0、引言
我国秸秆类生物质资源丰富，但存在资源分 散、形态各异、能量密度低、运输难、储存不方便等 缺点，这是目前制约生物质秸秆规模化利用的主 要瓶颈％生物质秸秆成型技术是将松散、无定形 的原料压缩成具有一定形状、密度较大的燃料的 技术，该技术大大提高了单位体积燃料的品质，因 而受到国内外研究人员的普遍关注。目前，生物质 秸秆成型技术已取得了很大进展，但是仍存在着 单位产量功耗大、设备可靠性较差等缺点。本研究 以节能降耗、延长设备使用寿命为出发点，对生物 质秸秆的各种成型工艺进行了系统的试验研究，30码期期必中生产销售秸秆颗粒机、秸秆压块机、木屑颗粒机等生物质颗粒燃料诚信机械设备。
1、生物质秸秆成型技术 1.1生物质秸秆成型机理
植物细胞中除含有纤维素、半纤维素外，还含 有木质素(木素）。木素是具有芳香族特性的结构 单体，是由苯基丙烷单元构成的三维空间聚合物。木素属非晶体，没有熔点，但有软化点。当温度为 70~110<1：时，木素变软，具有粘性；当温度达到 200~300尤时，木素呈熔融状，粘性较高P1,此时加 以一定的压力，就可使其与纤维素紧密粘接并与 相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型。生物质 秸秆成型燃料就是利用秸秆的这种特性，用压缩 成型机将松散的秸秆在一定的温度、压力条件下， 使木素软化，经挤压成型而得到的具有一定形状 的新型燃料。
1.2影响秸秆成型的主要因素
通过对生物质成型机理的分析，确定影响生 物质成型的主要因素有原料种类、原料粒度、含水 率、成型压力、压缩成型模具形状及尺寸、加热温 度等?。
1.2.1原料种类
不同种类原料的压缩成型特性有很大的差 异,如木材废料一般难以被压缩，纤维状植物秸秆
和树皮等容易被压缩。
1.2.2原料粒度
—般来说，粒度小的原料容易被压缩,粒度大 的原料较难被压缩。原料粒度对成型机的效率及 成型物的质量也有影响，例如原料粒度较大时，成 型机将不能有效地工作,能耗大，产量小;原料粒 度不均匀时，成型物表面将产生裂纹，成型物密 度、强度均降低。
1.2.3含水率
当原料水分含量过高时，加热过程中产生的 蒸汽不能从成型燃料中心孔排出，会造成燃料开 裂，表面非常粗糙，甚至产生爆鸣；原料水分含量 太低，则成型困难。一般来说，对于颗粒成型燃料， 要求原料的水分含童为丨5%-25%;对于棒状成型 燃料,要求原料的水分含量不大于10%。
1.2.4成型压力与模具尺寸
成型压力是生物质秸秆原料压缩成型的最基 本条件。只有施加足够的压力，原料才能被压缩成 型。成型压力与模具的形状尺寸有着密切的关系。 1.2.5加热温度
加热一方面可以使原料中的木素软化，起到 粘结剂的作用，另一方面可以使原料本身变软，更 容易压缩成型。对于一般的成型机来说，加热温度 调整为UCKBOOt比较适宜。
1.3生物质秸秆成型工艺
根据主要工艺特征的差别，可以将生物质成 型工艺划分为常温成型、热压成型和炭化成型3 种主要形式。
1.3.1常温成型工艺
常温成型又称冷压成型。根据在成型过程中 是否加人粘结剂，又可将冷压成型分为加粘结剂 冷压成型和不加粘结剂冷压成型。加粘结剂冷压 成型工艺就是将原料粉碎、调湿，添加粘结剂后加 压成型。这种方法具有低压下容易成型和能耗低 等优点，但对低成本粘结剂的选择、粘结剂的调配 以及粘结剂与原料的均匀混合等要求较高。不加 粘结剂冷压成型就是将秸秆物料粉碎后直接进行 加压成型。
1.3.2热压成型工艺
热压成型工艺是目前普遍采用的生物质压缩 成型工艺。该工艺是在一定的温度条件下将生物 质秸秆压缩成型。根据原料在成型机中被加热的不同位置，可将热压成型工艺划为2类，即非预热 热压成型工艺、预热热压成型工艺。
1.3.3炭化成型工艺
根据不同的工艺流程，可将炭化成型工艺分 为2类，即先成型后炭化工艺、先炭化后成型工艺。
2、生物质秸秆成型试验
2.1试验物料
本研究选用山东地区比较具有代表性且资源 丰富的玉米秸秆和小麦秸秆作为试验物料。将物 料进行自然风干、切碎及筛分后，按粒径0~0.45 mm，0.45~0.9 mm,0.9~2 mm,2~5 mm 进行分类。
2.2试验装置及模具
实验室模压成型装置主要由油压机构、成型 模具和固定架构成。油压表用于指示油 压,压力为0~40 MPa。
Fig.l Structure and schematic diagram of forming device
借助实验室的成型装置，结合生物质秸秆的 成型机理，我们自行设计了2套闭式压缩成型模 具,分别用于生物质秸秆冷压成型和热压成型。在 压缩成型过程中，油缸座(机座）是静止的，工作台 可以上下移动。成型模具的结构原理图见图2。
2.3试验内容及试验过程 2.3.1试验内容
生物质秸秆成型工艺的试验研究主要分为2 部分。
① 针对影响生物质秸杆成型的主要因素，选 择玉米秸秆和小麦秸秆进行成型试验，研究原料 粒度、水分含量、成型压力及原料种类对生物质秸 秆成型效果的影响，确定较优的冷压成型工艺参 数。
② 在生物质秸秆冷压成型的基础上，进行生 物质秸秆加粘结剂冷压成型及热压成型试验，并 对3种成型工艺进行能耗比较分析。
2.3.2试验过程
① 分别选取粒径为0~0.45 mm,0.45~0.9 mm,
0.9~2 mm及2~5 mm的玉米枯杆和小麦?杆颗粒 备用。
② 将物料放入烘干箱内，在105±5 t下烘干 24h后备用。
③ 使用喷雾器和快速水分测量仪调节物料的 水分含量。
④ 每次试验称取相同质量的物料进行压缩成型。
⑤ 将称量后的物料放人模具中，加压直至达 到设定的成型压力；在设定的成型压力下保持一 定时间，退模后即可得到成型燃料，自然风干一段 时间后，测董成型燃料密度及跌碎强度。
2.4试验指标的测定将成型模具内的成型燃料退模、自然风干一良时间后，利用电子天平和游标卡尺分别测量成型燃料的质量和长度，根据下面的公式来计算生物质秸秆成型燃料的成型密度。
3、试验结果及分析
3.1生物质秸秆冷压成型试验
为了考察原料粒度、水分含量、成型压力以及 原料种类对生物质秸秆成型效果的影响规律，本研究选用玉米秸秆和小麦秸秆，分别在不同粒度、 不同水分含量及不同成型压力下进行分组成型试 验。
3.1.1原料粒度及成型压力对秸秆成型效果的影响 将自然风干的粒径为0-0.45 mm,0.45~0.9 mm，0.9～2 mm，2~5 mm的玉米稻秆颗粒和小麦结 秆颗粒分别放在1，2,3,4,6,8,10 MPa的压力下 进行成型试验，试验结果见图3,4。
试验结果表明，秸杆粒度为0-5 mm时，秸秆原 料都可以成型;在相同的成型压力下，原料粒度越 小，成型后的燃料密度越大，抗跌落强度越高，成 型效果越好。随着成堕压力的增大,生物质秸杆成 型燃料的成型性能明显提高。但是提高成型压力 会使产品的能耗提高，因此成型压力并不是越大 越好，在满足成型燃料性能要求的条件下，成型压 力越小越好，以减少成型燃料生产过程中的能耗。
为了便于进行统一比较，本研究在探讨其它 因素对生物质秸秆成型效果的影响时，生物质秸 秆原料的粒度均取0~0.45 mm。
3.1.2原料水分含量对秸秆成型效果的影响
将粒径为0~0.45 mm,水分含量分别为5%， 10%, 15%, 20%, 25%，30%的玉米秸秆和小麦结 秆颗粒在4 MPa下进行压缩成?试验，试验结果见图5。由图5可以看出，当水分含量为5%~15% 时，所得的成型燃料均满足要求，其中，最适宜的 原料水分含量为10%~15%,即自然风干秸杆物料 就可以满足压缩成塑工艺的要求。
1、生物质秸秆成型技术 1.1生物质秸秆成型机理
植物细胞中除含有纤维素、半纤维素外，还含 有木质素(木素）。木素是具有芳香族特性的结构 单体，是由苯基丙烷单元构成的三维空间聚合物。木素属非晶体，没有熔点，但有软化点。当温度为 70~110<1：时，木素变软，具有粘性；当温度达到 200~300尤时，木素呈熔融状，粘性较高P1,此时加 以一定的压力，就可使其与纤维素紧密粘接并与 相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型。生物质 秸秆成型燃料就是利用秸秆的这种特性，用压缩 成型机将松散的秸秆在一定的温度、压力条件下， 使木素软化，经挤压成型而得到的具有一定形状 的新型燃料。
1.2影响秸秆成型的主要因素
通过对生物质成型机理的分析，确定影响生 物质成型的主要因素有原料种类、原料粒度、含水 率、成型压力、压缩成型模具形状及尺寸、加热温 度等?。
1.2.1原料种类
不同种类原料的压缩成型特性有很大的差 异,如木材废料一般难以被压缩，纤维状植物秸秆
和树皮等容易被压缩。
1.2.2原料粒度
—般来说，粒度小的原料容易被压缩,粒度大 的原料较难被压缩。原料粒度对成型机的效率及 成型物的质量也有影响，例如原料粒度较大时，成 型机将不能有效地工作,能耗大，产量小;原料粒 度不均匀时，成型物表面将产生裂纹，成型物密 度、强度均降低。
1.2.3含水率
当原料水分含量过高时，加热过程中产生的 蒸汽不能从成型燃料中心孔排出，会造成燃料开 裂，表面非常粗糙，甚至产生爆鸣；原料水分含量 太低，则成型困难。一般来说，对于颗粒成型燃料， 要求原料的水分含童为丨5%-25%;对于棒状成型 燃料,要求原料的水分含量不大于10%。
1.2.4成型压力与模具尺寸
成型压力是生物质秸秆原料压缩成型的最基 本条件。只有施加足够的压力，原料才能被压缩成 型。成型压力与模具的形状尺寸有着密切的关系。 1.2.5加热温度
加热一方面可以使原料中的木素软化，起到 粘结剂的作用，另一方面可以使原料本身变软，更 容易压缩成型。对于一般的成型机来说，加热温度 调整为UCKBOOt比较适宜。
1.3生物质秸秆成型工艺
根据主要工艺特征的差别，可以将生物质成 型工艺划分为常温成型、热压成型和炭化成型3 种主要形式。
1.3.1常温成型工艺
常温成型又称冷压成型。根据在成型过程中 是否加人粘结剂，又可将冷压成型分为加粘结剂 冷压成型和不加粘结剂冷压成型。加粘结剂冷压 成型工艺就是将原料粉碎、调湿，添加粘结剂后加 压成型。这种方法具有低压下容易成型和能耗低 等优点，但对低成本粘结剂的选择、粘结剂的调配 以及粘结剂与原料的均匀混合等要求较高。不加 粘结剂冷压成型就是将秸秆物料粉碎后直接进行 加压成型。
1.3.2热压成型工艺
热压成型工艺是目前普遍采用的生物质压缩 成型工艺。该工艺是在一定的温度条件下将生物 质秸秆压缩成型。根据原料在成型机中被加热的不同位置，可将热压成型工艺划为2类，即非预热 热压成型工艺、预热热压成型工艺。
1.3.3炭化成型工艺
根据不同的工艺流程，可将炭化成型工艺分 为2类，即先成型后炭化工艺、先炭化后成型工艺。
2、生物质秸秆成型试验
2.1试验物料
本研究选用山东地区比较具有代表性且资源 丰富的玉米秸秆和小麦秸秆作为试验物料。将物 料进行自然风干、切碎及筛分后，按粒径0~0.45 mm，0.45~0.9 mm,0.9~2 mm,2~5 mm 进行分类。
2.2试验装置及模具
实验室模压成型装置主要由油压机构、成型 模具和固定架构成。油压表用于指示油 压,压力为0~40 MPa。
Fig.l Structure and schematic diagram of forming device
借助实验室的成型装置，结合生物质秸秆的 成型机理，我们自行设计了2套闭式压缩成型模 具,分别用于生物质秸秆冷压成型和热压成型。在 压缩成型过程中，油缸座(机座）是静止的，工作台 可以上下移动。成型模具的结构原理图见图2。
2.3试验内容及试验过程 2.3.1试验内容
生物质秸秆成型工艺的试验研究主要分为2 部分。
① 针对影响生物质秸杆成型的主要因素，选 择玉米秸秆和小麦秸秆进行成型试验，研究原料 粒度、水分含量、成型压力及原料种类对生物质秸 秆成型效果的影响，确定较优的冷压成型工艺参 数。
② 在生物质秸秆冷压成型的基础上，进行生 物质秸秆加粘结剂冷压成型及热压成型试验，并 对3种成型工艺进行能耗比较分析。
2.3.2试验过程
① 分别选取粒径为0~0.45 mm,0.45~0.9 mm,
0.9~2 mm及2~5 mm的玉米枯杆和小麦?杆颗粒 备用。
② 将物料放入烘干箱内，在105±5 t下烘干 24h后备用。
③ 使用喷雾器和快速水分测量仪调节物料的 水分含量。
④ 每次试验称取相同质量的物料进行压缩成型。
⑤ 将称量后的物料放人模具中，加压直至达 到设定的成型压力；在设定的成型压力下保持一 定时间，退模后即可得到成型燃料，自然风干一段 时间后，测董成型燃料密度及跌碎强度。
2.4试验指标的测定将成型模具内的成型燃料退模、自然风干一良时间后，利用电子天平和游标卡尺分别测量成型燃料的质量和长度，根据下面的公式来计算生物质秸秆成型燃料的成型密度。
3、试验结果及分析
3.1生物质秸秆冷压成型试验
为了考察原料粒度、水分含量、成型压力以及 原料种类对生物质秸秆成型效果的影响规律，本研究选用玉米秸秆和小麦秸秆，分别在不同粒度、 不同水分含量及不同成型压力下进行分组成型试 验。
3.1.1原料粒度及成型压力对秸秆成型效果的影响 将自然风干的粒径为0-0.45 mm,0.45~0.9 mm，0.9～2 mm，2~5 mm的玉米稻秆颗粒和小麦结 秆颗粒分别放在1，2,3,4,6,8,10 MPa的压力下 进行成型试验，试验结果见图3,4。
试验结果表明，秸杆粒度为0-5 mm时，秸秆原 料都可以成型;在相同的成型压力下，原料粒度越 小，成型后的燃料密度越大，抗跌落强度越高，成 型效果越好。随着成堕压力的增大,生物质秸杆成 型燃料的成型性能明显提高。但是提高成型压力 会使产品的能耗提高，因此成型压力并不是越大 越好，在满足成型燃料性能要求的条件下，成型压 力越小越好，以减少成型燃料生产过程中的能耗。
为了便于进行统一比较，本研究在探讨其它 因素对生物质秸秆成型效果的影响时，生物质秸 秆原料的粒度均取0~0.45 mm。
3.1.2原料水分含量对秸秆成型效果的影响
将粒径为0~0.45 mm,水分含量分别为5%， 10%, 15%, 20%, 25%，30%的玉米秸秆和小麦结 秆颗粒在4 MPa下进行压缩成?试验，试验结果见图5。由图5可以看出，当水分含量为5%~15% 时，所得的成型燃料均满足要求，其中，最适宜的 原料水分含量为10%~15%,即自然风干秸杆物料 就可以满足压缩成塑工艺的要求。
满足性能要求。在本试验条件下，玉米淀粉、糠醛 渣及粘土作为玉米秸秆成型粘结剂的最佳添加量 分别为8%,8%和10%。玉米淀粉作为玉米秸秆成 型粘结剂的成型效果最佳。
3.1.3原料种类对秸秆成型效果的影响
3.1.3原料种类对秸秆成型效果的影响
将粒径为0~0.45 mm,水分含量为10%左右 的玉米秸秆和小麦秸秆颗粒在不同成型压力下的 试验结果进行对比。在相同的成型条件下， 玉米秸秆成型燃料的密度和抗跌碎强度均优于小 麦秸秆，这说明玉米秸秆比小麦秸秆更容易压缩 成型。这是因为玉米秸秆中的木素含量高于小麦 秸杆，而木素在生物质秸秆成型过程中起粘结剂 的作用，有助于秸秆的成型。此外,小麦秸秆外表 面有一层蜡，而这层蜡在小麦秸秆成型过程中起 到阻碍成型作用，致使小麦秸杆的成型特性较差。
由生物质秸杆成型机理可知,木素在70~110℃下开始软化，粘合力开始增加，粘结作用增强，因 此本研究选定80,丨10,130^3个成型温度进行 生物质秸秆热甩成型试验。试验结果表明，成?温 度对成型效果的影响还是很明显的，在温度达到 -定值后，即使施加很小的压力也可以得到很好 的成型效果。综合考虑原料成型效果和能耗情况， 本研究确定最佳成型温度为110弋。
由生物质秸杆成型机理可知,木素在70~110℃下开始软化，粘合力开始增加，粘结作用增强，因 此本研究选定80,丨10,130^3个成型温度进行 生物质秸秆热甩成型试验。试验结果表明，成?温 度对成型效果的影响还是很明显的，在温度达到 -定值后，即使施加很小的压力也可以得到很好 的成型效果。综合考虑原料成型效果和能耗情况， 本研究确定最佳成型温度为110弋。
从目前国内现状来看，可以利用的小麦秸秆 资源很少，玉米秸秆资源极其丰富，因此，下述成 型试验都是以玉米秸秆为原料进行的。
3.2生物质秸秆加粘结剂冷压成型
本研究分别选择玉米淀粉、糠醛渣及粘土作 为粘结剂，对生物质秸秆加粘结剂冷压成型效果 进行研究(图7)。由图7可以看出，加人粘结剂可 以使物料在较低的压力下成型，得到的成型燃料。
图8秸秆在不同温度下的成型效果 Figu.8 The briquetting curve of straw under different temperatures 3.4生物质秸秆成型工艺的能耗比较
在生物质秸秆成型过程中，成型压力越大，成 型设备的能耗越高，成型设备各部件的使用寿命 就越短。为了解决目前成型技术中成型能耗高、设 备使用寿命短的问题,寻求秸秆成型的最佳工艺， 在满足相同的成型燃料密度的情况下，本研究对 秸秆冷压成型、加粘结剂冷压成型及热压成型3 种工艺的能耗进行了对比分析。在冷压成型条件 下，满足成型指标所需成型压力为2 MPa;在加人 8%玉米淀粉条件下，满足成型指标所需成型压力 为1 MPa;在成型温度为110 ℃条件，只需要0.5 MPa压力就能满足成型指标要求。因此,热压成型可以较大幅度地降低成型压力（成型压力降低 了 300%),从而大大减少了设备的内部摩擦，延 长了设备的使用寿命，提高了设备的可靠性。加 粘结剂冷压成型时要考虑粘结剂的成本和燃料 的热值，热压成型时要考虑外部热源的能量损 耗。综合分析得出，秸秆成型的最佳工艺为热压 成型。
4、结论
本研究围绕影响秸秆成型的各工艺参数，以 玉米秸秆和小麦秸秆为原料进行冷压成型试验， 得出不同成型条件下能够满足成型要求的工艺参 数范围，研究结果表明：玉米秸秆比小麦秸秆易于 成型。本研究还对比分析了玉米秸秆冷压成型、加 粘结剂冷压成型及热压成型3种工艺下的能耗情 况。研究结果表明：热压成型及加粘结剂冷压成型 效果明显优于冷压成型。综合考虑成型效果及能 耗情况，本研究认为秸秆成型的最佳工艺为热压 成型。因此，在条件允许的情况下,应该优先选择 热压成型工艺。
3.2生物质秸秆加粘结剂冷压成型
本研究分别选择玉米淀粉、糠醛渣及粘土作 为粘结剂，对生物质秸秆加粘结剂冷压成型效果 进行研究(图7)。由图7可以看出，加人粘结剂可 以使物料在较低的压力下成型，得到的成型燃料。
图8秸秆在不同温度下的成型效果 Figu.8 The briquetting curve of straw under different temperatures 3.4生物质秸秆成型工艺的能耗比较
在生物质秸秆成型过程中，成型压力越大，成 型设备的能耗越高，成型设备各部件的使用寿命 就越短。为了解决目前成型技术中成型能耗高、设 备使用寿命短的问题,寻求秸秆成型的最佳工艺， 在满足相同的成型燃料密度的情况下，本研究对 秸秆冷压成型、加粘结剂冷压成型及热压成型3 种工艺的能耗进行了对比分析。在冷压成型条件 下，满足成型指标所需成型压力为2 MPa;在加人 8%玉米淀粉条件下，满足成型指标所需成型压力 为1 MPa;在成型温度为110 ℃条件，只需要0.5 MPa压力就能满足成型指标要求。因此,热压成型可以较大幅度地降低成型压力（成型压力降低 了 300%),从而大大减少了设备的内部摩擦，延 长了设备的使用寿命，提高了设备的可靠性。加 粘结剂冷压成型时要考虑粘结剂的成本和燃料 的热值，热压成型时要考虑外部热源的能量损 耗。综合分析得出，秸秆成型的最佳工艺为热压 成型。
4、结论
本研究围绕影响秸秆成型的各工艺参数，以 玉米秸秆和小麦秸秆为原料进行冷压成型试验， 得出不同成型条件下能够满足成型要求的工艺参 数范围，研究结果表明：玉米秸秆比小麦秸秆易于 成型。本研究还对比分析了玉米秸秆冷压成型、加 粘结剂冷压成型及热压成型3种工艺下的能耗情 况。研究结果表明：热压成型及加粘结剂冷压成型 效果明显优于冷压成型。综合考虑成型效果及能 耗情况，本研究认为秸秆成型的最佳工艺为热压 成型。因此，在条件允许的情况下,应该优先选择 热压成型工艺。
