生物质致密成型技术及设备_河南省科学院能源研究所有限公司

一、生物质压缩成型机理

（1）成型过程中生物构造

生物质细胞壁的各部分常常由于化学组成的不同和微纤丝排列方向的不同，在结构上分出层次。常用的六种生物质原料（玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、玉米芯、稻草）的不同壁层结构特点，可以用两种超微结构模型来表示。***种模型中胞腔较大，微纤维排列状态各异，其代表有稻草和玉米芯。当对生物质施加压力时，首先胞间层受压缩小，空隙率逐渐减少；当压力逐渐增大时，初生壁在压力作用下慢慢变薄，由于初生壁较薄，且木质素含量较高，所以压溃程度较大；当压力继续增大时，次生壁开始受压，由于次生壁厚度***大，主要成分为纤维素和半纤维素的混合物，所以抗拉压强度较大，再加上内层为中空的细胞腔，所以供微纤丝变形的空间较大，故压溃程度较小；伴随着压力继续增大，细胞腔被压，胞腔逐渐变小。对于***种模型结构的原料来讲，胞腔较大，当压力不是很大的情况下，胞腔会变小但不至于压溃合拢；对于第二种模型结构的原料来讲，由于胞腔很小，在较大的压力下易被压溃合拢，所以在相同的压力条件下，稻草和玉米芯颗粒成型燃料的致密性比玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆的致密性要好。

（2）成型过程中的物理性质

生物质是由实体、水分及空气组成的多孔性材料，其主要物质形态是不同粒径的粒子。生物质的粒子排列通常都比较疏松，粒子间空隙较大。由于生物质生物构造的特殊性，生物质粒子的充填和流动等特性对压缩成型具有十分重要的影响，当生物质开始压缩成型时，由于压力较小，粒子在压力作用下慢慢挤紧，首先排除粒子间的空气和水分，当空气和水分被排除后，部分粒子占据此空隙。在压力的继续作用下，粒子发生位置不断错位现象，由原来杂乱无章的排列逐渐变成有序的排列。随着压力的继续增大，空隙越来越小，此时大粒径的粒子在压力作用下，发生破裂现象，变成细小的粒子，并产生变形，以填补粒子周围较小的空隙。当压力再增加时，粒子发生塑性变形，在垂直于主应力方向上，粒子被延展，相邻的粒子靠啮合的方式紧密结合，在平行于主应力方向上，粒子变薄，相邻的粒子靠贴合的方式紧密接触。由于生物质是弹塑性体，当发生塑性变形后，不再恢复到原有结构形状，粒子间贮存部分残余应力，使粒子结合更加牢固，这也是生物质成型燃料表现较好致密性的一个重要方面。对于玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、稻草和玉米芯来讲，由于小麦秸秆微纤丝排列的平行度***差，纤维强度***低，在压力作用下，大粒径的粒子较其它原料易发生破裂现象，变成细小的粒子，粒子间空隙被填补得更充分，故颗粒成型燃料***致密。

当生物质含水率在纤维饱和点以下时，生物质中只有结合水。在压力作用下，粒子虽然发生了排列组合及变形，但在垂直于主应力方向上，由于摩擦力急剧增大，流动性极差，粒子不能很好地被延展，所以导致不能成型。当生物质含水率在纤维饱和点以上时，生物质中水分包括自由水和结合水两部分。当自由水过低时，在压力作用下，生物质细胞发生挤压变形，细胞中的导管易压紧变细，增加了水分传输的阻力，再加上水分过低时扩散能力减弱，导致水分不能很好的移动，粒子流动性较差，粒子也不能较好地延展，导致成型效果较差；当自由水过高时，虽然基于浓度差的水分扩散能力增强，粒子流动性较好，粒子也能很好地被延展，但在平行于主应力方向上，由于过多的水分被排挤在粒子层之间，使粒子层间贴合不紧，也导致成型不好。所以控制生物质含水率在适当范围，是生物质压缩成型的一个重要方面。

（3）成型过程中化学性质

生物质的主要组分是构成生物质细胞壁和胞间层的物质，由纤维素、半纤维素和木质素三种高分子化合物组成，少量组分主要包括灰分和有机物等。生物质种类不同，其组成的比例也有所差异。对于纤维素而言，杨木含量***大，稻草***小；对于半纤维素而言，除棉花秸秆略低外，其他原料的成分基本相同。

在生物质压缩成型过程中。木质素被认为是生物质中***好的内在粘合剂。半纤维素由多聚糖组成，是生物质中吸湿性较强的成分，在压力和水解共同作用下可转化为木质素，也可起到粘合剂的功能。纤维素是由大量葡萄糖基组成的链状高分子化合物构成，在压缩成型过程中，由氢键连接成的纤丝在粘聚体内发挥了类似混凝土的“钢筋”加强作用，成为提高成型燃料强度的“骨架”。

（4）成型过程中力学性质

当生物质原料开始受压时，粒子发生了位置重新排序，以填补空气及水分被挤出留下的空隙，即发生弹性变形；在压力增大时，生物质粒子发生变形，坚固的韧性纤维对邻近的导管施加压力，导管的强度降低，因而导管壁被迫向腔内溃陷产生塑性变形，其空隙被坚固的韧性纤维占据；随着压力继续增大，一些非结晶区的链分子在变形中被撕裂或彼此之间发生滑移，不断伸开并逐渐相互平行，导致临近的链分子卷曲或损伤，产生额外结晶体，增加了内部的粘滞度，并使生物质内部积累越来越大的势能，一旦压力达到某一程度，平行的链分子彼此间发生滑动，产生蠕变。

生物质力学性质的性能指标受生物质含水率的影响较大。当含水率在纤维饱和点以下时，结合水吸附在生物质内部表面，当含水率下降时，生物质发生干缩现象，胶束之间的内聚力增高，内摩擦系数变大，密度增大，因而生物质力学强度急剧增加。当含水率在纤维饱和点以上时，自由水虽然充满导管、管胞和生物质组织其它分子的大毛细血管，但只是浸入到生物质细胞腔内部和细胞间隙，与生物质的实体物质没有直接结合，所以对生物质的力学性质影响不大，生物质力学强度基本上为定值。

（5）成型过程的粘接机制

就不同材料的压缩成型而言，成型物内部的粘合力类型和粘合方式可分成5类：①固体颗粒桥接或架桥(Solid bridge)；②非自由移动粘合剂作用的粘合力；③自由移动液体的表面张力和毛细压力；④粒子间的分子吸引力(范德华力)或静电引力；⑤固体粒子间的充填或嵌合。

对于生物质原料来说，由于原料粒度大小不一，纤维素分子链排序也不尽相同，当处于同一压力时，结晶区和非结晶区的纤维素分子链断裂程度也各不一样，所以会形成不同形状和大小不一的颗粒，在压缩成型过程中易产生固体颗粒桥接或架桥现象，进而影响成型燃料的松弛密度和耐久性。生物质原料不同，出现固体颗粒桥接或架桥现象的程度也有差异，对于玉米芯来讲，由于原料粒度较玉米秸秆小得多，在相同压力作用下，产生的细小颗粒均匀度较玉米秸秆强，颗粒之间容易发生紧密充填，所以玉米芯成型燃料的物理品质较玉米秸秆好。

此外，粒子相互充填和嵌合是生物质压缩成型过程的重要途径。在垂直于主应力方向上，粒子被延展，相邻的粒子靠啮合的方式紧密结合，在平行于主应力方向上，粒子变薄，相邻的粒子靠贴合的方式紧密接触。由于生物质是弹塑性体，当发生塑性变形后，不再恢复到原有结构形状，粒子间贮存部分残余应力，使粒子结合更加牢固。

二、成型设备模具的设计

成型设备的核心部件为成型模具，模具设计的成败就决定了成型设备的好坏。模具的设计要从生物质的成型过程开始研究。

在生物质成型过程中，物料在压制区内所在的位置不同，其受压辊的压紧力也不同，可分为四个区间，即供料区、挤压区、压紧区和成形区。

在供料区内，物料基本不受机械外力，处于自然松散状态。在挤压区内，随着模辊的相对旋转，物料受模辊的挤压作用，物料之间产生相对移动，孔隙逐渐减小，随着物料向前移动速度的加快，挤压力逐渐增加，孔隙更小，但物料基本上还未变形。在压紧区内，模辊间隙变小，挤压力急剧增大，物料进一步靠紧和相嵌，颗粒间的接触面增大和联结增强，物料发生变形，并产生了较好的联结，同时向模孔挤去，这一区间物料将产生弹塑性变形。在成形区内，模孔内已充满了被压实成形的颗粒燃料，在不断新挤入的物料作用下，生物质成型燃料向出口移动，该区间发生应力松弛现象。