混配成型条件下农林废弃物资源化利用现状及发展分析

郭文斌 齐文静 王志鹏 王春光

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

农林废弃物是重要的生物质资源，主要来源于农业与林业生产加工后的植物残留，如秸秆、牧草、稻壳、木屑、落叶、树枝、薯渣、甘蔗渣、果壳等，具有可再生，可持续，利用方式多样，资源丰富等特点。近年来我国年产农林废弃物接近20亿t，种类繁多，产量巨大[1-2]，除少部分得到再利用外，大多被焚烧或掩埋，造成了资源浪费，直接或间接导致了环境污染。农林废弃物大多具有群体松散，容积密度小，保持形状及尺寸能力差，可压缩性好的特点，其在生产过程中既呈现固体态又表现出了流体性质，因此国内外从20世纪30年代起就对其开始了压缩成型技术与应用研究，其应用主要集中在生产饲料与燃料上，推动了相关技术的发展[3-6]。例如我国于20世纪90年代起步的秸秆类草物料流变学特性试验及成型理论研究[7-9]，其研究方法、思路不断扩展至其他物料，促进了我国农林废弃物资源化利用技术的发展。

近年来，我国在农林废弃物生物质成型领域的研究进展有所放缓，许多研究仍集中在单一种类农林废弃物的成型及力学特性分析上，大多数单一物料压缩时常需要较高温度和较大压力才能达到预期的成型效果，其较高的能耗制约了相关农林废弃物的再利用。由于单一物料在资源量及性能指标方面相对欠缺[10-12]，使得农林废弃物混配成型成为了该领域研究的未来发展方向之一。本研究拟对农林废弃物混配成型后进行资源化利用的研究现状进行综述，探讨将不同理化特点的农林废弃物分类后，混配实现组分互补，进而改善单一物料成型能力与品质的可行性；同时提出借助力学特性试验、显微形貌观测、物理性能测试等手段，多尺度分析混合物料成型机理及条件的对策；旨在为解决农林废弃物加工成型能耗大、处理成本高、再利用率低等问题提供思路与关键方法。

1 混配成型条件下农林废弃物资源化利用研究现状

农林废弃物中不仅含有丰富的有机质、营养元素、矿物质等成分，而且含有纤维、粗蛋白、淀粉等大量可燃烧物质，故其资源化利用在燃料化与饲料化方面起步较早，相关研究也较多。此外，作为生物质残留，农林废弃物具有很好的可降解性，经过恰当处理可自然降解成无害有机物质而被土壤等吸收利用，因此随着加工技术的不断发展，近年来材料化利用逐渐成为了农林废弃物资源化利用的新途径，用于制作生物质复合材料等。

1.1 燃料化利用研究现状

我国农林废弃物逐年增多，利用其制备生物质燃料已成为处理这些废弃物最方便、最直接的方式。生物质燃料是以农林废弃物为原料，经粉碎、干燥、混合、挤压、固化成型等工艺，制成的具有一定形状(块状、棒状、颗粒状)的燃料，虽可直接进行燃烧，但也存在燃烧不充分、燃烧热值低、成型困难、生产成本高等问题。为解决上述问题，提高生物质成型燃料品质，增加农林废弃物有效利用途径，国内外近年来从混配成型角度进行了探索性的研究尝试：1)利用农林废弃物混配成型优化生物质燃料的燃烧性能指标，例如燃烧热值、灰分含量[13-14]、燃尽率、着火点[15]、燃烧速率[16]等。已有研究大多选择燃烧热值较高的煤粉[17-19]、木屑[20-22]等作为混配成型燃料的组分，利用其燃烧热值高的特点，与燃烧特性差的农林废弃物形成互补，提升混合生物质的整体燃烧品质与机械物理性能。2)利用多种农林废弃物混配成型时，选择将松散、致密化成型难的物料与含水率高、粘结性强、成型容易的物料按比例混合[23-25]，在特点上形成互补的同时，以物料本身作为天然粘结剂替代人工粘结剂，以降低成型能耗[26-28]，制备低成本、高品质的生物质成型燃料。混配成型燃料的常见原料组成及代表性研究成果见表1。

1.2 饲料化利用研究现状

农林废弃物中的植物类废弃物(如秸秆、柠条等)，因其来源和分布广泛、产量大、成本低且含有粗蛋白、粗脂肪、各种氨基酸、微量元素等成分，在我国北方地区常被用作饲料的主要原料进行生产加工，用于饲喂家畜，以解决当前饲草料短缺的问题；但由于秸秆、柠条等植物类废弃物的粗纤维含量高、适口性差，即使切短、揉碎后饲喂，也会出现采食率低、消化率低等问题，单一饲喂效果不佳，因此相关研究常用其部分替代粗料，混配制备饲料颗粒，分析饲喂效果：谢立宏等[29]制备全混复合秸秆颗粒饲料时发现，在温度、水分和压力综合作用下，饲料原料中淀粉发生糊化、酶活性增强，从而促进饲料更有效地被羊消化吸收，并转化为体重的增加，因此与常规饲料相比复合颗粒饲料能显著提高羊的产肉性能、增重速度和出栏率；王昊等[30]分析了环模模孔直径、长径比对复合饲料颗粒硬度及饲喂效果的影响，发现模孔直径与长径比均显著影响颗粒硬度，进而影响肉鸡的消化率及日增重，并给出了生产肉鸡饲料适宜选用的环模直径；朝鲁孟其其格[31]将苜蓿与柠条、秸秆分别混合后压制草颗粒，通过正交试验得到了两种混合草物料成型的最佳工艺，并发现混草颗粒很好地改善了秸秆与柠条的适口性，其采食量明显高于单独饲喂秸秆颗粒或柠条颗粒。此外，对饲喂效果进一步调查分析发现，畜禽混合日粮中每种饲料并非单独存在，而是以某种方式相互作用、影响，即组合效应[32-33]，通过合理搭配各种饲料原料可以充分利用这种效应，以发挥出混配成型饲料的最佳饲喂效果；已有研究注意到了组合效应对饲料养分及饲喂效果的影响，提出在常规制粒工艺下，制粒质量的提升不应以牺牲营养质量为代价[34]，因此需要寻找新方法兼顾饲料颗粒物理质量与养分。

表1 混配成型燃料的原料组成及代表性研究成果汇总Table 1 Material composition and representative research results of blended fuel briquettes

除饲喂效果外，混配成型饲料的成型质量是该领域研究的另一热点，其直接影响饲料的生产、储运与饲喂，目前主要集中在以颗粒密度、硬度、抗碎率、成型率、粉化率等为指标[35-37]，以含水率、配比、粒度、模孔直径等为影响因素的成型试验研究[38-39]与工艺分析研究[40-41]等方面，相关研究的主要原料组成及成果见表2。

1.3 材料化利用研究现状

混配成型条件下农林废弃物的材料化利用主要集中于制备生物质复合材料，即通过多种农林废弃物混合或农林废弃物与其他物料混合的方式，采用一定加工方法，获得多功能、高性能及高附加值的新型复合材料。例如，制备木塑复合材料、热塑性淀粉基复合材料时，常以秸秆、稻壳、薯渣、木屑等农林废弃物中的植物纤维作为增强体[42]，在一定条件下与树脂、塑料等混合，再经过平压、模压方法生产出板材及型材用于家具装饰、建材、包装等行业[43-45]。由于复合材料需要具备良好的力学、物理性能和一些其他特殊性能，因此已有试验研究常在农林废弃物等原料中添加粘结剂、溶胀剂、增塑剂等辅助添加物以增强材料的品质及功能，并通过研究其成型后的力学物理性能、从微观角度分析不同物料间的界面结合机理[46-48]，得到生物质复合材料的原料最优配比及最佳成型工艺参数。

随着各行业对生物质复合材料环保性要求的提高，以及对林木资源保护力度的加大，复合材料的增强体原料已逐渐由木材拓展至稻壳、秸秆[49-51]等资源量丰富的低成本农林废弃物[52-53]；而复合材料中的粘结剂、改性剂等人工添加剂，也逐渐以更环保、更安全的天然可降解物质替代[54-55]，并通过较为环保的改性处理方法，增强复合材料界面结合能力及性能，相关研究的原料组成及成果见表3。

表2 混配成型饲料的原料组成及代表性研究成果汇总Table 2 Material composition and representative research results of blended feed briquettes

表3 生物质复合材料的原料组成及代表性研究成果汇总Table 3 Material composition and representative research results of blended biocomposite

2 混配成型条件下农林废弃物资源化利用的发展对策分析

2.1 燃料化利用存在问题及发展对策分析

在利用农林废弃物混配压制燃料的已有研究中，常选择煤粉、木屑等作为原料的主要组分，虽然能够提高混合生物质燃料整体的燃烧热值，但也带来了制约其发展的一些问题：例如煤粉作为不可再生能源，与农林废弃物混合燃烧后，仍存在污染排放严重、加速化石能源消耗等问题；又如锯末、木屑等富含木质素的农林废弃物，常温下冷压较难成型，只有当温度达到150 ℃以上木质素发生软化后，才会产生胶粘性物质促进成型，因此当前研究多采用高温热压成型的方式对含木质素类物料进行混压，制备燃料颗粒，其能耗大、成本高，制约了混合生物质成型燃料的再利用发展。

如何结合不同农林废弃物的物性特点，通过混配手段降低压制燃料颗粒、燃料棒的成型温度，以低成本的加工方法提升其成型与燃烧品质，将成为制备混合生物质燃料的关键。在降低成型温度方面，由于农林废弃物成分中的淀粉、蛋白质等在一定温度下会产生粘结作用，因此有研究表明80 ℃左右温度范围内相关农林废弃物料的混配成型效果较好[24-26]，而该温度范围理论上通过加工设备工作时产生的热量就可以达到。鉴于此，如果能从研究物料颗粒间的天然粘结机制入手，深入分析混合物料的微细观成型机理，充分发掘农林废弃物料自身潜力，进一步改善其成型温度条件及工艺，并以此指导混合成型燃料的生产加工，其研究成果将在一定程度上解决制备成型燃料能耗高的问题。在提升燃烧品质方面，除了通过物理或化学方法对农林废弃物进行预处理提升其燃烧热值外，还要考虑以低成本的物料混配方法促进物料颗粒间的天然粘结，改进与发展致密成型技术手段，通过进一步增大成型燃料密度来提升燃烧品质。

2.2 饲料化利用存在问题及发展对策分析

利用混配成型制备块状、颗粒状饲料，不仅节省了贮运空间，减少了饲喂中的浪费，还解决了由于农林废弃物种类单一带来的饲料营养不均衡、适口性差、采食及消化率低的问题；但随着研究的深入，越来越多的学者发现，若要进一步提升畜禽采食率、消化率及日增重，充分发挥混配成型饲料的最佳性能，就必须分析利用混配成型饲料中各组分间的组合效应，但如何利用这种效应仍是未来该领域研究的主要任务。例如含有淀粉、蛋白质的植物类废弃物在制粒时受机器温度影响，其所含淀粉会出现凝胶、蛋白质会发生变性[56-57]，从而使混合物料的营养成分、成型能力等发生改变，如何控制或促进这种改变，利用其带来有益的组合效应将十分关键。

除营养成分的组合效应外，如何进一步改善混合饲料块或颗粒的成型质量、降低加工成本是目前该领域研究所面临的另一主要问题。已有研究多从颗粒物理性能测试、力学特性分析、加工条件及工艺优化等宏观角度入手，寻找改善混配成型饲料颗粒质量的途径；而结合农林废弃物自身成分特点，从微细观角度分析混配成型机理、提升成型质量的研究较少。Nalladurai等[58]曾在研究秸秆类草物料成型过程中指出：农林废弃物中木质素、淀粉、蛋白质等成分可在一定条件下转化为天然粘结剂(Natural Binder)，在物料颗粒间架桥(solid bridge)，形成机械互锁式结构。因此，分析利用不同物料颗粒间的天然粘结作用机理，在不增加甚至是降低加工成本的基础上改善混合饲料块或颗粒的成型质量，将使混配成型饲料的优越性得到进一步发挥。

2.3 材料化利用存在问题及发展对策分析

与饲料化、燃料化利用相比，在制备复合材料前，作为主要原料的农林废弃物常需要经过干燥、制粉、碱处理、表面改性、微波处理等各种复杂预处理工序，导致其产品生产工艺复杂、加工成本较高，不利于材料化利用途径的进一步推广与发展。此外，为了保证复合材料质量、提升界面结合性能，大部分研究进行试验时常在农林废弃物原料中添加各类人工粘结剂、改性剂、塑化剂等，不仅增加了成本，还对所生产材料的绿色环保性能产生了一定影响。因此，应继续从拓展原料及添加剂种类的角度降低复合材料生产成本、提升其环保性能。

此外，生物质复合材料的混配成型技术也应得到进一步的重视。从目前研究现状来看，农林废弃物制备复合材料的相关研究主要涉及产品力学物理特性分析与微观组织结构分析两方面，而对于复合材料成型过程中其混合原料的机械特性、流变特性、力传递机制的研究尚鲜；因此若能从农林废弃物原料力学特性研究入手，分析得到混合物料成型能力及条件，并与微观结构分析对比映证，其研究结果势必会进一步推动生物质复合材料的组分优化，以提升产品性能、降低加工成本。

3 结束语

一直以来，制约农林废弃物压缩成型的问题集中在成型品质低、加工成本高、资源化利用效果差等几个方面，混配成型方式的出现为解决上述问题提供了思路，其作用在于可以通过混配将不同物料的理化特点结合起来进行互补，充分发掘农林废弃物自身潜力，改善成型能力、降低加工成本的同时，提升其使用性能以满足资源化利用需求。因此，根据当前农林废弃物资源化利用途径及现状，在选择物料进行混配成型研究时提出如下建议：1)将干燥松散、较难成型的物料与不易脱水、胶粘性强的物料混配，发挥物料的天然粘结作用，提升物料成型能力，解决当前资源化利用过程中普遍存在的热压成型温度高、人工粘结成本高的问题，降低成型能耗；2)将燃烧热值高、着火点低的物料与容易致密成型、燃烧特性差的物料混配，提升混合物料燃烧品质的同时，解决其燃料化利用过程中存在的成型密度低、耐久性差等问题；3)将松散、粗纤维含量高的物料与易于成型、适口性好、采食消化率高的物料混配，解决饲料化利用过程中颗粒饲料物理质量与营养质量难以兼顾、营养不均衡、浪费严重等问题，充分发挥混配成型饲料各组分间的组合效应；4)将含有可以替代化工类粘结剂、溶胀剂、增塑剂、改性剂成分的物料与其他农林废弃物料进行混配，减少非环保型辅助添加剂的使用，解决材料化利用过程中遇到的可降解能力差、环保性能差等问题。

利用混配成型思路解决农林废弃物资源化利用过程中遇到的问题，关键还在于能否解析得到混配成型过程中不同物料颗粒间的粘结机制与微细观作用机制，这方面的分析探索将成为未来该领域研究的重点，其研究过程可与物料混配成型工艺研究、产品力学物理性能研究结合在一起，通过多尺度分析对农林废弃物混配成型机理进行探索，以充分发挥混配成型在农林废弃物资源化利用过程中的作用。