混合日糧中每種飼料并非單獨存在，而是以某種方式相互作用、影響，即組合效應(yīng)[32-33]，通過合理搭配各種飼料原料可以充分利用這種效應(yīng)，以發(fā)揮出混配成型飼料的最佳飼喂效果；已有研究注意到了組合效應(yīng)對飼料養(yǎng)分及飼喂效果的影響，提出在常規(guī)制粒工藝下，制粒質(zhì)量的提升不應(yīng)以犧牲營養(yǎng)質(zhì)量為代價[34]，因此需要尋找新方法兼顧飼料顆粒物理質(zhì)量與養(yǎng)分。

表1 混配成型燃料的原料組成及代表性研究成果匯總Table 1 Material composition and representative research results of blended fuel briquettes

除飼喂效果外，混配成型飼料的成型質(zhì)量是該領(lǐng)域研究的另一熱點，其直接影響飼料的生產(chǎn)、儲運與飼喂，目前主要集中在以顆粒密度、硬度、抗碎率、成型率、粉化率等為指標(biāo)[35-37]，以含水率、配比、粒度、模孔直徑等為影響因素的成型試驗研究[38-39]與工藝分析研究[40-41]等方面，相關(guān)研究的主要原料組成及成果見表2。

1.3 材料化利用研究現(xiàn)狀

混配成型條件下農(nóng)林廢棄物的材料化利用主要集中于制備生物質(zhì)復(fù)合材料，即通過多種農(nóng)林廢棄物混合或農(nóng)林廢棄物與其他物料混合的方式，采用一定加工方法，獲得多功能、高性能及高附加值的新型復(fù)合材料。例如，制備木塑復(fù)合材料、熱塑性淀粉基復(fù)合材料時，常以秸稈、稻殼、薯渣、木屑等農(nóng)林廢棄物中的植物纖維作為增強體[42]，在一定條件下與樹脂、塑料等混合，再經(jīng)過平壓、模壓方法生產(chǎn)出板材及型材用于家具裝飾、建材、包裝等行業(yè)[43-45]。由于復(fù)合材料需要具備良好的力學(xué)、物理性能和一些其他特殊性能，因此已有試驗研究常在農(nóng)林廢棄物等原料中添加粘結(jié)劑、溶脹劑、增塑劑等輔助添加物以增強材料的品質(zhì)及功能，并通過研究其成型后的力學(xué)物理性能、從微觀角度分析不同物料間的界面結(jié)合機理[46-48]，得到生物質(zhì)復(fù)合材料的原料最優(yōu)配比及最佳成型工藝參數(shù)。

隨著各行業(yè)對生物質(zhì)復(fù)合材料環(huán)保性要求的提高，以及對林木資源保護力度的加大，復(fù)合材料的增強體原料已逐漸由木材拓展至稻殼、秸稈[49-51]等資源量豐富的低成本農(nóng)林廢棄物[52-53]；而復(fù)合材料中的粘結(jié)劑、改性劑等人工添加劑，也逐漸以更環(huán)保、更安全的天然可降解物質(zhì)替代[54-55]，并通過較為環(huán)保的改性處理方法，增強復(fù)合材料界面結(jié)合能力及性能，相關(guān)研究的原料組成及成果見表3。

表2 混配成型飼料的原料組成及代表性研究成果匯總Table 2 Material composition and representative research results of blended feed briquettes

表3 生物質(zhì)復(fù)合材料的原料組成及代表性研究成果匯總Table 3 Material composition and representative research results of blended biocomposite

2 混配成型條件下農(nóng)林廢棄物資源化利用的發(fā)展對策分析

2.1 燃料化利用存在問題及發(fā)展對策分析

在利用農(nóng)林廢棄物混配壓制燃料的已有研究中，常選擇煤粉、木屑等作為原料的主要組分，雖然能夠提高混合生物質(zhì)燃料整體的燃燒熱值，但也帶來了制約其發(fā)展的一些問題：例如煤粉作為不可再生能源，與農(nóng)林廢棄物混合燃燒后，仍存在污染排放嚴(yán)重、加速化石能源消耗等問題；又如鋸末、木屑等富含木質(zhì)素的農(nóng)林廢棄物，常溫下冷壓較難成型，只有當(dāng)溫度達到150 ℃以上木質(zhì)素發(fā)生軟化后，才會產(chǎn)生膠粘性物質(zhì)促進成型，因此當(dāng)前研究多采用高溫?zé)釅撼尚偷姆绞綄举|(zhì)素類物料進行混壓，制備燃料顆粒，其能耗大、成本高，制約了混合生物質(zhì)成型燃料的再利用發(fā)展。

如何結(jié)合不同農(nóng)林廢棄物的物性特點，通過混配手段降低壓制燃料顆粒、燃料棒的成型溫度，以低成本的加工方法提升其成型與燃燒品質(zhì)，將成為制備混合生物質(zhì)燃料的關(guān)鍵。在降低成型溫度方面，由于農(nóng)林廢棄物成分中的淀粉、蛋白質(zhì)等在一定溫度下會產(chǎn)生粘結(jié)作用，因此有研究表明80 ℃左右溫度范圍內(nèi)相關(guān)農(nóng)林廢棄物料的混配成型效果較好[24-26]，而該溫度范圍理論上通過加工設(shè)備工作時產(chǎn)生的熱量就可以達到。鑒于此，如果能從研究物料顆粒間的天然粘結(jié)機制入手，深入分析混合物料的微細觀成型機理，充分發(fā)掘農(nóng)林廢棄物料自身潛力，進一步改善其成型溫度條件及工藝，并以此指導(dǎo)混合成型燃料的生產(chǎn)加工，其研究成果將在一定程度上解決制備成型燃料能耗高的問題。在提升燃燒品質(zhì)方面，除了通過物理或化學(xué)方法對農(nóng)林廢棄物進行預(yù)處理提升其燃燒熱值外，還要考慮以低成本的物料混配方法促進物料顆粒間的天然粘結(jié)，改進與發(fā)展致密成型技術(shù)手段，通過進一步增大成型燃料密度來提升燃燒品質(zhì)。

2.2 飼料化利用存在問題及發(fā)展對策分析

利用混配成型制備塊狀、顆粒狀飼料，不僅節(jié)省了貯運空間，減少了飼喂中的浪費，還解決了由于農(nóng)林廢棄物種類單一帶來的飼料營養(yǎng)不均衡、適口性差、采食及消化率低的問題；但隨著研究的深入，越來越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)，若要進一步提升畜禽采食率、消化率及日增重，充分發(fā)揮混配成型飼料的最佳性能，就必須分析利用混配成型飼料中各組分間的組合效應(yīng)，但如何利用這種效應(yīng)仍是未來該領(lǐng)域研究的主要任務(wù)。例如含有淀粉、蛋白質(zhì)的植物類廢棄物在制粒時受機器溫度影響，其所含淀粉會出現(xiàn)凝膠、蛋白質(zhì)會發(fā)生變性[56-57]，從而使混合物料的營養(yǎng)成分、成型能力等發(fā)生改變，如何控制或促進這種改變，利用其帶來有益的組合效應(yīng)將十分關(guān)鍵。

除營養(yǎng)成分的組合效應(yīng)外，如何進一步改善混合飼料塊或顆粒的成型質(zhì)量、降低加工成本是目前該領(lǐng)域研究所面臨的另一主要問題。已有研究多從顆粒物理性能測試、力學(xué)特性分析、加工條件及工藝優(yōu)化等宏觀角度入手，尋找改善混配成型飼料顆粒質(zhì)量的途徑；而結(jié)合農(nóng)林廢棄物自身成分特點，從微細觀角度分析混配成型機理、提升成型質(zhì)量的研究較少。Nalladurai等[58]曾在研究秸稈類草物料成型過程中指出：農(nóng)林廢棄物中木質(zhì)素、淀粉、蛋白質(zhì)等成分可在一定條件下轉(zhuǎn)化為天然粘結(jié)劑(Natural Binder)，在物料顆粒間架橋(solid bridge)，形成機械互鎖式結(jié)構(gòu)。因此，分析利用不同物料顆粒間的天然粘結(jié)作用機理，在不增加甚至是降低加工成本的基礎(chǔ)上改善混合飼料塊或顆粒的成型質(zhì)量，將使混配成型飼料的優(yōu)越性得到進一步發(fā)揮。

2.3 材料化利用存在問題及發(fā)展對策分析

與飼料化、燃料化利用相比，在制備復(fù)合材料前，作為主要原料的農(nóng)林廢棄物常需要經(jīng)過干燥、制粉、堿處理、表面改性、微波處理等各種復(fù)雜預(yù)處理工序，導(dǎo)致其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝復(fù)雜、加工成本較高，不利于材料化利用途徑的進一步推廣與發(fā)展。此外，為了保證復(fù)合材料質(zhì)量、提升界面結(jié)合性能，大部分研究進行試驗時常在農(nóng)林廢棄物原料中添加各類人工粘結(jié)劑、改性劑、塑化劑等，不僅增加了成本，還對所生產(chǎn)材料的綠色環(huán)保性能產(chǎn)生了一定影響。因此，應(yīng)繼續(xù)從拓展原料及添加劑種類的角度降低復(fù)合材料生產(chǎn)成本、提升其環(huán)保性能。

此外，生物質(zhì)復(fù)合材料的混配成型技術(shù)也應(yīng)得到進一步的重視。從目前研究現(xiàn)狀來看，農(nóng)林廢棄物制備復(fù)合材料的相關(guān)研究主要涉及產(chǎn)品力學(xué)物理特性分析與微觀組織結(jié)構(gòu)分析兩方面，而對于復(fù)合材料成型過程中其混合原料的機械特性、流變特性、力傳遞機制的研究尚鮮；因此若能從農(nóng)林廢棄物原料力學(xué)特性研究入手，分析得到混合物料成型能力及條件，并與微觀結(jié)構(gòu)分析對比映證，其研究結(jié)果勢必會進一步推動生物質(zhì)復(fù)合材料的組分優(yōu)化，以提升產(chǎn)品性能、降低加工成本。

3 結(jié)束語

一直以來，制約農(nóng)林廢棄物壓縮成型的問題集中在成型品質(zhì)低、加工成本高、資源化利用效果差等幾個方面，混配成型方式的出現(xiàn)為解決上述問題提供了思路，其作用在于可以通過混配將不同物料的理化特點結(jié)合起來進行互補，充分發(fā)掘農(nóng)林廢棄物自身潛力，改善成型能力、降低加工成本的同時，提升其使用性能以滿足資源化利用需求。因此，根據(jù)當(dāng)前農(nóng)林廢棄物資源化利用途徑及現(xiàn)狀，在選擇物料進行混配成型研究時提出如下建議：1)將干燥松散、較難成型的物料與不易脫水、膠粘性強的物料混配，發(fā)揮物料的天然粘結(jié)作用，提升物料成型能力，解決當(dāng)前資源化利用過程中普遍存在的熱壓成型溫度高、人工粘結(jié)成本高的問題，降低成型能耗；2)將燃燒熱值高、著火點低的物料與容易致密成型、燃燒特性差的物料混配，提升混合物料燃燒品質(zhì)的同時，解決其燃料化利用過程中存在的成型密度低、耐久性差等問題；3)將松散、粗纖維含量高的物料與易于成型、適口性好、采食消化率高的物料混配，解決飼料化利用過程中顆粒飼料物理質(zhì)量與營養(yǎng)質(zhì)量難以兼顧、營養(yǎng)不均衡、浪費嚴(yán)重等問題，充分發(fā)揮混配成型飼料各組分間的組合效應(yīng)；4)將含有可以替代化工類粘結(jié)劑、溶脹劑、增塑劑、改性劑成分的物料與其他農(nóng)林廢棄物料進行混配，減少非環(huán)保型輔助添加劑的使用，解決材料化利用過程中遇到的可降解能力差、環(huán)保性能差等問題。

利用混配成型思路解決農(nóng)林廢棄物資源化利用過程中遇到的問題，關(guān)鍵還在于能否解析得到混配成型過程中不同物料顆粒間的粘結(jié)機制與微細觀作用機制，這方面的分析探索將成為未來該領(lǐng)域研究的重點，其研究過程可與物料混配成型工藝研究、產(chǎn)品力學(xué)物理性能研究結(jié)合在一起，通過多尺度分析對農(nóng)林廢棄物混配成型機理進行探索，以充分發(fā)揮混配成型在農(nóng)林廢棄物資源化利用過程中的作用。