秸稈粉體利用技術及秸稈微粉碎研究現狀與展望

付敏 陳效慶 高澤飛 王成夢 郝鎰林 郭世珂

摘要：秸稈微粉碎后可作為新型節能環保原料，實現精細化和高值化利用。通過文獻綜述秸稈粉體的利用技術、秸稈微粉碎方式、秸稈微粉碎理論及設備研究現狀，指出存在問題并展望未來發展方向。當前秸稈的利用途徑多元化，秸稈粉體被應用于復合材料等眾多領域，且市場需求持續增長。針對秸稈特性最適宜的粉碎方式是機械粉碎，但存在能耗大、粉塵污染等問題。秸稈微粉碎設備多借鑒礦石類物料的微粉碎設備，原料適應性差，且不能兼顧細粉碎粒度和高生產率的要求。粉碎理論研究多關注粉碎效果、能耗以及產量的影響因素，針對秸稈物性進行粉碎機理的研究較少。未來應擴大秸稈粉體高值化應用場景，探究更適宜規?；a的秸稈復合微粉碎方式，提高秸稈微粉碎設備的自動化、專門化、簡單化和輕量化。

關鍵詞：秸稈利用；秸稈粉體；微粉碎；微粉碎理論；微粉碎設備

中圖分類號：TK6

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 070091

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Research status and prospect of straw powder utilization technology and straw micro-grinding

Fu Min， Chen Xiaoqing， Gao Zefei， Wang Chengmeng， Hao Yilin， Guo Shike

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， 150040， China）

Abstract： The straw can be used as a new energy-saving and environment-friendly raw material after micro-grinding to achieve fine and high-value utilization. By reading literature on the topic， the research status of the utilization technology of straw powder and the research situation of the method， theory， and equipment of straw micro-grinding were summarized. This paper identified the existing problems and prospects for future development. Straw has diverse applications， including its use in composite materials， and the market demand continues to grow. According to the characteristics of straw， the most suitable grinding method is mechanical grinding， while many problems exist， such as high energy consumption and dust pollution. At present， most straw micro-grinding equipment draws inspiration from the micro-grinding technology and equipment of ore materials， which has poor adaptability to different raw materials and fails to meet the requirements of fine powder particle size and high productivity. Additionally， research on grinding theory mainly focuses on factors influencing the grinding effect， energy consumption， and yield， while limited research is done on the grinding mechanism based on the physical properties of straws. In the future， the application scenario of high-value straw powder should be expanded， the straw composite micro-crushing method more suitable for large-scale production should be explored， and the automation， specialization， simplification， and lightweight nature of straw micro-crushing equipment should be improved.

Keywords： straw utilization; straw powder; micro-grinding; microcomminution theory; micropulverizing equipment

0 引言

我國農作物秸稈資源十分豐富，截止到2022年，我國秸稈年總產量為9.77億噸，可收集資源量為7.37億噸，綜合利用率為89.80%，但仍有部分秸稈未能得到合理利用，存在露天焚燒和隨意廢棄的現象，不僅造成資源浪費，還對環境造成極大污染［1］。我國預期在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，迫切需要使用可再生能源，以緩解資源匱乏和改善環境污染。

農作物秸稈是指玉米、水稻、小麥、棉花、甘蔗等農作物收獲之后的剩余部分，主要成分有纖維素、半纖維素和木質素，是一種可再生能源。秸稈微粉碎后可作為新型節能環保原料實現高值化利用，使其不再局限于供熱、飼料等低附加值領域，達到節約資源、保護環境的目的［2］。目前秸稈粉體被應用于復合材料、可降解塑料、制取氫氣和電池材料等眾多領域，且市場需求持續增長。為此，本文對目前農作物秸稈及其粉體的利用現狀進行系統總結，分析現有秸稈微粉碎設備的結構與原理，綜述微粉碎機理的研究現狀，指出現有研究存在的問題，展望秸稈微粉碎技術的發展方向，旨在為我國農作物秸稈微粉碎技術及設備的研究提供參考，促進我國秸稈產業的規模化發展。

1 秸稈利用技術現狀

1.1 秸稈“五化”利用

我國農業農村部提出農作物秸稈“五化”利用模式，分別為飼料化、燃料化、基料化、原料化、肥料化［3］。

1.1.1 飼料化利用

秸稈具有一定的營養價值，很適合用來喂養牲畜。隨著農業科學技術的進步，秸稈在回收后，運用先進的生產線技術，將其加工后當作飼料使用，是提高秸稈飼用價值的最有效途徑之一。將秸稈生物發酵飼料應用于動物生產中，可以調節腸道菌群，促進瘤胃發酵，改善畜產品品質，提高養殖經濟效益。秸稈生物發酵飼料主要是利用酶制劑、活菌制劑或酶菌聯合進行生產，可有效提高秸稈營養價值，消除抗營養因子，提高農作物秸稈的飼用價值［4］。

1.1.2 燃料化利用

燃料化利用是農作物秸稈的重要利用途徑之一，發展秸稈燃料化可以緩解傳統化石能源緊缺、減輕環境污染、優化能源結構。秸稈燃料化利用方式主要有生物柴油、直燃發電、秸稈沼氣、生物乙醇等。

利用農作物秸稈制取單糖，再經微生物發酵得到油脂，進而可制備生物柴油。但目前農作物秸稈制取柴油存在技術難度大、轉化能耗高的問題，所以該技術仍處于實驗室階段，尚未形成產業化。利用秸稈直燃發電，不僅能緩解部分地區電力緊張，而且發電后剩余的草木灰還可以用做還田肥料。但是秸稈直燃發電的產業化技術尚未成熟，發電成本高于常規火電成本，發電設備過度依賴進口，導致運營成本較高。農作物秸稈制取沼氣主要是通過微生物在厭氧條件下發酵生成甲烷，在減小環境污染的同時實現能源有效利用［5］。但由于秸稈中存在大量纖維素，不易降解，所以該技術存在發酵周期長、秸稈利用率低等問題。

生物乙醇是以農作物秸稈為原料，從秸稈中提取纖維素，再經過一定工序加工轉化后得到的乙醇，是一種綠色可再生液體燃料，可用作汽油添加劑。第一代生物乙醇以谷物淀粉為原料，但隨著對生物乙醇需求量的擴大，其制取技術迎來了技術革新，秸稈粉體因來源豐富、價格低廉，被認為是一種新的、更有前景的生物乙醇生產資源［6］。但第二代生物乙醇技術目前存在農作物秸稈粉體制備技術不成熟、制取成本較高、原料分布分散且收集困難等瓶頸。

1.1.3 基料化利用

秸稈中含有豐富的碳、氮、氧等元素，有利于菌類的生長，且資源豐富、價格低廉，是用來做菌類培養基的理想原料。秸稈的基料化利用主要包括食用菌和植物栽培基料、育苗基料、草坪基料、用于動物飼養的秸稈墊料等［7］，其生產流程見圖1。

1.1.4 原料化利用

秸稈原料化利用主要是將農作物秸稈提取加工成工業生產的原材料，主要利用技術包括秸稈造紙、人造板材、秸稈餐具、輕型建材、秸稈纖維等。人造板材可以用于家具、門窗、飾材等方面，也可以用來鋪設棧道，從秸稈中提取的纖維素可以用來制作過濾材料、抗菌包裝材料等。

1.1.5 肥料化利用

目前秸稈的肥料化利用場景主要為秸稈還田，秸稈的還田方式可分為：秸稈直接還田、秸稈間接還田、秸稈生化腐熟還田。

秸稈直接還田具有方便快捷、效率高、成本低的優點。秸稈間接還田包括堆漚和過腹還田，堆漚還田是指將秸稈在高溫厭氧條件下腐爛后還田的技術。過腹還田是指秸稈經過動物的消化后還田，既降低了養殖成本，也減少了秸稈資源浪費。秸稈生化腐熟還田是將秸稈與生物菌劑混合，在催化劑和高溫的作用下生成有機熟肥的技術［8］。

1.2 秸稈粉體的利用技術

上述五種秸稈利用技術多數是將農作物秸稈粗粉碎后加以使用，利用模式粗放、附加值低。因秸稈微粉碎后可以實現精細化和高值化利用，市場需求日益增加，目前秸稈粉體已應用于復合材料、生物可降解塑料、秸稈制氫、電池材料等領域。

1.2.1 復合材料

秸稈粉體表面活性高、填充補強性能好，故被應用于秸塑復合材料、人造板材、無膠纖維板、人造橡膠、3D打印材料等領域。

Yang等［9］采用木材粉和秸稈粉制備秸塑復合材料，該復合材料的保溫和隔音效果良好，可用來代替木制保溫板。侯楚豪［10］以100目的玉米秸稈粉為原料、無機膠黏劑為基材，經冷壓工藝制備出了玉米板，并探究了配料比、壓力大小、冷壓時間和溫度等因素對板材的拉伸、彎曲、吸水、吸濕性能的影響。錢特蒙［11］以平均粒度為45μm（300目）的秸稈粉為原料，經膠磨和熱壓制備了具有層狀結構的功能化復合無膠纖維板。無膠纖維板能有效避免甲醛的釋放，并在制備過程中通過添加納米粒子和表面改性的方法制備出具有多功能的復合無膠纖維板，多用做家居裝修材料。嚴婷婷等［12］選用100～120目的小麥秸稈作為橡膠的有機填充劑，充分利用生物質材料的質輕、資源豐富等特性，同時改善橡膠復合材料硬度小、收縮性大等問題。楊玉山等［13］將300目小麥秸稈纖維和貝殼粉體按9∶1的比例混合，經過無膠熱壓來制備層狀結構的仿貽貝復合材料。

當前優質的3D打印材料依賴國外進口，但國外材料昂貴且供應周期長，限制了我國3D打印行業的發展，因此研究人員開始研發成本低廉、性能優越的國產替代材料。覃楊華［14］對玉米秸稈粉體（140目）制備3D打印材料進行了研究，分別采用化學法和物理法改性工藝制備3D打印材料，并探究了秸稈種類、秸稈研磨粒徑、秸稈量、添加劑、添加劑量等因素對3D打印材料性能的影響。Zhang等［15］以纖維素為原料研發了一種木質基3D打印材料，并結合紅外光譜、斷面結構、差式掃描來探究打印件的性能，研究表明，該木質基材料力學性能良好，組分間結合機理為機械互鎖。

1.2.2 生物可降解塑料

我國的可降解塑料產業存在成本高、產量低、難以普遍化推廣使用等問題。研究人員開始采用農作物秸稈粉制備生物可降解塑料，該方法可降低生產成本。

秸稈短纖維通過熱壓工藝可以制出玉米秸稈纖維/聚乳酸復合材料。聚乳酸（PLA）是易降解的淀粉基塑料，具有良好的生物相容性，并且擁有良好的力學性能和加工性能。葛正浩等［16］利用秸稈粉、聚乳酸和發泡劑在平板硫化機上制備生物可降解塑料，并探究了該材料在不同溫度、壓力和保壓時間下的力學性能。周帥等［17］利用玉米秸稈粉體和PLA制取可降解塑料，同時探究了相容劑對材料吸水性能、力學性能以及接觸角的影響。葛鐵軍等［18］以棕櫚酰氯為酯化劑改性秸稈粉（800目），改善秸稈粉與疏水性PBAT的界面相容性問題，考察秸稈粉的不同酯化條件對復合材料力學性能的影響。Cindradewi等［19］將秸稈纖維素作為PBS的增強材料，采用溶劑分散和雙螺桿擠出兩步法制備PBS/纖維素復合材料，研究了偶聯劑和兩步法制備對復合材料性能的影響。郭川東等［20］將玉米秸稈粉（180目）和聚乙烯粉混合在一起，并探究了二者混合比例對復合材料力學性能的影響。

1.2.3 秸稈制氫

2022年3月國家發展和改革委員會發布的《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》中明確提出要大力發展氫能產業，并描繪了我國氫能產業發展的宏偉藍圖。農作物秸稈中含有豐富的纖維素，可利用其制取氫氣，因此研究將農作物秸稈用于制氫的技術有著廣闊的發展前景。

Zhang等［21］從秸稈粉（200目）中提取出木質纖維素，再通過微生物發酵轉化為可再生糖類資源，為光合產氫細菌利用提供碳源；試驗表明，該方法最大產氫速率可達15.89ml/h。Faba等［22］提出了一種利用農作物秸稈制氫的集成工藝，該工藝采用碳酸鈣為催化劑，并通過循環利用分解制氫過程中釋放的熱氣來提供部分熱量，用厭氧菌發酵來制取氫氣。李斌等［23］采用熱解氣化制取方法，探究三種鈣基吸收劑對秸稈制氫效率的影響，試驗結果表明三種鈣基吸收劑均可以提高玉米秸稈的產氫效率。羅娟等［24］通過產氫試驗探究了不同秸稈粒徑、底物濃度、pH值對秸稈產氫效率的影響；試驗結果表明，秸稈粒徑越小，產氫效率越高；隨著底物濃度的增加，產氫效率先增大后減?。浑S著初始pH值的增大，產氫效率會減小。

1.2.4 電池材料

農作物秸稈具有豐富的微觀結構，因此可以用來制備不同結構的生物碳材料，而生物碳材料可以用來制作鈉離子電池、鋰離子電池的極柱。

Qin等［25］以玉米和小麥秸稈為原料，將二者粉碎后通過高溫碳化手段合成硬碳材料，并以硬碳材料制作鈉離子電池的負極。Zhu等［26］利用玉米秸稈粉體制成生物質硬碳，并在鈉離子電池中系統研究了硬碳的電化學性能。Liang等［27］以小麥秸稈中的纖維素為碳源合成了生物質碳材料，通過與SnO2顆粒復合處理得到超細納米材料，將該材料作為鋰離子電池的負極。Nita等［28］把玉米秸稈作為制作電池硬碳（HC）陽極的原料，并對產品進行性能測試，試驗結果顯示：電池在長期循環中的容量保持穩定，有著良好的容量保持率。

綜上所述，除了農作物秸稈“五化”利用模式外，秸稈粉體也開始應用于復合材料、生物可降解塑料、秸稈制氫、化學電池等領域，但秸稈粉體的利用大多停留在理論研究階段，同時還受到秸稈粉體制備技術和設備的影響，所以即使投入生產也未能大規模量產。此外，每年依然有大量的秸稈被直接燃燒或閑置，浪費資源的同時也加劇了環境污染，所以秸稈的綜合利用仍有較大的進步空間。

2 秸稈微粉碎技術與設備研究現狀

2.1 微粉碎及粉碎粒度定義

微粉碎技術主要用于物料的粉碎加工，可以顯著改變物料的理化特性，使物料滿足生產加工的需要。但關于粉體粒度分類及微粉碎的定義目前尚未達成統一的共識。周仕學等［29］將粉體類型分為中細粉體（成品粒度74～500μm）、細粉體（成品粒度10～74μm）、微粉體（成品粒度0.1～10μm）。張長森［30］將粉碎分為破碎和粉磨兩類，其中破碎分為粗碎（成品粒度100mm）、中碎（成品粒度30mm）、細碎（成品粒度3mm），粉磨分為粗磨（成品粒度100μm）、細磨（成品粒度60μm）、超細磨（成品粒度<5μm），相應的機械設備分別稱為破碎機械和粉磨機械。史早等［31］將超細粉碎技術定義為：通過特定的粉碎技術，在保留物料原有特性的基礎上，將物料粉碎至微米、亞微米或納米尺寸，得到粒徑均一粉體的技術，但并未給出超細粉碎對應的具體數值。

但無論怎么劃分，理想的微粉碎粉體應該具備化學成分均一、粒徑分布范圍窄、無團聚等特點。因為100μm粒徑的粉體已經具備表面效應和體積效應等性質，所以本文認為小于100μm的粉體為微粉碎粉體，粉碎類型分類如表1所示［32］。

2.2 粉碎方式

根據粉碎原理不同，農作物秸稈粉碎方式可分為物理法、化學法、物理化學法和生物法［33］。

2.2.1 物理法

物理法粉碎方式主要包括機械粉碎、微波粉碎、高能輻射粉碎、超聲波粉碎等。

1） 機械粉碎。根據原料狀態機械粉碎可分為干法和濕法粉碎。干法粉碎時，物料的水分含量應有一定限制，物料水分過高時需要進行干燥處理。濕法粉碎時，物料懸浮于載體液流中進行粉碎，水可以降低物料的強度，減輕粉碎設備的磨損。根據粉碎時施力方式的不同，機械粉碎又可分為壓碎、劈碎、折斷、磨碎和沖擊粉碎等，其原理和特點見表2。

2） 微波粉碎。微波粉碎是通過微波作用使物料內部分子之間發生碰撞，破壞其分子結構實現粉碎。

3） 高能輻射粉碎。高能輻射粉碎是利用高能射線對物料進行輻射，破壞物料內部分子間氫鍵和結晶態結構，使其聚合度下降、結構松散，從而實現對物料的粉碎。

4） 超聲波粉碎。超聲波粉碎是通過能量作用打開纖維素分子中的氫鍵，破壞木質素和纖維素的結晶區，使纖維的形態結構和超微結構發生變化，有效降低其結晶程度，從而完成對農作物秸稈的粉碎［34］。

2.2.2 化學法

化學法是指采用堿、酸、有機溶劑等化學藥品粉碎秸稈纖維的方法。堿法處理是通過堿的作用來削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵，分離半纖維素和木質素的醚鍵，堿處理過后的木質纖維素更具多孔性，可使原料得到潤脹，從而增加其內部表面積、降低聚合度和結晶度［35］。酸法處理是指在溫度160℃～220℃條件下利用0.05%～5%的酸作為催化劑溶解半纖維素和木質素，通常可增加半纖維素和木質素的可溶解性。

2.2.3 物理化學法

物理化學法包括氣爆法、氨纖維爆裂法。汽爆法是木質纖維素原料預處理較常用的方法，蒸汽爆裂法是用幾十個大氣壓的高壓飽和蒸汽處理生物質原料，然后突然減壓，使原料爆裂降解［36］。氨纖維爆裂法將木質纖維素原料在相對較低的壓力和溫度下用液氨處理，然后突然減壓，氨因壓力的突然降低而蒸發，導致溫度急劇變化，造成纖維素晶體的爆裂，使纖維素結構被破壞。

2.2.4 生物法

生物法是用木腐菌來分解木質素的一種方法，主要的木腐菌有白腐菌、褐腐菌和軟腐菌［5］。

上文介紹了農作物秸稈常用粉碎方式的作用機理，農作物秸稈粉碎方式的優缺點對比分析（見表3）表明，目前適于秸稈規?；a的粉碎方式為機械粉碎。

2.3 微粉碎設備

目前規?；奈⒎鬯樵O備主要應用于冶金、化工、建筑、制藥行業，根據粉碎方法和粉碎室結構的不同，可以將微粉碎機分為氣流粉碎機、高速機械沖擊磨、振動磨、攪拌磨、研磨機、高壓滾磨機、膠體磨等。因秸稈粉體的規?；a需求近些年才出現，因此秸稈微粉碎機的研制多借鑒參考現有冶金化工領域的成熟微粉碎設備。秸稈材料硬度低、韌性大、纖維含量高，適宜的粉碎方式是剪切和磨碎，其次是擊碎，可采用的微粉碎設備有高速機械沖擊磨、氣流粉碎機、振動磨。

2.3.1 高速機械沖擊磨

高速機械沖擊磨的結構示意圖如圖2所示，物料在高速回轉的沖擊部件的擊打、剪切作用，以及與粉碎室壁、物料與物料之間的碰撞下被粉碎［37］。

浙江某公司開發了一款纖維微粉碎機，粉碎室中設置有動刀和定刀，物料進入料斗后會被氣流帶到粉碎區進行粉碎，合格的物料通過篩網排出粉碎室，不合格的物料又被高速氣流帶入粉碎區繼續粉碎；該粉碎機的轉子轉速為750～110r/min，粉碎粒度可以達到150～320目，產量為700kg/h。

孫權等［38］使用LNI-330A型高速機械沖擊磨制備玉米秸稈粉體，該粉碎機利用回轉體上高速旋轉的錘頭對物料的猛烈沖擊以及錘頭與襯板之間擠壓研磨，實現對物料的微粉碎。試驗結果表明，在進料粒度不大于4mm的情況下，該沖擊磨的能耗為850kW·h，產量為88kg/h，平均出料粒徑為31μm（400目）。付敏等［39］設計了一種錘擊剪切復合式秸稈微粉碎機，該粉碎機采用動定刀剪切和錘頭、齒圈沖擊復合的粉碎方式，粉碎后的物料在氣流吸力的作用下，符合粒度要求的物料進入分級室被收集，不符合的物料會落在粉碎室內重新粉碎。李翔等［40］設計了一種適用于農作物秸稈的機械沖擊磨，該粉碎機的粉碎裝置由粉碎轉盤和撞擊環組成，粉碎轉盤上裝有24片高速沖擊的轉子葉片，物料在轉子葉片的高速沖擊力、撞擊環的碰撞力和摩擦力的聯合作用下被粉碎。賀強［41］設計了一種秸稈微粉碎機，該粉碎機的主要粉碎裝置為切碎機構和粉碎機構，切碎機構由動定刀和壓緊調節裝置組成，粉碎機構由錘片和齒板組成。工作時，物料先經切碎機構鍘切，再經粉碎機構擊打和摩擦完成微粉碎；粉碎粒度可達74μm（200目），分離效率為75.8%。鐘聲標［42］結合玉米秸稈的理化特性，設計了一種適用于玉米秸稈的微粉碎設備，該微粉碎機采用擠壓、剪切和撞擊的粉碎方式，可將10目的物料粉碎至400目。

2.3.2 氣流粉碎機

氣流粉碎機的工作原理是在高速氣流或過熱蒸汽的能量作用下，物料通過顆粒之間的撞擊、氣流對物料的沖擊剪切作用以及物料與其他部件的沖擊、摩擦、剪切而使物料粉碎［37］。圖3為氣流粉碎機的結構示意圖。

四川某公司研發了一種可用于農作物秸稈微粉碎的流化床式氣流粉碎機，利用多個相對布置的噴嘴形成高速氣流，利用高速氣流將物料加速到音速，并在噴嘴交匯點相互對撞，實現物料粉碎。濰坊某公司研發了一款適用于農作物秸稈的旋流式氣體粉碎機，該粉碎機將空氣壓縮、冷卻和干燥后通過噴嘴噴射產生高速氣流進入粉碎室，物料在高速氣流的作用下相互沖擊、碰撞以及受到氣流的剪切作用而被粉碎，該粉碎機要求入料粒度小于3mm，成品粒度可達150μm（100目），產量為250～700kg/h。

張鈺瑤［43］設計了一款適用中草藥的氣流粉碎機，該設備由粉碎區和分級區組成，主要是利用氣體射流與固體顆粒之間產生高速碰撞來完成物料的粉碎，利用Fluent軟件模擬粉碎區內兩相流碰撞和顆粒逸出的情況，為噴嘴分布選擇合適的位置，并在粉碎機中加入控制系統來控制進料速度。蔡相涌等［44］研制了集粉碎、分級功能于一體的氣流粉碎機，該粉碎機采用氣固混合體相撞方式對物料進行粉碎，適用于韌性物料粉碎。

2.3.3 振動磨

振動磨的工作原理是利用球形或棒形磨介作高頻振動時與物料之間產生強烈的沖擊和摩擦，來實現對物料的微粉碎，并同時起到混合分散的作用。圖4為單筒體振動磨結構示意圖。

上海某公司推出了一款適用于纖維物料粉碎的盤式振動粉碎機，該粉碎機結合了撞擊力和摩擦力，研磨套件用氣動緊固裝置固定在振動底板上，底板帶動研磨套裝進行3D研磨運動。物料被研磨環的離心力產生的極高壓力、撞擊力和摩擦力研磨，可將物料粉碎至75μm（200目）。四川某公司研發了一款適用于纖維狀、高韌性物料的振動粉碎機，尤其適用于中草藥，該設備采用振動粉碎的工作原理，在磨筒（粉碎室）中裝填一定數量的研磨介質，在外力作用下物料和磨介之間產生強烈的剪切和沖擊，從而使物料被粉碎。

喬博磊［45］設計了一種立式振動磨機，其工作原理為偏心塊和偏心甩錘在電機帶動下在磨腔內部做高速回轉運動，物料在偏心甩錘的帶動下做回轉運動和上下翻轉運動，偏心甩錘的作用力隨機作用在物料及其內部的缺陷處，利用選擇性破碎理論和斷裂力學理論進行破碎。蘇偉［46］設計了一種單軸式振動粉碎機，該粉碎機在工作時借助機體振動帶來的慣性，使得物料和介質一起往復循環振動，最終將物料加工成所需的粒度大小。

2.4 粉碎理論研究

粉碎作業過程到諸多因素的影響，國內外學者針對粉碎機的粉碎效果、影響因素、能耗等開展了一系列的研究。

2.4.1 高速機械沖擊磨理論研究

Nakamura等［47］用流體動力學（CFD）—離散相模型（DPM）耦合模擬沖擊式粉碎機的粉碎過程，并分析了粒子—定子碰撞特性，研究結果表明：較小凹角的定子可以減小粉體的尺寸，這是因為較小的定子凹角會使粒子停留時間更長，并且粒子和定子碰撞次數更多，從而增大沖擊能量。Yun等［48］通過脈沖分析獲得了轉子的最佳轉數，通過顆粒尺寸分布分析得到物料的最佳入口速度，利用有限元分析了粉碎過程中顆粒流動和動力學特性之間的關系。Ardi等［49］采用離散元仿真和試驗相結合，研究了沖擊式粉碎機中物料的沖擊速度、沖擊次數和沖擊角度；仿真結果表明，第二次碰撞和第三次碰撞為物料提供了高沖擊能量，是導致物料被粉碎的主要原因。王曉天［50］研究了主軸轉速、刀具數量、刀具間距等因素對高速沖擊式粉碎機的能耗和產量的影響，并對粉碎室內部流場進行模擬，試驗和仿真模擬結果表明，刀具的間距和數量不能過低或過高，存在一個中間取值范圍。

2.4.2 氣流粉碎機理論研究

楊盈盈等［51］研究了氣流粉碎機在不同轉速下馬鈴薯的粉碎情況，試驗結果表明：隨著粉碎機轉速的增加，馬鈴薯粉體粒度呈現出先減小后增大的情況。當轉速為3000r/min時，粉體粒徑最小，可達850目。Drakos等［52］研究了氣流粉碎機對大麥粉的顆粒大小、凝膠特性、吸水能力的影響。Rajeswari等［53］利用流體動力學模型和試驗來研究氣流粉碎機粉碎過程中多相流（固—氣）的流動狀態，分析了進料速度、粉碎氣壓、分級機轉速等因素對粉碎機粉碎性能的影響；結果表明，物料的進料速率對粉碎機的粉碎性能影響最大，它會影響顆粒間距、碰撞概率、體積載荷等。Rodnianski等［54］探究了空氣流量、噴嘴角度和噴嘴直徑對氣流磨粉碎效果的影響，通過分析發現較大的空氣流量、較小的噴嘴直徑會影響氣流磨的粉碎效果，且對于小于300目的顆粒，粉碎效果與粉碎速率成正比；對于大于300目的顆粒，粉碎效果與粉碎速率成反比。

2.4.3 振動磨理論研究

程敏等［55］研究了振動磨磨介的大小、填充率、形狀等因素對小麥麩皮微粉碎效果的影響，試驗結果顯示：在磨介填充率方面，低填充率比高填充率更有利于麩皮的微粉碎；在磨介尺寸方面，麩皮微粉碎顆粒的產量隨著尺寸的增大呈先減小后增大的規律；在磨介形狀方面，圓柱形磨介的產量高于球形磨介，但顆粒品質低于球型磨介。周慶立［56］使用EDEM軟件從動力學的角度分析了臥式振動磨的運動方式，探究了不同磨介密度下振動磨的粉碎效果和磨介的行為運動，結果表明：在磨介密度為80%時磨介之間的接觸力均勻，粉碎效果最優。蘇偉等［57］對振動磨的主振彈簧進行了理論分析，設計出了一種彈簧結構，并利用Workbench仿真軟件對主振彈簧的結構進行了有限元分析和優化。Patil等［58］通過正交試驗分析了活性劑、磨介的類型和球料比等因素對物料機械活化的影響，結果表明球料比和活性劑的類型對物料機械活化的影響較大。

3 存在問題

3.1 秸稈利用體系不完善

雖然農作物秸稈和秸稈粉體的利用方式不斷增加，利用范圍不斷擴大。秸稈粉體在秸稈制氫、生物可降解塑料、化學電池、復合材料等領域發揮了很大的作用。合理利用農作物秸稈，在降低生產成本的同時也推進了農業生態可持續發展，但秸稈粉體的部分利用場景未達到規?；a。部分農業生產者對秸稈價值的認知程度不高，導致每年仍有大量秸稈被露天燃燒和廢棄。秸稈利用體系尚不完善，秸稈回收機械化水平低，秸稈供需關系不穩定，市場管理不規范。

3.2 現有粉碎方式對秸稈原料適應性差

秸稈粉碎方式有物理法（機械粉碎、高能輻射、微波法、超聲處理）、化學法（酸法處理、堿法處理、有機溶劑處理）、物理化學法（氣爆法、氨纖維爆裂法）以及生物法。結合農作物秸稈的物理和化學特性，最適宜的粉碎方式是機械粉碎。機械粉碎工藝流程簡單，粉體粒度一致性較好，易于實現規?；a，但目前存在著能耗大、粉塵污染等問題，應探究聯合粉碎技術。

3.3 秸稈微粉碎設備不能滿足規模化生產需求

目前秸稈微粉碎機的研制多借鑒礦石類物料的微粉碎技術及設備，可用于秸稈微粉碎的設備有高速機械沖擊磨、振動磨、氣流磨等，但在粉碎秸稈類物料時，現有微粉碎設備存在粉碎部件磨損快、粉碎粒度不可控、篩分分級能力差、噪聲大、自動化程度低等問題，且不能兼顧細粉碎粒度和高生產率的要求，不適應秸稈粉體規模化和產業化生產的需求。

3.4 秸稈粉碎機理研究不夠深入

目前的粉碎理論研究多采用仿真和試驗研究的方法來探究粉碎機轉速、刀具、進料速率、結構參數、工藝參數等因素對粉碎效果、能耗以及產量的影響。但針對秸稈物性進行粉碎機理的研究較少，尚未有可用于指導實際粉碎設備設計的研究成果。

4 展望

1） 依靠技術創新發展秸稈的能源化利用，擴大秸稈粉體高值化應用場景，研究不同應用場景下秸稈粉體最佳粉碎粒度范圍，實現秸稈精細化利用。重點發展秸稈的高效燃燒技術、熱解氣化技術、纖維素乙醇技術、秸稈發電技術，以推動秸稈的綜合利用。

2） 針對秸稈的形態和物性，對秸稈微粉碎機理進行研究，探究微粉碎過程中秸稈的組織變化、臨界破碎速度、含水率、溫度等對秸稈微粉碎的影響規律等，以期得到更適宜規?；a的秸稈復合微粉碎方式。

3） 不同種類秸稈的微粉碎特性不同，為提高微粉碎效率，應結合不同秸稈的理化特性、微粉碎機理以及不同粉碎粒度要求，研制相應的專用微粉碎設備。

4） 提高秸稈微粉碎設備的自動化程度，通過控制系統實現進料、粉碎作業、篩分、分級、出料的動態可控調節，對電動機的電流、軸承的溫度、齒輥轉速等參數進行實時監測，在提高機器的工作效率的同時，也能提升安全保障。

5） 在兼顧粉碎粒度、粉碎效率和工作安全的前提下，基于輕量化設計理念，對秸稈微粉碎設備的結構進行優化，以達到節省能耗、便于設備運輸和降低生產成本的目的。

5 結語

隨著農作物秸稈的價值不斷被發掘，秸稈產業也在不斷發展，但現有秸稈利用技術簡單粗放，秸稈高值化利用尚處在起步階段。本文系統梳理秸稈及粉體利用技術發展現狀、微粉碎的定義和秸稈微粉碎方式、微粉碎設備和理論研究現狀，指出現有秸稈微粉碎方式、微粉碎設備以及微粉碎理論研究存在的問題。目前，秸稈微粉碎設備難以同時滿足高生產率和細粉碎粒度的要求，不適應秸稈粉體規?；?、產業化的需求，自動化、專門化、簡單化和輕量化是今后秸稈微粉碎設備的發展方向。同時，在粉碎機理研究方面要加大投入力度，可以依托高校和科研院所的力量來突破秸稈微粉碎技術的瓶頸，以高附加值產品帶動產業發展，提升秸稈產業的生產和經濟效益。

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