早在生物質(zhì)壓縮成型之前，1900年日本就開始研究用于替代木材燃料的煤粉壓縮成型塊。隨后許多國(guó)家相繼開始對(duì)容積大、熱值低的生物質(zhì)材料開展壓縮成型的研究，通過壓縮成一定形狀和密度的壓縮塊(Briquette)或壓縮粒(Pellet)，達(dá)到高效地利用生物質(zhì)潛在熱能的目的。目前國(guó)內(nèi)對(duì)生物質(zhì)壓縮成型的研究，主要集中在生物質(zhì)壓縮過程的壓縮特性、機(jī)械特性、流變特性和成型工藝等方面的試驗(yàn)研究和理論探討，對(duì)生物質(zhì)壓縮成型的內(nèi)在粘結(jié)機(jī)理研究不夠深入，也沒有對(duì)成型燃料的品質(zhì)特性作進(jìn)一步的分析，與實(shí)際要求有一定差距。本文正是出于這種考慮，根據(jù)我們對(duì)生物質(zhì)成型燃料物理品質(zhì)的試驗(yàn)研究結(jié)果，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)壓縮成型目前的發(fā)展?fàn)顩r，從生物質(zhì)成型燃料的物理品質(zhì)特性切入，探討壓縮成型的內(nèi)在機(jī)理，旨在為研究成型燃料塊的物理品質(zhì)提供更加全面的方法，并對(duì)成型塊的品質(zhì)檢測(cè)和分析提供參考，富通新能源生產(chǎn)銷售秸稈壓塊機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料出售。
1、生物質(zhì)成型燃料的物理品質(zhì)
由于生物質(zhì)材料的種類和成分不同，特別是受壓縮方式和壓縮條件的影響，其成型燃料的品質(zhì)特性存在較大差異。在生物質(zhì)成型燃料的各種品質(zhì)特性中，除燃燒特性外，成型塊的物理特性是最重要品質(zhì)特性，它直接決定了成型塊的使用要求、運(yùn)輸要求和貯藏條件，而松弛密度(Relax density)和耐久性(Durability)是衡量成型塊物理品質(zhì)特性的兩個(gè)重要指標(biāo)。
1.1松弛密度
生物質(zhì)成型塊在出模后，由于彈性變形和應(yīng)力松弛，其壓縮密度逐漸減小，一定時(shí)間后密度趨于穩(wěn)定，此時(shí)成型塊的密度稱為松弛密度。它是決定成型塊物理性能和燃燒性能的一個(gè)重要指標(biāo)值。松弛密度要比模內(nèi)的最終壓縮密度小，通常采用無量綱參數(shù)松弛比，即模內(nèi)物料的最大壓縮密度與松弛密度的比值描述成型塊的松弛程度。生物質(zhì)成型塊的松弛密度與生物質(zhì)的種類及壓縮成型的工藝條件有密切關(guān)系，不同生物質(zhì)由于含水量不同，組成成份不同，在相同壓縮條件下所達(dá)到的松弛密度存在明顯的差異。表1顯示切碎棉稈(粒度0～3 mm)在內(nèi)徑為50 mm圓筒模內(nèi)和常溫壓縮條件下壓力變化對(duì)松弛密度的影響。密度隨壓縮過程中壓力的增大而增大，表中最終壓力是設(shè)定的壓縮終止時(shí)的最大壓力；壓縮密度是指模內(nèi)物料在最終壓力時(shí)的壓縮密度；松弛密度為成型塊出模后松弛2h后的測(cè)定值。試驗(yàn)結(jié)果表明在溫度和初始密度相同的條件下，隨著壓力增大，成型塊的松弛密度增大．松弛比相應(yīng)減小。
表2為切碎棉稈（粒度0～3 mm）在內(nèi)徑為50 mm圓筒模內(nèi)和最終壓力為74.9 MPa條件下，加熱溫度變化對(duì)松弛密度影響的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明，在壓力和初始密度相同條件下，常溫壓縮比加溫壓縮的松弛比大。
一般地，提高成型燃料的松弛密度有兩種途徑，一是采用適宜的壓縮時(shí)間控制成型塊在模具內(nèi)壓縮時(shí)的應(yīng)力松弛和彈性變形，阻止成型塊出模后壓縮密度的減小趨勢(shì)；二是將生物質(zhì)原料粉碎，盡可能減小粒度，并適當(dāng)提高生物質(zhì)壓縮成型的壓力、溫度或添加粘結(jié)劑，最大限度降低成型塊內(nèi)部的空隙率，增強(qiáng)結(jié)合力。
1.2耐久性及其評(píng)價(jià)方法
耐久性反映了成型塊的粘結(jié)性能，它是由成型塊的壓縮條件及松弛密度決定的。耐久性作為表示成型塊品質(zhì)的一個(gè)重要特性，主要體現(xiàn)在成型塊的不同使用性能和貯藏性能方面，而僅僅通過單一的松弛密度值無法全面、直接地反映出成型塊在使用要求方面的差異性。因此，耐久性又具體細(xì)化為抗變形性( Resistance todeformation)、抗跌碎性(Shatter resistance)、抗?jié)L碎性( Tumbler resistance)、抗?jié)B水性(Water resistance)和抗吸濕性(Hygroscopity)等幾項(xiàng)性能指標(biāo)，通過不同的試驗(yàn)方法檢驗(yàn)成型塊粘結(jié)強(qiáng)度大小，并采用不同的指標(biāo)來表示各項(xiàng)性能。
成型塊的抗變形性，一般采用強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)量其拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，用失效載荷值表示成型塊的強(qiáng)度；翻滾試驗(yàn)(Tumbler test)和跌落試驗(yàn)(Drop test)分別用來檢驗(yàn)成型塊的抗跌碎性和抗?jié)L碎性，并用失重率反映成型塊的抗碎性能。在上述這些試驗(yàn)中，美國(guó)、瑞典等國(guó)分別形成了各自的試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，專門用于生物質(zhì)成型塊的耐久性評(píng)估。某些情況下，沖擊試驗(yàn)及抗沖擊指標(biāo)(IRI)也常常作為一種非標(biāo)準(zhǔn)方法，檢驗(yàn)成型塊在特殊場(chǎng)合使用時(shí)的抗沖擊變形能力。在抗?jié)B水性能評(píng)價(jià)中，各種研究在試驗(yàn)方法和量化方式上略有不同，一種是計(jì)算成型塊在一定時(shí)間內(nèi)浸入水中的吸水率2。；-種是記錄成型塊在水中完全剝落分解的時(shí)間11。圖1是對(duì)兩種不同粒度(0～4.0 mm和0～12.5mm)的棉稈熱壓成型塊樣品置于27℃的水面下25 mm處，持續(xù)時(shí)間30 s后的吸水現(xiàn)象，用以評(píng)定成型塊的抗?jié)B水性。
在最近研究中，Z．husain等人在對(duì)成型塊的抗變形性和抗?jié)B水性檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)試驗(yàn)的成型塊樣本表面出現(xiàn)的縱向裂紋或（和）內(nèi)部出現(xiàn)的徑向裂紋進(jìn)行尺寸測(cè)量，作為一種綜合反映成型塊耐久性的方法12。對(duì)于抗吸濕性，一般都采用成型塊在環(huán)境濕度和溫度條件下的平衡含水率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
值得注意的是，就各種評(píng)估成型塊耐久性的試驗(yàn)方法而言，從本質(zhì)上說都是檢驗(yàn)成型塊的粘結(jié)強(qiáng)度，但因?yàn)槌尚蛪K內(nèi)部的粘結(jié)力類型、大小和粘結(jié)方式復(fù)雜和度量困難，而無法對(duì)生物質(zhì)是否成型準(zhǔn)確界定，實(shí)現(xiàn)評(píng)估方法的統(tǒng)一。以生物質(zhì)成型塊的抗?jié)B水性為例，試驗(yàn)中成型塊在粘結(jié)程度和親水程度上所表現(xiàn)出的復(fù)雜性，就是成型塊內(nèi)部作用力及成型塊與介質(zhì)間作用力共同作用的結(jié)果，必須要從力學(xué)特性、生化特性、電學(xué)特性、粒子特性等多方位進(jìn)行分析，以揭示基于粒子、生化成分和液體為構(gòu)架的成型塊機(jī)體內(nèi)各種作用力的交互作用規(guī)律，進(jìn)一步深入探究成型塊的成型機(jī)理。
2、生物質(zhì)成型燃料的成型機(jī)理
2.1 生物質(zhì)壓縮成型的粘結(jié)機(jī)制
生物質(zhì)成型塊的品質(zhì)受諸多因素影響，這些因素有的與生物質(zhì)自身的生化特性有關(guān)，有的與外部壓縮條件、模具類型、壓縮方式、成型工藝等有密切聯(lián)系，它們都從根本上影響或制約著成型塊內(nèi)部的粘結(jié)方式和粘結(jié)力大小，直接造成成型塊物理品質(zhì)的差異。1962年德國(guó)的Rumpf針對(duì)不同材料的壓縮成型，將成型物內(nèi)部的粘結(jié)力類型和粘結(jié)方式分成5類2：1）固體顆粒橋接或架橋(Solid bridge)；2)非自由移動(dòng)粘結(jié)劑作用的粘結(jié)力；3）自由移動(dòng)液體的表面張力和毛細(xì)壓力；4）粒子間的分子吸引力（范德華力）或靜電引力；5）固體粒子間的充填或嵌合。多數(shù)農(nóng)作物秸稈在較低的壓力壓縮下，秸稈破裂，由于秸稈斷裂程度不同，形成規(guī)則和大小不一的大顆粒，在成型塊內(nèi)部產(chǎn)生了架橋現(xiàn)象，所以成型塊的松弛密度和耐久性都較低。粉碎的秸稈或鋸末，在壓力作用下，細(xì)小的顆粒互相之間容易發(fā)生緊密充填，其成型塊的密度和強(qiáng)度顯著提高。當(dāng)農(nóng)林廢棄物進(jìn)行熱壓成型時(shí)，構(gòu)成生物質(zhì)的化學(xué)成分可以轉(zhuǎn)換為粘結(jié)劑，增強(qiáng)了成型物顆粒間的粘結(jié)力。在對(duì)生物質(zhì)燃料壓縮成型的研究中認(rèn)為，雖然成型物的密度和強(qiáng)度受溫度、含水量、壓力、添加劑等諸多因素影響，但實(shí)質(zhì)上，都可以用Rumpf所述的一種或一種以上的粘結(jié)類型和粘結(jié)力來解釋生物質(zhì)成型物內(nèi)部的成型機(jī)制。
2.2生物質(zhì)壓縮成型的粒子特性
構(gòu)成生物質(zhì)成型塊的主要物質(zhì)形態(tài)為不同粒徑的粒子，粒子在壓縮過程中表現(xiàn)出的充填特性、流動(dòng)特性和壓縮特性對(duì)生物質(zhì)的壓縮成型有很大的影響。通常生物質(zhì)壓縮成型分為兩個(gè)階段。第一階段，在壓縮初期，較低的壓力傳遞至生物質(zhì)顆粒中，使原先松散堆積的固體顆粒排列結(jié)構(gòu)開始改變，生物質(zhì)內(nèi)部空隙率減少。第二階段，當(dāng)壓力逐漸增大時(shí)，生物質(zhì)大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細(xì)小的粒子，并發(fā)生變形或塑性流動(dòng)，粒子開始充填空隙，粒子間更加緊密地接觸而互相嚙合，一部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部，使粒子間結(jié)合更牢固17。壓力、含水率及粒徑是影響粒子在壓縮過程中發(fā)生變化的主要因素。在生物機(jī)體內(nèi)存在的適量的結(jié)合水和自由水是一種潤(rùn)滑劑，使粒子間的內(nèi)摩擦變小，流動(dòng)性增強(qiáng)，從而促進(jìn)粒子在壓力作用下滑動(dòng)而嵌合。構(gòu)成成型塊的粒子越細(xì)小，粒子間充填程度就越高，接觸越緊密；當(dāng)粒子的粒度小到一定程度（幾百至幾微米）后，成型塊內(nèi)部的結(jié)合力方式和主次甚至也會(huì)發(fā)生變化，粒子間的分子引力、靜電引力和液相附著力（毛細(xì)管力）開始上升為主導(dǎo)地位”。
根據(jù)研究，成型塊的抗?jié)B水性和吸濕性都與粒子的粒徑有密切關(guān)系，粒徑小的粒子比表面積大，成型塊容易吸濕回潮；但與之相反的是，由于粒子的粒徑變小，粒子間空隙易于充填，可壓縮性變大，使得成型塊內(nèi)部殘存的內(nèi)應(yīng)力變小，從而削弱了成型塊的親水性，提高了抗?jié)B水性（見圖1），Paivi Iehtikangas在最近的研究中也有同樣的結(jié)論。在對(duì)植物材料壓縮成型時(shí)粒子變形和結(jié)合形式的研究中，郭康權(quán)等對(duì)成型塊內(nèi)部粒子進(jìn)行顯微鏡觀察和粒子二向平均徑測(cè)量，并建立了粒子微觀結(jié)合模型認(rèn)為，在垂直于最大主應(yīng)力的方向上，粒子向四周延展，粒子間以相互嚙合的形式結(jié)合；在沿著最大主應(yīng)力的方向上，粒子變薄，成為薄片狀，粒子層之間以相互貼合的形式結(jié)合。根據(jù)該結(jié)合模型可以說明，生物質(zhì)原料的粒子越軟，粒子二向平均徑越易變大，生物質(zhì)越易壓縮成型。當(dāng)植物材料中的含水量過低時(shí)，粒子得不到充分延展，與四周的粒子結(jié)合不夠緊密，所以不能成型；當(dāng)含水率過高時(shí)，粒子盡管在垂直于最大主應(yīng)力方向上充分延展，粒子間能夠嚙合，但由于原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，因而不能成型。
2.3生物質(zhì)壓縮成型的電勢(shì)特性
根據(jù)傳統(tǒng)的動(dòng)電學(xué)理論，一旦固體顆粒與液體接觸，在固體顆粒表面會(huì)發(fā)生電荷的優(yōu)先吸附現(xiàn)象，這使固相表面帶電荷，在與固體表面接觸的周圍液體會(huì)形成相反電荷的擴(kuò)散層，從而構(gòu)成了雙電層。這種介于固體顆粒表面和液體內(nèi)部的電勢(shì)差稱為℃電勢(shì)，它對(duì)生物質(zhì)顆粒的壓縮成型起排斥作用。因此，減小℃電勢(shì)的絕對(duì)值，就可以在少加或不添加粘結(jié)劑的情況下，提高成型塊的強(qiáng)度等人研究發(fā)現(xiàn)不同生物質(zhì)原料的<電勢(shì)大小是不盡相同的，而且還受生物質(zhì)顆粒在水中的接觸時(shí)間、濃度、溫度和添加劑等因素的影響，有效地控制這些因素條件，可以顯著降低℃電勢(shì)絕對(duì)值。一些有機(jī)化合物，如聚環(huán)氧乙烷( Polyethylene oxide)可以作為一種添加劑，起到中和<電勢(shì)，減小壓縮過程的排斥力的作用。試驗(yàn)證明，該添加劑能明顯改善成型塊的強(qiáng)度、抗跌碎性和抗?jié)L碎性等性能，如將聚環(huán)氧乙烷的水溶液（按1g／L配比）加入到松木屑（含水率9.2%）中，與松木屑的配比濃度從1/10000增加到3／10 000，在內(nèi)徑為48 mm圓筒模，最大壓力為138 MPa條件下進(jìn)行壓縮成型試驗(yàn)，結(jié)果顯示成型塊的松弛密度由1025 kg．m-3提高了1%；抗破碎強(qiáng)度增加了36%;跌碎試驗(yàn)質(zhì)量損失減少了25%。
2.4 生物質(zhì)壓縮成型的化學(xué)成分變化
在相同的壓縮條件下，不同生物質(zhì)成型塊的物理品質(zhì)卻表現(xiàn)出較大差異，這與生物質(zhì)本身的生物特性有一定關(guān)系，是由生物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)和組成成分不同而造成的。通常各種生物質(zhì)材料的主要組成成分都是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素構(gòu)成，此外還含有水和少量的單寧、果膠質(zhì)、萃取物、色素和灰分等『20]。
在構(gòu)成生物質(zhì)的各種成分中，木質(zhì)素普遍認(rèn)為是生物質(zhì)固有的最好的內(nèi)在粘結(jié)劑。它是由苯丙烷結(jié)構(gòu)單體構(gòu)成的，具有三度空間結(jié)構(gòu)的天然高分子化合物，在水中以及通常的有機(jī)溶劑中幾乎不溶解，100℃才開始軟化，160℃開始熔融形成膠體物質(zhì)。因此，木質(zhì)素含量高的農(nóng)作物秸稈和林業(yè)廢棄物非常適合熱壓成犁。在壓縮成型過程中，木質(zhì)素在溫度與壓力的共同作用下發(fā)揮粘結(jié)劑功能，粘附和聚合生物質(zhì)顆粒，提高了成型物的結(jié)合強(qiáng)度和耐久性。
生物質(zhì)體內(nèi)的水分作為一種必不可少的自由基，流動(dòng)于生物質(zhì)團(tuán)粒間，在壓力作用下，與果膠質(zhì)或糖類混合形成膠體，起粘結(jié)劑的作用，因此過于干燥的生物質(zhì)材料通常情況下是很難壓縮成型的。Paivi Lehtikangas研究認(rèn)為，生物質(zhì)體內(nèi)的水分還有降低木質(zhì)素的玻變（熔融）溫度的作用，使生物質(zhì)在較低加熱溫度下成型。
生物質(zhì)中的半纖維素由多聚糖組成，在一定時(shí)間的貯藏和水解作用下可以轉(zhuǎn)化木質(zhì)素，也可達(dá)到粘結(jié)劑的作用。生物質(zhì)中的纖維素是由大量葡萄糖基構(gòu)成的鏈狀高分子化合物構(gòu)成，是不溶于水的單糖，因此纖維素分子連接形成的纖絲，在以粘結(jié)劑為主要結(jié)合作用的粘聚體內(nèi)發(fā)揮了類似于混凝土中“鋼筋”的加強(qiáng)作用，成為提高成型塊強(qiáng)度的“骨架”。此外生物質(zhì)所含的腐殖質(zhì)、樹脂、蠟質(zhì)等萃取物也是固有的天然粘結(jié)劑，它們對(duì)壓力和溫度比較敏感，當(dāng)采用適宜的溫度和壓力時(shí)，也有助于在壓縮成型過程中發(fā)揮有效的粘結(jié)作用。
生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在不同的高溫下，均能受熱分解轉(zhuǎn)化為液態(tài)、固態(tài)和部分氣態(tài)產(chǎn)物。將生物質(zhì)熱解技術(shù)與壓縮成型工藝相結(jié)合，通過改變成型物料的化學(xué)成分，即利用熱解反應(yīng)產(chǎn)生的液態(tài)熱解油（或焦油）作為壓縮成型的粘結(jié)劑，有利于提高粒子間的粘聚作用，并提高成型燃料的品位和熱值。Demirbas在最近的研究中，將榛子殼在327 C熱解產(chǎn)生的熱解油作為壓縮成型的粘結(jié)劑，結(jié)果顯著提高成型燃料的松弛密度和耐久性等物理品質(zhì)指標(biāo)值。
3、結(jié)語及展望
生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)壓縮成型過程以及機(jī)械特性、流變特性和成型工藝方面已有廣泛的研究，但有關(guān)生物質(zhì)成型燃料的物理特性和成型機(jī)理的研究還有待進(jìn)一步完善。松弛密度和耐久性是衡量成型塊物理品質(zhì)特性的兩個(gè)重要因素，其指標(biāo)能直接反映成型燃料在使用性能和貯藏性能方面的差異性。深入探究成型塊的成型機(jī)理，有必要從力學(xué)特性、粒子特性、生化特性和電學(xué)特性等進(jìn)行多方位的試驗(yàn)與分析，以揭示成型塊粘結(jié)機(jī)制及各種作用力的交互作用規(guī)律。
1)成型物料的粒度分布是構(gòu)成生物質(zhì)成型塊的主要形態(tài)，粒子特性的理論分析能夠從微觀上研究生物質(zhì)成型塊的粘結(jié)方式和粘結(jié)力類型，從而揭示壓縮成型的內(nèi)因。
2)重視對(duì)生物質(zhì)有機(jī)體生化特性的分析，可以豐富生物質(zhì)粘結(jié)成型和品質(zhì)特性的研究?jī)?nèi)容，為壓縮成型工藝參數(shù)的合理選擇提供更全面的依據(jù)。
3)對(duì)生物物料進(jìn)行電勢(shì)特性分析，可以進(jìn)一步深入研究更多影響壓縮成型的因素及規(guī)律，拓寬研究檢驗(yàn)和評(píng)估提高成型燃料品質(zhì)的新思路和新方法。
