生物质物理预处理的基本原理

生物质和废料的物理外观千差万别。通常，生物质中含有大量的水，在收集过程中，以相对较大的颗粒形式存在。生物质的形态具有广谱性，即具有坚韧的纤维状结构，也可具有黏性糊状结构。

本节详细讨论的大多数能量转换过程需要小颗粒物供给反应堆，大颗粒物因为有限的停留时间而阻碍了燃料的供给和转换范围。因此，通常需要减小颗粒尺寸。此外，生物质通常是相对湿润的，典型的含水量在30%～60%，在大多数工艺中，这是不可接受的。因为去除水分是一个大量吸热的过程，所以除了需要水热的生物质处理工艺外，生物质高水分含量通常大幅降低其处理加工工艺效率。通常，由于肥料的使用以及降雨和收获特性随时间而改变，生物质的灰分含量变化很大，这可能会影响其处理，特别是在热化学转化过程中。

鉴于上述考虑，生物质的物理预处理至关重要。在实际生产中，生物质加工过程中遇到的许多问题都可以追溯到物理预处理不当、优化不良等问题。物理预处理用于达到以下目的：

①提高储存能力；

②减少有害物质的含量，例如去除坚硬的石头和黏附的土壤，但也减少灰分（例如碱盐）；

③减小尺寸；

④降低含水量；

⑤增加（体积）能量密度；

⑥进料均匀或智能混合；

⑦根据特定进料系统定制原料。

物理预处理是使用机械能和电磁辐射能以及不使用除水以外的化学试剂处理生物质的一类预处理方式的总称。事实上，不论是传统意义上的生物质利用，还是现代意义上的生物质开发利用，以获取高附加值的能源和材料，采用机械能的预处理法都一直存在，所有生物质从收割、入库到改变其尺寸大小，所用方法都可以归结为采用机械能的物理预处理或与之相关联的方法。通过破坏原料的物理结构来降低纤维素的结晶度和增加其与纤维素酶、其他生物或化学试剂的接触面积。

生物质中水分含量变化较大，生物质具有松散、能量密度低（特别是以体积计算的能量密度）及分散等特点。为了便于对生物质进行收集以及采用自动上料机构，需要对生物质进行预处理，以满足不同燃烧系统的具体要求，并增加生物质的能源密度，减少收集、运输和存储的成本。

2.2.1.1　生物质的干燥

生物质水分含量变化范围较大，影响因素包括燃料的种类、当地的气候状况、收获的时间和预处理方式等。如在收获季节，农作物秸秆的初始含水量较高，玉米秸秆的含水量通常都在50%以上，长时间的储存非常容易引起秸秆变质。尤其是在东北地区，玉米收获后由于气候原因，玉米秸秆水分很难蒸发，因此，干燥问题就成为生物质大规模工业利用的关键。

干燥通常指利用热能使物料中的湿分汽化，并将产生的蒸汽排除的过程，其本质是将秸秆中的水分从固相转移到气相的过程。以秸秆干燥为例，其中的固相即为被干燥的秸秆，气相为干燥介质。干燥技术的机理涉及传热学、传质学、流体力学、工程热力学、物料学、机械等学科，该领域是一个典型的多学科交叉技术领域。例如，农作物秸秆具有如下干燥特性：(www.xing528.com)

（1）农作物秸秆的收获时间比较集中，不能久存，且数量较多。粉碎后的秸秆易产生大量的粉尘，为了减少废气中的粉尘含量，干燥所用的热气流流速不能太大。

（2）秸秆挥发分含量较高，易分解，干燥过程中自身温度不能超过150℃，且干品易燃。在正常大气条件下，玉米秸秆的平衡含水量低于10%，可满足能源化工要求，因此干燥后的最终含水量可略高于所要求的含水量。

（3）生物质的形态各异（如农作物秸秆的自然长度一般为60～90 cm），在使用前需进行适当的粉碎处理，以适应连续进料的工作方式。

影响秸秆干燥的主要因素有以下两点：

（1）热能　在原料的干燥过程中，必须提供充足的热能使原料中的水分蒸发。在自然界中，热能来自太阳能。在干燥设备内，热能主要来源于电能、机械能等。

（2）介质　在原料的干燥过程中，必须具有能够把产生的水分带走的因子，即介质。自然界中干燥且流动的空气（风力）即为干燥介质，在干燥设备内，干燥的热空气、蒸气等为干燥介质。为了将原料中蒸发出来的水分带走，还必须配备抽风设备。

对于生物质固体成型技术，原料的含水量是关键。若含水量过高，在加工过程中，原料温度升高，体积突然膨胀，易产生爆炸，造成事故；若含水量过低，分子间的范德华力降低，致使原料难以成型。因此，秸秆固体成型原料需要经过干燥处理，严格控制原料的含水量，通过干燥加工作业，使原料的含水量减少到成型所要求的范围内。生产试验结果表明，较理想的含水量为10%～18%。

2.2.1.2　粉碎原理与方法

粉碎是利用机械的方法克服固体物料内部的凝聚力而将其分裂的一种工艺，即用机械力将物料由大块破碎成小块。粉碎常用的方法有击碎、磨碎、压碎与锯切等，具体如下。

（1）击碎　利用安装在粉碎室内的许多高速回转锤片对原料的撞击而使原料破碎。利用这种方法的设备中，锤片式粉碎机和齿爪式粉碎机应用最为广泛。

（2）磨碎　利用两个磨盘上带齿槽的坚硬表面，对原料进行切削和摩擦，从而使原料破碎。利用正压力压榨原料粒，并且两磨盘有相对运动，因而对原料有摩擦作用。工作面可做成圆盘形或圆锥形。该方法仅用于加工干燥而不含油的原料。它可以将原料磨碎成各种粒度的成品，但含有大量的粉末，原料温度也较高。钢磨的制造成本较低，所需动力较小，但成品中含铁量偏高，目前应用较少。

（3）压碎　两个表面光滑的压辊，以相同的速度相对转动，被加工的原料在压力和工作表面摩擦力的作用下而破碎。该方法不能充分地粉碎原料，应用较少。

（4）锯切　利用两个表面有齿而转速不同的对辊锯切原料。工作面上有锐利的切削角的对辊，特别适用于制作面粉、粉碎谷物原料和颗粒碎料，并可获得各种不同粒度的产品，产生的粉末也很少，但不适宜用来粉碎含油和湿度大于18%的物料，有时候会堵塞，使原料发热。采用这种方法的粉碎机称为对辊粉碎机或滚式磨。

在选择物料的粉碎方法时，首先要考虑物料的物理力学性能。对于特别坚硬的物料，击碎和压碎方法很有效；对于韧性物料，研磨为好；对于脆性物料，以锯切、裂劈为宜；对于含纤维多的物料，以盘式磨为好。