付敏 陳效慶 高澤飛 王成夢 郝鎰林 郭世珂

摘要：秸稈微粉碎后可作為新型節(jié)能環(huán)保原料，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化和高值化利用。通過文獻(xiàn)綜述秸稈粉體的利用技術(shù)、秸稈微粉碎方式、秸稈微粉碎理論及設(shè)備研究現(xiàn)狀，指出存在問題并展望未來發(fā)展方向。當(dāng)前秸稈的利用途徑多元化，秸稈粉體被應(yīng)用于復(fù)合材料等眾多領(lǐng)域，且市場需求持續(xù)增長。針對秸稈特性最適宜的粉碎方式是機(jī)械粉碎，但存在能耗大、粉塵污染等問題。秸稈微粉碎設(shè)備多借鑒礦石類物料的微粉碎設(shè)備，原料適應(yīng)性差，且不能兼顧細(xì)粉碎粒度和高生產(chǎn)率的要求。粉碎理論研究多關(guān)注粉碎效果、能耗以及產(chǎn)量的影響因素，針對秸稈物性進(jìn)行粉碎機(jī)理的研究較少。未來應(yīng)擴(kuò)大秸稈粉體高值化應(yīng)用場景，探究更適宜規(guī)?；a(chǎn)的秸稈復(fù)合微粉碎方式，提高秸稈微粉碎設(shè)備的自動化、專門化、簡單化和輕量化。

關(guān)鍵詞：秸稈利用；秸稈粉體；微粉碎；微粉碎理論；微粉碎設(shè)備

中圖分類號：TK6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：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

我國農(nóng)作物秸稈資源十分豐富，截止到2022年，我國秸稈年總產(chǎn)量為9.77億噸，可收集資源量為7.37億噸，綜合利用率為89.80%，但仍有部分秸稈未能得到合理利用，存在露天焚燒和隨意廢棄的現(xiàn)象，不僅造成資源浪費(fèi)，還對環(huán)境造成極大污染［1］。我國預(yù)期在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，迫切需要使用可再生能源，以緩解資源匱乏和改善環(huán)境污染。

農(nóng)作物秸稈是指玉米、水稻、小麥、棉花、甘蔗等農(nóng)作物收獲之后的剩余部分，主要成分有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，是一種可再生能源。秸稈微粉碎后可作為新型節(jié)能環(huán)保原料實(shí)現(xiàn)高值化利用，使其不再局限于供熱、飼料等低附加值領(lǐng)域，達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的目的［2］。目前秸稈粉體被應(yīng)用于復(fù)合材料、可降解塑料、制取氫氣和電池材料等眾多領(lǐng)域，且市場需求持續(xù)增長。為此，本文對目前農(nóng)作物秸稈及其粉體的利用現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，分析現(xiàn)有秸稈微粉碎設(shè)備的結(jié)構(gòu)與原理，綜述微粉碎機(jī)理的研究現(xiàn)狀，指出現(xiàn)有研究存在的問題，展望秸稈微粉碎技術(shù)的發(fā)展方向，旨在為我國農(nóng)作物秸稈微粉碎技術(shù)及設(shè)備的研究提供參考，促進(jìn)我國秸稈產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。

1 秸稈利用技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 秸稈“五化”利用

我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出農(nóng)作物秸稈“五化”利用模式，分別為飼料化、燃料化、基料化、原料化、肥料化［3］。

1.1.1 飼料化利用

秸稈具有一定的營養(yǎng)價值，很適合用來喂養(yǎng)牲畜。隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，秸稈在回收后，運(yùn)用先進(jìn)的生產(chǎn)線技術(shù)，將其加工后當(dāng)作飼料使用，是提高秸稈飼用價值的最有效途徑之一。將秸稈生物發(fā)酵飼料應(yīng)用于動物生產(chǎn)中，可以調(diào)節(jié)腸道菌群，促進(jìn)瘤胃發(fā)酵，改善畜產(chǎn)品品質(zhì)，提高養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益。秸稈生物發(fā)酵飼料主要是利用酶制劑、活菌制劑或酶菌聯(lián)合進(jìn)行生產(chǎn)，可有效提高秸稈營養(yǎng)價值，消除抗?fàn)I養(yǎng)因子，提高農(nóng)作物秸稈的飼用價值［4］。

1.1.2 燃料化利用

燃料化利用是農(nóng)作物秸稈的重要利用途徑之一，發(fā)展秸稈燃料化可以緩解傳統(tǒng)化石能源緊缺、減輕環(huán)境污染、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。秸稈燃料化利用方式主要有生物柴油、直燃發(fā)電、秸稈沼氣、生物乙醇等。

利用農(nóng)作物秸稈制取單糖，再經(jīng)微生物發(fā)酵得到油脂，進(jìn)而可制備生物柴油。但目前農(nóng)作物秸稈制取柴油存在技術(shù)難度大、轉(zhuǎn)化能耗高的問題，所以該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未形成產(chǎn)業(yè)化。利用秸稈直燃發(fā)電，不僅能緩解部分地區(qū)電力緊張，而且發(fā)電后剩余的草木灰還可以用做還田肥料。但是秸稈直燃發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)尚未成熟，發(fā)電成本高于常規(guī)火電成本，發(fā)電設(shè)備過度依賴進(jìn)口，導(dǎo)致運(yùn)營成本較高。農(nóng)作物秸稈制取沼氣主要是通過微生物在厭氧條件下發(fā)酵生成甲烷，在減小環(huán)境污染的同時實(shí)現(xiàn)能源有效利用［5］。但由于秸稈中存在大量纖維素，不易降解，所以該技術(shù)存在發(fā)酵周期長、秸稈利用率低等問題。

生物乙醇是以農(nóng)作物秸稈為原料，從秸稈中提取纖維素，再經(jīng)過一定工序加工轉(zhuǎn)化后得到的乙醇，是一種綠色可再生液體燃料，可用作汽油添加劑。第一代生物乙醇以谷物淀粉為原料，但隨著對生物乙醇需求量的擴(kuò)大，其制取技術(shù)迎來了技術(shù)革新，秸稈粉體因來源豐富、價格低廉，被認(rèn)為是一種新的、更有前景的生物乙醇生產(chǎn)資源［6］。但第二代生物乙醇技術(shù)目前存在農(nóng)作物秸稈粉體制備技術(shù)不成熟、制取成本較高、原料分布分散且收集困難等瓶頸。

1.1.3 基料化利用

秸稈中含有豐富的碳、氮、氧等元素，有利于菌類的生長，且資源豐富、價格低廉，是用來做菌類培養(yǎng)基的理想原料。秸稈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、用于動物飼養(yǎng)的秸稈墊料等［7］，其生產(chǎn)流程見圖1。

1.1.4 原料化利用

秸稈原料化利用主要是將農(nóng)作物秸稈提取加工成工業(yè)生產(chǎn)的原材料，主要利用技術(shù)包括秸稈造紙、人造板材、秸稈餐具、輕型建材、秸稈纖維等。人造板材可以用于家具、門窗、飾材等方面，也可以用來鋪設(shè)棧道，從秸稈中提取的纖維素可以用來制作過濾材料、抗菌包裝材料等。

1.1.5 肥料化利用

目前秸稈的肥料化利用場景主要為秸稈還田，秸稈的還田方式可分為：秸稈直接還田、秸稈間接還田、秸稈生化腐熟還田。

秸稈直接還田具有方便快捷、效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。秸稈間接還田包括堆漚和過腹還田，堆漚還田是指將秸稈在高溫厭氧條件下腐爛后還田的技術(shù)。過腹還田是指秸稈經(jīng)過動物的消化后還田，既降低了養(yǎng)殖成本，也減少了秸稈資源浪費(fèi)。秸稈生化腐熟還田是將秸稈與生物菌劑混合，在催化劑和高溫的作用下生成有機(jī)熟肥的技術(shù)［8］。

1.2 秸稈粉體的利用技術(shù)

上述五種秸稈利用技術(shù)多數(shù)是將農(nóng)作物秸稈粗粉碎后加以使用，利用模式粗放、附加值低。因秸稈微粉碎后可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化和高值化利用，市場需求日益增加，目前秸稈粉體已應(yīng)用于復(fù)合材料、生物可降解塑料、秸稈制氫、電池材料等領(lǐng)域。

1.2.1 復(fù)合材料

秸稈粉體表面活性高、填充補(bǔ)強(qiáng)性能好，故被應(yīng)用于秸塑復(fù)合材料、人造板材、無膠纖維板、人造橡膠、3D打印材料等領(lǐng)域。

Yang等［9］采用木材粉和秸稈粉制備秸塑復(fù)合材料，該復(fù)合材料的保溫和隔音效果良好，可用來代替木制保溫板。侯楚豪［10］以100目的玉米秸稈粉為原料、無機(jī)膠黏劑為基材，經(jīng)冷壓工藝制備出了玉米板，并探究了配料比、壓力大小、冷壓時間和溫度等因素對板材的拉伸、彎曲、吸水、吸濕性能的影響。錢特蒙［11］以平均粒度為45μm（300目）的秸稈粉為原料，經(jīng)膠磨和熱壓制備了具有層狀結(jié)構(gòu)的功能化復(fù)合無膠纖維板。無膠纖維板能有效避免甲醛的釋放，并在制備過程中通過添加納米粒子和表面改性的方法制備出具有多功能的復(fù)合無膠纖維板，多用做家居裝修材料。嚴(yán)婷婷等［12］選用100～120目的小麥秸稈作為橡膠的有機(jī)填充劑，充分利用生物質(zhì)材料的質(zhì)輕、資源豐富等特性，同時改善橡膠復(fù)合材料硬度小、收縮性大等問題。楊玉山等［13］將300目小麥秸稈纖維和貝殼粉體按9∶1的比例混合，經(jīng)過無膠熱壓來制備層狀結(jié)構(gòu)的仿貽貝復(fù)合材料。

當(dāng)前優(yōu)質(zhì)的3D打印材料依賴國外進(jìn)口，但國外材料昂貴且供應(yīng)周期長，限制了我國3D打印行業(yè)的發(fā)展，因此研究人員開始研發(fā)成本低廉、性能優(yōu)越的國產(chǎn)替代材料。覃楊華［14］對玉米秸稈粉體（140目）制備3D打印材料進(jìn)行了研究，分別采用化學(xué)法和物理法改性工藝制備3D打印材料，并探究了秸稈種類、秸稈研磨粒徑、秸稈量、添加劑、添加劑量等因素對3D打印材料性能的影響。Zhang等［15］以纖維素為原料研發(fā)了一種木質(zhì)基3D打印材料，并結(jié)合紅外光譜、斷面結(jié)構(gòu)、差式掃描來探究打印件的性能，研究表明，該木質(zhì)基材料力學(xué)性能良好，組分間結(jié)合機(jī)理為機(jī)械互鎖。

1.2.2 生物可降解塑料

我國的可降解塑料產(chǎn)業(yè)存在成本高、產(chǎn)量低、難以普遍化推廣使用等問題。研究人員開始采用農(nóng)作物秸稈粉制備生物可降解塑料，該方法可降低生產(chǎn)成本。

秸稈短纖維通過熱壓工藝可以制出玉米秸稈纖維/聚乳酸復(fù)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，并且擁有良好的力學(xué)性能和加工性能。葛正浩等［16］利用秸稈粉、聚乳酸和發(fā)泡劑在平板硫化機(jī)上制備生物可降解塑料，并探究了該材料在不同溫度、壓力和保壓時間下的力學(xué)性能。周帥等［17］利用玉米秸稈粉體和PLA制取可降解塑料，同時探究了相容劑對材料吸水性能、力學(xué)性能以及接觸角的影響。葛鐵軍等［18］以棕櫚酰氯為酯化劑改性秸稈粉（800目），改善秸稈粉與疏水性PBAT的界面相容性問題，考察秸稈粉的不同酯化條件對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。Cindradewi等［19］將秸稈纖維素作為PBS的增強(qiáng)材料，采用溶劑分散和雙螺桿擠出兩步法制備PBS/纖維素復(fù)合材料，研究了偶聯(lián)劑和兩步法制備對復(fù)合材料性能的影響。郭川東等［20］將玉米秸稈粉（180目）和聚乙烯粉混合在一起，并探究了二者混合比例對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1.2.3 秸稈制氫

2022年3月國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》中明確提出要大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，并描繪了我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的宏偉藍(lán)圖。農(nóng)作物秸稈中含有豐富的纖維素，可利用其制取氫氣，因此研究將農(nóng)作物秸稈用于制氫的技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景。

Zhang等［21］從秸稈粉（200目）中提取出木質(zhì)纖維素，再通過微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化為可再生糖類資源，為光合產(chǎn)氫細(xì)菌利用提供碳源；試驗(yàn)表明，該方法最大產(chǎn)氫速率可達(dá)15.89ml/h。Faba等［22］提出了一種利用農(nóng)作物秸稈制氫的集成工藝，該工藝采用碳酸鈣為催化劑，并通過循環(huán)利用分解制氫過程中釋放的熱氣來提供部分熱量，用厭氧菌發(fā)酵來制取氫氣。李斌等［23］采用熱解氣化制取方法，探究三種鈣基吸收劑對秸稈制氫效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明三種鈣基吸收劑均可以提高玉米秸稈的產(chǎn)氫效率。羅娟等［24］通過產(chǎn)氫試驗(yàn)探究了不同秸稈粒徑、底物濃度、pH值對秸稈產(chǎn)氫效率的影響；試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈粒徑越小，產(chǎn)氫效率越高；隨著底物濃度的增加，產(chǎn)氫效率先增大后減??；隨著初始pH值的增大，產(chǎn)氫效率會減小。

1.2.4 電池材料

農(nóng)作物秸稈具有豐富的微觀結(jié)構(gòu)，因此可以用來制備不同結(jié)構(gòu)的生物碳材料，而生物碳材料可以用來制作鈉離子電池、鋰離子電池的極柱。

Qin等［25］以玉米和小麥秸稈為原料，將二者粉碎后通過高溫碳化手段合成硬碳材料，并以硬碳材料制作鈉離子電池的負(fù)極。Zhu等［26］利用玉米秸稈粉體制成生物質(zhì)硬碳，并在鈉離子電池中系統(tǒng)研究了硬碳的電化學(xué)性能。Liang等［27］以小麥秸稈中的纖維素為碳源合成了生物質(zhì)碳材料，通過與SnO2顆粒復(fù)合處理得到超細(xì)納米材料，將該材料作為鋰離子電池的負(fù)極。Nita等［28］把玉米秸稈作為制作電池硬碳（HC）陽極的原料，并對產(chǎn)品進(jìn)行性能測試，試驗(yàn)結(jié)果顯示：電池在長期循環(huán)中的容量保持穩(wěn)定，有著良好的容量保持率。

綜上所述，除了農(nóng)作物秸稈“五化”利用模式外，秸稈粉體也開始應(yīng)用于復(fù)合材料、生物可降解塑料、秸稈制氫、化學(xué)電池等領(lǐng)域，但秸稈粉體的利用大多停留在理論研究階段，同時還受到秸稈粉體制備技術(shù)和設(shè)備的影響，所以即使投入生產(chǎn)也未能大規(guī)模量產(chǎn)。此外，每年依然有大量的秸稈被直接燃燒或閑置，浪費(fèi)資源的同時也加劇了環(huán)境污染，所以秸稈的綜合利用仍有較大的進(jìn)步空間。

2 秸稈微粉碎技術(shù)與設(shè)備研究現(xiàn)狀

2.1 微粉碎及粉碎粒度定義

微粉碎技術(shù)主要用于物料的粉碎加工，可以顯著改變物料的理化特性，使物料滿足生產(chǎn)加工的需要。但關(guān)于粉體粒度分類及微粉碎的定義目前尚未達(dá)成統(tǒng)一的共識。周仕學(xué)等［29］將粉體類型分為中細(xì)粉體（成品粒度74～500μm）、細(xì)粉體（成品粒度10～74μm）、微粉體（成品粒度0.1～10μm）。張長森［30］將粉碎分為破碎和粉磨兩類，其中破碎分為粗碎（成品粒度100mm）、中碎（成品粒度30mm）、細(xì)碎（成品粒度3mm），粉磨分為粗磨（成品粒度100μm）、細(xì)磨（成品粒度60μm）、超細(xì)磨（成品粒度<5μm），相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備分別稱為破碎機(jī)械和粉磨機(jī)械。史早等［31］將超細(xì)粉碎技術(shù)定義為：通過特定的粉碎技術(shù)，在保留物料原有特性的基礎(chǔ)上，將物料粉碎至微米、亞微米或納米尺寸，得到粒徑均一粉體的技術(shù)，但并未給出超細(xì)粉碎對應(yīng)的具體數(shù)值。

但無論怎么劃分，理想的微粉碎粉體應(yīng)該具備化學(xué)成分均一、粒徑分布范圍窄、無團(tuán)聚等特點(diǎn)。因?yàn)?00μm粒徑的粉體已經(jīng)具備表面效應(yīng)和體積效應(yīng)等性質(zhì)，所以本文認(rèn)為小于100μm的粉體為微粉碎粉體，粉碎類型分類如表1所示［32］。

2.2 粉碎方式

根據(jù)粉碎原理不同，農(nóng)作物秸稈粉碎方式可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法［33］。

2.2.1 物理法

物理法粉碎方式主要包括機(jī)械粉碎、微波粉碎、高能輻射粉碎、超聲波粉碎等。

1） 機(jī)械粉碎。根據(jù)原料狀態(tài)機(jī)械粉碎可分為干法和濕法粉碎。干法粉碎時，物料的水分含量應(yīng)有一定限制，物料水分過高時需要進(jìn)行干燥處理。濕法粉碎時，物料懸浮于載體液流中進(jìn)行粉碎，水可以降低物料的強(qiáng)度，減輕粉碎設(shè)備的磨損。根據(jù)粉碎時施力方式的不同，機(jī)械粉碎又可分為壓碎、劈碎、折斷、磨碎和沖擊粉碎等，其原理和特點(diǎn)見表2。

2） 微波粉碎。微波粉碎是通過微波作用使物料內(nèi)部分子之間發(fā)生碰撞，破壞其分子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)粉碎。

3） 高能輻射粉碎。高能輻射粉碎是利用高能射線對物料進(jìn)行輻射，破壞物料內(nèi)部分子間氫鍵和結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)，使其聚合度下降、結(jié)構(gòu)松散，從而實(shí)現(xiàn)對物料的粉碎。

4） 超聲波粉碎。超聲波粉碎是通過能量作用打開纖維素分子中的氫鍵，破壞木質(zhì)素和纖維素的結(jié)晶區(qū)，使纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和超微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有效降低其結(jié)晶程度，從而完成對農(nóng)作物秸稈的粉碎［34］。

2.2.2 化學(xué)法

化學(xué)法是指采用堿、酸、有機(jī)溶劑等化學(xué)藥品粉碎秸稈纖維的方法。堿法處理是通過堿的作用來削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵，分離半纖維素和木質(zhì)素的醚鍵，堿處理過后的木質(zhì)纖維素更具多孔性，可使原料得到潤脹，從而增加其內(nèi)部表面積、降低聚合度和結(jié)晶度［35］。酸法處理是指在溫度160℃～220℃條件下利用0.05%～5%的酸作為催化劑溶解半纖維素和木質(zhì)素，通?？稍黾影肜w維素和木質(zhì)素的可溶解性。

2.2.3 物理化學(xué)法

物理化學(xué)法包括氣爆法、氨纖維爆裂法。汽爆法是木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理較常用的方法，蒸汽爆裂法是用幾十個大氣壓的高壓飽和蒸汽處理生物質(zhì)原料，然后突然減壓，使原料爆裂降解［36］。氨纖維爆裂法將木質(zhì)纖維素原料在相對較低的壓力和溫度下用液氨處理，然后突然減壓，氨因壓力的突然降低而蒸發(fā)，導(dǎo)致溫度急劇變化，造成纖維素晶體的爆裂，使纖維素結(jié)構(gòu)被破壞。

2.2.4 生物法

生物法是用木腐菌來分解木質(zhì)素的一種方法，主要的木腐菌有白腐菌、褐腐菌和軟腐菌［5］。

上文介紹了農(nóng)作物秸稈常用粉碎方式的作用機(jī)理，農(nóng)作物秸稈粉碎方式的優(yōu)缺點(diǎn)對比分析（見表3）表明，目前適于秸稈規(guī)模化生產(chǎn)的粉碎方式為機(jī)械粉碎。

2.3 微粉碎設(shè)備

目前規(guī)?；奈⒎鬯樵O(shè)備主要應(yīng)用于冶金、化工、建筑、制藥行業(yè)，根據(jù)粉碎方法和粉碎室結(jié)構(gòu)的不同，可以將微粉碎機(jī)分為氣流粉碎機(jī)、高速機(jī)械沖擊磨、振動磨、攪拌磨、研磨機(jī)、高壓滾磨機(jī)、膠體磨等。因秸稈粉體的規(guī)模化生產(chǎn)需求近些年才出現(xiàn)，因此秸稈微粉碎機(jī)的研制多借鑒參考現(xiàn)有冶金化工領(lǐng)域的成熟微粉碎設(shè)備。秸稈材料硬度低、韌性大、纖維含量高，適宜的粉碎方式是剪切和磨碎，其次是擊碎，可采用的微粉碎設(shè)備有高速機(jī)械沖擊磨、氣流粉碎機(jī)、振動磨。

2.3.1 高速機(jī)械沖擊磨

高速機(jī)械沖擊磨的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，物料在高速回轉(zhuǎn)的沖擊部件的擊打、剪切作用，以及與粉碎室壁、物料與物料之間的碰撞下被粉碎［37］。

浙江某公司開發(fā)了一款纖維微粉碎機(jī)，粉碎室中設(shè)置有動刀和定刀，物料進(jìn)入料斗后會被氣流帶到粉碎區(qū)進(jìn)行粉碎，合格的物料通過篩網(wǎng)排出粉碎室，不合格的物料又被高速氣流帶入粉碎區(qū)繼續(xù)粉碎；該粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為750～110r/min，粉碎粒度可以達(dá)到150～320目，產(chǎn)量為700kg/h。

孫權(quán)等［38］使用LNI-330A型高速機(jī)械沖擊磨制備玉米秸稈粉體，該粉碎機(jī)利用回轉(zhuǎn)體上高速旋轉(zhuǎn)的錘頭對物料的猛烈沖擊以及錘頭與襯板之間擠壓研磨，實(shí)現(xiàn)對物料的微粉碎。試驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)料粒度不大于4mm的情況下，該沖擊磨的能耗為850kW·h，產(chǎn)量為88kg/h，平均出料粒徑為31μm（400目）。付敏等［39］設(shè)計了一種錘擊剪切復(fù)合式秸稈微粉碎機(jī)，該粉碎機(jī)采用動定刀剪切和錘頭、齒圈沖擊復(fù)合的粉碎方式，粉碎后的物料在氣流吸力的作用下，符合粒度要求的物料進(jìn)入分級室被收集，不符合的物料會落在粉碎室內(nèi)重新粉碎。李翔等［40］設(shè)計了一種適用于農(nóng)作物秸稈的機(jī)械沖擊磨，該粉碎機(jī)的粉碎裝置由粉碎轉(zhuǎn)盤和撞擊環(huán)組成，粉碎轉(zhuǎn)盤上裝有24片高速沖擊的轉(zhuǎn)子葉片，物料在轉(zhuǎn)子葉片的高速沖擊力、撞擊環(huán)的碰撞力和摩擦力的聯(lián)合作用下被粉碎。賀強(qiáng)［41］設(shè)計了一種秸稈微粉碎機(jī)，該粉碎機(jī)的主要粉碎裝置為切碎機(jī)構(gòu)和粉碎機(jī)構(gòu)，切碎機(jī)構(gòu)由動定刀和壓緊調(diào)節(jié)裝置組成，粉碎機(jī)構(gòu)由錘片和齒板組成。工作時，物料先經(jīng)切碎機(jī)構(gòu)鍘切，再經(jīng)粉碎機(jī)構(gòu)擊打和摩擦完成微粉碎；粉碎粒度可達(dá)74μm（200目），分離效率為75.8%。鐘聲標(biāo)［42］結(jié)合玉米秸稈的理化特性，設(shè)計了一種適用于玉米秸稈的微粉碎設(shè)備，該微粉碎機(jī)采用擠壓、剪切和撞擊的粉碎方式，可將10目的物料粉碎至400目。

2.3.2 氣流粉碎機(jī)

氣流粉碎機(jī)的工作原理是在高速氣流或過熱蒸汽的能量作用下，物料通過顆粒之間的撞擊、氣流對物料的沖擊剪切作用以及物料與其他部件的沖擊、摩擦、剪切而使物料粉碎［37］。圖3為氣流粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

四川某公司研發(fā)了一種可用于農(nóng)作物秸稈微粉碎的流化床式氣流粉碎機(jī)，利用多個相對布置的噴嘴形成高速氣流，利用高速氣流將物料加速到音速，并在噴嘴交匯點(diǎn)相互對撞，實(shí)現(xiàn)物料粉碎。濰坊某公司研發(fā)了一款適用于農(nóng)作物秸稈的旋流式氣體粉碎機(jī)，該粉碎機(jī)將空氣壓縮、冷卻和干燥后通過噴嘴噴射產(chǎn)生高速氣流進(jìn)入粉碎室，物料在高速氣流的作用下相互沖擊、碰撞以及受到氣流的剪切作用而被粉碎，該粉碎機(jī)要求入料粒度小于3mm，成品粒度可達(dá)150μm（100目），產(chǎn)量為250～700kg/h。

張鈺瑤［43］設(shè)計了一款適用中草藥的氣流粉碎機(jī)，該設(shè)備由粉碎區(qū)和分級區(qū)組成，主要是利用氣體射流與固體顆粒之間產(chǎn)生高速碰撞來完成物料的粉碎，利用Fluent軟件模擬粉碎區(qū)內(nèi)兩相流碰撞和顆粒逸出的情況，為噴嘴分布選擇合適的位置，并在粉碎機(jī)中加入控制系統(tǒng)來控制進(jìn)料速度。蔡相涌等［44］研制了集粉碎、分級功能于一體的氣流粉碎機(jī)，該粉碎機(jī)采用氣固混合體相撞方式對物料進(jìn)行粉碎，適用于韌性物料粉碎。

2.3.3 振動磨

振動磨的工作原理是利用球形或棒形磨介作高頻振動時與物料之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和摩擦，來實(shí)現(xiàn)對物料的微粉碎，并同時起到混合分散的作用。圖4為單筒體振動磨結(jié)構(gòu)示意圖。

上海某公司推出了一款適用于纖維物料粉碎的盤式振動粉碎機(jī)，該粉碎機(jī)結(jié)合了撞擊力和摩擦力，研磨套件用氣動緊固裝置固定在振動底板上，底板帶動研磨套裝進(jìn)行3D研磨運(yùn)動。物料被研磨環(huán)的離心力產(chǎn)生的極高壓力、撞擊力和摩擦力研磨，可將物料粉碎至75μm（200目）。四川某公司研發(fā)了一款適用于纖維狀、高韌性物料的振動粉碎機(jī)，尤其適用于中草藥，該設(shè)備采用振動粉碎的工作原理，在磨筒（粉碎室）中裝填一定數(shù)量的研磨介質(zhì)，在外力作用下物料和磨介之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切和沖擊，從而使物料被粉碎。

喬博磊［45］設(shè)計了一種立式振動磨機(jī)，其工作原理為偏心塊和偏心甩錘在電機(jī)帶動下在磨腔內(nèi)部做高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動，物料在偏心甩錘的帶動下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動和上下翻轉(zhuǎn)運(yùn)動，偏心甩錘的作用力隨機(jī)作用在物料及其內(nèi)部的缺陷處，利用選擇性破碎理論和斷裂力學(xué)理論進(jìn)行破碎。蘇偉［46］設(shè)計了一種單軸式振動粉碎機(jī)，該粉碎機(jī)在工作時借助機(jī)體振動帶來的慣性，使得物料和介質(zhì)一起往復(fù)循環(huán)振動，最終將物料加工成所需的粒度大小。

2.4 粉碎理論研究

粉碎作業(yè)過程到諸多因素的影響，國內(nèi)外學(xué)者針對粉碎機(jī)的粉碎效果、影響因素、能耗等開展了一系列的研究。

2.4.1 高速機(jī)械沖擊磨理論研究

Nakamura等［47］用流體動力學(xué)（CFD）—離散相模型（DPM）耦合模擬沖擊式粉碎機(jī)的粉碎過程，并分析了粒子—定子碰撞特性，研究結(jié)果表明：較小凹角的定子可以減小粉體的尺寸，這是因?yàn)檩^小的定子凹角會使粒子停留時間更長，并且粒子和定子碰撞次數(shù)更多，從而增大沖擊能量。Yun等［48］通過脈沖分析獲得了轉(zhuǎn)子的最佳轉(zhuǎn)數(shù)，通過顆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過程中顆粒流動和動力學(xué)特性之間的關(guān)系。Ardi等［49］采用離散元仿真和試驗(yàn)相結(jié)合，研究了沖擊式粉碎機(jī)中物料的沖擊速度、沖擊次數(shù)和沖擊角度；仿真結(jié)果表明，第二次碰撞和第三次碰撞為物料提供了高沖擊能量，是導(dǎo)致物料被粉碎的主要原因。王曉天［50］研究了主軸轉(zhuǎn)速、刀具數(shù)量、刀具間距等因素對高速沖擊式粉碎機(jī)的能耗和產(chǎn)量的影響，并對粉碎室內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，試驗(yàn)和仿真模擬結(jié)果表明，刀具的間距和數(shù)量不能過低或過高，存在一個中間取值范圍。

2.4.2 氣流粉碎機(jī)理論研究

楊盈盈等［51］研究了氣流粉碎機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下馬鈴薯的粉碎情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，馬鈴薯粉體粒度呈現(xiàn)出先減小后增大的情況。當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000r/min時，粉體粒徑最小，可達(dá)850目。Drakos等［52］研究了氣流粉碎機(jī)對大麥粉的顆粒大小、凝膠特性、吸水能力的影響。Rajeswari等［53］利用流體動力學(xué)模型和試驗(yàn)來研究氣流粉碎機(jī)粉碎過程中多相流（固—?dú)猓┑牧鲃訝顟B(tài)，分析了進(jìn)料速度、粉碎氣壓、分級機(jī)轉(zhuǎn)速等因素對粉碎機(jī)粉碎性能的影響；結(jié)果表明，物料的進(jìn)料速率對粉碎機(jī)的粉碎性能影響最大，它會影響顆粒間距、碰撞概率、體積載荷等。Rodnianski等［54］探究了空氣流量、噴嘴角度和噴嘴直徑對氣流磨粉碎效果的影響，通過分析發(fā)現(xiàn)較大的空氣流量、較小的噴嘴直徑會影響氣流磨的粉碎效果，且對于小于300目的顆粒，粉碎效果與粉碎速率成正比；對于大于300目的顆粒，粉碎效果與粉碎速率成反比。

2.4.3 振動磨理論研究

程敏等［55］研究了振動磨磨介的大小、填充率、形狀等因素對小麥麩皮微粉碎效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示：在磨介填充率方面，低填充率比高填充率更有利于麩皮的微粉碎；在磨介尺寸方面，麩皮微粉碎顆粒的產(chǎn)量隨著尺寸的增大呈先減小后增大的規(guī)律；在磨介形狀方面，圓柱形磨介的產(chǎn)量高于球形磨介，但顆粒品質(zhì)低于球型磨介。周慶立［56］使用EDEM軟件從動力學(xué)的角度分析了臥式振動磨的運(yùn)動方式，探究了不同磨介密度下振動磨的粉碎效果和磨介的行為運(yùn)動，結(jié)果表明：在磨介密度為80%時磨介之間的接觸力均勻，粉碎效果最優(yōu)。蘇偉等［57］對振動磨的主振彈簧進(jìn)行了理論分析，設(shè)計出了一種彈簧結(jié)構(gòu)，并利用Workbench仿真軟件對主振彈簧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和優(yōu)化。Patil等［58］通過正交試驗(yàn)分析了活性劑、磨介的類型和球料比等因素對物料機(jī)械活化的影響，結(jié)果表明球料比和活性劑的類型對物料機(jī)械活化的影響較大。

3 存在問題

3.1 秸稈利用體系不完善

雖然農(nóng)作物秸稈和秸稈粉體的利用方式不斷增加，利用范圍不斷擴(kuò)大。秸稈粉體在秸稈制氫、生物可降解塑料、化學(xué)電池、復(fù)合材料等領(lǐng)域發(fā)揮了很大的作用。合理利用農(nóng)作物秸稈，在降低生產(chǎn)成本的同時也推進(jìn)了農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，但秸稈粉體的部分利用場景未達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)。部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者對秸稈價值的認(rèn)知程度不高，導(dǎo)致每年仍有大量秸稈被露天燃燒和廢棄。秸稈利用體系尚不完善，秸稈回收機(jī)械化水平低，秸稈供需關(guān)系不穩(wěn)定，市場管理不規(guī)范。

3.2 現(xiàn)有粉碎方式對秸稈原料適應(yīng)性差

秸稈粉碎方式有物理法（機(jī)械粉碎、高能輻射、微波法、超聲處理）、化學(xué)法（酸法處理、堿法處理、有機(jī)溶劑處理）、物理化學(xué)法（氣爆法、氨纖維爆裂法）以及生物法。結(jié)合農(nóng)作物秸稈的物理和化學(xué)特性，最適宜的粉碎方式是機(jī)械粉碎。機(jī)械粉碎工藝流程簡單，粉體粒度一致性較好，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，但目前存在著能耗大、粉塵污染等問題，應(yīng)探究聯(lián)合粉碎技術(shù)。

3.3 秸稈微粉碎設(shè)備不能滿足規(guī)?；a(chǎn)需求

目前秸稈微粉碎機(jī)的研制多借鑒礦石類物料的微粉碎技術(shù)及設(shè)備，可用于秸稈微粉碎的設(shè)備有高速機(jī)械沖擊磨、振動磨、氣流磨等，但在粉碎秸稈類物料時，現(xiàn)有微粉碎設(shè)備存在粉碎部件磨損快、粉碎粒度不可控、篩分分級能力差、噪聲大、自動化程度低等問題，且不能兼顧細(xì)粉碎粒度和高生產(chǎn)率的要求，不適應(yīng)秸稈粉體規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需求。

3.4 秸稈粉碎機(jī)理研究不夠深入

目前的粉碎理論研究多采用仿真和試驗(yàn)研究的方法來探究粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速、刀具、進(jìn)料速率、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)等因素對粉碎效果、能耗以及產(chǎn)量的影響。但針對秸稈物性進(jìn)行粉碎機(jī)理的研究較少，尚未有可用于指導(dǎo)實(shí)際粉碎設(shè)備設(shè)計的研究成果。

4 展望

1） 依靠技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展秸稈的能源化利用，擴(kuò)大秸稈粉體高值化應(yīng)用場景，研究不同應(yīng)用場景下秸稈粉體最佳粉碎粒度范圍，實(shí)現(xiàn)秸稈精細(xì)化利用。重點(diǎn)發(fā)展秸稈的高效燃燒技術(shù)、熱解氣化技術(shù)、纖維素乙醇技術(shù)、秸稈發(fā)電技術(shù)，以推動秸稈的綜合利用。

2） 針對秸稈的形態(tài)和物性，對秸稈微粉碎機(jī)理進(jìn)行研究，探究微粉碎過程中秸稈的組織變化、臨界破碎速度、含水率、溫度等對秸稈微粉碎的影響規(guī)律等，以期得到更適宜規(guī)?；a(chǎn)的秸稈復(fù)合微粉碎方式。

3） 不同種類秸稈的微粉碎特性不同，為提高微粉碎效率，應(yīng)結(jié)合不同秸稈的理化特性、微粉碎機(jī)理以及不同粉碎粒度要求，研制相應(yīng)的專用微粉碎設(shè)備。

4） 提高秸稈微粉碎設(shè)備的自動化程度，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)料、粉碎作業(yè)、篩分、分級、出料的動態(tài)可控調(diào)節(jié)，對電動機(jī)的電流、軸承的溫度、齒輥轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，在提高機(jī)器的工作效率的同時，也能提升安全保障。

5） 在兼顧粉碎粒度、粉碎效率和工作安全的前提下，基于輕量化設(shè)計理念，對秸稈微粉碎設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到節(jié)省能耗、便于設(shè)備運(yùn)輸和降低生產(chǎn)成本的目的。

5 結(jié)語

隨著農(nóng)作物秸稈的價值不斷被發(fā)掘，秸稈產(chǎn)業(yè)也在不斷發(fā)展，但現(xiàn)有秸稈利用技術(shù)簡單粗放，秸稈高值化利用尚處在起步階段。本文系統(tǒng)梳理秸稈及粉體利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、微粉碎的定義和秸稈微粉碎方式、微粉碎設(shè)備和理論研究現(xiàn)狀，指出現(xiàn)有秸稈微粉碎方式、微粉碎設(shè)備以及微粉碎理論研究存在的問題。目前，秸稈微粉碎設(shè)備難以同時滿足高生產(chǎn)率和細(xì)粉碎粒度的要求，不適應(yīng)秸稈粉體規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化的需求，自動化、專門化、簡單化和輕量化是今后秸稈微粉碎設(shè)備的發(fā)展方向。同時，在粉碎機(jī)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來突破秸稈微粉碎技術(shù)的瓶頸，以高附加值產(chǎn)品帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升秸稈產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

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