農林固體有機廢棄物壓縮成型研究進展

張秀秀， 侯梅芳， 宋麗莉， 朱理立， 劉 愷

（1.上海應用技術學院生態技術與工程學院，上海 201418；2.上海金開市政工程有限公司，上海 201206）

農林固體有機廢棄物壓縮成型研究進展

張秀秀1，2， 侯梅芳1， 宋麗莉1， 朱理立2， 劉 愷2

（1.上海應用技術學院生態技術與工程學院，上海 201418；2.上海金開市政工程有限公司，上海 201206）

農林固體有機廢棄物是很重要的生物質資源，其質地松散，壓縮可使分子間致密緊湊，節約空間，便于儲運和加工利用.因此，有關農林固體有機廢棄物壓縮成型技術與設備等方面的研究一直備受人們關注.簡要介紹了農林固體有機廢棄物資源化利用類型及壓縮成型研究現狀，對壓縮成型原理及相關影響因素進行了分析，針對使用比較廣泛的3種成型工藝即常溫壓縮成型、熱壓成型、炭化成型分別進行了介紹，分析了不同類型壓縮成型設備的差異，總結發現有關農林固體有機廢棄物收集、成型前處理、壓縮成型、后續深加工以及應用專屬性評價等全過程管理與技術體系還不完善的地方，展望了今后壓縮成型技術的發展趨勢.

農林固體有機廢棄物；壓縮成型；壓縮設備

農林固體有機廢棄物作為主要的生物質資源，是可再生能源、醫藥、有機肥料、飼料、建筑材料等非常重要的原材料.農林固體有機廢棄物包括農業固體有機廢棄物和林業固體有機廢棄物，其中農業固體有機廢棄物包括植物性廢棄物、動物性廢棄物和農副產品加工剩余物，主要指作物秸稈、果殼、甘蔗渣、土豆渣等；林業固體有機廢棄物包括林業“三剩物”（采伐剩余物、造材剩余物、木材加工剩余物）和廢舊木質材料，主要指枝椏、樹葉、樹皮、木屑、鋸末、廢舊木材制造品等.農林固體有機廢棄物資源在我國年產至少11億t［1］，僅包括大宗作物的秸稈量就超過5億t［2］，其中2億多t被燒掉［3］.由于農林固體有機廢棄物以散拋形式存在，具有資源分布離散的特點，其產生量巨大且總量不清、運輸存儲不方便，嚴重制約了農林固體有機廢棄物的大規模資源化利用，每年有大量的農林固體有機廢棄物被棄置于自然環境或露天焚燒，既對生態環境造成嚴重的污染，又造成了資源的極大浪費.因此，有關農林固體有機廢棄物壓縮成型技術與設備的研發，受到人們普遍關注.

1 資源化利用途徑

農林固體有機廢棄物含有豐富的有機質、營養元素、礦物質等成分，其資源化利用途徑主要包括能源化、飼料化、材料化、肥料化與基質化［4-5］；有學者總結為5F，即燃料（Fuel）、飼料（Fodder）、原料（Feed Stock）、纖維（Fiber）、肥料（Fertilizer），變廢為寶是實現農林固體有機廢棄物資源化循環利用的重點［6-7］.

1.1 能源化

生物質能源是可再生能源，《國家中長期科學和技術發展綱要（2006—2020）》以及各部委有關能源發展、生物產業發展等戰略規劃中均對生物質能源的發展提出了明確的目標.我國農林固體有機廢棄物產量居世界前列，以年均5%～10%的速度遞增.直接燃燒、固化成型制作燃料棒、發酵產生沼氣、液化成生物油或生產燃料乙醇等為較常見的幾種農林固體有機廢棄物能源化利用的途徑［8-9］.

1.2 飼料化

飼料的主要成分包括淀粉、糖、蛋白質等，主要來源于農作物.為緩解人畜爭糧矛盾，將農林固體有機廢棄物飼料化，是實現傳統農業向綠色、低碳及生態高值化循環農業轉變的重要途徑［10］.常用的農林固體有機廢棄物飼料化方法有微生物轉化、發酵、氨化處理等［11］.

1.3 材料化

由于農林固體有機廢棄物含有豐富的各種營養成分和其他功能組分，使其成為潛在的各種功能食品、功能材料的重要原材料［12］.人們可從農林固體有機廢棄物中提取蛋白質、膳食纖維、礦質元素等有益成分.農林固體有機廢棄物也廣泛用于重金屬和有機廢水處理.同時農林固體有機廢棄物還可加工成生態建筑材料、輕工業原材料、新型保溫材料、生物炭材料等［13-17］.

1.4 肥料化與基質化

在當前化肥與農藥嚴重污染的形勢下，來源于農林固體有機廢棄物的有機肥是改良土壤、促進植物生長、保障農產品安全和生態安全的重要物質基礎.農林固體有機廢棄物可直接還田或堆肥發酵后施入土壤，還可直接作為基質用于園藝園林植物栽培等領域［18-19］.

總之，農林固體有機廢棄物量大、形散，在其大規模資源化高效利用過程中為便于儲運和加工利用、節約空間，壓縮是農林固體有機廢棄物資源化利用過程中常采用的有效手段，因此有關其壓縮成型技術與設備等方面的研究一直是研究的熱點［20-22］.

2 壓縮成型技術

針對大量農林固體有機廢棄物帶來的空間、資源浪費等問題，壓縮成型技術應運而生，主要集中在壓縮打捆、模壓成型等幾個方面［23-25］.美國于20世紀30年代研制了螺旋壓縮機；日本于50年代從國外引進技術后進行改進；70年代后期，芬蘭、比利時、法國、德國、意大利等許多西歐國家也開始重視壓縮成型技術的研究.亞洲除日本外，泰國、印度、菲律賓等國家從80年代開始也都先后研制成了生物質壓縮成型機.我國從20世紀80年代開始先后對日本、荷蘭、比利時等國家的技術和設備引進并且創新，在最早使用的螺旋式成型機的基礎上研發出液壓驅動柱塞式成型機、機械沖壓式成型機等設備.國外模壓成型機設備自動化程度高，生產技術成熟.瑞士的Buhlwelwe公司、英國的UMT Andritz Group公司、丹麥的Sprout-Matador公司以及瑞典的Power Chippers AB公司等多采用模壓成型技術生產生物質固體成型機，且成型機的關鍵部件壽命和生產率水平都達到了很高的水平，實現了規模化和商品化生產.而國內研制開發的H M-485型環模式成型機關鍵部件壽命長、生產率高，已達到國際同類產品先進水平.利用該技術工藝和設備已在北京市建成了年產2萬t的生物質固體成型燃料生產線并投產運行［26］.盡管我國在技術與設備上都有重大突破，但是對于壓縮成型技術研究起步較晚，技術還不夠成熟，在一定程度上影響了我國農林固體有機廢棄物資源化利用進程.

2.1 壓縮成型原理

關于農業固體有機物料的壓縮，最早Rehkugler等［27］基于閉式壓縮過程的階躍加載，提出了包含影響壓縮過程眾多因素的物料壓縮流變模型；O’Dogherty等［28］則根據壓縮過程中物料的容積密度范圍提出相應模型；Faborode等［29］將物料的初始密度加以考慮，其他學者則選用了不同的模型參數［30］.由于所處理的物料、壓縮模式以及環境條件等具有差異性，僅僅依靠幾個理想的力學元件（虎克體、圣維南體和牛頓體）和常見模型（Maxwell、Kelvin、Bugess和Peleg模型）還不夠，因此，這方面的研究一直備受人們關注［31-32］.目前大多數關于農林固體有機物料的壓縮研究圍繞其塑形、彈性、黏彈性、流變性等方面的變化［33］，主要基于農林固體有機物料是氣隙組合的認識，比較適用于壓縮打捆過程模擬，而對于模壓成型等還需考慮物料各組分本身化學性質的變化以及相應的物料成型黏合力類型.就不同材料的壓塊／壓餅、模壓成型等壓縮過程而言，成型物內部的黏合力類型和黏合方式可分成5類：①固體顆粒橋接或架橋（Solid bridge）；②非自由移動黏合劑作用的黏合力；③自由移動液體的表面張力和毛細壓力；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［34］.

農林固體有機廢棄物主要由纖維素、半纖維素、蛋白質、淀粉、木質素等組成［35-37］.在壓縮過程中，一方面蛋白質與淀粉可塑化直接作為黏結劑［38］；另一方面隨溫度上升，木質素會軟化、熔化充當黏結劑［39］.研究表明，壓力作用或活化條件下蛋白質、淀粉、木質素等天然黏結劑使顆粒間產生固體橋接鍵合作用，在農林固體有機廢棄物壓縮成型過程中發揮了重要作用［25，40-41］.農林固體有機廢棄物壓縮成型的基本原理在于加壓條件下其木質素、淀粉及蛋白質等的膠黏作用、組織致密化等過程同時發生，使有機大分子物質的物理化學性質發生變化［42］.

以農作物秸稈平模壓縮成型為例［43］，其工作原理為將粉碎后的物料在一定壓力下，通過秸稈的塑性變形和自身的木質素軟化而被壓縮成型.具體過程（見圖1）：供料區內的物料在重力作用下緊貼在平模上，由壓輥將物料帶進變形壓緊區，粒子間隙空氣被排出的同時粒子重排，被壓實的原料進入擠壓成型區（模孔的錐孔部分和前半部分都屬于擠壓成型區）；隨壓力增加，粒子發生變形和塑性流動；同時由于壓輥和物料間的摩擦作用加劇而產生大量熱量，導致原料中的木質素軟化，與纖維素聯合作用使生物質逐漸成形；成型塊在擠壓作用下進入模孔的保型段，產品被定型，保型一定時間后被擠出，旋轉的切刀將物料切斷形成顆粒，由掃料板將顆粒送出［］.

圖1 平模壓縮成型機示意圖Fig.1 Schematic diagram of flat die compression forming machine

綜合可知，壓力、溫度、物料成分及壓縮模式等因素均影響成型過程以及成型物料的性能，在文獻［44］中已有詳細報道.下面從不同壓縮成型工藝加以敘述.

2.2 壓縮成型工藝

2.2.1 壓縮打捆

為方便加工及貯運，常對農林固體有機廢棄物壓縮打捆［23］.壓縮方式主要有閉式壓縮和開式壓縮［45］（見圖2）.閉式壓縮為間歇式密閉容器內壓縮，包括喂料、壓縮、排料3個過程，基于閉式壓縮的物料流變學研究較多；開式壓縮為流化床式壓縮，其成型阻力主要是容器壁對物料的摩擦阻力，便于田間機械化連續作業，在生產中應用廣泛，但比閉式壓縮更復雜，具有動力消耗大及捆繩易斷裂等問題，技術和設備研發難度更大.

農林固體有機廢棄物多數為黏彈性材料，壓縮打捆后的物料密度會反彈，仍然存在堆積占用空間大、運輸成本高、直接加工利用不方便的問題.因此，壓塊／壓餅是近年來常見的秸稈等農林固體有機廢棄物深加工方法，打捆后的物料經粉碎、均質、壓塊、冷卻、打包即得到產品，具有壓塊密度高，營養損失少，貯運方便等優點.

圖2 壓縮打捆的兩種方式Fig.2 Two ways of compressed bale

2.2.2 生物質燃料壓縮成型

農林固體有機廢棄物因富含有機質，其可經過加壓、加熱等方式由原先松散結構轉變為具有致密結構的生物質成型燃料［46］.目前使用比較廣泛的生物質燃料成型工藝有常溫壓縮成型、熱壓成型、炭化成型3種.

（1）常溫壓縮成型.使用常溫壓縮成型工藝的成型設備沒有輔助的外部熱源裝置供給熱量.成型初期將原料浸水使之濕潤皺裂并部分降解，將其水分擠出，在成型原料中加黏結劑攪拌混合均勻，然后壓縮為成型燃料，由于含水量較高，成型后需要烘干.模具與原料之間或粒子間存在較大摩擦所產生的熱量能軟化木質素達到黏結的效果，根據需要可不添加或少量添加黏結劑［43，47］.有研究結果表明：常溫高壓致密成型時，含水率最好控制在5%～15%范圍內，最高不能超過22%；壓力控制在15～35 MPa之間即可滿足存放、運輸要求；秸稈類生物質易成型，灌木由于原料本身纖維硬、韌性好而不易成型［48］.壓力對壓縮成型后的燃料熱值具有重要影響［49］.研究人員為了揭示生物質成型過程中摩擦熱引起的溫度變化規律以指導生物質成型機的設計，根據生物質冷壓成型特點和傳熱學原理，建立了生物質冷壓成型模具的摩擦熱分析有限元模型，對成型過程中成型模具的溫度場進行了模擬［50］.

（2）熱壓成型.熱壓成型是目前普遍采用的農林廢棄物質壓縮成型工藝，生物質原料在壓縮過程中使用外加熱源加熱，在150～300°C的高溫和高壓下使木質素中的膠性物釋放出來，同時高溫加熱將原料軟化，一方面減少直接的擠壓動力，另一方面在一定程度上提高了原料顆粒的流動性，有效減少生物質原料顆粒對模具的磨損，提高模具壽命.其工藝過程包括粉碎、干燥、加熱、壓縮、冷卻5步.熱壓成型技術根據原料被加熱的部位不同分為兩類：非預熱熱壓成型工藝和預熱熱壓成型工藝.兩者不同之處在于預熱熱壓成型工藝在原料進入成型機之前對其進行預熱處理.實際應用中非預熱熱壓成型工藝占主導地位，但是此成型工藝部件磨損嚴重，有關研制單位試用原料在進入成型機之前對其進行預熱至100°C左右，以減輕磨損［51］，同時縮短了加熱段的長度.

（3）炭化成型.炭化是指有機物通過熱解而導致含碳量不斷增加的過程［52］.根據工藝流程不同，炭化成型工藝可分為先炭化后成型和先成型后炭化2類.先炭化后成型工藝是先將生物質原料炭化成粉粒狀木炭后再壓縮成型，其工藝流程包括粉碎、原料除雜、炭化、添加劑、擠壓成型和干燥.先成型后炭化工藝將壓縮成型和熱解炭化有機結合，采用柱塞式壓縮成型機壓縮成具有一定密度和形狀的燃料棒，柱塞將物料沿著壓縮套筒推入熱解筒內，通過加熱將物料炭化得到成型產品［53］，其工藝流程包括原料粉碎、干燥、成型、炭化和冷卻.

各成型工藝的優缺點及適用的成型技術介紹［54］如表1所示.應根據物料的特性、加工使用的目的及現場條件等選擇合適的工藝及設備進行農林固體有機廢棄物壓縮成型.

2.3 壓縮成型設備

目前世界各地研制生產的農林固體有機廢棄物壓縮成型機械設備按照機械作用原理的不同分為3類：螺旋壓縮成型設備、活塞壓縮成型設備和模壓成型式設備.根據原動力不同，活塞壓縮成型設備分為機械驅動和液壓驅動活塞壓縮；根據壓模結構的不同，模壓成型設備分為平模成型機和環模成型機.表2所示為各類燃料成型設備的綜合比較［59］.

2.3.1 螺旋壓縮成型設備

螺旋壓縮成型設備最早是由美國開發研制并實際應用的.成型原料由落料口落入壓縮成型機械，被錐形螺桿螺旋推動進入橫截面積漸漸變小的壓縮成型筒，成型物料在錐形螺桿和壓縮成型筒的雙層作用下而成型，再經過一段應力松弛段，被推出螺旋壓縮成型機械，成為成型物料.螺旋式成型機體積小、造價低、運行平穩、生產連續，生產成型燃料棒密度一般都能達到1.1～1.4 g／cm3，質量均勻，易燃，可進一步加工成炭化燃料，這使螺旋壓縮成型機在我國和很多東南亞國家成型機市場中占主導地位.但其原料含水率要求高，增加了烘干成本，同時原料粉碎化程度要求高，增加了粉碎成本；錐形螺桿磨損嚴重，使用壽命短［55］，造價高；單位產品能耗高，生產效率低，難以實現規模化生產.

表1 成型工藝的優缺點及適用的成型技術Tab.1 The advantages and disadvantages of the forming technology and applicable forming technology

2.3.2 活塞壓縮成型設備

為了避免錐形螺桿干摩擦損耗，我國又開發出了活塞壓縮成型設備.機械驅動活塞壓縮依靠存儲于飛輪中的轉動動能壓縮成型原料；液壓驅動活塞壓縮裝置成型工藝較復雜，粉碎后的原料需經過垂直液壓油缸和水平液壓油缸的2次預壓后被推入成型套筒，物料由沖桿不斷推擠，生產出生物質棒狀成型燃料.

與螺旋壓縮成型機相比，活塞壓縮成型機明顯改善了成型部件磨損嚴重的現象，使用壽命提高，單位產品能耗下降.但機械驅動成型設備結構復雜，存在較大震動負荷，機械運行不穩定且噪音劇烈，潤滑油污染較嚴重，使其推廣和應用都有一定困難.液壓驅動成型設備則避免了機械驅動成型設備的上述缺點，但是液壓驅動成型密度偏低，設備占地面積較大，且液壓機械行程大，不能連續生產，導致液壓活塞壓縮裝置生產率不高，市場化效益低.

2.3.3 模壓成型設備

目前使用的模壓成型式設備主要用于生產顆粒狀成型燃料，模壓成型機的基本工作部件由壓輥和壓模組成，其中壓輥可以繞自己的軸轉動，壓輥的外周加工有齒或槽用于壓緊原料而不至于打滑，壓模上加工有成型孔.原料進入壓輥和壓模之間，在繞軸轉動的壓輥的作用下被壓入壓模上的成型孔內，最后用切刀將從成型孔內壓出的原料切成顆粒狀成型燃料.成型過程一般不需要外部加熱，可根據原料狀況添加少量的黏結劑.

表2 成型設備綜合比較Tab.2 The comprehensive comparison of the forming equipment

（1）環模成型機.環模成型機是目前使用最為廣泛的機型，壓模為環形.環模成型機產量大，耗電少，自動化程度高，對原料的含水率要求較寬，適于規模化產業化發展.但是環模壓輥磨損嚴重，存在設備運行穩定性差、產品密度低、故障率高、難以保證連續作業等問題［56］.為了確定環模式成型機壓縮水稻秸稈最佳的成型工藝參數，陳樹人等［57］以水稻秸稈為原料，利用9JYK-2000A型環模式成型機進行壓縮成型，結果表明：當參數組合含水率為17.5%～27.1%、成型溫度為81.9～88.1°C、磨輥間隙為2.49～3.78 mm、主軸轉速為157.6～186.5 r／min條件下，成型壓塊的松弛密度大于1.0 g／cm3，成型壓塊的抗破碎性大于65%.王春華等［58］驗證了在壓輥半徑與環模半徑的最優比為0.4時，生產率達到最高值為2.28 t／h，成型機的機械效率達到85.82%.

（2）平模成型機.平模成型機壓模為平面，壓制室空間較大，可采用大直徑壓輥，能將體積大、纖維長的原料粉碎成型.另外，平模成型機結構簡便，壓力可調，產量穩定，并且模具正反兩面都可以使用.但是平模成型機受模具限制，產量低于環模顆粒成型機，耗電多，相比之下難以進行規模化生產.

3 結 論

農林固體有機廢棄物壓縮成型可有效節約空間，便于其運輸和貯藏.當前農林固體有機廢棄物壓縮成型主要集中在壓縮打捆、壓塊／壓餅、模壓成型等幾個方面.壓力作用下，農林固體有機廢棄物松散結構中的氣隙首先被擠壓，物料結構重排，進一步施加壓力，在摩擦致熱、外源加熱等作用下物料中木質素、纖維素、淀粉、蛋白質等天然黏結劑發揮膠黏作用，同時物料塑性流變性質表現明顯，促進物料壓縮成型.目前存在的問題及展望如下：

（1）技術與設備研究多集中在秸稈等含水量低于40%的農林固體有機廢棄物制備生物質燃料方面，而對于含水量高于40%的廢棄大田蔬菜及廢棄水果等的處置技術和設備缺乏，若將廢棄蔬果等高含水量廢棄物進行壓縮除汁的預處理，能有效防止腐爛蔬果造成的環境污染和空間浪費，并將能進一步合理利用有機廢棄物資源.

（2）農林固體有機廢棄物富含豐富的營養物質和功能成分，如何在壓縮成型的過程中對其有效保藏和加工再利用提供保障，將是未來農林固體有機廢棄物資源化利用工程技術領域急需解決的關鍵技術.

（3）有關不同類型農林固體有機廢棄物收集、成型前處理、壓縮成型、后續深加工以及應用專屬性評價等全過程管理與技術標準體系還不完善，需從管理、技術及設備等不同方面進行探索和集成.

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（編輯 俞紅衛）

Research Progress on the Densification and Formation of Agricultural and Forestry Solid Organic Wastes

ZHANG Xiu-xiu1，2， HOU Mei-fang1， SONG Li-li1， ZHU Li-li2， LIU Kai2
（1.School of Ecological Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China；2.Shanghai Jinkai Municipal Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 201206，China）

The agricultural and forestry solid organic wastes（AFSOWs）are the important biomass resources.Densification forming can make the loose AFSOWs into the formed and compacted biomass，which is helpful for their storage，transport，post-processing and utilization.Thus，the research on the densification forming technology and equipment has attracted much attention for processing the AFSOWs in recent decades.The research status of different densification forming technologies was reviewed.The principles and techniques of the densification forming were discussed.The densification forming technology at room temperature，hot-press forming and carbonization forming were widely used and introduced respectively.The differences among various types of the densification forming equipment were analyzed. The results showed that the whole process for the utilization of the AFSOWs included the collection，preforming treatment，the densification forming，post-process and evaluation for special application.It could be seen that the system of management and technology for the whole process needed to be improved.The prospects for the development of the densification forming technology for treatment of the AFSOWs wereprovided.

agricultural and forestry solid organic wastes；densification forming；densification equipment

S 727.4

A

1671-7333（2015）01-0067-07

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.01.012

2014-07-08

國家自然科學基金資助項目（41171250，20907011）；中國科學院土壤環境與污染修復重點實驗室開放基金資助項目（2010-07）；上海應用技術學院引進人才基金資助項目（YJ2013-16）

張秀秀（1989-），女，碩士生，主要研究方向為生物質資源化利用及裝備研究.E-mail：1320013533＠qq.com

侯梅芳（1976-），女，教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為農林環境修復.E-mail：mfhou＠sit.edu.cn