摘要：介紹以秸稈為主的生物質原料致密成型過程中的原料特性測試和成型機理，詳細闡述了該項技術在成型能耗、成型顆粒燃料品質和模具失效方面的國內外研究成果，并提出了當前研究工作中存在的不足。分析表明生物質致密成型技術將沿著更廣的原料適應性、低能耗、設備高可靠性和成套化方向發展。關鍵詞：秸稈：致密成型：能耗；燃料品質；模具失效
0、引言
    生物質是指通過光合作用而形成的各種有機體，包括農作物秸稈、木材及林業廢棄物、城市及工業有機廢棄物和動物糞便等．其內部儲存的生物質能是一種清潔、可持續發展、且資源豐富的可再生能源。聯合國開發計劃署、世界能源委員會都將其列為可再生能源的首選。我國是一個農業大國，豐富的農作物秸稈是生物質資源的重要組成部分，《可再生能源發展十二五規劃》中提出，到2015年生物質燃料年利用規模要達1500萬噸．因此秸稈等生物質的能源化利用已成為一項重要研究課題。生物質致密成型技術具有生產成本低、產品能量密度較高和便于貯運等優點，是能源化利用最具潛力的發展方向之一，富通新能源生產銷售的秸稈顆粒機、木屑顆粒機專業壓制生物質成型顆粒燃料。     生物質致密成型設備可分為螺旋擠壓式、活塞沖壓（機械及液壓）式和模壓（平模及環模）式三類。螺旋擠壓和活塞沖壓成型因生產率低、產品尺寸大，不易實現自動化生產。模壓成型具有原料適應性強、生產率高和成型品質好等優勢，已經逐漸成為當今的主流技術，國內的秸稈類生物質成型設備有80%采用，富通新能源生產的顆粒機、秸稈壓塊機都是環模式的生物質成型機。1、生物質致密成型技術研究現狀
    國內外學者對生物質致密成型技術進行了較多研究．但該過程受原料種類、含水率、顆粒尺寸、壓力、加熱溫度、模具以及添加劑等因素影響，較為復雜。目前該項技術仍存在生產率較低、成型能耗高、主要部件壽命短和原料適應性差等問題。綜合利用國內外生物質成型技術的研究成果，對提高我國生物質成型設備的設計與制造水平具有重要意義。下文介紹了秸稈等生物質原料致密成型過程中的原料特性測試、成型機理、成型能耗、產品品質和模具失效等方面的研究現狀。
1.1原料物理特性測試
    測試原料特性是各項研究工作的基礎。秸稈等生物質原料的物理特性主要包括粒度、含水率、堆積密度、外摩擦系數、內摩擦系數、流動特性和力學特性等。目前粉碎秸稈類原料特性暫無統一的測試方法．但有類似的標準供參照。
    宋孝周等測得棉稈、煙稈、大豆秸稈及辣椒稈4種秸稈均由韌皮部、木質部和髓芯組成，主要化學成分與木材相似。霍麗麗等試驗得出不同種類和地區秸稈的靜態和動態堆積角分別在44～51°和17～31°之間，與金屬、橡膠材料的最大靜摩擦系數分別為0.45～0.55和0.51～0.62．內摩擦系數在0.53～0.73之間，粉碎秸稈的堆積密度范圍為37.43～140kg/m3。
    分形理論可用于研究生物質顆粒的形狀特征，郭強等對稻稈等4種秸稈顆粒的形狀特征研究后發現隨著粒徑減小，顆粒長寬比及不同生物質顆粒長寬比之間的差異均變小。Carr指數法能分析顆粒狀秸稈物料的流動特性，姚宗路等采用該方法將秸稈分為易于流動（如玉米芯）、一般流動（如玉米秸）、不易流動（如豆秸）3類。
    秸稈等生物質原料為各向異性材料．其拉伸強度、彈性模量和剪切強度等力學參數是進行各項分析計算的基礎。郭維俊、杜現軍等對秸稈的力學參數進行了測試。小麥莖稈最大拉力為182.38~242.74 N．拉伸強度為30. 36~52. 65MPa．彈性模量為
1、143.44~1 985.86MPa.
    需指出的是，不同生物質原料的物理特性差距很大。對于同類秸稈原料，因地區不同其物理特性也存在差異，計算時要實測各類參數。
1.2成型機理研究
    生物質燃料內部顆粒間的結合形式以及成型過程中物料的流變規律是研究成型機理的基礎。國內外學者多利用掃描電鏡和有限元分析等手段從微觀和宏觀角度對致密成型過程進行研究。
    1962年Rumpf將成型物內部的粘結力類型和粘結方式分成5類：固體顆粒橋接或架橋：非自由移動粘結劑作用的粘結力：自由移動液體的表面張力和毛細壓力；粒子間的分子吸引力或靜電引力：固體粒子間的充填或嵌合。生物質燃料特性可以用上述的一種或幾種粘結類型來解釋其內部的成型機制，秸稈燃料的內部結合形式主要為機械鑲嵌和天然粘結劑粘結。
    玉米秸稈等生物質燃料（環模成型）的微觀成型機理為分層間斷性壓縮，分為中心層、過渡層和表層，層與層間距為25～40um;微觀接觸幾何模型為：壓輥對原料的正壓力F與生物質顆粒表面斜角a的余弦成正比。陳正宇等指出生物質原料微觀形態最佳時，成型效果也好。
    生物質成型過程包括松散、壓緊和固化3個階段，固化過程是塑性變形和粘性變形的結合。對于成型過程中物料的變化規律，Rehkuglar等利用流變力學模型對此進行了分析，有限元軟件可以用于模擬該過程中的應力應變和溫度場，存在適宜的溫度使原料流動性增強，成型容易。
1.3致密成型能耗研究
    對于致密成型技術來說．能耗是一個非常重要的指標。在整個成型顆粒燃料加工系統中，壓縮成型部分的能耗最高，主要用于壓縮物料和克服摩擦力做功兩方面。成型壓力、原料種類、模孔長度、含水率、顆粒尺寸和壓縮速度等都會影響成型能耗。
    成型壓力是研究能耗的關鍵參數．成型壓力越大，對應的能耗越高，研究發現壓縮力會隨模孔變長和隨初始密度增大而增大，隨壓縮速度的增大而減小，與壓縮量之間呈現指數關系變化閉。Jens K率先采用單孔裝置進行生物質壓制試驗，得到模孔內部不同位置壓力的計算方法。對于壓制數學模型．P.K.Adapa指出Cooper-Eaton和Panelli-Filho模型適用于生物質致密成型。
    含水率對壓縮能耗有較大影響，且在一定范圍內作用明顯，Kamel得到含水率為15%～20%時，生物質壓縮能耗隨含水率增加而增加，含水率為20%～25%時，含水率增加，能耗降低。同時，玉米秸稈存在適宜的初始壓縮始密度使能耗降至最低，壓縮速度降低，成型能耗減少。對于環模成型，攫取角取45°,模輥直徑比取0.585時成型效果好，噸電耗最低。
    對于各因素對能耗的作用強弱．胡建軍指出秸稈壓制成型時壓縮速度對能耗的影響比含水率大，卞兆娟等人利用環模式秸稈成型機進行試驗后得到對噸電耗影響的強弱依次為轉速、間隙和含水率。
    對于成型能耗的分析計算．段宇等建立了鋸末壓縮成型的最小二乘支持向量機模型．優化得到了能耗最低的成型條件。武凱等推導了環模成型機能耗計算公式，并指出在減小模孔長徑比和壓輥直徑，采用大尺寸的環模有利于降低能耗。Pharu Adapa利用多元回歸分析得出了單孔裝置壓制苜蓿的能耗模型。
1.4成型顆粒燃料品質研究
    成型顆粒燃料的品質包括燃燒特性、成型率、松弛密度和耐久性等。松弛密度指成型顆粒燃料在出模一定時間后的密度。耐久性是固體燃料在裝卸、輸送和運輸過程中保持完整個體的能力．可細化為抗變形性、抗跌碎性、抗滲水性和抗吸濕性等幾項指標。松弛密度和耐久性為衡量成型顆粒燃料品質的兩個重要特性。相關測試方法可參照《生物質固體成型顆粒燃料試驗方法》。
    對于影響成型顆粒燃料品質的因素，Kaliyan等指出原料特性、預處理過程和成型設備都會影響成型產品的強度和耐久性。Sudhagar等人研究得出成型壓力、顆粒尺寸和含水率對小麥和玉米秸稈的成型密度均有影響。壓力是決定生物質燃料品質的主要參數，增加成型壓力和保壓時間以及加入添加劑會提高燃料品質，成型溫度越高，燃料的抗跌碎和抗滲水能力越差。玉米秸稈等生物質燃料的松弛特性還與原料的木質素含量相關。黃曉鵬等試驗得到：對苜蓿制粒密度影響的強弱依次為擠出力、含水率、草粉粒度。含水率和進料速度還對玉米秸稈成型顆粒燃料裂紋的形成有較大影響。
    學者們對生物質原料獲得最佳品質的成型條件進行了較多的試驗研究，高微等試驗發現玉米秸稈原料含水率為20%、發酵時間4h、粒徑1.66mm時，成型品質最好。Yumak Hc45]等經試驗得到生物質原料最佳壓制條件為：含水率7%～10%，壓力31.4MPa，溫度85～105℃。李大中等指出當含水率為6.6%，成型溫度為140.90C時，稻殼成型顆粒燃料的松弛密度達最大值1.28g/cm3。孫清等試驗后認為水稻稈在壓力為32MPa、粘結劑添加比4:1、含水率10%、原料粒徑4mm時，松弛密度可達1.18g／cm3。為優化成型條件，Granada等對橡樹末進行壓縮實驗．得到了生物質成型顆粒燃料的密度和耐久性數學模型。
1.5成型模具失效研究
    成型模具工作時長期承受壓力和物料摩擦，工作條件惡劣，容易失效，是目前生物質成型設備存在的主要問題。失效形式以結構破壞和過度磨損為主，與模具材料、模具結構、熱處理方式、物料特性和生產條件有關。目前對于成型模具失效的研究主要從失效機理，結構受力分析，改變模具材料、結構、熱處理工藝和物料特性進行磨損試驗等方面進行。
    模具磨損失效為在疲勞剝落和顯微切削兩種磨損機制作用下材料的過度流失，植物纖維與金屬間相互作用的摩擦力是造成該類磨損的主要原因。生物質成型模具以磨料磨損為主，苜蓿等生物質原料對金屬表面的磨損為硬、軟磨粒共同作用的結果，磨料磨損時材料微觀局部會發生塑性變形，如圖2所示，這實際上是一種微觀應變疲勞導致的材料損傷。克拉蓋爾斯基提出磨損的疲勞理論時指出：疲勞磨損機理在磨料磨損中起主導作用。
    磨損試驗研究方面，吳勁鋒等利用苜蓿草粉進行試驗后得到影響磨損各因素的強弱依次為轉速、物料顆粒尺寸和載荷。黃曉鵬等指出轉速、負載和粒度是影響模具磨損的重要因素，并建立了苜蓿草粉對45鋼磨損的RBF神經網絡模型，對不同試驗參數下的磨損量進行了預測。孔雪輝對生物質環模的磨損問題進行了研究，建立了模孔的等磨損優化數學模型。
    模具結構破壞是其另一種失效形式．包括疲勞斷裂和沖擊破壞等。結構分析主要包括受力分析．疲勞失效分析以及模孔分析（模孔排布、開孔率、孔口倒角）等方面。施水娟等指出環模沿軸向受到的是非均勻載荷，疲勞斷裂是環模的一種失效形式。申樹云等指出生物質成型機模孔的最佳長徑比為5:1。劉超等研究了生物質模具錐角與應力的關系，得到了最佳錐角度取值為5.5°～6.0°。
    模具材料和熱處理工藝也是關乎其性能的重要方面，楊毅等指出為提高模具壽命．需確保材料的Cr含量在12.5%以上。孫晶鋒等對45鋼、9SiCr和60SiMn試樣進行磨料（紫花苜蓿）磨損試驗，結果表明9SiCr鋼韌性和磨損性能最好。陳志光等通過試驗表明4Cr13鋼環模經低溫碳氮共滲、真空高壓氣淬后，其使用壽命顯著提高。增加模具硬度可提高其耐磨性能，但太硬容易發生脆性斷裂，設計時應同時考慮材料的硬度和韌性．
2、致密成型技術研究存在的問題
    綜上所述，國外內對致密成型技術的研究主要集中在能耗、產品品質和模具失效三個方面．對原料特性以及成型過程的微觀機理和流變特性等方面也展開了試驗研究和探討，涵蓋了生物質燃料從原料搜集到生產為產品的整個生命周期。但目前的研究工作仍存在一些不足之處。
2.1影響因素方面
    對于秸稈等生物質原料成型能耗的研究手段大都采用單孔制粒裝置模擬擠壓過程，但對能耗的評價應涵蓋燃料生產的整個過程，包括粉碎（切斷）和加熱等工藝對能量的消耗，例如部分學者指出粒徑較小時成型能耗較低，但減小粒徑會增加粉碎能耗：模具壽命受多種因素影響，改變部分因素進行試驗難以得出全面的結論，并且成型原料多樣，不同物料對金屬模具的抗磨損性能影響具有差異，采用特定原料的得出的試驗結論通用性較差：燃料品質這方面的定性研究多，定量研究較少。在實際生產過程中，模輥間隙、喂料頻率以及物料尺寸均勻性對產品品質都有著不同程度的作用。各因素對能耗、磨損和品質的作用并非獨立，應綜合考慮。
2.2粘結劑的作用
    秸稈等原料成型為燃料以后，具有一定的使用優勢，但在燃燒過程中會有比較嚴重的結渣現象．對燃燒爐具提出了更高的要求，目前的解決手段為改進爐具結構，或在成型物料內加入粘結劑（應用于生物質成型的粘結劑有50余種，有木質素磺酸鈣、膨潤土和石灰等）。需要指出的是粘結劑的加入會改變成型原料的成分，同時也會影響成型能耗、顆粒質量和模具磨損。粘結劑對于抗結渣性能影響的研究較多，對能耗等方面的研究還少見報道。可以通過加粘結劑，得到其對抗結渣性能、能耗和質量等方面的綜合影響規律。例如將石蠟或者碳粉加入到成型物料中，提高其燃燒性能的同時也會降低磨損，此類設想還需要在后續的試驗中驗證。
2.3有限元模擬
    對生物質致密過程進行有限元模擬能為成型設備設計提供參考，縮短設計周期，降低設計成本。當前研究手段為將原料視為可壓縮的連續體進行單孔模擬，而秸稈等生物質原料為碎粒狀，壓縮初期是離散的，并非連續，這會帶來較大的誤差。離散有限元法(DEM)能進行顆粒行為模擬和分析，可用于生物質致密成型過程的仿真。對于成型模具的磨損問題，有限元分析也是有效快速的研究手段。生物質致密成型和粉末冶金壓制過程比較類似，可將粉末冶金的相關研究方法用于該領域。
2.4其它方面
    秸稈等生物質原料致密成型過程中，溫度是一個重要的影響因素。（秸稈）成型初期需要對模具進行預熱，此后依靠摩擦產生的熱量軟化物料。預熱溫度易于控制，而摩擦熱大小與模具尺寸、成型速度、物料含水率、摩擦系數和模輥間隙等有關，不便于控制。摩擦溫度過低，成型困難，太高會加劇模具磨損，降低產品品質，目前這方面的研究還不多。在實際調研過程中發現，部分秸稈成型機工作時摩擦產生的熱量太大（主要在夏季環境溫度較高時），無法進行正常生產。
    再者，對于秸稈類原料，最為理想的是在作物收獲以后即轉化為成型顆粒燃料，能節約存儲和運輸成本。但剛收獲的秸稈具有較高的水分(50%左右)，當前的成型技術在水分含量超過40%時便成型困難或者不能成型。目前國內外對于高水分物料成型這方面的研究較少。不同地域、不同種類的秸稈等生物質原料的物理特性差異較大，使得對成型設備具有不同的要求，需統一原料的物性測試方法。建立合理的收集、貯藏和運輸機制，保證原料的持續供應也是急需解決的問題。
    綜上，秸稈等生物質致密成型技術各方面的研究還有待進一步深入。
3、致密成型技術的發展趨勢
    秸稈等生物質致密成型顆粒燃料作為可再生能源的重要組成部分，具有良好的應用前景。發展生物質致密成型技術，對緩解能源緊張局面具有重要意義，相應的對成型技術及設備也提出了更多的要求。需解決研究工作中存在的不足，采用更為合理有效的研究手段，開發出高效技能的成型技術，以適應生產需求。該項技術的發展趨勢是：
    1)原料適應性不斷增強。秸稈等生物質原料具有多樣性．致密成型技術的開發要與原料來源相結合，使成型設備具有更廣的原料適應性。
    2)高效、節能和高可靠性。當前成型技術存在著能耗高、設備關鍵部件磨損快的問題，通過對該項技術的深入研究，提高設備產量和可靠性，降低成型能耗，節約生產成本。
    3)成型設備成套化、自動化。建立結構合理的成型顆粒燃料自動化生產線．使秸稈等生物質燃料從單機生產走向成套化生產、規模化運作的模式，從示范階段走向市場。
    4)成型設備和成型顆粒燃料標準化。成型顆粒燃料及加工設備將沿著標準化、系列化的趨勢發展，可規范設備、燃料和爐具市場，便于該項技術的推廣應用。
4、結論
    隨著能源問題日益突出，生物質能的開發受到越來越多的重視。通過致密成型技術對秸稈等生物質原料進行能源化利用，可豐富我國的可再生能資源。利用國內外致密成型技術的研究成果，解決當前生物質致密成型設備存在的生產率低、成型能耗高、主要部件壽命短和原料適應性差等問題，將推動該項技術沿著低能耗、高可靠性、更廣的原料適應性、標準化和成套化方向發展。
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