混配成型條件下農(nóng)林廢棄物資源化利用現(xiàn)狀及發(fā)展分析

郭文斌 齊文靜 王志鵬 王春光

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

農(nóng)林廢棄物是重要的生物質(zhì)資源，主要來源于農(nóng)業(yè)與林業(yè)生產(chǎn)加工后的植物殘留，如秸稈、牧草、稻殼、木屑、落葉、樹枝、薯渣、甘蔗渣、果殼等，具有可再生，可持續(xù)，利用方式多樣，資源豐富等特點。近年來我國年產(chǎn)農(nóng)林廢棄物接近20億t，種類繁多，產(chǎn)量巨大[1-2]，除少部分得到再利用外，大多被焚燒或掩埋，造成了資源浪費，直接或間接導致了環(huán)境污染。農(nóng)林廢棄物大多具有群體松散，容積密度小，保持形狀及尺寸能力差，可壓縮性好的特點，其在生產(chǎn)過程中既呈現(xiàn)固體態(tài)又表現(xiàn)出了流體性質(zhì)，因此國內(nèi)外從20世紀30年代起就對其開始了壓縮成型技術(shù)與應(yīng)用研究，其應(yīng)用主要集中在生產(chǎn)飼料與燃料上，推動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展[3-6]。例如我國于20世紀90年代起步的秸稈類草物料流變學特性試驗及成型理論研究[7-9]，其研究方法、思路不斷擴展至其他物料，促進了我國農(nóng)林廢棄物資源化利用技術(shù)的發(fā)展。

近年來，我國在農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)成型領(lǐng)域的研究進展有所放緩，許多研究仍集中在單一種類農(nóng)林廢棄物的成型及力學特性分析上，大多數(shù)單一物料壓縮時常需要較高溫度和較大壓力才能達到預期的成型效果，其較高的能耗制約了相關(guān)農(nóng)林廢棄物的再利用。由于單一物料在資源量及性能指標方面相對欠缺[10-12]，使得農(nóng)林廢棄物混配成型成為了該領(lǐng)域研究的未來發(fā)展方向之一。本研究擬對農(nóng)林廢棄物混配成型后進行資源化利用的研究現(xiàn)狀進行綜述，探討將不同理化特點的農(nóng)林廢棄物分類后，混配實現(xiàn)組分互補，進而改善單一物料成型能力與品質(zhì)的可行性；同時提出借助力學特性試驗、顯微形貌觀測、物理性能測試等手段，多尺度分析混合物料成型機理及條件的對策；旨在為解決農(nóng)林廢棄物加工成型能耗大、處理成本高、再利用率低等問題提供思路與關(guān)鍵方法。

1 混配成型條件下農(nóng)林廢棄物資源化利用研究現(xiàn)狀

農(nóng)林廢棄物中不僅含有豐富的有機質(zhì)、營養(yǎng)元素、礦物質(zhì)等成分，而且含有纖維、粗蛋白、淀粉等大量可燃燒物質(zhì)，故其資源化利用在燃料化與飼料化方面起步較早，相關(guān)研究也較多。此外，作為生物質(zhì)殘留，農(nóng)林廢棄物具有很好的可降解性，經(jīng)過恰當處理可自然降解成無害有機物質(zhì)而被土壤等吸收利用，因此隨著加工技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來材料化利用逐漸成為了農(nóng)林廢棄物資源化利用的新途徑，用于制作生物質(zhì)復合材料等。

1.1 燃料化利用研究現(xiàn)狀

我國農(nóng)林廢棄物逐年增多，利用其制備生物質(zhì)燃料已成為處理這些廢棄物最方便、最直接的方式。生物質(zhì)燃料是以農(nóng)林廢棄物為原料，經(jīng)粉碎、干燥、混合、擠壓、固化成型等工藝，制成的具有一定形狀(塊狀、棒狀、顆粒狀)的燃料，雖可直接進行燃燒，但也存在燃燒不充分、燃燒熱值低、成型困難、生產(chǎn)成本高等問題。為解決上述問題，提高生物質(zhì)成型燃料品質(zhì)，增加農(nóng)林廢棄物有效利用途徑，國內(nèi)外近年來從混配成型角度進行了探索性的研究嘗試：1)利用農(nóng)林廢棄物混配成型優(yōu)化生物質(zhì)燃料的燃燒性能指標，例如燃燒熱值、灰分含量[13-14]、燃盡率、著火點[15]、燃燒速率[16]等。已有研究大多選擇燃燒熱值較高的煤粉[17-19]、木屑[20-22]等作為混配成型燃料的組分，利用其燃燒熱值高的特點，與燃燒特性差的農(nóng)林廢棄物形成互補，提升混合生物質(zhì)的整體燃燒品質(zhì)與機械物理性能。2)利用多種農(nóng)林廢棄物混配成型時，選擇將松散、致密化成型難的物料與含水率高、粘結(jié)性強、成型容易的物料按比例混合[23-25]，在特點上形成互補的同時，以物料本身作為天然粘結(jié)劑替代人工粘結(jié)劑，以降低成型能耗[26-28]，制備低成本、高品質(zhì)的生物質(zhì)成型燃料?；炫涑尚腿剂系某Ｒ娫辖M成及代表性研究成果見表1。

1.2 飼料化利用研究現(xiàn)狀

農(nóng)林廢棄物中的植物類廢棄物(如秸稈、檸條等)，因其來源和分布廣泛、產(chǎn)量大、成本低且含有粗蛋白、粗脂肪、各種氨基酸、微量元素等成分，在我國北方地區(qū)常被用作飼料的主要原料進行生產(chǎn)加工，用于飼喂家畜，以解決當前飼草料短缺的問題；但由于秸稈、檸條等植物類廢棄物的粗纖維含量高、適口性差，即使切短、揉碎后飼喂，也會出現(xiàn)采食率低、消化率低等問題，單一飼喂效果不佳，因此相關(guān)研究常用其部分替代粗料，混配制備飼料顆粒，分析飼喂效果：謝立宏等[29]制備全混復合秸稈顆粒飼料時發(fā)現(xiàn)，在溫度、水分和壓力綜合作用下，飼料原料中淀粉發(fā)生糊化、酶活性增強，從而促進飼料更有效地被羊消化吸收，并轉(zhuǎn)化為體重的增加，因此與常規(guī)飼料相比復合顆粒飼料能顯著提高羊的產(chǎn)肉性能、增重速度和出欄率；王昊等[30]分析了環(huán)模?？字睆?、長徑比對復合飼料顆粒硬度及飼喂效果的影響，發(fā)現(xiàn)模孔直徑與長徑比均顯著影響顆粒硬度，進而影響肉雞的消化率及日增重，并給出了生產(chǎn)肉雞飼料適宜選用的環(huán)模直徑；朝魯孟其其格[31]將苜蓿與檸條、秸稈分別混合后壓制草顆粒，通過正交試驗得到了兩種混合草物料成型的最佳工藝，并發(fā)現(xiàn)混草顆粒很好地改善了秸稈與檸條的適口性，其采食量明顯高于單獨飼喂秸稈顆?；驒帡l顆粒。此外，對飼喂效果進一步調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，畜禽混合日糧中每種飼料并非單獨存在，而是以某種方式相互作用、影響，即組合效應(yīng)[32-33]，通過合理搭配各種飼料原料可以充分利用這種效應(yīng)，以發(fā)揮出混配成型飼料的最佳飼喂效果；已有研究注意到了組合效應(yīng)對飼料養(yǎng)分及飼喂效果的影響，提出在常規(guī)制粒工藝下，制粒質(zhì)量的提升不應(yīng)以犧牲營養(yǎng)質(zhì)量為代價[34]，因此需要尋找新方法兼顧飼料顆粒物理質(zhì)量與養(yǎng)分。

表1 混配成型燃料的原料組成及代表性研究成果匯總Table 1 Material composition and representative research results of blended fuel briquettes

除飼喂效果外，混配成型飼料的成型質(zhì)量是該領(lǐng)域研究的另一熱點，其直接影響飼料的生產(chǎn)、儲運與飼喂，目前主要集中在以顆粒密度、硬度、抗碎率、成型率、粉化率等為指標[35-37]，以含水率、配比、粒度、模孔直徑等為影響因素的成型試驗研究[38-39]與工藝分析研究[40-41]等方面，相關(guān)研究的主要原料組成及成果見表2。

1.3 材料化利用研究現(xiàn)狀

混配成型條件下農(nóng)林廢棄物的材料化利用主要集中于制備生物質(zhì)復合材料，即通過多種農(nóng)林廢棄物混合或農(nóng)林廢棄物與其他物料混合的方式，采用一定加工方法，獲得多功能、高性能及高附加值的新型復合材料。例如，制備木塑復合材料、熱塑性淀粉基復合材料時，常以秸稈、稻殼、薯渣、木屑等農(nóng)林廢棄物中的植物纖維作為增強體[42]，在一定條件下與樹脂、塑料等混合，再經(jīng)過平壓、模壓方法生產(chǎn)出板材及型材用于家具裝飾、建材、包裝等行業(yè)[43-45]。由于復合材料需要具備良好的力學、物理性能和一些其他特殊性能，因此已有試驗研究常在農(nóng)林廢棄物等原料中添加粘結(jié)劑、溶脹劑、增塑劑等輔助添加物以增強材料的品質(zhì)及功能，并通過研究其成型后的力學物理性能、從微觀角度分析不同物料間的界面結(jié)合機理[46-48]，得到生物質(zhì)復合材料的原料最優(yōu)配比及最佳成型工藝參數(shù)。

隨著各行業(yè)對生物質(zhì)復合材料環(huán)保性要求的提高，以及對林木資源保護力度的加大，復合材料的增強體原料已逐漸由木材拓展至稻殼、秸稈[49-51]等資源量豐富的低成本農(nóng)林廢棄物[52-53]；而復合材料中的粘結(jié)劑、改性劑等人工添加劑，也逐漸以更環(huán)保、更安全的天然可降解物質(zhì)替代[54-55]，并通過較為環(huán)保的改性處理方法，增強復合材料界面結(jié)合能力及性能，相關(guān)研究的原料組成及成果見表3。

表2 混配成型飼料的原料組成及代表性研究成果匯總Table 2 Material composition and representative research results of blended feed briquettes

表3 生物質(zhì)復合材料的原料組成及代表性研究成果匯總Table 3 Material composition and representative research results of blended biocomposite

2 混配成型條件下農(nóng)林廢棄物資源化利用的發(fā)展對策分析

2.1 燃料化利用存在問題及發(fā)展對策分析

在利用農(nóng)林廢棄物混配壓制燃料的已有研究中，常選擇煤粉、木屑等作為原料的主要組分，雖然能夠提高混合生物質(zhì)燃料整體的燃燒熱值，但也帶來了制約其發(fā)展的一些問題：例如煤粉作為不可再生能源，與農(nóng)林廢棄物混合燃燒后，仍存在污染排放嚴重、加速化石能源消耗等問題；又如鋸末、木屑等富含木質(zhì)素的農(nóng)林廢棄物，常溫下冷壓較難成型，只有當溫度達到150 ℃以上木質(zhì)素發(fā)生軟化后，才會產(chǎn)生膠粘性物質(zhì)促進成型，因此當前研究多采用高溫熱壓成型的方式對含木質(zhì)素類物料進行混壓，制備燃料顆粒，其能耗大、成本高，制約了混合生物質(zhì)成型燃料的再利用發(fā)展。

如何結(jié)合不同農(nóng)林廢棄物的物性特點，通過混配手段降低壓制燃料顆粒、燃料棒的成型溫度，以低成本的加工方法提升其成型與燃燒品質(zhì)，將成為制備混合生物質(zhì)燃料的關(guān)鍵。在降低成型溫度方面，由于農(nóng)林廢棄物成分中的淀粉、蛋白質(zhì)等在一定溫度下會產(chǎn)生粘結(jié)作用，因此有研究表明80 ℃左右溫度范圍內(nèi)相關(guān)農(nóng)林廢棄物料的混配成型效果較好[24-26]，而該溫度范圍理論上通過加工設(shè)備工作時產(chǎn)生的熱量就可以達到。鑒于此，如果能從研究物料顆粒間的天然粘結(jié)機制入手，深入分析混合物料的微細觀成型機理，充分發(fā)掘農(nóng)林廢棄物料自身潛力，進一步改善其成型溫度條件及工藝，并以此指導混合成型燃料的生產(chǎn)加工，其研究成果將在一定程度上解決制備成型燃料能耗高的問題。在提升燃燒品質(zhì)方面，除了通過物理或化學方法對農(nóng)林廢棄物進行預處理提升其燃燒熱值外，還要考慮以低成本的物料混配方法促進物料顆粒間的天然粘結(jié)，改進與發(fā)展致密成型技術(shù)手段，通過進一步增大成型燃料密度來提升燃燒品質(zhì)。

2.2 飼料化利用存在問題及發(fā)展對策分析

利用混配成型制備塊狀、顆粒狀飼料，不僅節(jié)省了貯運空間，減少了飼喂中的浪費，還解決了由于農(nóng)林廢棄物種類單一帶來的飼料營養(yǎng)不均衡、適口性差、采食及消化率低的問題；但隨著研究的深入，越來越多的學者發(fā)現(xiàn)，若要進一步提升畜禽采食率、消化率及日增重，充分發(fā)揮混配成型飼料的最佳性能，就必須分析利用混配成型飼料中各組分間的組合效應(yīng)，但如何利用這種效應(yīng)仍是未來該領(lǐng)域研究的主要任務(wù)。例如含有淀粉、蛋白質(zhì)的植物類廢棄物在制粒時受機器溫度影響，其所含淀粉會出現(xiàn)凝膠、蛋白質(zhì)會發(fā)生變性[56-57]，從而使混合物料的營養(yǎng)成分、成型能力等發(fā)生改變，如何控制或促進這種改變，利用其帶來有益的組合效應(yīng)將十分關(guān)鍵。

除營養(yǎng)成分的組合效應(yīng)外，如何進一步改善混合飼料塊或顆粒的成型質(zhì)量、降低加工成本是目前該領(lǐng)域研究所面臨的另一主要問題。已有研究多從顆粒物理性能測試、力學特性分析、加工條件及工藝優(yōu)化等宏觀角度入手，尋找改善混配成型飼料顆粒質(zhì)量的途徑；而結(jié)合農(nóng)林廢棄物自身成分特點，從微細觀角度分析混配成型機理、提升成型質(zhì)量的研究較少。Nalladurai等[58]曾在研究秸稈類草物料成型過程中指出：農(nóng)林廢棄物中木質(zhì)素、淀粉、蛋白質(zhì)等成分可在一定條件下轉(zhuǎn)化為天然粘結(jié)劑(Natural Binder)，在物料顆粒間架橋(solid bridge)，形成機械互鎖式結(jié)構(gòu)。因此，分析利用不同物料顆粒間的天然粘結(jié)作用機理，在不增加甚至是降低加工成本的基礎(chǔ)上改善混合飼料塊或顆粒的成型質(zhì)量，將使混配成型飼料的優(yōu)越性得到進一步發(fā)揮。

2.3 材料化利用存在問題及發(fā)展對策分析

與飼料化、燃料化利用相比，在制備復合材料前，作為主要原料的農(nóng)林廢棄物常需要經(jīng)過干燥、制粉、堿處理、表面改性、微波處理等各種復雜預處理工序，導致其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝復雜、加工成本較高，不利于材料化利用途徑的進一步推廣與發(fā)展。此外，為了保證復合材料質(zhì)量、提升界面結(jié)合性能，大部分研究進行試驗時常在農(nóng)林廢棄物原料中添加各類人工粘結(jié)劑、改性劑、塑化劑等，不僅增加了成本，還對所生產(chǎn)材料的綠色環(huán)保性能產(chǎn)生了一定影響。因此，應(yīng)繼續(xù)從拓展原料及添加劑種類的角度降低復合材料生產(chǎn)成本、提升其環(huán)保性能。

此外，生物質(zhì)復合材料的混配成型技術(shù)也應(yīng)得到進一步的重視。從目前研究現(xiàn)狀來看，農(nóng)林廢棄物制備復合材料的相關(guān)研究主要涉及產(chǎn)品力學物理特性分析與微觀組織結(jié)構(gòu)分析兩方面，而對于復合材料成型過程中其混合原料的機械特性、流變特性、力傳遞機制的研究尚鮮；因此若能從農(nóng)林廢棄物原料力學特性研究入手，分析得到混合物料成型能力及條件，并與微觀結(jié)構(gòu)分析對比映證，其研究結(jié)果勢必會進一步推動生物質(zhì)復合材料的組分優(yōu)化，以提升產(chǎn)品性能、降低加工成本。

3 結(jié)束語

一直以來，制約農(nóng)林廢棄物壓縮成型的問題集中在成型品質(zhì)低、加工成本高、資源化利用效果差等幾個方面，混配成型方式的出現(xiàn)為解決上述問題提供了思路，其作用在于可以通過混配將不同物料的理化特點結(jié)合起來進行互補，充分發(fā)掘農(nóng)林廢棄物自身潛力，改善成型能力、降低加工成本的同時，提升其使用性能以滿足資源化利用需求。因此，根據(jù)當前農(nóng)林廢棄物資源化利用途徑及現(xiàn)狀，在選擇物料進行混配成型研究時提出如下建議：1)將干燥松散、較難成型的物料與不易脫水、膠粘性強的物料混配，發(fā)揮物料的天然粘結(jié)作用，提升物料成型能力，解決當前資源化利用過程中普遍存在的熱壓成型溫度高、人工粘結(jié)成本高的問題，降低成型能耗；2)將燃燒熱值高、著火點低的物料與容易致密成型、燃燒特性差的物料混配，提升混合物料燃燒品質(zhì)的同時，解決其燃料化利用過程中存在的成型密度低、耐久性差等問題；3)將松散、粗纖維含量高的物料與易于成型、適口性好、采食消化率高的物料混配，解決飼料化利用過程中顆粒飼料物理質(zhì)量與營養(yǎng)質(zhì)量難以兼顧、營養(yǎng)不均衡、浪費嚴重等問題，充分發(fā)揮混配成型飼料各組分間的組合效應(yīng)；4)將含有可以替代化工類粘結(jié)劑、溶脹劑、增塑劑、改性劑成分的物料與其他農(nóng)林廢棄物料進行混配，減少非環(huán)保型輔助添加劑的使用，解決材料化利用過程中遇到的可降解能力差、環(huán)保性能差等問題。

利用混配成型思路解決農(nóng)林廢棄物資源化利用過程中遇到的問題，關(guān)鍵還在于能否解析得到混配成型過程中不同物料顆粒間的粘結(jié)機制與微細觀作用機制，這方面的分析探索將成為未來該領(lǐng)域研究的重點，其研究過程可與物料混配成型工藝研究、產(chǎn)品力學物理性能研究結(jié)合在一起，通過多尺度分析對農(nóng)林廢棄物混配成型機理進行探索，以充分發(fā)揮混配成型在農(nóng)林廢棄物資源化利用過程中的作用。