生物质的物理预处理技术

预处理包括去除化学和物理障碍，使天然的难降解生物质变得容易水解，这是木质纤维素预处理的关键步骤。这种效果是通过溶解半纤维素或木质素以增加纤维素表面的面积来实现的。

利用生物质预处理技术将木质纤维素解聚为可发酵糖的研究已有200年的历史。有几种预处理方法可以用来增加纤维素-半纤维素-木质素结合的敏感性，从而改善水解效果，其目的是在最低限度地降解为抑制性化合物的情况下得到较高的产糖率。Zhang和Lynd认为，在燃料市场竞争激烈的情况下，预处理是二次加工生产乙醇最紧迫的优先事项之一。

特定原料预处理工艺的选择取决于几个因素，其中一些因素与酶解步骤直接相关，如糖的释放方式和酶的使用。因此，底物的组成、预处理的类型、用于水解的酶的用量和效率的组合对生物质的消化率有很大的影响。生物质物理预处理方法主要包括减小尺寸、减湿方法以及压实技术。

2.2.2.1　减小尺寸

生物质物理预处理方法之一是减小尺寸，用于修正生物质原料的粒度分布，以获得更大比例的更细的尺寸，以符合物流和转化技术的要求。粒径减小使得可用比表面积增加，纤维素结晶度和纤维素聚合度降低，通常也会导致产品更密集。这些效应要求在后续的处理步骤中改善传热和传质特性，从而减少生物质消化的处理时间和提高水解的产量。对于非常不均匀的生物质，减小尺寸是复杂的也是重要的。与煤和大多数矿物质不同的是，生物质通常具有纤维性和韧性，只有非常少的部分在粉碎力的作用下分解。这些材料中的大多数会变形、拉伸，或者仅仅是被压缩，因此需要通过剪切、撕裂和切割来减小尺寸。另一个复杂的情况可能是，一旦磨碎，生物质颗粒往往会粘在一起。

物理预处理方法，如研磨和蒸汽处理，将减小颗粒尺寸，从而增加酶攻击的可用表面积。研磨是一种用于生物质预处理的粒度减小技术，可提高反应性，且不会释放任何废水。通过切割和铣削，样品的尺寸初步减小。超细粉末通过筛子收集，筛子的选择取决于最终要求的粒径大小。研磨的影响包括孔隙率、聚合度、表面积和结晶度的改变。蒸汽处理会使晶体复合体松散，并在增加表面积的同时去除戊糖。然而，该工艺的缺点是，水蒸气处理可能产生某些纤维素酶抑制剂，这些抑制剂会干扰纤维素酶底物的酶解。研磨等机械加工降低了纤维素纤维的尺寸和结晶度，并导致长分子链的断裂。纤维素纤维的尺寸在断裂后通常为10～30 mm，在研磨后通常为0.2～2 mm。

木质纤维素原料的粒度是影响总转化率的一个重要因素，通常是越小越好。因此，木质纤维素通常在预处理和酶解之前被磨碎成小颗粒。然而，将木质纤维素粉碎成小块是一个能源密集型过程，无疑会增加转化过程的成本。

机械精炼广泛应用于制浆造纸工业，通过制造外部纤维化和内部分层来提高产品的最终使用性能。该技术可直接应用于生化转化过程。通过实施机械精炼技术，可以克服生物质难降解的问题；此外，还可以降低化学和热预处理的严重性，以实现相同水平的碳水化合物转化，从而降低预处理成本。

减小粒径的缺点是所需的能量可能会很大，这取决于所针对的粒径。此外，草本生物质的形态和含有的二氧化硅（硬）会导致广泛的机械磨损。此外，粒度减小常常导致颗粒大小的重新分布，并产生相对较细的颗粒。

减小生物质颗粒尺寸的主要技术有分块、粉碎、挤压、破碎和研磨。

1.分块

分块是大的生物质部分在收获后利用时的重要工序，例如对砍伐后的树木，利用分块器将其缩小到50～250 mm的粗尺寸范围。

2.粉碎

将原料用振动磨、辊筒磨和球磨等粉碎，可以破坏木质素和纤维素、半纤维素的结合层，降低三者的聚合度，改变纤维素的结晶构造。最终颗粒的尺寸取决于粉碎的方式，经过切碎和球磨，颗粒尺寸分别减小至10～30 mm和0.2～2 mm。粉碎处理一般认为是预处理的第一步，不仅可提高水解糖化率和反应性能，而且有利于纤维素酶在酶解过程中发挥更大作用。粉碎处理提高糖化率的程度有限，且能耗较高，占工艺过程总能耗的50%～60%，为克服能耗高的问题，通常采用湿法碾磨。Silva等研究比较了甘蔗渣湿法碾磨和球磨预处理的效果，在优化条件下，球磨预处理后的甘蔗渣水解产生葡萄糖和木糖的产率分别为78.7%和76.1%，湿法碾磨预处理后的甘蔗渣水解产生葡萄糖和木糖的产率分别为49.3%和36.7%。

简易的粉碎处理的优点是操作方便，成本低廉，可提高生物质原料的利用率，但这种方法具有一定的局限性，因而并不适合所有材料的处理。

粉碎是农作物秸秆能源化利用，尤其是固体燃料成型前对原料的基本处理中最重要的工序之一。粉碎质量好坏直接影响成品质量、产量、电耗和成本等。粉碎工艺流程主要包括粉碎、输送、调质等，按原料粉碎次数可分为一次粉碎工艺和二次粉碎工艺。

1）一次粉碎工艺

一次粉碎就是用粉碎机将原料一次粉碎成可供成型用的粉料。该工艺简单，设备少，是最普通、最常用的一种工艺。其优点是：因粉碎单一品种物料，粉碎机工作负荷满，稳定，具有良好的利用特性和最佳的粉碎效率。

该工艺在粉碎工序之后，配备配料仓，它不但在生产过程中起缓冲作用，而且可以提供时间以维修粉碎前的工艺设备（含粉碎机），不会影响生产，能使所有设备发挥最大潜力。

该工艺使得粉碎机操作容易，管理方便。如粉碎是按单一品种原料进行的，物料流动性好，不易结拱，容易将给料量控制在较稳定的范围内，管理工作也较简单。一次粉碎工艺的主要缺点是成品粒度不均，电耗较高。

2）二次粉碎工艺

二次粉碎工艺是在第一次粉碎后，将粉碎物料进行筛分，对粗粒再进行一次粉碎的工艺。该工艺的成品粒度一致，产量高，能耗也不高。其不足是要增加分级筛、提升机、粉碎机等，使建厂投资增加。二次粉碎工艺又可分为单一循环粉碎工艺、阶段二次粉碎工艺和组合粉碎工艺。

（1）单一循环粉碎工艺。

单一循环粉碎工艺是用一台粉碎机将原料粉碎后进行筛分，将筛出的粗粒再送回粉碎机进行粉碎的工艺。试验表明，该工艺与一次粉碎工艺比较，粉碎电耗节省30%～40%，粉碎机单产提高30%～60%。因粉碎机采用大筛孔的筛片，减少重复过度粉碎，故产量高，电耗小，设备投资也较少。

（2）阶段二次粉碎工艺。

经第一台粉碎机粉碎的物料进入筛孔孔径分别为4 mm、3.15 mm、2.5 mm的多层分级筛，筛出的符合粒度要求的物料进入输送设备，其余的筛上物全部进入第二台粉碎机进行第二次粉碎，粉碎后全部进入输送设备。这种工艺称为阶段二次粉碎工艺。

（3）组合粉碎工艺。

组合粉碎工艺指用对辊粉碎机进行第一次粉碎，经分级筛后，筛上物进入锤片式粉碎机进行第二次粉碎。第二次粉碎采用锤片式粉碎机，原因是对辊粉碎机对纤维含量高的物料如秸秆等粉碎效果不好，而锤片式粉碎机很容易粉碎这些物料。因对辊粉碎机具有粉碎时间短、温升低、产量大和能耗低的特点，故它与锤片式粉碎机配合使用能取得很好的效果。

在农作物秸秆成型过程中，粒度小的原料容易成型，粒度大的原料较难成型。在相同的压力下，原料的粒径越小，其变形率越大，越容易变形，例如在颗粒成型过程中，如果原料的粒径过大，则原料必须在成型机内碾碎以后才能进入成型孔，导致成型机能耗增大，产量降低。

秸秆等生物质原料大多具有细长纤维结构，表皮有蜡质层，含水量略高时韧性较大，如果直接用锤片式粉碎机粉碎，则能耗大，生产率低。因此，在玉米秸秆成型工艺中，原料进入锤片式粉碎机前，首先进行粗粉碎，然后进行细粉碎。也就是说，选用二次粉碎中的组合粉碎工艺，用秸秆揉搓机进行第一次揉搓粉碎，可将细长的纤维物料加工成为略短的物料，最大尺寸小于15 mm，这时的物料能够用于加工块状燃料，如果要加工颗粒燃料，物料将被输送至锤片式粉碎机进行第二次粉碎。该工艺可达到粒度均匀、能耗降低的效果。

一般粗加工的生物质原料要求含水量在15%～20%，兼顾适用性和经济性，粗加工设计在连续喂料系统配备一台揉搓机和一台水滴粉碎机，在调节喂料系统配备一台牧草粉碎机。各粉碎机主要性能参数见表2-3。

表2-3　各粉碎机主要性能参数

3）锤片式粉碎机

锤片式粉碎机工作时，原料从给料口进入粉碎室，粉碎室由装有锤片的安装固定在主轴上的转子以及转子外围安装的齿板或筛片组成。电动机与转子一般采用直连传动。物料进入锤片和筛片的间隙中，在悬空状态下被以一定线速度运转的锤片强烈打击，成为若干碎粒。物料在锤片运动的圆形轨迹的切线方向撞击在筛片或齿板上，部分碎粒穿过筛孔，排出机外，为合格物料；不合格的物料回弹，再受锤片打击，如此往复达到粉碎目的。目前，锤片式粉碎机有多种类别，按进料方向可分为切向喂入式、轴向喂入式和径向（顶部）喂入式三种；按某些部件的变异分类可分为水滴形粉碎室式粉碎机和无筛式粉碎机。

（1）切向喂入式粉碎机。

该机型是一种通用型粉碎机，由切线方向喂入物料，在上机体上安有齿板，故筛片包角一般为180°。可以粉碎谷粒、油饼粒、秸秆等各种物料，常附有卸料用的集料筒和风机，广泛用于农村及小型物料粉碎加工企业中。

（2）轴向喂入式粉碎机。

该机型多为自吸喂入式（转子内安装的四个叶片起风机作用），转子周围有包角为360°的筛片（环筛或水滴形筛）。若这类粉碎机在进料斗与机壳衔接处装有动刀和定刀，则秸秆物料进入粉碎室前先被切成碎段，以利于加工。

（3）径向（顶部）喂入式粉碎机。

该机型的优点是整个机体左右对称，转子可正反转工作。当锤片一侧磨损后，可改变进料口的进料导向机构，以改变物料喂料方向，同时改变转子旋转方向，不需要停车拆卸即可实现锤片倒换；筛片包角较大（约300°），有利于出料；进出料口可与外界隔绝，便于自动控制生产过程。该机型多用于大、中型物料粉碎厂。缺点是只能用于粒料的粉碎。

（4）水滴形粉碎室式粉碎机。

水滴形粉碎室可以破坏影响筛理能力的环流层，从而提高粉碎效率，降低能耗。水滴形粉碎室按结构不同又有全筛式和部分齿板式之分。部分齿板式有270°包角的筛片，其余的上部直线部分为齿板。水滴形粉碎室式粉碎机生产能力为3～4 t/h，具有内藏式转子结构、水滴形安装形式、粉碎室振动、物料出筛畅通、消耗配件少等优点。上部采用叶轮式喂料器喂料，通过主机电流的反馈控制可实现喂料量的自动控制。转子为真空熔焊硬质合金锤片，采用对称平衡排列，每副可承受重量可达900～1000 t。粉碎室下部中央设有底槽，可经受锤片打击拽引的料层重新翻动分层、打击粉碎，可提高粉碎机的过筛能力和产量。电动机和粉碎机安装于同一底座上。底座下安装有万能减振垫。

水滴形粉碎室式粉碎机的主要特点：①水滴形粉碎室可破坏物料的环流层，提高粉碎效率；②底部的底槽有再粉碎作用；③采用双孔筛配置，在同一筛片上的不同部位有不同的筛孔直径，有利于及时出料；④门盖上有调风板，便于清理筛片，叶轮式喂料器上的调风板可调节喂料进风量；⑤有快启式检修门，维修方便，锁紧快速可靠；⑥有快启式压筛机构，更换筛片快速，压紧可靠；⑦底座用厚钢板焊接，整体刚性好，振动小，噪声低；⑧采用自控叶轮式喂料器，可实现喂料的自动控制，使粉碎机在额定负荷下作业。

4）其他机具

除锤片式粉碎机外，目前，可用于农作物秸秆粗加工的其他机具还包括铡草机、秸秆揉搓机和秸秆揉切机等。

（1）铡草机。

国内市场广泛使用的铡草机无论是圆盘式还是滚筒式，多为20世纪50年代定型产品。以常用的圆盘式铡草机为例，其工作原理是：秸秆物料喂入工作室以后，由旋转的动刀盘配合固定底刀将秸秆切成碎段。这类加工机具机型简单，功耗低，生产率较高。但是经铡草机铡切的秸秆多为2～8 cm长的节或段，秸秆茎节未被破碎，在一定程度上会影响细粉碎机的作业效率。

（2）秸秆揉搓机。

秸秆揉搓机是我国于20世纪80年代末自行研制的一种机型，其核心部件是高速旋转的转盘上的锤片。作业时，高速旋转的转盘带动锤片不断撞击由径向喂入的秸秆，同时机器凹板上装有变高度齿板和定刀，斜齿呈螺旋走向，对秸秆进行搓擦和粉碎。经过揉搓后的物料茎节结构被破碎。这种揉搓机存在的主要问题是适应性差，不适用于高湿或韧性大的物料。

（3）秸秆揉切机。

秸秆揉切机是中国农业大学自行研制的一种机型，其核心部件是动刀和组合定刀。工作时，秸秆物料一进入工作室，首先受到高速旋转的动刀片的无支承切割，落到动刀与定刀之间的秸秆，以及受动刀旋转所产生的离心力作用而被甩到定刀处的秸秆，都将受到动、定刀的铡切。与此同时，切断的秸秆及一部分尚未切断的秸秆在动、定刀之间，以及动刀与工作室侧壁之间碰撞，从而产生揉搓，使秸秆碎裂。与其他机型相比，揉切机的给料能力和生产效率均有提高；适用于青、干玉米秸，稻草，麦秸以及多种青绿物料的揉切加工；轴向喂入设计使其对高湿、韧性大的难加工物料（如芦苇、荆条等）也有很强的适应性。

5）粉碎机的评定与选用

（1）选择合适的类型。

选型时首先应考虑所购进的粉碎机是粉碎何种原料的。粉碎谷物饲料为主的，可选择顶部进料的锤片式粉碎机；粉碎糠麸谷麦类饲料为主的，可选择爪式粉碎机；若是要求通用性好，如以粉碎谷物为主，兼顾秸秆，可选择切向进料锤片式粉碎机；如用于预混合饲料的前处理，要求产品粉碎的粒径很小又可根据需要进行调节的，应选用特种无筛式粉碎机等。

粉碎机的规格主要以转子直径D和粉碎室宽度B来表示。锤片转子直径应从GB 321标准给出的优先数基本系列RS、R10和R20中选取，必要时也可按R40优先数系列选取。表2-4所列转子直径是从R20优先数系列中选取的，考虑了在满足基本要求的前提下便于粉碎机与异步电动机直连；粉碎室宽度则是从R40优先数系列中选取的。

表2-4　锤片式粉碎机系列规格

系列的选取还应考虑到实际生产的需要，目前的系列，通过粉碎室宽度及配套功率的改变，基本上可满足2.5 t/h、5 t/h、10 t/h粉碎规模的需要。当产量更大时，可配备两台粉碎机。

（2）选择合适的生产率。

在农作物秸秆能源化利用过程中，粉碎工段中的粉碎机作为主机，其生产率应与成套设备的生产率配套或稍有富余。

一般粉碎机的说明书和铭牌上，都载有粉碎机的额定生产能力（kg/h）。但是选择时要注意以下几点：①所载额定生产能力，一般是以粉碎玉米，含水量为储存安全水分（约13%）和Φ1.2 mm孔径筛片状态下的台时产量为准，因为玉米是常用的谷物饲料，低于1.2 mm孔径的筛片是常用的筛片，此时生产能力小，这就考虑了生产中较普遍又较困难的状态；②选定粉碎机的生产能力略大于实际需要的生产能力，以保证在锤片磨损、风道漏风等引起粉碎机的生产能力下降时，饲料的连续生产供应不受影响。

（3）选择合适的排料方式。

秸秆粉碎机粉碎后成品通过排料装置输出有3种方式：自重落料、负压吸送和机械输送。小型秸秆粉碎机单机多采用自重落料方式以简化结构。中型秸秆粉碎机大多带有负压吸送装置，优点是可以吸走成品的水分，降低成品的湿度从而利于储存，提高粉碎效率10%～15%，降低粉碎室的扬尘度。需要根据日产量以及粉碎需求等多方面因素选择排料方式及相应的粉碎机。

（4）合理使用粉碎机。

合理使用粉碎机包括很多方面，如正确安装、操作、维护、更换易损零部件等。

①安装。锤片式粉碎机应安装在地下室或一楼单独隔声房间里，并打好混凝土基础，中、大型粉碎机应安有匹配的减振器；对辊式粉碎机应该在基础上铺以20 mm厚的木板或10～20 mm厚的胶皮，以减少振动的噪声，使粉碎机工作平稳。

②使用。注意粉碎机的负荷。因为粉碎机对供料量很敏感，所以要经常注意粉碎机的负荷电流，否则调节喂入量，最好采用调频自选供料量。

③及时调头或更换锤片和筛片。锤片磨损后应该及时调头或更换，不可过度磨损才调换，否则磨损不均易引起粉碎机转子不平衡而产生大的振动；筛片也易磨损，也应该及时更换，应使有毛刺的一面朝里，光滑的一面朝外，并将筛道贴严，防止漏料。

3.挤压

挤压处理是一种热物理处理方式，先将材料送入挤压机，之后在驱动螺杆作用下沿滚筒输送。在挤压过程中，物料经历混合、加热、剪切，其纤维素、半纤维素和木质素的物理化学性质发生变化，从而增加酶对纤维素的可及度，最终提高糖的回收率。各种木质纤维素，包括稻壳、柳枝、玉米秸秆、小麦秸秆等都可以采用挤压的方式预处理。影响挤压预处理效果的参数包括：预处理时间、压力，生物质颗粒尺寸，滚筒温度，螺杆构型及速度。Karunanithy和Muthukumarappan的研究表明通过调整玉米秸秆挤压预处理的条件，可以提高糖的回收率，通过优化挤压预处理条件，葡萄糖及木糖的回收率比未预处理时提高2倍。挤压预处理过程中的热效应会导致单糖的热分解，但可以通过与其他预处理过程联用来克服。Zhang等研究比较了玉米秸秆的挤压预处理及碱辅助挤压预处理的效果，结果表明，在最优条件下，挤压预处理后，葡萄糖、木糖的回收率分别达到48.8%和24.9%，碱辅助挤压预处理后，葡萄糖、木糖的回收率则能分别达到86.8%和50.5%。

挤压处理的优点包括：高速剪切、快速混合、短暂的停留时间、温和的滚筒温度、不产生糠醛及5-羟甲基糠醛、无须清洗、过程易于调整、容易放大，最重要的是可以连续处理。挤压过程采用温和的温度可以防止发酵抑制剂的产生，降低单糖降解率。Yoo等对黄豆皮进行挤压预处理，酶解葡萄糖的产率达到94.8%。

4.破碎

对于较硬和较脆的材料，可利用其不变形特性（即这些材料受力时会断裂而不是弯曲）来减小尺寸。适用于处理这类材料的破碎机是颚式破碎机，也可以使用辊磨机和锤磨机。

5.研磨

通过研磨可以改变木质纤维素固有的超微结构和结晶度，从而使其更容易被酶降解。在酶水解之前，甚至在用稀酸、蒸汽或氨进行其他预处理之前，应对一些木质纤维素废料进行研磨和粒度还原。在制粉工艺中，胶体磨、纤维磨和溶剂磨仅适用于湿物料，而挤出机、辊式磨、低温磨和锤式磨通常用于干物料。球磨机可用于干、湿物料。通过降低木质纤维素的粒径和结晶度，可以提高木质纤维素对酶解的敏感性，从而改善木质纤维素的酶解性能。

许多不同类型的磨坊可以用来把生物质磨成最细的颗粒级。在传统做法中，用谷物（小麦）生产面粉的磨坊一般用人工（如研钵和杵）、动物（马磨坊）、风力（风车）或水（水车）驱动。在工业规模的煤加工中，通常采用球磨机，水平或稍微倾斜的旋转容器中填充了大约30%的球，这些球通过摩擦和滚动冲击来研磨材料。

表2-5概述了用于生物质研磨的不同技术。

表2-5　用于生物质研磨的不同技术

可磨性指数可以用来评价给料的研磨难易程度。工业上通常使用哈氏可磨性指数（HGI）。在现有的生物质与煤混燃锅炉中，磨煤机会用于直接研磨生物质。因此，对于给定的磨煤机、给定的转速和功率，需要知道磨煤机能研磨多少生物质。HGI给出了参照于标准煤进行研磨的相对难易程度。HGI越高，磨煤机出力需求越低，出口粒径越小，表明给料更容易研磨。对煤块而言，标准质量（50克）的煤在给定的时间内被研磨，将所得产品过筛，获得粒径在75μm以下的煤粉量；再将该数量与某些特定标准进行比较，便可得到HGI。HGI测量仪的工作原理与磨煤机的工作原理相同，用HGI测量仪测得的HGI参数可以对生物质的可研磨性进行相对的评估。Bridgeman指出，对于生物质而言，应该使用标准体积而不是标准质量的样品来比较其与煤的研磨难易程度。因此，等效的HGI被用来定义生物质的研磨容易度。

通常，大多数设备的能量需求随着含水量的增加、最终粒径的减小以及转速的增加而增加。西特霍夫表明，随着粒径的减小，能量消耗显著增加。图2-3所示为生物质筛分粒径对比磨能的影响。

图2-3　生物质筛分粒径对比磨能的影响

含水量对能耗也有显著影响，因为含水量较高的材料更为坚硬，如对于含水量为30%的稻草，筛孔尺寸为2 mm时，其能量需求超过其热值的8%。通过铣削减小尺寸所需的能量通常可以表示为

式中：E为比能耗（kJ/kg）；C为常数；dL为差异尺寸（无量纲）；L为筛孔尺寸（mm）。不同学者提出了不同的模型：Bond假设n的值为3/2；Rittinger假设铣削过程基本上是剪切的，因此能量需求与新表面的生成成正比，n=2；Kick假设能量需求只与材料的公共维度有关，因此n=1。

上述三种模型得出以下能耗方程：

2.2.2.2　减湿方法

生物质在能源生产系统的大多数应用过程中，或多或少都需要干燥。例如，对于流化床燃烧，约60%的含水量仍然会导致可接受的低热量损失。相比之下，在木质颗粒的生产中，含水量必须降低到10%～15%；所需降低含水量的差异也决定了生物质可以使用哪些脱水技术。

通过不同的技术可以降低不同类型生物质的含水量，如自然干燥、机械干燥和热干燥等。干燥过程可以分批或连续进行。水的去除程度取决于水与生物质的结合方式。对于非常潮湿的生物质污泥，Colin和Gazbar根据水分在机械脱水过程中的行为将其分为不同的类别，即自由水、中等机械应变可去除的束缚水、最大机械应变可去除的束缚水，以及最终机械应变不可去除的束缚水。

干燥的主要目的是调节原料的含水量，使其稳定均一，适合生物质能源化利用。如在秸秆固体成型过程中，合适的水分一方面能够传递压辊的压力，另一方面能起到润滑剂的作用，辅助粒子互相填充，从而促进原料成型。但是含水量过大时，水分容易在颗粒之间形成隔离层，使得层间无法紧密结合，挤出的颗粒容易膨胀散开，不能成型，因此控制合适的原料含水量在加工过程中尤为重要。

减湿方法主要包括自然干燥、机械干燥、热干燥、微波辐射加热以及高能离子辐射。

1.自然干燥

自然干燥是指利用空气流通或太阳能对农作物秸秆进行干燥的方法。例如，将农作物秸秆在打捆、收集前，遗留在农田内经日光晒一段时间也可以降低含水量。如图2-4所示，玉米收获后，秸秆被人工砍倒后在田地中晾晒，利用空气流通和太阳能进行自然干燥。一般在华北一年两熟地区，玉米秸秆收获后3～5天即能干燥，达到利用要求；但在东北地区，由于农作物收获后温度较低，有时会有雨雪，因此不宜采用自然干燥。又如，将锯好的木材搁置成垛，垛底离地500～700 mm，中间留有空隙，便于空气流通，带走水分，可将木材含水量从50%降低到40%。

太阳能干燥技术已较为成熟，完全可以用太阳能温室配备以翻抛设备对秸秆进行除湿。一般秸秆的干燥，要求温度水平较低，大约在40～70℃，这正好与太阳能利用领域中的低温利用相适应，与传统干燥工艺相比，可以大量节省常规能源，降低固定投资，提高经济效益。

降低含水量最直接的方法是露天干燥。选择在天气条件良好的情况下进行农业收割可以最大化地利用干燥新鲜的空气降低生物质的含水量。露天干燥最好在生物质被运输之前完成，这样可以大幅降低运输成本。相对而言，露天干燥过程较为缓慢，但最终的结果主要取决于生物质初始含水量和干燥时间。在收获后，秸秆和整个谷类植物的含水量仍然可能高达40%，如果天气条件良好，在田间干燥两三天后，含水量可以低于20%。有时，收获季节的选择对于获得最低含水量至关重要，例如，芒草最好在春季采收，因为冬季过后，只有茎秆仍然挺立，没有叶子和非木质的顶部，因此含水量约为20%。

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图2-4　收获后的玉米秸秆自然晒干

图2-5为用于秸秆干燥的太阳能干燥棚示意图，其包括棚顶卷帘小车装置、拨料装置、送风装置等，同时地面上装有刮板系统。液压系统能够带动刮板，将物料从南面向北面慢慢移动，干燥好的物料将被堆积在最北面，然后通过输送带直接输送到喂料口。送风装置中设置有进气孔、隔板和出气孔，棚外通风管内设置着出气阀门，地下通风管内设置着进气阀门，以保证通风。该太阳能干燥棚不耗能，无污染，烘晒农作物不受天气变化影响，结构简单，成本低，易于推广。

图2-5　用于秸秆干燥的太阳能干燥棚示意图

自然干燥不需要额外能源，是一种比较经济的干燥方式，但自然干燥易受自然气候的制约，尤其是在恶劣天气（如阴天、暴风雨）条件下，有可能适得其反，而且劳动强度大、效率低。

2.机械干燥

实际上，生物质在燃烧之前是否需要干燥并没有一定的要求，主要考虑燃料价格、系统功率和燃烧技术等相关因素。机械干燥适用于可压缩生物质，可以通过多种方式实现。但机械干燥过程本身会消耗大量的能量，并对设备有较高的维护要求。机械干燥可以成批或连续进行。在这里，我们只考虑（大规模）连续操作。

在螺旋压力机中，生物质通过直径呈锥形递减的壳体或“腔室”长度递减的螺杆缓慢压缩，生物质体积减小，压力增加，水被抽走。但螺旋压力机只能脱出含水量较少的物质，所以更适合用于处理像纤维一样的生物质，而不是含水量相对较大的污泥。例如，它可以用来从草中挤出汁液，汁液不仅含有水分，还含有潜在的有用的化学营养物质。

其他类型的机械压力机包括带式压力机、V形压力机、环式压力机和鼓式压力机。带式压力机将湿生物质容纳在两个可渗透带之间，通过这两个可渗透带在滚筒上和滚筒下的移动将水分挤出。鼓式压力机包括穿孔鼓，其内部有一个可旋转的压辊，用于将物料压到鼓上。鼓式压力机已被广泛应用于生物质领域。

辊压机是机械脱水的另一种设备，在某种程度上，它类似于螺旋压力机。然而，在辊压机中，压力的增加是通过两个圆柱形的辊来实现的，其中一个或两个是由电动机驱动的。圆柱形的辊之间有一个小的间隙，生物质通过这个间隙运输，同时将水挤出。辊压机的优点是压力设定相对准确，能耗相对较低，设备相对简单，生产成本低。但辊压机也有一些缺点：用辊压机对长茎的生物质进行脱水不是很困难，但是用辊压机对草等纤维类物质进行脱水是一个相当有挑战性的任务。这个问题可以通过倾斜轧辊和使用垂直安装的供应系统来解决，这样可以利用重力流动来脱水；或者可以在滚筒的前面放置一台压机，以确保生物质进入系统。

3.热干燥

热干燥是利用一定的干燥设备和热源，对农作物秸秆进行干燥的方法。常规的热干燥可以采用回转圆筒式干燥机、立式气流干燥机、流化床干燥机和箱式干燥器等干燥设备，热源一般采用热烟气或水蒸气。热干燥不受气候条件影响，并可缩短干燥时间，但成本较高，一般应用于高附加值的生物质烘干过程。与其他生物质预处理技术相比，利用废热进行干燥是一种能源密集型工艺。这种形式的干燥已被广泛研究，并应用于工业实践。例如，在食品加工行业，干燥的目的是防止降解。但大多数生物质能源对热干燥的要求不太严格，更重要的问题是安全（含氧气体干燥时的火灾和粉尘爆炸危险）、能源消耗、挥发性有机化合物（VOCs）和粉尘的排放。

下面介绍两种常用的干燥机。

1）回转圆筒式干燥机

回转圆筒式干燥机的工作原理：高湿物料进入干燥器内，被转动的筒壁上的抄板抄起到顶部落下，在下落的过程中经过破碎装置的打击而破碎。大块物料在反复抄起落下的过程中，不断被打碎成小颗粒，同时热风从物料表面穿过，进行传热和传质，直至干燥细小的颗粒达到要求的含水量后排出；细粉由收尘装置收集。热风温度可达700℃。在干燥过程中，物料在带有倾斜度的抄板和热气流的作用下，可调控地运动至干燥机另一段星形卸料阀，并排出成品。

干燥机是一个与水平方向略成倾角的圆筒，主要由回转体、扬料板、传动装置、支撑装置及密封圈等部件组成。物料从较高的一端加入，与高温热烟气并流进入筒体，随着筒体转动，物料运行到较低一端；在圆筒内壁上的抄板把物料抄起又撒下，使物料与气流的接触表面增大，以提高干燥速率并促进物料前行。干燥后的产品从底端下部收集。

回转圆筒式干燥机的特点：机械化程度高，生产能力较大；流体通过筒体时阻力小，功耗低；对物料特性的适应性比较强；操作稳定，操作费用较低，产品干燥的均匀性好；设备比较复杂，体积庞大，一次性投资多，占地面积大等。

2）流化床干燥机

流化床干燥机是20世纪60年代发展起来的一种干燥机，适用于各种粉粒状物料的干燥，目前在化工、轻工、医药、食品以及建材工业等领域广泛应用。由于干燥过程中固体颗粒悬浮于干燥介质中，因此热流体与被干燥的固体接触面积很大，又由于物料剧烈搅动，大大地减小了气膜阻力，因此干燥强度大。流化床干燥机密封性能好，传动机械不接触物料，不会有杂质混入，对要求纯洁度高的制药、食品等工业来说十分重要。

流化床干燥机的原理是振动电动机产生激振力使机器振动，物料在给定方向的激振力的作用下跳跃前进，同时从床底输入热风使物料处于流化状态，物料颗粒与热风充分接触，进行剧烈的传热传质过程，此时热效率最高。上腔处于微负压状态，湿空气由引风机引出，干料由排料口排出，从而达到理想的干燥效果。若床底送入冷风或湿空气，则可达到冷却、增湿的目的。其主要特点是振动使物料易达流化状态，增大了有效传热系数，故热效率高；床层温度分布均匀，无局部过热现象；流化均匀，无死角及吹穿现象；振动起输送作用，也有利于节约能量，比一般干燥装置可节能30%～60%。

在瑞典、丹麦等北欧国家，生物质固体成型燃料采用锯末挤压而成，锯末含水量为50%～53%，因此在颗粒成型前需要干燥。位于乌尔里瑟港的兰特曼恩谷物制品有限公司颗粒燃料厂年产颗粒燃料约7.5万t，在厂内有一个大的供热系统，提供蒸汽用于干燥锯末。首先锯末通过传输系统从原料场输送到粗粉碎车间，然后再通过螺旋进入回转圆筒式烘干设备，锯末的含水量能够从50%以上降低到10%左右，但用于供热锅炉的燃料是原木，每年需要10万m3，因此也会增加生产成本。

图2-6所示为利用尾气余热作为热源的生物质干燥系统。

图2-6　利用尾气余热作为热源的生物质干燥系统

现有的干燥技术可以用不同的方法来分类。直接干燥和间接干燥之间有一个重要的区别：直接干燥是通过与湿生物质直接接触的热空气、蒸汽或烟气进行的；间接干燥可以防止这种接触，热量是通过套管传导的。

直接对流烘干机可分为以下几种类型：带式输送机、闪蒸（气流）干燥机、流化床干燥机、转鼓式干燥机、喷雾式干燥机。间接传导烘干机可分为以下几种类型：滚筒干燥机、蒸汽套转鼓干燥机、蒸汽管转鼓干燥机、托盘式干燥机。

干燥机的选择取决于生物质原料的物理形态（粒度分布和形态）、材料的热敏感性、所需的生产能力、调节比以及干燥前后的操作。表2-6可作为干燥机类型选择的参考。

表2-6　干燥机类型的选择

表中“×”表示不选用。

在详细讨论干燥特性之前，我们需要掌握一些湿空气热力学的基础知识。

湿度，也称为湿度比，用ω表示，定义为

式中：脚标w和a分别代表水蒸气和空气；MW为摩尔质量；p为分压；V为体积；T为温度；Ru为理想气体常数。

当空气饱和时，我们提到饱和空气的湿度ωsat。

相对湿度（百分数）定义为

式中：脚标sat代表饱和状态。

当气流用于从湿物质（表面）蒸发水时，只要空气没有完全被水饱和（在其露点处），就会发生蒸发。蒸发导致水的温度下降，并使气体向湿表面供热的驱动力增大。湿球温度Twb可以在平衡状态下达到。传热速率表示为

式中表示热流；h表示换热系数；A表示换热面积；T和Twb分别表示气体温度和湿球温度。

蒸发率表示为

式中：脚标w、a、sat分别代表水蒸气、空气、饱和状态；MW、p、V、T、ρ、A分别为摩尔质量、分压、体积、温度、密度和换热面积；Ru为理想气体常数；k为与气体性质相关的常数。

相应的热流为

式中：hfg为潜热。

传热速率和给出的热流在平衡状态下必然相等，故有

因此，Twb实际上只依赖于周围环境的温度和空气的湿度。

Chilton和Colburn将湍流条件下的热质传递和“固定壁”传递进行类比，得出了h/k的表达式：

式中：Nu、Re、Pr、Sc、Sh、Le分别为努塞尔数、雷诺数、普朗特数、施密特数、舍伍德数和路易斯数，它们均为换热准则数；λ、cp、D分别为导热系数、热容和特征尺寸。

干燥过程可以描述为发生在干燥固体颗粒上和干燥固体颗粒内部的一系列水分传输现象。不同生物材料的干燥通常包含两个或两个以上不同的阶段。干燥初期，主要是去除表面的游离水分，因而其干燥速率几乎恒定，此干燥阶段称为恒速期，物料含水量从初始值降低至临界值wc。为了进一步干燥，毛细管或间隙中的结合水会扩散到表面，使表面变得潮湿，这一阶段称为第一个下降速率周期。在此阶段，含水量从wc下降到一个较低的值，但高于平衡含水量we，整个过程是物质依赖性的。在进一步的干燥过程中，干燥颗粒内部的水分传输过程不再使表面湿润，此过程不再那么依赖于外部条件，而是依赖于内部的分子扩散过程，干燥速率取决于燃料的特性。最后的干燥阶段称为第二次沉降阶段，该阶段一直持续到含水量达到we，然后驱动力为零。

图2-7为一些颗粒状物料干燥速率的示意图，图中1-2、Ⅰ-Ⅱ为恒速期，2-3为第一个下降速率周期。该图展示了不同的干燥特性。

图2-7　一些颗粒状物料干燥速率的示意图

4.微波辐射加热

微波辐射加热是利用电磁场加热材料的方法。微波是频率在300 MHz～300 GHz的电磁波。被加热介质物料中的水分子为极性分子，在快速变化的高频电磁场作用下，其极性取向会随着外电场的改变而变化。高速运动的分子之间会出现摩擦效应，将微波场能转变为介质内能，提高原材料温度，产生膨化、热化等多种物理化学反应，如此通过微波加热实现对木质纤维素的预处理。与传统加热方式相比，微波辐射加热方式具有易操作、无污染和热效率高等特点。

在20世纪80年代，微波辐射加热方式就被应用到了木质生物质预处理过程中。与传统的加热技术（如加热板加热）相比，微波辐射加热具有以下优点：显著缩短了反应时间；使产物形成更迅速；降低了反应活化能。通过微波辐射加热方式，可以实现间歇式生物质预处理和连续式生物质预处理。经微波预处理后，纤维素的可及度、反应能力和基质浓度得到提高，从而可获得较高浓度的糖化液，缩短处理时间。

Ma等人优化了微波预处理稻草的工艺条件。结果表明，微波辐射加热是提高稻草消化率的有效预处理方法。化学成分分析进一步证实，微波预处理可以破坏硅化蜡质表面，分解木质素-半纤维素复合物，部分去除硅和木质素，使纤维素的表面积增大，更易与纤维素酶接触。

Saha等人研究发现，经过微波在200℃下的预处理，小麦秸秆的酶水解单糖产量有较大幅度的提高，为后续的发酵工艺奠定了基础。连续式微波预处理具有操作简单、预处理效率高、可连续生产等特点，具有较好的商业化应用前景。图2-8是连续式微波预处理系统示意图，含有木质纤维素、催化剂和溶剂的浆料（生物质混合物）流经一个金属管，该混合物在金属管部分的T形连接点处被6.45 GHz的微波辐射。根据生物质混合物的体积、流动速率、微波输出和预处理时间等的不同，微波辐射部分的单元（图中黑色方框所示）可以拆卸，单元的数量可调节。图2-9所示是一个连续式微波预处理系统的原型。其微波辐射部分有3个单元。每个单元连有一个5 kW的微波发生器，可以在每个单元处独立控制微波的功率。该系统还能在线监控预处理过程中的温度，通过系统的微波功率自动调节，实现对整个预处理过程反应条件的控制。实验结果显示，利用微波辐射加热方式对木质纤维素生物质原料进行预处理，可部分降解半纤维素和木质素，从而提高植物纤维的酶水解效率和酶可及度。

图2-8　连续式微波预处理系统示意图

图2-9　连续式微波预处理系统

5.高能离子辐射

利用高能离子（如离子束、γ射线、X射线等）辐射对木质纤维素原料进行预处理，可提高原料的吸湿性及降低原料的聚合度和结晶度，这些都有利于纤维素的酶水解，可以减少因大量使用化工药品而造成的废水、环境污染等。Yang等人使用钴-60预处理小麦秸秆，以不同的剂量进行辐射，辐射之后发现小麦秸秆质量减轻，结构被破坏，酶水解的糖产量明显增加。但由于辐射处理的成本高，因此目前还很难用于大规模生产。

γ射线、电子束和微波辐射能促进木质纤维素的酶解。将辐射和其他方法如酸处理相结合，可以进一步促进纤维素降解为葡萄糖。木质纤维素材料中的纤维素组分可通过辐射降解为易碎纤维、低分子量低聚糖甚至纤维二糖，这可能是由于在木质素存在的情况下，辐射使纤维素链的糖苷键优先解离。但是高强度的辐射会导致低聚糖分解和葡萄糖环结构。

2.2.2.3　压实技术

原料生物质的缺点是其低体积密度和由此产生的低体积能量密度。因此，为了降低运输、储存和搬运成本，显著改善其燃料特性，生物质通常被压缩。在食品、饲料、制药等工业部门，压实（或致密化）技术已经应用了很长一段时间。在介绍压实技术之前，我们首先讨论一些密度的定义。

生物质堆的表观密度ρapp（也称为堆积密度）在数值上等于形成生物质堆的所有颗粒的质量除以生物质堆的总体积。生物质堆包含大量的空隙，不被颗粒占据。其表观密度可由孔隙率ε与颗粒密度ρp表示为

颗粒密度与真实材料密度ρtrue和颗粒所具有的孔隙率x（其值较小）相关：

含有密度为ρf的流体（例如水分）的湿颗粒的密度ρw可表示为

为了增大生物质的表观密度，可使用两种技术，即压缩成型和造粒成型。

Tumuluru等人提供了所有致密化技术的综述。但对于固体生物能源载体的生产，上述两种技术最为突出。生物质表观密度增大带来的显著优点如下：

（1）能量密度增大；

（2）简化生物质处理（储存和物流）；

（3）更容易控制给料；

（4）可实现较低的吸水率；

（5）压榨生物质可与添加剂相结合，以改善下游工艺；

（6）释放的灰尘更少；

（7）增加稳定性，防止生物腐烂；

（8）可以创建客户定制的产品。

1.压缩成型

图2-10所示为型煤压缩成型设备示意图。螺旋压力机（顶部）和活塞压力机型煤通常是在细长的压力机中通过柱塞或螺杆挤压生物质制成的。挤压过程释放的物质被切割成形状良好的块体，即型煤。由于型煤主要应用于国内能源供应，在工业上应用较少，因此本书不作详细介绍。

图2-10　型煤压缩成型设备示意图

2.造粒成型

造粒成型技术于1880年引进我国，目的是生产牛饲料；自那之后，它越来越多地转用于能源市场的燃料生产，而现在，用于生物燃料生产的造粒是一项大规模的商业活动。造粒燃料已成为家庭和工业燃烧中相当常见的燃料类型。2019年，全球造粒燃料市场价值为104.91亿美元，预计2025年市场总规模将达到236.04亿美元，复合年均增长率为14.47%。2019年，欧洲在全球木颗粒市场占有主要份额。根据美国农业部对外农业局的全球农业信息网络资料，欧盟（EU）2018年消耗了约2735万t造粒燃料，高于2017年的2415万t。2018年，英国以消费量800万t成为欧盟区域造粒燃料的主要消费国，其次是意大利（375万t）、丹麦（350万t）、德国（219万t）和瑞典（178.5万t）。

造粒过程的主要目的是增大生物质的能量密度，并实现相当小的比体积，以便造粒生物质的储存、运输，以及转化为热能、动力或化学品。整个过程包括预处理（减浆、干燥）、造粒和后处理（冷却、包装）。在造粒的主要加工阶段，生物质通过造粒机压制，形成颗粒。图2-11所示为造粒机的工作原理。

通常，造粒工艺生产的颗粒直径为6～8 mm，但也生产直径较大的颗粒，从3 mm到50 mm不等。该工艺要求原料由直径小于8 mm的小颗粒组成，含水量低于15%，而活塞压力机可以处理含水量高达20%的原料。造粒是在最高温度为150℃左右的情况下进行的，因为木质素在100℃时开始软化，然后作为纤维素黏合剂，使原料熔合成颗粒。原料的含水量是一个重要的参数，因为生物质太湿或太干都会导致造粒所需的压力显著增加。

新鲜生物质的含水量一般为50%，但在造粒之前，含水量需要降低到15%，最终产品的含水量为10%。由于在此过程中没有发生明显的挥发，因此总质量损失是由水分蒸发造成的。造粒通常具有94%的效率（即94%的初始能量仍保留在造粒产品中），考虑到工艺能耗，计算的净效率约为87%。

图2-11　造粒机的工作原理

2.2.2.4　物理预处理步骤

在前文中，我们讨论了相当广泛的物理预处理技术。并非所有情况下都需要使用这些技术，这取决于生物质的质量特性，以及后续章节中描述的预期下游能量转换过程，包括其预处理要求。最后一个问题是预处理步骤的顺序。通常，在收获之后会由某种类型的存储来创建缓冲区，因为直接的下游处理通常是不可能的。然而，考虑到细菌和真菌的活性，储存对含水量有限制，因此通常在储存生物质之前先将其干燥至含水量20%～25%。通常，干燥之前会进行减小尺寸步骤，以加强干燥过程。筛分在尺寸减小后进行（考虑到下游加工需要时）。减湿，有时用来改善生物质的燃烧特性，通常是在干燥后进行热化学转化。经过充分的干燥步骤后，再进行压实，以获得稳定的产品。