薛冬梅 武佩 馬彥華 陳鵬宇 王昊毅

摘要 從生物質(zhì)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(jié)劑、振動(dòng)輔助壓縮、超聲波輔助制粒、蒸氣爆破預(yù)處理和焙燒預(yù)處理）等方面，綜述了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)致密成型技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并進(jìn)行了相應(yīng)分析。指出應(yīng)從成型影響因素交互作用的角度出發(fā)，探索致密成型機(jī)理，進(jìn)一步改進(jìn)成型工藝，減小成型能耗，提高成型產(chǎn)品品質(zhì)。結(jié)合國(guó)情，提出“因地制宜”發(fā)展各地區(qū)特色生物質(zhì)成型技術(shù)；通過(guò)建立典型生物質(zhì)原料組分和成型工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的方式加快研究進(jìn)展和行業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)；致密成型；影響因素；進(jìn)展

中圖分類號(hào) S216.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 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(zhì)作為一種主要的可再生能源可以提供相當(dāng)數(shù)量的能源支持。由于生物質(zhì)密度小、體積大、松散不成型等特點(diǎn)，在利用之前先進(jìn)行致密成型尤為重要。生物質(zhì)致密成型產(chǎn)品既可為生物質(zhì)氣化、液化產(chǎn)業(yè)提供相應(yīng)的原料供應(yīng)，又可直接用作固體燃料。目前，針對(duì)生物質(zhì)致密成型技術(shù)的研究主要包括：關(guān)注成型產(chǎn)品密度、耐久性等物理特性，進(jìn)一步提高成型產(chǎn)品品質(zhì)；在保證成型產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，降低成型能耗，提高成型技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。為達(dá)到以上2個(gè)目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從影響生物質(zhì)致密成型過(guò)程和效果的因素出發(fā)，探究其本質(zhì)上的作用機(jī)理，不斷改進(jìn)和優(yōu)化最佳工藝方法，為生物質(zhì)致密成型技術(shù)的發(fā)

展提供理論和技術(shù)支持。筆者從致密成型影響因素角度出發(fā)，綜述國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的研究進(jìn)展，并針對(duì)我國(guó)國(guó)情提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 致密成型影響因素

1.1 生物質(zhì)成分

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

蔣恩臣等[6]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，纖維素單獨(dú)成型的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)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(xiàn)象更加明顯，成型顆粒的密度和強(qiáng)度也進(jìn)一步提高。Sun等[7]研究指出，纖維素在成型時(shí)可以起到強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的作用，但其含量越高，需要的成型壓力也相應(yīng)增大。Lam等[8]研究發(fā)現(xiàn)，單糖成分可以起到黏結(jié)劑的作用，有助于增強(qiáng)成型顆粒的硬度和穩(wěn)定性，但該種成分同時(shí)會(huì)導(dǎo)致成型顆粒的擠出能耗增加。Tumuluru等[9]研究指出，蛋白質(zhì)在成型過(guò)程中受熱變性并具有膠凝作用，可以增強(qiáng)成型顆粒的耐久性。Kaliyan等[10]研究表明，在成型過(guò)程中淀粉糊化，起到黏結(jié)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(zhì)素在秸稈生物質(zhì)中的含量低于在木質(zhì)生物質(zhì)中的含量，在相同條件下，前者制得的成型顆粒的抗壓強(qiáng)度低于后者。Lee等[12]試驗(yàn)測(cè)得不同的生物質(zhì)中木質(zhì)素含量不同，導(dǎo)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(xiàn)，秸稈類生物質(zhì)表面的蠟狀角質(zhì)層在成型過(guò)程中可以作為潤(rùn)滑劑，成型時(shí)減小摩擦，降低擠出能耗，但會(huì)影響到成型顆粒的機(jī)械性能。Kaliyan等[10]研究指出，脂肪在成型過(guò)程中起到潤(rùn)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(huì)影響成型顆粒的耐久性。

以上研究說(shuō)明，生物質(zhì)的成分對(duì)其致密成型起一定的作用，主要可以分為3類：強(qiáng)化結(jié)構(gòu)、黏結(jié)作用、潤(rùn)滑作用。對(duì)于不同種類的生物質(zhì)，各組成成分不同，在選擇成型工藝時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待。如，對(duì)于木質(zhì)素含量高的木質(zhì)生物質(zhì)，在成型時(shí)不必額外添加黏結(jié)劑；而對(duì)于秸稈類生物質(zhì)來(lái)說(shuō)，由于其表面的蠟狀角質(zhì)層不利于黏結(jié)成型，則需要通過(guò)高溫高壓及添加黏結(jié)劑的方法成型，或者利用一定預(yù)處理方法分解該物質(zhì)來(lái)提高成型產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度。因此，在探究致密成型工藝條件時(shí)應(yīng)先了解生物質(zhì)的各組成成分及其含量，恰當(dāng)利用其性質(zhì)，這對(duì)于降低成型能耗，生產(chǎn)密度高、耐久性好的成型產(chǎn)品具有關(guān)鍵作用。并且成分不同也決定了各類生物質(zhì)適用的成型領(lǐng)域有所不同。如纖維素和半纖維素是制備生物質(zhì)乙醇的主要成分，該類成分含量高的秸稈類生物質(zhì)在致密成型后可為生產(chǎn)工業(yè)乙醇提供原料[14-15]。

1.2 成型工藝參數(shù)

不同類型的生物質(zhì)成分含量不同，決定了其致密成型時(shí)所需的工藝也有所區(qū)別，幾種常見(jiàn)生物質(zhì)的成型工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

1.2.1 原料含水率。

從宏觀角度上來(lái)說(shuō)，水分可以促進(jìn)生物質(zhì)細(xì)胞中木質(zhì)素、淀粉、果膠等物質(zhì)的軟化，同時(shí)水分具有潤(rùn)滑作用，在成型過(guò)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(dāng)?shù)乃挚梢云鸬教畛湓峡紫兜淖饔?，在成型產(chǎn)品體積不變的情況下質(zhì)量得以增加，密度也相應(yīng)變大；同時(shí)水分還可以使粒子間的結(jié)合面積增大，在黏結(jié)力不變的情況下，結(jié)合面積越大所制成的成型產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度越高[25]。并且在成型過(guò)程中，適量的水分可以促進(jìn)原料粒子滑動(dòng)，增強(qiáng)成型過(guò)程中原料的流動(dòng)性，有利于生物質(zhì)進(jìn)一步致密成型[26]。

馬培勇等[19]研究發(fā)現(xiàn)，成型顆粒的密度和耐久性隨著含水率的逐漸升高會(huì)出現(xiàn)2個(gè)不同的峰值點(diǎn)；Zafari等[27]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著原料含水率的增加，成型產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度和耐久性呈先增加后減小的趨勢(shì)；Tumuluru等[28]研究發(fā)現(xiàn)，高比例的含水率在成型過(guò)程中由于溫度的作用會(huì)出現(xiàn)水分閃蒸的情況，這將導(dǎo)致成型顆粒密度降低；Zafari等[29]指出，在一定范圍內(nèi)，水分的增加會(huì)導(dǎo)致生物質(zhì)的流變特性由黏塑性轉(zhuǎn)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(guò)試驗(yàn)證明不同的生物質(zhì)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(qiáng)調(diào)，原料水分對(duì)于成型顆粒密度和抗壓強(qiáng)度的影響程度遠(yuǎn)大于溫度和成型壓力，并發(fā)現(xiàn)最佳含水率可能與生物質(zhì)本身細(xì)胞壁的含水率有一定關(guān)系。Kaliyan等[10]研究指出，提高原料含水率可以降低木質(zhì)素玻璃化轉(zhuǎn)變的溫度，使生物質(zhì)在較低溫度下黏結(jié)成型，可以降低成型能耗。

上述研究證明，原料含水率對(duì)于生物質(zhì)成型產(chǎn)品的密度、耐久性以及成型能耗有著重要影響。對(duì)于不同種類的生物質(zhì)而言，原料的最佳含水率不同，甚至在其他工藝參數(shù)改變時(shí)，最佳含水率有所變化。因此，在探究原料含水率對(duì)致密成型的影響時(shí)要著重關(guān)注其他影響因素與其交互作用。并且應(yīng)該透過(guò)現(xiàn)象深入研究含水率這一影響因素在成型過(guò)程中對(duì)生物質(zhì)本身成分、性質(zhì)的影響，這將有利于在今后的研究中總結(jié)不同生物質(zhì)的成型規(guī)律，為成型工藝的改進(jìn)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(shù)。足夠的壓力使生物質(zhì)細(xì)胞中的木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、淀粉等成分分離，起到黏結(jié)劑的作用；同時(shí)原有的生物質(zhì)結(jié)構(gòu)在一定的壓力作用下被破壞，微觀粒子間的范德華力增強(qiáng)，氫鍵形成，形成新的組織結(jié)構(gòu)，促進(jìn)成型過(guò)程的進(jìn)行。合適的壓力可以制得密度大、機(jī)械性能好的高品質(zhì)成型產(chǎn)品，但是壓力并不是越大越好，壓力過(guò)大會(huì)帶來(lái)能耗高、模具磨損等負(fù)面效應(yīng)[30]。

張霞等[31]建立了壓力對(duì)水葫蘆成型顆粒燃料密度和徑向抗壓力的一元二次函數(shù)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(ài)民等[32]研究發(fā)現(xiàn)，最初逐漸增大壓力，成型產(chǎn)品的密度隨之增加，產(chǎn)品外觀趨于光滑；當(dāng)壓力大于15 MPa后，產(chǎn)品密度隨壓力增加的幅度變??；當(dāng)壓力大于25 MPa 后，成型塊與模具摩擦生熱，表面出現(xiàn)碳化現(xiàn)象。Huang等[25]試驗(yàn)證明，成型顆粒的強(qiáng)度和密度隨著成型壓力的增加而增加。Zafari等[29]研究指出，過(guò)度加壓會(huì)在顆粒內(nèi)部引起殘余應(yīng)力，降低顆粒出模后的耐久性。Stelte等[13]試驗(yàn)表明，在一定壓力范圍內(nèi)，成型顆粒的密度隨著壓力的增加而顯著增加，當(dāng)壓力達(dá)到某一值時(shí)，密度隨壓力增加的趨勢(shì)不再顯著。Poddar等[33]通過(guò)試驗(yàn)證明，成型壓力對(duì)成型顆粒的密度影響顯著，而對(duì)于成型產(chǎn)品的熱值沒(méi)有明顯影響。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，成型壓力對(duì)于成型能耗、產(chǎn)品密度和耐久性的影響是互相制約的。高壓可以生產(chǎn)出密度高、耐久性好的產(chǎn)品，但不可避免會(huì)加大能耗。因此，對(duì)于生物質(zhì)致密成型而言，在保證成型產(chǎn)品質(zhì)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(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，未考慮實(shí)際成型機(jī)結(jié)構(gòu)的影響。而不同的成型機(jī)壓縮形式不同，如柱塞式成型機(jī)和壓輥式成型機(jī)，前者是活塞對(duì)被壓縮生物質(zhì)在垂直方向上施壓；而后者則是壓輥滾過(guò)壓模，此時(shí)壓力作用到被壓縮生物質(zhì)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(zhì)與模具的摩擦所需的壓力也不同。因此，在實(shí)驗(yàn)室得出的最適宜成型壓力并不完全適用于不同成型機(jī)的設(shè)計(jì)。建議學(xué)者可以通過(guò)實(shí)際的成型機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)，最大程度地模擬實(shí)際成型過(guò)程，從而使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近實(shí)際生產(chǎn)需求。

1.2.3 原料粒徑。

多數(shù)成型試驗(yàn)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(chǎn)品品質(zhì)越好。因?yàn)楫?dāng)原料粒徑較小時(shí)，成型過(guò)程中原料間相互接觸的面積變大，有利于粒子間的相互結(jié)合；并且粒徑小的原料孔隙率也較小，粒子的填充性和流動(dòng)性較好，對(duì)于提高成型產(chǎn)品的松弛密度和耐久性是有幫助的。

Zafari等[27]研究發(fā)現(xiàn)，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(yàn)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(shí)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(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)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(zhì)在成型時(shí)需要的最佳粒徑不同，但總體狀態(tài)表現(xiàn)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(chǎn)出質(zhì)量更佳的成型顆粒。柳恒饒等[36]提出，粒徑對(duì)成型密度的影響本質(zhì)上是影響原料粒子的流動(dòng)性。Harun等[37]研究發(fā)現(xiàn)，混合生物質(zhì)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(yīng)較小，而小孔隙率有利于致密成型。

通過(guò)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(chǎn)品的密度越大，耐久性越好。但在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)原料粉碎和篩分的過(guò)程都會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的能耗和資金投入，因此，兼顧經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)并不能無(wú)限制地降低原料粒徑，必須找到保證成型產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性兼得的平衡點(diǎn)，為致密成型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供支持。

1.2.4 溫度。

溫度在成型過(guò)程中不僅會(huì)影響到生物質(zhì)含水率的變化，更會(huì)引起生物質(zhì)成分的變化：一定溫度下，生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、果膠等物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)軟化甚至變性等現(xiàn)象，這將對(duì)成型過(guò)程產(chǎn)生影響，且會(huì)改變成型產(chǎn)品的品質(zhì)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(gè)過(guò)程中不需要對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行額外加熱的工藝；而熱壓成型工藝則會(huì)對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱或者在成型時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱。而無(wú)論選用哪種成型工藝，溫度對(duì)于致密成型的影響都是不可避免的。

對(duì)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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱量，使成型溫度發(fā)生變化。如顆粒燃料成型機(jī)在成型過(guò)程中原料和模具之間會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦，其溫度可達(dá)100 ℃，即使沒(méi)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(shí)提到其忽略了摩擦產(chǎn)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(zhì)原料因?yàn)槟Σ翢岫a(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)影響生物質(zhì)本身的物化特性尤其是熱特性。

對(duì)于熱壓成型工藝而言，則要合理控制成型溫度。適當(dāng)?shù)某尚蜏囟瓤梢云鸬杰浕镔|(zhì)成分的作用，并使具有黏結(jié)功能的成分發(fā)揮其黏結(jié)作用，提高成型產(chǎn)品的耐久性。但當(dāng)溫度超出這個(gè)合適的范圍后，則會(huì)造成成型產(chǎn)品炭化；當(dāng)生物質(zhì)含水率較高時(shí)，高溫還會(huì)引發(fā)模具內(nèi)原料“放炮”現(xiàn)象的發(fā)生；并且高溫會(huì)引起成型模具退火，縮短成型機(jī)的使用壽命。Balamurugan等[35]提出當(dāng)壓力一定時(shí)，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(nèi)，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(nèi)，升溫可以提高成型顆粒強(qiáng)度。Stelte等[11]試驗(yàn)證明，在100 ℃制粒比30 ℃制粒粒子間的黏附性更強(qiáng)，成型產(chǎn)品回彈現(xiàn)象不明顯，抗壓強(qiáng)度更高，密度更大。張霞等[39]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件固定時(shí)，成型產(chǎn)品的密度和徑向抗壓力隨溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。張得政等[40]試驗(yàn)證明，不同種類的生物質(zhì)成型顆粒的密度和徑向抗壓力峰值所對(duì)應(yīng)的溫度不同。Zafari等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在一定的范圍內(nèi)溫度越高，原料分子的運(yùn)動(dòng)加劇而黏結(jié)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(shí)，將模具溫度控制到較低水平，對(duì)于生產(chǎn)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(duì)于致密成型是有利的。在工藝選擇時(shí)需要綜合整體的技術(shù)路線來(lái)確定實(shí)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(shí)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?？捎^的。然而，在成型領(lǐng)域中關(guān)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(duì)此進(jìn)行探索，為尋求耗能少、經(jīng)濟(jì)效益高的成型工藝提供依據(jù)。

1.3 輔助工藝

研究人員還嘗試通過(guò)一些輔助成型工藝方法來(lái)減小成型過(guò)程中的能耗，提高成型產(chǎn)品品質(zhì)。

1.3.1 添加黏結(jié)劑。

Muazu等[42-43]研究發(fā)現(xiàn)，額外添加淀粉、水膠等黏結(jié)劑可以提高成型塊的抗壓強(qiáng)度，但是會(huì)降低其密度；將生物質(zhì)污泥作為黏結(jié)劑可以提高成型顆粒密度，微藻作為黏結(jié)劑則可以提高成型顆粒密度、耐久性和熱值。Jiang等[44]通過(guò)試驗(yàn)證明，將污泥作為黏結(jié)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(zhì)素作為黏結(jié)劑可以提高生物質(zhì)成型顆粒的耐久性，且添加咖啡粉和木質(zhì)素還可以提高成型顆粒的熱值。

以上研究說(shuō)明，學(xué)者除了使用傳統(tǒng)的木質(zhì)素、淀粉等黏結(jié)劑外，為了促進(jìn)資源、廢料的循環(huán)利用，還在不斷尋求新型黏結(jié)劑。污泥、微藻、菜籽粉等原料作為黏結(jié)劑用于生物質(zhì)致密成型不僅有利于提高成型產(chǎn)品品質(zhì)，對(duì)于環(huán)保、節(jié)能也有一定貢獻(xiàn)，可以大大提高經(jīng)濟(jì)效益。

1.3.2 振動(dòng)輔助壓縮。

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

在壓縮過(guò)程中引入振動(dòng)因素，使生物質(zhì)粒子間的摩擦力減小，增強(qiáng)粒子的流動(dòng)性，使塑性變形充分、成型塊微觀結(jié)構(gòu)中空隙變小、分布減少，粒子間填充更加緊密，從而可以生產(chǎn)出密度高、耐久性好的高品質(zhì)成型產(chǎn)品。

1.3.3 超聲波輔助制粒。

Zhang等[48-49]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波輔助制?？梢蕴岣叱尚皖w粒的糖產(chǎn)量。Song等[50]通過(guò)試驗(yàn)證明，隨著超聲功率和造粒壓力的增加，成型顆粒密度相應(yīng)增加。Zhang等[51]研究指出，超聲波輔助制粒可以提高成型顆粒的耐久性。Zhang等[52]研究證明，超聲波輔助制粒可以降低生物質(zhì)成型過(guò)程中所需的壓力。

將超聲波的振動(dòng)特性、熱效應(yīng)及穿透性運(yùn)用于輔助制粒中可以提高成型產(chǎn)品的品質(zhì)，降低成型能耗；同時(shí)超聲波輔助制?？梢蕴岣呱镔|(zhì)的產(chǎn)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(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1.3.4 蒸氣爆破預(yù)處理。

Lam等[53]通過(guò)試驗(yàn)證明，蒸氣爆破可以提高成型顆粒的密度、機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，但是需要更高的成型壓力，同時(shí)擠出能耗也大大增加。Adapa等[54-55]研究指出，蒸氣爆破預(yù)處理對(duì)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(xiàn)[56]經(jīng)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(jīng)蒸氣爆破的。Lam等[8，53]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)蒸氣爆破的生物質(zhì)生產(chǎn)出的成型產(chǎn)品疏水性明顯增加，吸濕性降低，且機(jī)械強(qiáng)度也有所提高，有助于運(yùn)輸儲(chǔ)存。

蒸氣爆破預(yù)處理工藝主要通過(guò)改變生物質(zhì)本身成分的含量與性質(zhì)來(lái)影響致密成型。相關(guān)研究表明，一些生物質(zhì)經(jīng)蒸氣爆破后，用于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的纖維素、半纖維素的含量比例明顯提高；而木質(zhì)素、脂肪、淀粉、果膠等可起到黏結(jié)、潤(rùn)滑作用的成分含量降低，從而會(huì)影響成型顆粒的密度和耐久性。同時(shí)，經(jīng)蒸氣爆破后的生物質(zhì)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(yù)處理。

Chen等[57]研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)成型顆粒相比，經(jīng)焙燒預(yù)處理后的成型顆粒可以減少溫室氣體的排放。Arteaga-Pérez等[58]提出，焙燒可以降低生物質(zhì)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(jīng)濟(jì)性。Benavente等[59]試驗(yàn)證明，焙燒預(yù)處理有助于減少致密成型過(guò)程中的比能耗。Ara等[60]研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)中的纖維素和半纖維素，使其在質(zhì)量降到原始質(zhì)量70%的情況下仍能保持90%的能量，從而提高生物質(zhì)的能量密度。 通過(guò)焙燒預(yù)處理后的生物質(zhì)能量密度高、疏水性強(qiáng)，研磨性能提高，經(jīng)過(guò)制粒后得到的成型顆粒不易分解，可以較大程度地減少儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本[61-64]。

2 展望

綜述國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，針對(duì)生物質(zhì)致密成型技術(shù)在我國(guó)的進(jìn)一步發(fā)展，建議今后從以下幾方面進(jìn)行探索：

（1）由于每種生物質(zhì)成分不同，成型工藝參數(shù)的選擇會(huì)有差別，今后的研究工作可以針對(duì)典型生物質(zhì)組分和成型工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，為致密成型技術(shù)的發(fā)展提供相應(yīng)的基礎(chǔ)支持。

（2）在實(shí)際成型中各因素對(duì)致密成型的影響并不是相互獨(dú)立的，而是彼此影響的，建議加強(qiáng)對(duì)成型影響因素間交互作用對(duì)成型機(jī)理影響的研究。

（3）由于我國(guó)國(guó)土遼闊，各地區(qū)氣候差異顯著，不同地方的生物質(zhì)種類有著極大差別。結(jié)合2017年中國(guó)國(guó)際生物質(zhì)能源與生物質(zhì)利用高峰論壇會(huì)議的主題“結(jié)合國(guó)情，走中國(guó)特色的生物質(zhì)發(fā)展之路”，我國(guó)在發(fā)展生物質(zhì)致密成型產(chǎn)業(yè)時(shí)，要著重強(qiáng)調(diào)“因地制宜”。研究人員應(yīng)針對(duì)本地區(qū)可用于致密成型的原料種類開(kāi)展成型機(jī)理、成型工藝等方面的探索，并研制、開(kāi)發(fā)特色生物質(zhì)的成型設(shè)備。

（4）輔助工藝的實(shí)施主要是為了減小成型能耗，提高產(chǎn)品品質(zhì)，前述5種輔助成型工藝從各自的作用機(jī)理出發(fā)對(duì)于成型技術(shù)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(shí)，更要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有工藝的優(yōu)化和改進(jìn)，在發(fā)現(xiàn)已有問(wèn)題的基礎(chǔ)上進(jìn)行提高，促進(jìn)生物質(zhì)致密成型技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展。

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