秸秆粉体利用技术及秸秆微粉碎研究现状与展望

付敏 陈效庆 高泽飞 王成梦 郝镒林 郭世珂

摘要：秸秆微粉碎后可作为新型节能环保原料，实现精细化和高值化利用。通过文献综述秸秆粉体的利用技术、秸秆微粉碎方式、秸秆微粉碎理论及设备研究现状，指出存在问题并展望未来发展方向。当前秸秆的利用途径多元化，秸秆粉体被应用于复合材料等众多领域，且市场需求持续增长。针对秸秆特性最适宜的粉碎方式是机械粉碎，但存在能耗大、粉尘污染等问题。秸秆微粉碎设备多借鉴矿石类物料的微粉碎设备，原料适应性差，且不能兼顾细粉碎粒度和高生产率的要求。粉碎理论研究多关注粉碎效果、能耗以及产量的影响因素，针对秸秆物性进行粉碎机理的研究较少。未来应扩大秸秆粉体高值化应用场景，探究更适宜规模化生产的秸秆复合微粉碎方式，提高秸秆微粉碎设备的自动化、专门化、简单化和轻量化。

关键词：秸秆利用；秸秆粉体；微粉碎；微粉碎理论；微粉碎设备

中图分类号：TK6

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2023） 070091

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Research status and prospect of straw powder utilization technology and straw micro-grinding

Fu Min， Chen Xiaoqing， Gao Zefei， Wang Chengmeng， Hao Yilin， Guo Shike

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， 150040， China）

Abstract： The straw can be used as a new energy-saving and environment-friendly raw material after micro-grinding to achieve fine and high-value utilization. By reading literature on the topic， the research status of the utilization technology of straw powder and the research situation of the method， theory， and equipment of straw micro-grinding were summarized. This paper identified the existing problems and prospects for future development. Straw has diverse applications， including its use in composite materials， and the market demand continues to grow. According to the characteristics of straw， the most suitable grinding method is mechanical grinding， while many problems exist， such as high energy consumption and dust pollution. At present， most straw micro-grinding equipment draws inspiration from the micro-grinding technology and equipment of ore materials， which has poor adaptability to different raw materials and fails to meet the requirements of fine powder particle size and high productivity. Additionally， research on grinding theory mainly focuses on factors influencing the grinding effect， energy consumption， and yield， while limited research is done on the grinding mechanism based on the physical properties of straws. In the future， the application scenario of high-value straw powder should be expanded， the straw composite micro-crushing method more suitable for large-scale production should be explored， and the automation， specialization， simplification， and lightweight nature of straw micro-crushing equipment should be improved.

Keywords： straw utilization; straw powder; micro-grinding; microcomminution theory; micropulverizing equipment

0 引言

我國农作物秸秆资源十分丰富，截止到2022年，我国秸秆年总产量为9.77亿吨，可收集资源量为7.37亿吨，综合利用率为89.80%，但仍有部分秸秆未能得到合理利用，存在露天焚烧和随意废弃的现象，不仅造成资源浪费，还对环境造成极大污染［1］。我国预期在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，迫切需要使用可再生能源，以缓解资源匮乏和改善环境污染。

农作物秸秆是指玉米、水稻、小麦、棉花、甘蔗等农作物收获之后的剩余部分，主要成分有纤维素、半纤维素和木质素，是一种可再生能源。秸秆微粉碎后可作为新型节能环保原料实现高值化利用，使其不再局限于供热、饲料等低附加值领域，达到节约资源、保护环境的目的［2］。目前秸秆粉体被应用于复合材料、可降解塑料、制取氢气和电池材料等众多领域，且市场需求持续增长。为此，本文对目前农作物秸秆及其粉体的利用现状进行系统总结，分析现有秸秆微粉碎设备的结构与原理，综述微粉碎机理的研究现状，指出现有研究存在的问题，展望秸秆微粉碎技术的发展方向，旨在为我国农作物秸秆微粉碎技术及设备的研究提供参考，促进我国秸秆产业的规模化发展。

1 秸秆利用技术现状

1.1 秸秆“五化”利用

我国农业农村部提出农作物秸秆“五化”利用模式，分别为饲料化、燃料化、基料化、原料化、肥料化［3］。

1.1.1 饲料化利用

秸秆具有一定的营养价值，很适合用来喂养牲畜。随着农业科学技术的进步，秸秆在回收后，运用先进的生产线技术，将其加工后当作饲料使用，是提高秸秆饲用价值的最有效途径之一。将秸秆生物发酵饲料应用于动物生产中，可以调节肠道菌群，促进瘤胃发酵，改善畜产品品质，提高养殖经济效益。秸秆生物发酵饲料主要是利用酶制剂、活菌制剂或酶菌联合进行生产，可有效提高秸秆营养价值，消除抗营养因子，提高农作物秸秆的饲用价值［4］。

1.1.2 燃料化利用

燃料化利用是农作物秸秆的重要利用途径之一，发展秸秆燃料化可以缓解传统化石能源紧缺、减轻环境污染、优化能源结构。秸秆燃料化利用方式主要有生物柴油、直燃发电、秸秆沼气、生物乙醇等。

利用农作物秸秆制取单糖，再经微生物发酵得到油脂，进而可制备生物柴油。但目前农作物秸秆制取柴油存在技术难度大、转化能耗高的问题，所以该技术仍处于实验室阶段，尚未形成产业化。利用秸秆直燃发电，不仅能缓解部分地区电力紧张，而且发电后剩余的草木灰还可以用做还田肥料。但是秸秆直燃发电的产业化技术尚未成熟，发电成本高于常规火电成本，发电设备过度依赖进口，导致运营成本较高。农作物秸秆制取沼气主要是通过微生物在厌氧条件下发酵生成甲烷，在减小环境污染的同时实现能源有效利用［5］。但由于秸秆中存在大量纤维素，不易降解，所以该技术存在发酵周期长、秸秆利用率低等问题。

生物乙醇是以农作物秸秆为原料，从秸秆中提取纤维素，再经过一定工序加工转化后得到的乙醇，是一种绿色可再生液体燃料，可用作汽油添加剂。第一代生物乙醇以谷物淀粉为原料，但随着对生物乙醇需求量的扩大，其制取技术迎来了技术革新，秸秆粉体因来源丰富、价格低廉，被认为是一种新的、更有前景的生物乙醇生产资源［6］。但第二代生物乙醇技术目前存在农作物秸秆粉体制备技术不成熟、制取成本较高、原料分布分散且收集困难等瓶颈。

1.1.3 基料化利用

秸秆中含有丰富的碳、氮、氧等元素，有利于菌类的生长，且资源丰富、价格低廉，是用来做菌类培养基的理想原料。秸秆的基料化利用主要包括食用菌和植物栽培基料、育苗基料、草坪基料、用于动物饲养的秸秆垫料等［7］，其生产流程见图1。

1.1.4 原料化利用

秸秆原料化利用主要是将农作物秸秆提取加工成工业生产的原材料，主要利用技术包括秸秆造纸、人造板材、秸秆餐具、轻型建材、秸秆纤维等。人造板材可以用于家具、门窗、饰材等方面，也可以用来铺设栈道，从秸秆中提取的纤维素可以用来制作过滤材料、抗菌包装材料等。

1.1.5 肥料化利用

目前秸秆的肥料化利用场景主要为秸秆还田，秸秆的还田方式可分为：秸秆直接还田、秸秆间接还田、秸秆生化腐熟还田。

秸秆直接还田具有方便快捷、效率高、成本低的优点。秸秆间接还田包括堆沤和过腹还田，堆沤还田是指将秸秆在高温厌氧条件下腐烂后还田的技术。过腹还田是指秸秆经过动物的消化后还田，既降低了养殖成本，也减少了秸秆资源浪费。秸秆生化腐熟还田是将秸秆与生物菌剂混合，在催化剂和高温的作用下生成有机熟肥的技术［8］。

1.2 秸秆粉体的利用技术

上述五种秸秆利用技术多数是将农作物秸秆粗粉碎后加以使用，利用模式粗放、附加值低。因秸秆微粉碎后可以实现精细化和高值化利用，市场需求日益增加，目前秸秆粉体已应用于复合材料、生物可降解塑料、秸秆制氢、电池材料等领域。

1.2.1 復合材料

秸秆粉体表面活性高、填充补强性能好，故被应用于秸塑复合材料、人造板材、无胶纤维板、人造橡胶、3D打印材料等领域。

Yang等［9］采用木材粉和秸秆粉制备秸塑复合材料，该复合材料的保温和隔音效果良好，可用来代替木制保温板。侯楚豪［10］以100目的玉米秸秆粉为原料、无机胶黏剂为基材，经冷压工艺制备出了玉米板，并探究了配料比、压力大小、冷压时间和温度等因素对板材的拉伸、弯曲、吸水、吸湿性能的影响。钱特蒙［11］以平均粒度为45μm（300目）的秸秆粉为原料，经胶磨和热压制备了具有层状结构的功能化复合无胶纤维板。无胶纤维板能有效避免甲醛的释放，并在制备过程中通过添加纳米粒子和表面改性的方法制备出具有多功能的复合无胶纤维板，多用做家居装修材料。严婷婷等［12］选用100～120目的小麦秸秆作为橡胶的有机填充剂，充分利用生物质材料的质轻、资源丰富等特性，同时改善橡胶复合材料硬度小、收缩性大等问题。杨玉山等［13］将300目小麦秸秆纤维和贝壳粉体按9∶1的比例混合，经过无胶热压来制备层状结构的仿贻贝复合材料。

当前优质的3D打印材料依赖国外进口，但国外材料昂贵且供应周期长，限制了我国3D打印行业的发展，因此研究人员开始研发成本低廉、性能优越的国产替代材料。覃杨华［14］对玉米秸秆粉体（140目）制备3D打印材料进行了研究，分别采用化学法和物理法改性工艺制备3D打印材料，并探究了秸秆种类、秸秆研磨粒径、秸秆量、添加剂、添加剂量等因素对3D打印材料性能的影响。Zhang等［15］以纤维素为原料研发了一种木质基3D打印材料，并结合红外光谱、断面结构、差式扫描来探究打印件的性能，研究表明，该木质基材料力学性能良好，组分间结合机理为机械互锁。

1.2.2 生物可降解塑料

我国的可降解塑料产业存在成本高、产量低、难以普遍化推广使用等问题。研究人员开始采用农作物秸秆粉制备生物可降解塑料，该方法可降低生产成本。

秸秆短纤维通过热压工艺可以制出玉米秸秆纤维/聚乳酸复合材料。聚乳酸（PLA）是易降解的淀粉基塑料，具有良好的生物相容性，并且拥有良好的力学性能和加工性能。葛正浩等［16］利用秸秆粉、聚乳酸和发泡剂在平板硫化机上制备生物可降解塑料，并探究了该材料在不同温度、压力和保压时间下的力学性能。周帅等［17］利用玉米秸秆粉体和PLA制取可降解塑料，同时探究了相容剂对材料吸水性能、力学性能以及接触角的影响。葛铁军等［18］以棕榈酰氯为酯化剂改性秸秆粉（800目），改善秸秆粉与疏水性PBAT的界面相容性问题，考察秸秆粉的不同酯化条件对复合材料力学性能的影响。Cindradewi等［19］将秸秆纤维素作为PBS的增强材料，采用溶剂分散和双螺杆挤出两步法制备PBS/纤维素复合材料，研究了偶联剂和两步法制备对复合材料性能的影响。郭川东等［20］将玉米秸秆粉（180目）和聚乙烯粉混合在一起，并探究了二者混合比例对复合材料力学性能的影响。

1.2.3 秸秆制氢

2022年3月国家发展和改革委员会发布的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》中明确提出要大力发展氢能产业，并描绘了我国氢能产业发展的宏伟蓝图。农作物秸秆中含有丰富的纤维素，可利用其制取氢气，因此研究将农作物秸秆用于制氢的技术有着广阔的发展前景。

Zhang等［21］从秸秆粉（200目）中提取出木质纤维素，再通过微生物发酵转化为可再生糖类资源，为光合产氢细菌利用提供碳源；试验表明，该方法最大产氢速率可达15.89ml/h。Faba等［22］提出了一种利用农作物秸秆制氢的集成工艺，该工艺采用碳酸钙为催化剂，并通过循环利用分解制氢过程中释放的热气来提供部分热量，用厌氧菌发酵来制取氢气。李斌等［23］采用热解气化制取方法，探究三种钙基吸收剂对秸秆制氢效率的影响，试验结果表明三种钙基吸收剂均可以提高玉米秸秆的产氢效率。罗娟等［24］通过产氢试验探究了不同秸秆粒径、底物浓度、pH值对秸秆产氢效率的影响；试验结果表明，秸秆粒径越小，产氢效率越高；随着底物浓度的增加，产氢效率先增大后减小；随着初始pH值的增大，产氢效率会减小。

1.2.4 电池材料

农作物秸秆具有丰富的微观结构，因此可以用来制备不同结构的生物碳材料，而生物碳材料可以用来制作钠离子电池、锂离子电池的极柱。

Qin等［25］以玉米和小麦秸秆为原料，将二者粉碎后通过高温碳化手段合成硬碳材料，并以硬碳材料制作钠离子电池的负极。Zhu等［26］利用玉米秸秆粉体制成生物质硬碳，并在钠离子电池中系统研究了硬碳的电化学性能。Liang等［27］以小麦秸秆中的纤维素为碳源合成了生物质碳材料，通过与SnO2颗粒复合处理得到超细纳米材料，将该材料作为锂离子电池的负极。Nita等［28］把玉米秸秆作为制作电池硬碳（HC）阳极的原料，并对产品进行性能测试，试验结果显示：电池在长期循环中的容量保持稳定，有着良好的容量保持率。

综上所述，除了农作物秸秆“五化”利用模式外，秸秆粉体也开始应用于复合材料、生物可降解塑料、秸秆制氢、化学电池等领域，但秸秆粉体的利用大多停留在理论研究阶段，同时还受到秸秆粉体制备技术和设备的影响，所以即使投入生产也未能大规模量产。此外，每年依然有大量的秸秆被直接燃烧或闲置，浪费资源的同时也加剧了环境污染，所以秸秆的综合利用仍有较大的进步空间。

2 秸秆微粉碎技术与设备研究现状

2.1 微粉碎及粉碎粒度定义

微粉碎技术主要用于物料的粉碎加工，可以显著改变物料的理化特性，使物料满足生产加工的需要。但关于粉体粒度分类及微粉碎的定义目前尚未达成统一的共识。周仕学等［29］将粉体类型分为中细粉体（成品粒度74～500μm）、细粉体（成品粒度10～74μm）、微粉体（成品粒度0.1～10μm）。张长森［30］将粉碎分为破碎和粉磨两类，其中破碎分为粗碎（成品粒度100mm）、中碎（成品粒度30mm）、细碎（成品粒度3mm），粉磨分為粗磨（成品粒度100μm）、细磨（成品粒度60μm）、超细磨（成品粒度<5μm），相应的机械设备分别称为破碎机械和粉磨机械。史早等［31］将超细粉碎技术定义为：通过特定的粉碎技术，在保留物料原有特性的基础上，将物料粉碎至微米、亚微米或纳米尺寸，得到粒径均一粉体的技术，但并未给出超细粉碎对应的具体数值。

但无论怎么划分，理想的微粉碎粉体应该具备化学成分均一、粒径分布范围窄、无团聚等特点。因为100μm粒径的粉体已经具备表面效应和体积效应等性质，所以本文认为小于100μm的粉体为微粉碎粉体，粉碎类型分类如表1所示［32］。

2.2 粉碎方式

根据粉碎原理不同，农作物秸秆粉碎方式可分为物理法、化学法、物理化学法和生物法［33］。

2.2.1 物理法

物理法粉碎方式主要包括机械粉碎、微波粉碎、高能辐射粉碎、超声波粉碎等。

1） 机械粉碎。根据原料状态机械粉碎可分为干法和湿法粉碎。干法粉碎时，物料的水分含量应有一定限制，物料水分过高时需要进行干燥处理。湿法粉碎时，物料悬浮于载体液流中进行粉碎，水可以降低物料的强度，减轻粉碎设备的磨损。根据粉碎时施力方式的不同，机械粉碎又可分为压碎、劈碎、折断、磨碎和冲击粉碎等，其原理和特点见表2。

2） 微波粉碎。微波粉碎是通过微波作用使物料内部分子之间发生碰撞，破坏其分子结构实现粉碎。

3） 高能辐射粉碎。高能辐射粉碎是利用高能射线对物料进行辐射，破坏物料内部分子间氢键和结晶态结构，使其聚合度下降、结构松散，从而实现对物料的粉碎。

4） 超声波粉碎。超声波粉碎是通过能量作用打开纤维素分子中的氢键，破坏木质素和纤维素的结晶区，使纤维的形态结构和超微结构发生变化，有效降低其结晶程度，从而完成对农作物秸秆的粉碎［34］。

2.2.2 化学法

化学法是指采用碱、酸、有机溶剂等化学药品粉碎秸秆纤维的方法。碱法处理是通过碱的作用来削弱纤维素和半纤维素之间的氢键，分离半纤维素和木质素的醚键，碱处理过后的木质纤维素更具多孔性，可使原料得到润胀，从而增加其内部表面积、降低聚合度和结晶度［35］。酸法处理是指在温度160℃～220℃条件下利用0.05%～5%的酸作为催化剂溶解半纤维素和木质素，通常可增加半纤维素和木质素的可溶解性。

2.2.3 物理化学法

物理化学法包括气爆法、氨纤维爆裂法。汽爆法是木质纤维素原料预处理较常用的方法，蒸汽爆裂法是用几十个大气压的高压饱和蒸汽处理生物质原料，然后突然减压，使原料爆裂降解［36］。氨纤维爆裂法将木质纤维素原料在相对较低的压力和温度下用液氨处理，然后突然减压，氨因压力的突然降低而蒸发，导致温度急剧变化，造成纤维素晶体的爆裂，使纤维素结构被破坏。

2.2.4 生物法

生物法是用木腐菌来分解木质素的一种方法，主要的木腐菌有白腐菌、褐腐菌和软腐菌［5］。

上文介绍了农作物秸秆常用粉碎方式的作用机理，农作物秸秆粉碎方式的优缺点对比分析（见表3）表明，目前适于秸秆规模化生产的粉碎方式为机械粉碎。

2.3 微粉碎设备

目前规模化的微粉碎设备主要应用于冶金、化工、建筑、制药行业，根据粉碎方法和粉碎室结构的不同，可以将微粉碎机分为气流粉碎机、高速机械冲击磨、振动磨、搅拌磨、研磨机、高压滚磨机、胶体磨等。因秸秆粉体的规模化生产需求近些年才出现，因此秸秆微粉碎机的研制多借鉴参考现有冶金化工领域的成熟微粉碎设备。秸秆材料硬度低、韧性大、纤维含量高，适宜的粉碎方式是剪切和磨碎，其次是击碎，可采用的微粉碎设备有高速机械冲击磨、气流粉碎机、振动磨。

2.3.1 高速机械冲击磨

高速机械冲击磨的结构示意图如图2所示，物料在高速回转的冲击部件的击打、剪切作用，以及与粉碎室壁、物料与物料之间的碰撞下被粉碎［37］。

浙江某公司开发了一款纤维微粉碎机，粉碎室中设置有动刀和定刀，物料进入料斗后会被气流带到粉碎区进行粉碎，合格的物料通过筛网排出粉碎室，不合格的物料又被高速气流带入粉碎区继续粉碎；该粉碎机的转子转速为750～110r/min，粉碎粒度可以达到150～320目，产量为700kg/h。

孙权等［38］使用LNI-330A型高速机械冲击磨制备玉米秸秆粉体，该粉碎机利用回转体上高速旋转的锤头对物料的猛烈冲击以及锤头与衬板之间挤压研磨，实现对物料的微粉碎。试验结果表明，在进料粒度不大于4mm的情况下，该冲击磨的能耗为850kW·h，产量为88kg/h，平均出料粒径为31μm（400目）。付敏等［39］设计了一种锤击剪切复合式秸秆微粉碎机，该粉碎机采用动定刀剪切和锤头、齿圈冲击复合的粉碎方式，粉碎后的物料在气流吸力的作用下，符合粒度要求的物料进入分级室被收集，不符合的物料会落在粉碎室内重新粉碎。李翔等［40］设计了一种适用于农作物秸秆的机械冲击磨，该粉碎机的粉碎装置由粉碎转盘和撞擊环组成，粉碎转盘上装有24片高速冲击的转子叶片，物料在转子叶片的高速冲击力、撞击环的碰撞力和摩擦力的联合作用下被粉碎。贺强［41］设计了一种秸秆微粉碎机，该粉碎机的主要粉碎装置为切碎机构和粉碎机构，切碎机构由动定刀和压紧调节装置组成，粉碎机构由锤片和齿板组成。工作时，物料先经切碎机构铡切，再经粉碎机构击打和摩擦完成微粉碎；粉碎粒度可达74μm（200目），分离效率为75.8%。钟声标［42］结合玉米秸秆的理化特性，设计了一种适用于玉米秸秆的微粉碎设备，该微粉碎机采用挤压、剪切和撞击的粉碎方式，可将10目的物料粉碎至400目。

2.3.2 气流粉碎机

气流粉碎机的工作原理是在高速气流或过热蒸汽的能量作用下，物料通过颗粒之间的撞击、气流对物料的冲击剪切作用以及物料与其他部件的冲击、摩擦、剪切而使物料粉碎［37］。图3为气流粉碎机的结构示意图。

四川某公司研发了一种可用于农作物秸秆微粉碎的流化床式气流粉碎机，利用多个相对布置的喷嘴形成高速气流，利用高速气流将物料加速到音速，并在喷嘴交汇点相互对撞，实现物料粉碎。潍坊某公司研发了一款适用于农作物秸秆的旋流式气体粉碎机，该粉碎机将空气压缩、冷却和干燥后通过喷嘴喷射产生高速气流进入粉碎室，物料在高速气流的作用下相互冲击、碰撞以及受到气流的剪切作用而被粉碎，该粉碎机要求入料粒度小于3mm，成品粒度可达150μm（100目），产量为250～700kg/h。

张钰瑶［43］设计了一款适用中草药的气流粉碎机，该设备由粉碎区和分级区组成，主要是利用气体射流与固体颗粒之间产生高速碰撞来完成物料的粉碎，利用Fluent软件模拟粉碎区内两相流碰撞和颗粒逸出的情况，为喷嘴分布选择合适的位置，并在粉碎机中加入控制系统来控制进料速度。蔡相涌等［44］研制了集粉碎、分级功能于一体的气流粉碎机，该粉碎机采用气固混合体相撞方式对物料进行粉碎，适用于韧性物料粉碎。

2.3.3 振动磨

振动磨的工作原理是利用球形或棒形磨介作高频振动时与物料之间产生强烈的冲击和摩擦，来实现对物料的微粉碎，并同时起到混合分散的作用。图4为单筒体振动磨结构示意图。

上海某公司推出了一款适用于纤维物料粉碎的盘式振动粉碎机，该粉碎机结合了撞击力和摩擦力，研磨套件用气动紧固装置固定在振动底板上，底板带动研磨套装进行3D研磨运动。物料被研磨环的离心力产生的极高压力、撞击力和摩擦力研磨，可将物料粉碎至75μm（200目）。四川某公司研发了一款适用于纤维状、高韧性物料的振动粉碎机，尤其适用于中草药，该设备采用振动粉碎的工作原理，在磨筒（粉碎室）中装填一定数量的研磨介质，在外力作用下物料和磨介之间产生强烈的剪切和冲击，从而使物料被粉碎。

乔博磊［45］设计了一种立式振动磨机，其工作原理为偏心块和偏心甩锤在电机带动下在磨腔内部做高速回转运动，物料在偏心甩锤的带动下做回转运动和上下翻转运动，偏心甩锤的作用力随机作用在物料及其内部的缺陷处，利用选择性破碎理论和断裂力学理论进行破碎。苏伟［46］设计了一种单轴式振动粉碎机，该粉碎机在工作时借助机体振动带来的惯性，使得物料和介质一起往复循环振动，最终将物料加工成所需的粒度大小。

2.4 粉碎理论研究

粉碎作业过程到诸多因素的影响，国内外学者针对粉碎机的粉碎效果、影响因素、能耗等开展了一系列的研究。

2.4.1 高速机械冲击磨理论研究

Nakamura等［47］用流体动力学（CFD）—离散相模型（DPM）耦合模拟冲击式粉碎机的粉碎过程，并分析了粒子—定子碰撞特性，研究结果表明：较小凹角的定子可以减小粉体的尺寸，这是因为较小的定子凹角会使粒子停留时间更长，并且粒子和定子碰撞次数更多，从而增大冲击能量。Yun等［48］通过脉冲分析获得了转子的最佳转数，通过颗粒尺寸分布分析得到物料的最佳入口速度，利用有限元分析了粉碎过程中颗粒流动和动力学特性之间的关系。Ardi等［49］采用离散元仿真和试验相结合，研究了冲击式粉碎机中物料的冲击速度、冲击次数和冲击角度；仿真结果表明，第二次碰撞和第三次碰撞为物料提供了高冲击能量，是导致物料被粉碎的主要原因。王晓天［50］研究了主轴转速、刀具数量、刀具间距等因素对高速冲击式粉碎机的能耗和产量的影响，并对粉碎室内部流场进行模拟，试验和仿真模拟结果表明，刀具的间距和数量不能过低或过高，存在一个中间取值范围。

2.4.2 气流粉碎机理论研究

杨盈盈等［51］研究了气流粉碎机在不同转速下马铃薯的粉碎情况，试验结果表明：随着粉碎机转速的增加，马铃薯粉体粒度呈现出先减小后增大的情况。当转速为3000r/min时，粉体粒径最小，可达850目。Drakos等［52］研究了气流粉碎机对大麦粉的颗粒大小、凝胶特性、吸水能力的影响。Rajeswari等［53］利用流体动力学模型和试验来研究气流粉碎机粉碎过程中多相流（固—气）的流动状态，分析了进料速度、粉碎气压、分级机转速等因素对粉碎机粉碎性能的影响；结果表明，物料的进料速率对粉碎机的粉碎性能影响最大，它会影响颗粒间距、碰撞概率、体积载荷等。Rodnianski等［54］探究了空气流量、喷嘴角度和喷嘴直径对气流磨粉碎效果的影响，通过分析发现较大的空气流量、较小的喷嘴直径会影响气流磨的粉碎效果，且对于小于300目的颗粒，粉碎效果与粉碎速率成正比；对于大于300目的颗粒，粉碎效果与粉碎速率成反比。

2.4.3 振动磨理论研究

程敏等［55］研究了振动磨磨介的大小、填充率、形状等因素对小麦麸皮微粉碎效果的影响，试验结果显示：在磨介填充率方面，低填充率比高填充率更有利于麸皮的微粉碎；在磨介尺寸方面，麸皮微粉碎颗粒的产量随着尺寸的增大呈先减小后增大的规律；在磨介形状方面，圆柱形磨介的产量高于球形磨介，但颗粒品质低于球型磨介。周庆立［56］使用EDEM软件从动力学的角度分析了卧式振动磨的运动方式，探究了不同磨介密度下振动磨的粉碎效果和磨介的行为运动，结果表明：在磨介密度为80%时磨介之间的接触力均匀，粉碎效果最优。苏伟等［57］对振动磨的主振弹簧进行了理论分析，设计出了一种弹簧结构，并利用Workbench仿真软件对主振弹簧的结构进行了有限元分析和优化。Patil等［58］通过正交试验分析了活性剂、磨介的类型和球料比等因素对物料机械活化的影响，结果表明球料比和活性剂的类型对物料机械活化的影响较大。

3 存在问题

3.1 秸秆利用体系不完善

虽然农作物秸秆和秸秆粉体的利用方式不断增加，利用范围不断扩大。秸秆粉体在秸秆制氢、生物可降解塑料、化学电池、复合材料等领域发挥了很大的作用。合理利用农作物秸秆，在降低生产成本的同时也推进了农业生态可持续发展，但秸秆粉体的部分利用场景未达到规模化生产。部分农业生产者对秸秆价值的认知程度不高，导致每年仍有大量秸秆被露天燃烧和废弃。秸秆利用体系尚不完善，秸秆回收机械化水平低，秸秆供需关系不稳定，市场管理不规范。

3.2 现有粉碎方式对秸秆原料适应性差

秸秆粉碎方式有物理法（机械粉碎、高能辐射、微波法、超声处理）、化学法（酸法处理、碱法处理、有机溶剂处理）、物理化学法（气爆法、氨纤维爆裂法）以及生物法。结合农作物秸秆的物理和化学特性，最适宜的粉碎方式是机械粉碎。机械粉碎工艺流程简单，粉体粒度一致性较好，易于实现规模化生产，但目前存在着能耗大、粉尘污染等问题，应探究联合粉碎技术。

3.3 秸秆微粉碎设备不能满足规模化生产需求

目前秸秆微粉碎机的研制多借鉴矿石类物料的微粉碎技术及设备，可用于秸秆微粉碎的设备有高速机械冲击磨、振动磨、气流磨等，但在粉碎秸秆类物料时，现有微粉碎设备存在粉碎部件磨损快、粉碎粒度不可控、筛分分级能力差、噪声大、自动化程度低等问题，且不能兼顾细粉碎粒度和高生产率的要求，不适应秸秆粉体规模化和产业化生产的需求。

3.4 秸秆粉碎机理研究不够深入

目前的粉碎理论研究多采用仿真和试验研究的方法来探究粉碎机转速、刀具、进料速率、结构参数、工艺参数等因素对粉碎效果、能耗以及产量的影响。但针对秸秆物性进行粉碎机理的研究较少，尚未有可用于指导实际粉碎设备设计的研究成果。

4 展望

1） 依靠技術创新发展秸秆的能源化利用，扩大秸秆粉体高值化应用场景，研究不同应用场景下秸秆粉体最佳粉碎粒度范围，实现秸秆精细化利用。重点发展秸秆的高效燃烧技术、热解气化技术、纤维素乙醇技术、秸秆发电技术，以推动秸秆的综合利用。

2） 针对秸秆的形态和物性，对秸秆微粉碎机理进行研究，探究微粉碎过程中秸秆的组织变化、临界破碎速度、含水率、温度等对秸秆微粉碎的影响规律等，以期得到更适宜规模化生产的秸秆复合微粉碎方式。

3） 不同種类秸秆的微粉碎特性不同，为提高微粉碎效率，应结合不同秸秆的理化特性、微粉碎机理以及不同粉碎粒度要求，研制相应的专用微粉碎设备。

4） 提高秸秆微粉碎设备的自动化程度，通过控制系统实现进料、粉碎作业、筛分、分级、出料的动态可控调节，对电动机的电流、轴承的温度、齿辊转速等参数进行实时监测，在提高机器的工作效率的同时，也能提升安全保障。

5） 在兼顾粉碎粒度、粉碎效率和工作安全的前提下，基于轻量化设计理念，对秸秆微粉碎设备的结构进行优化，以达到节省能耗、便于设备运输和降低生产成本的目的。

5 结语

随着农作物秸秆的价值不断被发掘，秸秆产业也在不断发展，但现有秸秆利用技术简单粗放，秸秆高值化利用尚处在起步阶段。本文系统梳理秸秆及粉体利用技术发展现状、微粉碎的定义和秸秆微粉碎方式、微粉碎设备和理论研究现状，指出现有秸秆微粉碎方式、微粉碎设备以及微粉碎理论研究存在的问题。目前，秸秆微粉碎设备难以同时满足高生产率和细粉碎粒度的要求，不适应秸秆粉体规模化、产业化的需求，自动化、专门化、简单化和轻量化是今后秸秆微粉碎设备的发展方向。同时，在粉碎机理研究方面要加大投入力度，可以依托高校和科研院所的力量来突破秸秆微粉碎技术的瓶颈，以高附加值产品带动产业发展，提升秸秆产业的生产和经济效益。

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