生物质固化成型机理及设备的研究现状*

张建超 德雪红 李 震 郭文斌 于立坤

（1.内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018； 2.内蒙古科技大学机械工程学院，包头 014010）

生物质能在自然界中储量巨大，可直接转换为含碳燃料[1]，弥补现有能源不足，为经济持续发展提供多样化保障[2]。我国属于资源短缺型国家，能源结构以煤炭为主，而燃烧煤炭会造成严重的环境污染，因此研究开发绿色、清洁、高效的新能源技术是能源行业发展的重要方向。

目前生物质能源的开发利用研究主要集中在三个方向：一是生物质固化成型作为燃料，燃烧产生热能；二是生化转化，即通过发酵和厌氧性消化将秸秆、农业废弃物等生物质转化获得液态或气体燃料；三是通过生物质的热化学转化，生产固、液、气三种高质量能源产品。其中，生物质固化成型燃料技术成本低，工艺简单，且经济效益良好，生物质成型燃料的热值和使用效果明显优于普通煤炭，同时燃料温室气体排放量不到煤炭的1/9[3]，因此生物质固化成型燃料技术是目前生物质能源转化与利用的重要方向。

1 生物质能源利用现状

1.1 国外生物质能源利用现状

在欧美地区，针对家庭、工业用的生物质燃料以及配套清洁小型燃烧锅炉的制造和销售商业运营已非常成熟。以生物质能源利用率较高的美国、瑞典和奥地利为例，生物质能源在一次性能源消耗中占比分别达4%、16%和10%，约15%的电力来源于生物质发电，预计到2023 年这一比例会增至17%[4]。预计2025 年全球生物质能源市场规模将达154.7 亿美元，主要用于发电、供热等领域。

截至2019 年底，已有超过450 座生物质发电站，且装机规模不断增大，例如美国生物质发电总量近 7 358 MW。欧洲的生物质成型技术最为先进，生物质能源占欧洲可再生能源近60%，供热和制冷使用了大约75%的生物能源。瑞典是利用生物质能源的典型国家，其年生物质燃料产量超过200 万t，人均消耗超 160 kg。爱尔兰国家电网计划2020 年前将可再生能源比例从27%提高到40%。英国计划到2026 年，生物质能增长60%，占能源需求的9.5%[5-7]。

1.2 国内生物质能源利用现状

为了维护国家能源稳定安全，我国将发展生物质能源作为重要国家战略，在《生物质能发展“十三五”规划》中提出：利用生物质替代化石能源发电规模达到1 500 万kW，年产量达900 亿kW·h；生物质燃料利用规模达3 000万t，计划投资生物质能产业1 400亿元[8-10]，并继续财政支持生物质成型技术研发及产业示范项目。

经过科研人员的不断努力，我国在生物质能源领域也基本达到了国际水平，且生物质发电装机规模全球第一。“中国生物质发电行业调查分析及发展趋势预测报告（2019-2025 年）”显示，截至2018 年底，已投产生物质发电项目902 个，且随着生物质压缩和燃烧技术的发展，单位成本降低，各省都在积极新增装机量，2019 年一季度，我国生物质发电量达245 亿kW·h，同比增长16.7%

2 生物质固化成型理论研究现状

生物质固化成型技术是指通过一定温度、压力作用将生物质原料固化成一定形状燃料。目前该领域的理论研究主要集中在压缩前物料预处理、压缩成型工艺和成型后压块密度、燃烧效率等方面。国内主要集中在对“开式”结构及其在工程中的应用，压缩时机械力、摩檫力与机器功耗、磨损间的关系，压缩过程中物料温度场的变化，固化所需粘结介质，木质素，固化时的添加剂，成型后产品形状、密度等方面的研究。

生物质固化成型机理研究主要着重于物料的密实填充、表面变形与破坏及塑性变形三方面。对微观机理的研究则主要集中在物料的切碎尺寸对物料升温后分子间连结性的影响，以及物料受外力挤压作用时，达到其屈服强度后碎裂变形，变成小的粒子，形成纤维流动状态后的物理、生化特性[11]等。

2.1 国外生物质固化成型理论研究

Rumpf[12]在研究不同生物质原料压缩成型时发现：生物质颗粒间粘结有五种方式：固体颗粒间桥接、粒子间镶嵌结合、无移动粘结、液体自由移动的表面张力和毛细压力、颗粒间范德华力或静电吸引力。Panelli等[13-14]研究了成型压力参数与物料致密度之间的关系，提出了一种新压缩方程，可预测和改进压实特性的评估。Kaliyan[15]测定固化成型产品的耐磨性、机械强度和抗水性，发现生物质组成元素（如纤维素、蛋白质、脂肪等）影响成型后的产品质量，并得出生物质颗粒大小、水分含量、成型工艺参数等对其的影响规律。O,Dogherty[16]研究压缩成型时原料进料量、直径和形状保持时间等因素，发现出口模直径减小，压缩密度、能耗比增大，在110 MPa时保持10 s后释放，生物质固化产品没有出现明显松散现象。Finell等[17]以芦苇草为原料，用机械活塞冲压式成型机生产直径为65 mm棒状燃料，颗粒密度为640 kg/m3，机械强度随分馏法（dry fractiionation）所剩组分含量的减少而降低。Demirbas[18]以纸浆和小麦秸秆为原料，利用液压挤压成型，分析了成型燃料的物理性能，得出物料温度、密度及压缩时所受压力对固化成型产品抗压强度的影响规律。Yumak[19]分别进行了压缩物料含水率为7%、10%、13%时，在圆形和矩形模孔上施加不同压力的成型实验，获得不同成型模孔参数下草料固化成型的理想参数：含水率为7%～10%，压力为31.4 MPa，温度为85～105 ℃。Päivi[20]研究发现固化成型产品抗渗水性和吸湿性与粒子粒径有密切关系，粒径小的粒子比表面积大，成型块容易吸湿回潮；粒子间空隙大，易于充填，可压缩性大，成型产品内部残存内应力变小，亲水性低，抗渗水性高。Wolfgang等[21-22]研究了生物质燃料造粒过程中物料颗粒形状、模具温度、含水率和粒度对成型压力的影响，得出物料成型压力随颗粒增大而增大。

2.2 国内生物质固化成型理论研究

郭康权等[23]通过显微镜观测固化成型后产品内部粒子，建立了粒子微观结合模型：垂直于最大主应力方向上的粒子向四周延展，粒子间的结合形式是啮合；沿最大主应力方向上的粒子变为薄片状，粒子间的结合形式是贴合。Lin等[24]研究发现，减少生物质原料的ζ电势会提高固化成型产品的强度，而不同原料的ζ电势值不同，生物质颗粒在水中接触时间、吸水后颗粒含水率、温度及添加剂等因素都会影响ζ电势绝对值。霍丽丽等[25]从力学角度研究生物质原料压缩成型机理，通过对比不同种类生物质原料压缩的应力与能耗，发现生物质原料颗粒密度越高，应力越大，压缩能耗越高。简相坤等[26]认为，对生物粒子特性进行研究有助于分析生物质原料含水率对压缩成型的影响规律。王冬梅[27]利用热力学分析软件，模拟生物质物料压缩过程中的内部温度场，揭示了成型过程中生物质内部应力应变及变化规律，得出不同温度场下生物质各断面木质素软化和溶融情况。莫远东等[28]采用超声压缩工艺制备生物质成型产品，发现产品的致密性比无超声压力压缩更好；温凯林[29]采用双超声压缩工艺，进行颗粒度、含水率、预压力、超声电源功率和压缩时间等单因素实验，研究麦草固化成型产品抗跌碎性能，结果表明：抗跌碎性能与生物质颗粒度正相关，与预压力、超声功率和压缩时间负相关，随含水率先增强、后减弱。许俊等[30]研究压缩时长、预压力、颗粒质量、含水率因素对木屑成型块密度的影响，得出对密度影响程度为：压缩时长＞颗粒质量＞预压力＞含水率；采用超声压缩工艺时成型最优参数为：压缩时长50 s、预压力0.172 MPa、颗粒质量1.0 g、含水率15%。沈显华[31]首先用低压力、低温进行生物质预热压缩，改变物料颗粒排列结构，减少其内部孔隙率，然后二次压缩熔融木质素，使其内部形成非自由移动粘结剂作用的粘结力，两次压缩工艺提高了成型颗粒间结合强度和耐久性。邓勇[32]研究了压辊式生物质压缩环模不规则磨损，发现压缩室内原料不均匀分布是不规则磨损的主因，通过对环模均布及非均布载荷模拟有限元分析，根据环模沿轴向应力与应力数据，得到了延长环模寿命的结构优化方法。邹岚等[33]分析成型模孔几何参数，得出模孔深度直径比、物料与模孔壁间摩擦因数和模孔两端压强差三因素耦合关系，及其对生物质成型产品质量和生产效率的影响。申树云[34]分析了环模温度场分布规律，进行其结构静力学、动力学、热耦合数值模拟，得出环模应力、应变、位移分布数据及环模结构对其应力应变的影响，探索了压辊式成型机结构、压缩性能与使用寿命之间的关系。吴云玉[35]研究了环模失效形式、机理，通过环模S-N曲线和Palmgren-Miner线性累积磨损，模拟预测模拟环模疲劳，得到了不同温度环模的寿命曲线。

3 生物质固化成型设备发展现状

生物质能源的固化理论和生产设备的研究和制造是很多发达国家的研究重点。为进一步发展生物质固化成型技术，增加能源多样性，我国在30 年间也投入了大量的人力和财力。目前国内外生物质固化设备已经发展得较为完善，开始应用于居民生活和能源建设。对成型设备研究的主要目标为：低能耗、高生产率、关键零部件的耐用性、良好的产品结构组成。为实现上述目标，着重对原料预处理、成型模具、压缩成型压力、压缩件材料以及表面处理工艺、磨损机理等展开研究。

3.1 生物质固化成型设备类型

市场上商用生物质固化成型设备主要有螺旋挤压式、活塞冲压式和压辊式三类（如表1）。根据工艺特征差异，螺旋挤压式分为热压成型和常温成型；根据驱动动力的不同，活塞冲压式可分为机械驱动式和液压驱动式两类；根据压模形状的不同，压辊式分为平模、环模、对辊式和柱塞式[36]。

表1 生物质固化成型设备类型Tab.1 Types of biomass curing molding equipment

在现有生物质固化成型设备中，螺旋挤压式是开发最早的机型，整体运行平稳，成本低，应用最为普遍。但是其单位产品能耗高，100～125 kW·h/t；成型部件磨损严重，寿命短，例如螺杆寿命仅为60～80 h；效率低；仅适于加工稻壳、木屑等木质原料。活塞冲压式成型设备成本低，压缩工作压强约12 MPa；压缩物料来源丰富，可加工稻草、麦草等生物质原料，且不需要过多预处理；成型产品颗粒度范围广，成型密度较大；但设备结构复杂，产品质量稳定性差，故障率高，噪音大，成型腔易磨损，生产效率不高。压辊式固化成型设备结构简单，压辊直径可根据生产需求调整，技术较为成熟；适合木屑、沙柳和秸秆等原料，对原料状况容忍度高，成本低，适用于各种生产环境，容易规模化发展；但环模及压辊易损部件磨损较为严重。

3.2 国外设备发展现状

美国研究生物质压缩技术最早，研制的螺旋挤压式成型机，在温度110～350 ℃、挤压强度为10 MPa条件下，将碎木屑、刨花压缩固化成型。19 世纪70 年代后期，丹麦、比利时等欧洲国家开始研发生物质成型技术与设备，比利时、丹麦、瑞典等国的生物质成型机已经投入市场使用。泰、韩、日本、印度等国也已经建立了生物质固化专业生产厂用以规模化生产。

图1 德国RUF生物压块机Fig.1 RUF biological briquetting machine from Germany

图2 德国KAHL制粒成型机Fig.2 Curing machine produced by KAHL in Germany

德国研发的生物压块机可用废弃木材颗粒、棉花稻秆、农业废料等生产压缩燃料，生产的颗粒燃料直径最大为80～240 mm。意大利研发的一款秸秆收获机，功能与玉米联合收割机类似，能在田地里一次完成秸秆的收割、切碎、挤压水分、烘干、固体燃料成型。还有德国生产的制粒成型机可以制饲料、燃料棒等多种产品，其模具直径为175～1 500 mm，产品直径为0.4～40 mm。

3.3 国内设备发展现状

我国于20 世纪80 年代开始研究螺旋挤压式成型技术。1985 年湖南省衡阳市粮食机械厂制成第一台ZT-63 型生物质压缩成型机；此后，西北农业大学、中国农机院能源动力研究所、山东宇龙机械有限公司等机构、厂家研制了机械冲压式、双头活塞式、大模孔平模式、环模式等生物质固化成型设备。

图3 MUZL1610M制粒机Fig.3 MUZL1610M granulato

学者如俞国胜[37]设计的常温柱塞式生物质环模致密成型机，采用开式成型方式，利用柱塞凸模将物料推入成型模孔，对原料进行压缩成型，比同规格的常规环模成型机能耗降低35%以上；付敏[38]设计的对辊式生物质压块机，全闭式对原料进行压缩、增压、成型，其以两个半椭球成型凹槽为成型模具，降低了物料与模具摩擦阻力，从而降低能耗至38. 8 kW·h/t；姚宗路[39]设计带有强制喂料器的模辊式成型机，采用物料二次粉碎、连续喂料与调节喂料相结合的物料混配预处理工艺，建立连续生产线，生产效率比单机提升了17.3%，经济效益提升13.3%，成型率达98%，成型致密性好。

目前国内市场投入使用的生物质固化成型设备大约在1 000～1 700 台之间，根据2020 年生物质固化成型燃料产量约达5 000 万t的规划，越来越多的厂家投入到生物质压缩机研发中。

3.4 固化设备关键技术研究方向

在成型机中软化纤维和木质素需要较高能耗，螺杆挤压成型过程电耗一般100 kW·h/t。因此，降低固化成型设备的能耗是亟待研究的关键技术之一。

生物质成型设备的成型部件是易损部件，滚轮和成型孔磨损快，国产螺杆因摩擦磨损使用寿命低于500 h，国际上最长的也只有约1 000 h；此外，国内外同类设备维护修复周期约为1 000 h，费用约1～4 万元，生产效率低，维护成本高，如德国某厂环模成型机环模维修周期为3 个月，费用高达4 500 欧元，生命周期内需维修10次。因此，改善固化成型设备成型部件的摩擦磨损问题，提高设备使用寿命也是需要解决的关键问题。

研发原料适应性强的生物质固化设备是当今成型技术重要的研究方向。目前，不同成型机对原料粒度和含水率（6%～35%不等）要求各有不同，超出原料处理范围会导致原料不能致密成型或增大能耗。如为锯末、木屑设计的成型设备不能处理秸秆，处理稻壳的设备不能处理棉花秆等。故设计原料通用性强、可调成型模具等的固化成型设备尤为关键。

4 结语

目前生物质固化成型机理研究取得了诸多成果，但对固化成型过程中物料和关键成型模具的力学特性和固化仓内的热耦合、温度场、压力场等耦合分析仍存在不足。因此，应结合定性与定量、宏观与微观、物理与化学的研究方法，进一步深入探索固化成型技术。

不同类型的生物质固化成型设备已广泛应用于生产实践中，其各有优缺点，克服设备的不足仍然是当前的研究重点。同时，生物质固化成型设备存在工作部件磨损严重、功率大、能耗高，因此通过研究成型机理，优化结构和物料的预处理，减少成型模具摩擦磨损，研发能耗低、生产效率高、生命周期长的关键成型部件是未来生物质固化成型技术和设备的发展方向和目标。