张霞，蔡宗寿，陈丽红，陈颖

(云南农业大学工程技术学院，昆明650201)

　　摘要：生物质成型燃料是煤和天然气优秀的清洁替代能源，其技术的研究得到世界越来越多的关注和重视。在生物质成型过程中，生物质化学成分的含量与其成型质量有着密切关系，不同的生物质由于化学成分含量不同，决定了要采用不同的加工参数才能形成高品质的成型燃料。为此，首先介绍了生物质成型燃料的整个加工过程，并全面分析各主要的加工参数(原料含水量、颗粒粒径、温度和压力)对成型燃料品质的影响。同时，介绍了目前被广泛运用于生物质颗粒成型研究的3个成型模型，为进一步探究不同生物质的成型规律及成型条件，优化最佳加工参数提供理论依据。

　　0引言

　　随着世界石油危机的进一步加深，伴随着的日益突出环境污染和气候变暖等问题，积极开发和利用清洁替代能源已成为世界各国能源发展的重要战略。

　　在一定的压力和温度下，蓬松的生物质可以挤压或压缩成为体积较小、形状和尺寸规则的成型燃料，能较好地克服生物质热值低、体积密度小、物理形态不规则等缺点，降低了储藏和运输成本。由于生物质成型燃料热值接近煤热值的60％，因而可以成为煤和天然气优秀的清洁替代燃料。

　　生物质成型过程一般分为3个阶段：第1阶段是位置重组阶段，即在较低的压力下生物质颗粒产生流动，充实了颗粒间的较大空隙，形成一个较为紧密的压实体；第2阶段是弹性和塑性变形阶段，即生物质颗粒在较高的压力下破碎并产生弹、塑性变形，进一步填充了颗粒间的较小空隙；第3阶段是软化、冷却固结阶段，即在高温、高压下，生物质颗粒达到其熔点而软化，使颗粒更加紧密地连接在一起；冷却后颗粒问形成坚固的固相桥接，此时生物质原料容积密度进一步增大，成为热值较高的固体成型燃料。国外学者在研究木屑、玉米、大麦、小麦、油菜、水稻等生物质成型技术时发现，生物质成型过程中其化学成分的含量与其成型质量有密切关系，特别是生物质中蛋白质、淀粉、木质素、纤维素是天然的粘接剂，其含量直接决定成型燃料的品质。

　　由于各种生物质化学成分不尽相同，每一种生物质成型的最佳加工参数(原料含水量、原料颗粒大小、温度、压力等)也不同。本文首先介绍了生物质成型燃料的整个加工过程，并全面探讨了各主要加工参数对成型燃料品质的影响；然后在总结前人工作的基础上，讨论了目前广泛运用于生物质颗粒成型研究的3个成型模型，为进一步探究不同生物质的成型规律及成型条件、确定最佳加工参数提供理论依据。

　　1生物质成型燃料加工过程

　　生物质成型燃料的加工过程大致分为以下几个步骤：原料收集、干燥、粉碎、固化成型、冷却，装箱、储藏，如图1所示。生产原料一般是农业秸秆或锯末、木屑等林业废弃物。原料首先经过自然干燥，将含水量由原来的30％～55％降到20％左右，然后用饲料切碎机将原料切碎，再用锤片式粉碎机进一步粉碎。粉碎后的生物质颗粒尺寸一般在3mm以下，再经过热风干燥或微波干燥，将含水量进一步降到15％以下。如果干燥过多，还要根据不同生物质对湿度的要求进行调质处理，将水分控制在适当的范围，然后利用成型设备在一定压力和温度下将原料挤压或压缩成型；再经过一定时间的冷却定型后进行筛分和除尘，然后装箱储存。在整个加工过程中，不同的生物质对原料的含水量、颗粒粒径的大小、温度和压力等加工参数有不同的要求，加工参数选择不当，对生物质成型燃料的品质影响很大。

　　2加工参数对生物质成型燃料品质的影响

　　2.1原料含水量

　　在成型过程中，适当的水分是生物质成型的必备条件之一。首先，水分是天然的粘接剂和润滑剂。它可以在生物质颗粒之间形成薄膜，导致颗粒之间的接触面积增大，从而增大了颗粒之间的相互作用力(范德华力)，提高了生物质固化成型能力；薄膜还可以减少成型过程中原料和模具之间以及原料颗粒之间的摩擦力，减少能耗。此外，生物质成型过程中淀粉的凝胶作用是提高颗粒之间粘接力的重要因素，而适当的水分是促进淀粉凝胶的重要条件。

　　但是，过多的水分也会影响生物质成型品质，原因是多余的水分不能被原料颗粒吸收而附着在颗粒表面上，致使颗粒物料不易压紧，导致燃料强度和耐久性差。另外，水分过多会造成成型燃料脱模性能变差，压制过程中产生水蒸汽过多，压制阻力加大，能耗增加。一般来说，生物质原料的最佳含水量在8％～12％之间，高于或低于最佳值，颗粒燃料的品质都会降低。根据国外学者的研究报道，不同的生物质最佳的原料含水量不尽相同。Li和Liu在研究木质颗粒燃料成型条件时得出，生产木质颗粒燃料的原料含水量应在6％～12％范围内，当原料含水量在8％时，生产出来的颗粒燃料质量最好。Srivastava在研究干草(加入20％苜蓿)压块燃料(直径为150am)时指出，当原料含水量从3％增加到11％时，压块燃料的耐久指数由27％上升到96％；而当原料含水量从11％增加到25％时，压块燃料的耐久指数从96％降到20％。可见，原料含水量的选择对生物质成型燃料的品质影响很大。

　　2.2原料颗粒

　　粒径一般来说，生物质原料颗粒的粒径越小，颗粒之间的相互作用面面积越大，颗粒之间的结合力也就越强；而且颗粒粒径较小时，能够吸收的水分也比较多，淀粉的凝胶作用也就越好，有利于生物质颗粒固化成型。Hill和Pulkinen在研究苜蓿颗粒成型时发现，当用于粉碎苜蓿原料的锤片式粉碎机的筛孔直径由2.8mm增大到6.4mm，原料颗粒粒径增大而其它加工参数不变的情况下，苜蓿颗粒燃料的耐久指数下降了15％。但是，颗粒粒径过小，虽满足了生物质原料的粉碎要求，但能耗增加、产量降低，从而增加了生产成本，不利于生物质成型燃料商业化发展。一般说，生物质成型燃料的最佳原料颗粒的平均粒径应在0.6～0.8mm之间。

　　2.3温度

　　在一定的温度下，生物质中的淀粉发生了凝胶作用，蛋白质产生了变性反应；而木质素和纤维素受热软化，都能增强原料颗粒间的粘接力，提高生物质成型品质。Hill和Pulkinen指出，在较高的温度下成型的苜蓿颗粒燃料的耐久指数比较高，品质也较好。当温度由60℃上升到104℃时，苜蓿颗粒燃料的耐久指数上升了30％～35％。同样，Tabil和Sokhansanj在研究苜蓿颗粒燃料成型技术也得到相似的结论，指出当温度大于90％时，苜蓿颗粒燃料的耐久指数明显提高，90％也是生产苜蓿颗粒燃料的最低温度。由于不同的生物质所含淀粉、蛋白质和木质素以及纤维素不同，导致它们的最佳加工温度也就不同。温度过高，能耗增加，生产成本提高，而且过高的温度造成成型燃料表面烧焦、退色，影响外观，降低品质。

　　2.4压力

　　在致密成型过程中，压力对生物质成型燃料品质的影响很大。只有在一定的压力下，生物质中淀粉、蛋白质、木质素和纤维素等天然粘接剂才能从原料颗粒中受挤压而分离出来，并在一定的温度和湿度条件下，发生相应的物理、化学反应，产生粘接功能，将原料颗粒紧密粘接起来。一般来说，在一定的范围内，增加压力，生物质成型燃料的颗粒密度和机械强度也相应增加；但是当成型燃料的颗粒密度增加到一定值时，增加压力并不会带来成型燃料颗粒密度的显著增加。甚至压力过大时，成型燃料内部产生微裂纹，反而降低了成型燃料的颗粒密度和机械强度，降低了成型燃料的品质。表1为不同压力下大麦、油菜、燕麦和小麦秸秆成型燃料(直径为6.35mm)颗粒密度的变化。在原料湿度为10％，加热温度为95％的条件下，当压力由1000N上升到3000N时，大麦、油菜、燕麦、小麦秸秆成型燃料的颗粒密度分别提高了8.9％、19.1％、16.7％、14.5％。但是，当压力进一步增加到4400N时，大麦和小麦秸秆成型燃料的颗粒密度反而下降。可见，盲目增加压力并不能保证生产出高质量的生物质成型燃料。

　　3生物质成型模型介绍

　　颗粒原料(金属或非金属)在不同的压力下表现出来的压缩特性并不相同，为了更好地了解颗粒原料的成型规律，国外学者在试验的基础上提出一些颗粒原料固化成型模型，如Walker(1923)、Jones(1960)、Heckel(1961)、Cooper and Eaton(1962)、Kawakita andLtidde(1971)、Sonnergaard(2001)、Panelli—Filho(2001)等。这些成型模型有的是反映颗粒原料在压缩过程中压力和密度的变化关系，有的是反映压力和容积的变化关系。不同的压缩模型适用于不同压缩物料，它们被广泛运用于陶瓷制品、金属材料成型、化肥、药品和食品的研究领域。而相对于柔软、蓬松、植物纤维含量高的生物质颗粒的成型，Heckel(1961)、Cooper—Eaton(1962)、Kawakita—Ltidde(1971)提出的3个模型能够与实验数据较好地吻合，所以至今仍然被广泛运用于生物质成型规律的研究中。

　　3.1Heckel模型

　　Hechel模型是被广泛运用于制药和生物质成型的模型之一，反映的是颗粒原料压缩过程中其相对密度和所受压力之间的函数关系，其具体表达式为

　　4结束语

　　生物质的成型过程与其化学成分的含量关系很大，原料含水量、粒径、温度和湿度等主要加工参数对成型燃料的品质都有影响，不同的生物质由于其化学成分不相同，决定了最佳加工参数也不相同。Heckel、Cooper—Eaton、Kawakita-Ltidde3个成型模型适用于生物质的成型研究，它们反映了生物质在压缩过程中压力和密度或者压力与容积之间的变化关系。