1. 簡(jiǎn)介 
在全球范圍內(nèi)，人們做出了很多努力來(lái)促進(jìn)可再生能源的發(fā)展，增加可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的份額，而生物質(zhì)能源一直是關(guān)于能源討論框架政策中不可或缺的一部分。各種調(diào)查顯示，生物質(zhì)在生產(chǎn)生物燃料和生物能源方面具有巨大潛力。例如，Jekayinfa 等人估計(jì)尼日利亞生物質(zhì)資源的技術(shù)能源潛力約為 2.33 EJ。根據(jù) Long 等人的預(yù)測(cè)，到 2050 年，農(nóng)業(yè)和林業(yè)殘留物和廢物的生物能源產(chǎn)量將為 76~96 EJ，能源作物最多可獲得 96 EJ。Stecher 等人指出，樂(lè)觀估計(jì)表明，到 2050 年，全球能源作物的潛力可能達(dá)到 1272 EJ yr^-1，而森林廢棄物的全球潛力可能達(dá)到 150 EJ yr^-1。撒哈拉以南非洲的生物能源潛力估計(jì)為 4 EJ yr^-1，而在歐洲，專用生物能源作物、農(nóng)業(yè)殘留物和林業(yè)殘留物的潛力分別高達(dá) 12.8 EJ yr^-1、3.9 EJ yr^-1 和 5.4 EJ yr^-1。Ojolo等人認(rèn)為，如果有效利用生物能源，可以在很大程度上解決持續(xù)存在的能源短缺問(wèn)題。Searle 和 Malins 預(yù)計(jì)，全球生物能源潛力的可持續(xù)利用，到 2050 年，生物燃料高達(dá) 20 EJ yr^-1，電力高達(dá) 40 EJ yr^-1，供暖高達(dá) 30 EJ yr^-1。盡管潛力巨大，但由于生物質(zhì)的效率不如化石燃料，因此尚未在能源和發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，已經(jīng)確定的是，發(fā)展中國(guó)家以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的農(nóng)村社區(qū)可以從生物質(zhì)的熱能和電力應(yīng)用中受益匪淺。

將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高效能量載體的方法有多種，分為熱化學(xué)、生物化學(xué)和物理/機(jī)械轉(zhuǎn)化過(guò)程。生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化涉及利用熱量來(lái)啟動(dòng)和維持將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高能產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程包括氣化和熱解。生物轉(zhuǎn)化涉及使用微生物和酶將生物質(zhì)分解成液態(tài)或氣態(tài)燃料，例如：沼氣、生物乙醇和生物柴油等。

生物質(zhì)的物理或機(jī)械轉(zhuǎn)化需要對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行改性；涉及預(yù)處理活動(dòng)，包括粉碎、干燥和壓球。需要對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行機(jī)械轉(zhuǎn)化，以改善生物質(zhì)的形式，例如更高的堆積密度、能量密度和疏水性。

壓球技術(shù)分為低壓（<5 MPa）、中壓（5-100 MPa）和高壓（>100 MPa）。高壓技術(shù)使用的設(shè)備有螺旋壓力機(jī)/擠壓壓塊機(jī)、機(jī)械活塞壓力機(jī)、液壓活塞壓力機(jī)、輥壓機(jī)和造粒機(jī)。對(duì)一些高壓壓塊技術(shù)進(jìn)行了理論研究，了解設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行性能的影響。同樣，對(duì)一些使用不同生物質(zhì)材料的致密化技術(shù)進(jìn)行了實(shí)證研究。Jekayinfa 等人利用全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DOE) 來(lái)研究和模擬致密化變量對(duì)單軸壓力機(jī)生產(chǎn)的玉米芯壓塊的密度和耐水性的影響。溫度和粒度及其相互作用對(duì)耐水性有顯著影響 (p < 0.05)，而壓力、溫度和顆粒大小對(duì)玉米芯壓塊的密度有顯著影響。Orisaleye 等人使用單軸壓力機(jī)，利用響應(yīng)曲面法 (RSM) 來(lái)研究 Abura 鋸末壓塊的物理特性。根據(jù)研究，溫度、保持時(shí)間和壓力對(duì)球團(tuán)密度有顯著影響 (p < 0.05)。

Cabrales等人使用實(shí)驗(yàn)液壓機(jī)對(duì)油棕空果串的壓塊過(guò)程進(jìn)行了研究。從研究中發(fā)現(xiàn)，水分含量對(duì)球團(tuán)密度有很大的影響、短纖維對(duì)于高密度是第一選擇、纖維長(zhǎng)度和含水率對(duì)耐久性以及抗壓強(qiáng)度影響很大、壓塊時(shí)間會(huì)影響抗壓強(qiáng)度、壓塊時(shí)間和纖維長(zhǎng)度之間相互作用、壓塊時(shí)間和水分含量之間相互作用。Essien 和 Oke 使用鋸末、稻殼、棕櫚仁殼以及粘合劑的低壓壓塊。研究發(fā)現(xiàn)，材料類型是影響球團(tuán)的關(guān)鍵因素、壓實(shí)壓力對(duì)球團(tuán)質(zhì)量影響很大。Lai等人研究了加工和儲(chǔ)存參數(shù)對(duì)油棕櫚仁殼顆粒強(qiáng)度的影響。據(jù)觀察，顆粒的強(qiáng)度隨著壓實(shí)壓力的增大而增大，但壓力高于 188 MPa 時(shí)對(duì)強(qiáng)度影響很小、顆粒強(qiáng)度隨著保持時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

Mitchual 等人使用實(shí)驗(yàn)室液壓機(jī)，通過(guò)施加 10 到 50 MPa 的壓力，使用不同的生物質(zhì)生產(chǎn)球團(tuán)。研究表明，鋸末的粒徑對(duì)所生產(chǎn)的球團(tuán)的松弛密度和抗壓強(qiáng)度有顯著影響 (p < 0.05)。研究中建立的回歸模型表明，物質(zhì)密度、粒徑和壓實(shí)壓力是松弛密度和抗壓強(qiáng)度的良好預(yù)測(cè)指標(biāo)。Muntean 等人研究了原材料特性對(duì)使用液壓活塞壓塊機(jī)生產(chǎn)的固體生物燃料質(zhì)量的影響。據(jù)觀察，初始材料的堆積密度以及溫度會(huì)影響所生產(chǎn)的球團(tuán)的質(zhì)量。該研究還發(fā)現(xiàn)，使用粒度較小的原材料會(huì)對(duì)壓球機(jī)的機(jī)械耐久性產(chǎn)生積極影響。

重要的是要建立一個(gè)全面的知識(shí)庫(kù)，了解壓塊因素如何根據(jù)各種壓塊技術(shù)以及所處理的生物質(zhì)來(lái)影響不同的產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)。特別是，可控的機(jī)器變量（例如，進(jìn)料速度），預(yù)計(jì)會(huì)影響壓塊的質(zhì)量； 然而，這在文獻(xiàn)中很少受到關(guān)注。了解進(jìn)料速率和其他過(guò)程變量之間的相互作用，有助于優(yōu)化壓塊工藝，生產(chǎn)出更高品質(zhì)的球團(tuán)。

在這項(xiàng)研究中，進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查，確定了液壓壓塊機(jī)的進(jìn)料速度（2.4、2.9、3.3 mm s^-1）和模具溫度（100、120、140 °C）對(duì)楊木生物質(zhì)球團(tuán)的密度、耐久性和耐水性的影響。

2. 原料和方法
2.1 球團(tuán)原料纖維的生產(chǎn)
楊木（無(wú)性系 Max-4 Populus maximowiczii Henry × Populus nigra L.）來(lái)自德國(guó)波茨坦的萊布尼茲農(nóng)業(yè)工程和生物經(jīng)濟(jì)研究所的短輪伐種植園。這些 4 年樹齡的樹木在采伐高度處的平均莖直徑為 6 厘米，冬季用安裝在拖拉機(jī)上的割草機(jī)削片機(jī)收獲，儲(chǔ)存并干燥至 6 月，成為堆放在室外的木屑（圖 1）

圖 1. (a) 使用割草削片機(jī)收割楊樹  (b) 收獲時(shí)產(chǎn)生的木屑

由于微生物活動(dòng)，木屑堆會(huì)加熱到大約 60 °C。溫度的升高使木屑干燥至水分含量約為 30%（濕基，w.b.），以便儲(chǔ)存。在研磨之前，木片用水進(jìn)行預(yù)處理，并使用桶和滾桶機(jī)使其水分含量達(dá)到 55%。然后使用孔徑20 mm的小型工業(yè)規(guī)模雙螺桿擠出機(jī)（P = 90 kW，型號(hào) MSZK B90e，Lehman Maschinenbau GmbH，Jocketa，德國(guó)），將濕木片研磨成纖維。隨后用閃蒸干燥機(jī)將水分含量從大約55%降低至10%（w.b.）。在進(jìn)一步加工成球團(tuán)之前，纖維被收集并儲(chǔ)存在大袋子里。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) EN ISO 17827-2，使用具有不同篩網(wǎng)寬度的篩分塔，對(duì)從大袋中收集的纖維樣品進(jìn)行了四次粒度分析。纖維的堆積密度使用 EN DIN 17828 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法測(cè)定，基于 10 L 的測(cè)試體積，重復(fù)三次。纖維的水分含量使用 EN ISO 18134-2 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的烘干法測(cè)定。

2.2 液壓壓球機(jī)的操作
如圖 2a 所示，液壓動(dòng)力生物質(zhì)壓球機(jī)（D-89231，RSN Maschinenbau GmbH/德國(guó)，功率 5 kW）在不使用粘合劑的情況下，生產(chǎn)楊木球團(tuán)。在成型之前，用三個(gè)200-W溫度傳感器控制的加熱墊覆蓋壓道，（Pt 100 溫度傳感器，總加熱功率 600 W）將模具加熱到所需溫度。

圖 2. (a) 用于生物質(zhì)壓塊的液壓活塞壓力機(jī)；(b) 顯示液壓活塞壓力機(jī)操作原理的示意圖（尺寸以厘米為單位）。

此外，加熱墊采用礦棉隔熱，最大限度地減少熱量損失。在模具達(dá)到所需溫度后，選擇所需的進(jìn)料速度。進(jìn)料速度由進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，試驗(yàn)的進(jìn)料速度在 2.4 至 3.3 mm s-1（螺桿的水平速度）范圍內(nèi)變化。楊木的纖維被送入機(jī)器以生產(chǎn)球團(tuán)。進(jìn)料螺桿將材料從料斗輸送到垂直活塞，活塞將材料壓入成型室來(lái)預(yù)壓物料（圖 2b）。然后，水平活塞迫使材料通過(guò)加熱的模具，并在那里成型。圖 3 顯示了生產(chǎn)的球團(tuán)及其尺寸的示例（直徑約 6 厘米，高度約 5 厘米）。

圖 3. 楊木球團(tuán)的尺寸

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了研究進(jìn)料螺桿速度和溫度對(duì)球團(tuán)性能的影響，使用了全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。使用三個(gè)級(jí)別的模具溫度和螺桿速度。使用的模具溫度為 100、120 和 140 °C。進(jìn)料螺桿在控制柜中設(shè)置的5、6和7級(jí)速度下運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的進(jìn)料速度為 2.4、2.9 和 3.3 mm s-1。表 1 中列出了所用的溫度和速度水平。表 2 中列出了用于研究的全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)選擇每個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行的樣品，對(duì)每個(gè)響應(yīng)(密度、耐久性和耐水性)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表 1. 用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的變量水平

因素	低水平	中等水平	高水平
溫度（℃）	100	120	140
進(jìn)料速度(mm s-1)	2.4	2.9	3.3

表 2. 實(shí)驗(yàn)的全因子設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)順序	溫度（℃）	進(jìn)料速度(mm s-1)
1	100	2.4
2	100	2.9
3	100	3.3
4	120	2.4
5	120	2.9
6	120	3.3
7	140	2.4
8	140	2.9
9	140	3.3

2.4 球團(tuán)密度的測(cè)定
使用精度為 0.01 g 的電子質(zhì)量天平（Sartorius TE3102S, Gttingen, Germany）測(cè)量球團(tuán)的質(zhì)量。由于球團(tuán)表面有裂紋，圓柱形球團(tuán)的尺寸是用游標(biāo)卡尺測(cè)量的，精度為0.1mm。這些尺寸用于確定球團(tuán)的體積。所生產(chǎn)的球團(tuán)的密度由球團(tuán)的質(zhì)量與體積之比確定。對(duì)球團(tuán)密度的進(jìn)行了三次測(cè)定。

2.5 球團(tuán)耐久性的測(cè)定
使用翻滾法測(cè)定團(tuán)塊的耐久性。使用的翻滾機(jī)（飼料和生物燃料顆粒測(cè)試儀，Andritz Feed Technologies，Esbjerg/Denmark）如圖 4 所示。將質(zhì)量約為 1500 g 的球團(tuán)稱重并裝入翻滾機(jī)中。轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置為 150，速度為 50 rpm。在翻滾操作之后，測(cè)量整個(gè)球團(tuán)的質(zhì)量，確定由于磨損造成的質(zhì)量損失。機(jī)械耐久性 (MD) 由翻滾后整個(gè)球團(tuán)的質(zhì)量與球團(tuán)的初始質(zhì)量的比率確定，如等式 (1) 所示。對(duì)球團(tuán)的耐久性進(jìn)行了三次測(cè)定。

圖 4. 用于耐久性測(cè)試的翻滾機(jī)
MD：機(jī)械耐久性[%]； mu: 未磨損/完整球團(tuán)的質(zhì)量 [g]； mi：球團(tuán)的初始質(zhì)量 [g]

2.6  球團(tuán)耐水性的測(cè)定
使用 Orisaleye 等人、Birwatkar 等人、Sengar 等人 和 Saha 等人采用的方法確定球團(tuán)的耐水性。在室溫下將球團(tuán)的各個(gè)樣品完全浸入水中 120 秒，使用電子質(zhì)量天平對(duì)其進(jìn)行稱重，確定浸入后每個(gè)團(tuán)塊的質(zhì)量。使用等式（2）從浸入水中后團(tuán)塊的質(zhì)量變化百分比確定吸水率。對(duì)球團(tuán)的耐水性進(jìn)行了三次測(cè)定

WR：耐水性[%]； mw：濕球團(tuán)的質(zhì)量[g]； mi：球團(tuán)的初始質(zhì)量 [g]

2.7 統(tǒng)計(jì)分析
多次實(shí)驗(yàn)后獲得了數(shù)據(jù)，可以對(duì)密度、耐久性和耐水性指標(biāo)進(jìn)行方差分析。顯著性水平為5%。測(cè)定了對(duì)密度、耐久性和耐水性具有統(tǒng)計(jì)顯著性的參數(shù)。使用Minitab 19軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。