使用高水分玉米秸秆和玉米淀粉粘结剂在平模颗粒机中以较低能耗生产耐久颗粒的方法

摘要

本研究建立了一种利用平模颗粒机在降低比能耗条件下制备高质量颗粒的方案，所用原料为高水分玉米秸秆和淀粉类粘结剂。结果表明，添加玉米淀粉粘结剂可提高颗粒的耐久性，减少细粉比例，并降低比能耗。

摘要

颗粒生产中的一个主要挑战是将生物质原料的含水量从30%降至10%（湿基）所带来的高昂干燥成本。在美国爱达荷国家实验室，开发了一种高水分制粒工艺，以降低干燥成本。该工艺在比传统方法更高的原料含水量条件下进行制粒，所制得的高水分颗粒随后在节能型干燥器中进一步干燥。此工艺可在制粒过程中通过模孔内产生的摩擦热使原料含水量降低约5–10%。本研究旨在探讨在平模制粒机中，添加黏结剂对高水分制粒工艺的颗粒品质及能耗的影响。在本研究中，将未经处理的玉米秸秆在含水量分别为33%、36%和39%（湿基）的条件下，分别添加0%、2%和4%的纯玉米淀粉进行制粒。所获得的半干颗粒随后在实验室烘箱中于70 °C条件下进一步干燥3–4小时，使颗粒最终含水量降至9%以下（湿基）。对高水分颗粒及干燥后颗粒的物理特性（如容重和耐久性）进行了评估。结果表明，与未添加黏结剂的颗粒相比，将黏结剂添加量增至4%可显著提高颗粒耐久性，并使单位能耗降低20–40%。在较高黏结剂添加量（4%）条件下，制粒过程中的原料含水量降低幅度为 <4%，而在无黏结剂的情况下，降幅约为7-8%。当黏结剂含量为4%、原料含水率（湿基）为33%时，测得干燥后颗粒的容重和耐久性值分别为 >510 kg/m³ 和 >98%， respectively，且产生的细颗粒物百分比为 降低至 <3%.

引言

生物质是全球主要的能源资源之一，被认为具有碳中和特性¹. 打捆并粉碎的农业生物质以及木本生物质碎料的容重较低。打捆生物质的容重为130–160 kg/m³³），地上生物量（60-80 kg/m³）和碎木生物质（200–250 kg/m³）³) 造成储存、运输和操作方面的问题^2,3通过使用压力和温度对地面生物质进行致密化或压缩，可使其体积密度提高约5至7倍，有助于克服运输和储存方面的限制⁴颗粒机、压块机和螺杆挤出机是通常用于生物质致密化的系统。⁴. 捆装与颗粒状生物质原料的盈亏平衡运输距离分析表明，颗粒料可运输1.6 相同成本下，使用卡车运输的距离是捆装运输的数倍⁵. 随着其他运输方式的增加，颗粒物的运输效率提高 运输方式，例如 轨道，因为它是 与受重量限制的卡车不同，其运输受限于体积。目前，在欧洲，由木质生物质制成的颗粒被广泛用于生物发电。加拿大和美国是向欧洲供应木质颗粒的主要生产国和供应商。⁶由木质和草本生物质制成的颗粒均可用于热化学转化（共燃、气化和热解）和生物化学转化（乙醇）应用。^7-9.

颗粒的品质（密度和耐久性）以及制粒过程的单位能耗，取决于制粒机的工艺参数（如压模直径、压模转速和压模长径比）和原料特性（如原料含水率和组分）。⁴两者均 制粒机工艺参数和原料特性会影响颗粒的质量以及工艺中的单位能耗。模具尺寸（即，长径比）会影响压缩和挤出压力，而模具转速则控制物料在模具内的停留时间。水分含量是一个重要的原料变量，它通过与生物质组成成分相互作用而发挥重要作用（即，蛋白质、淀粉和木质素）因模具内遇到的高温高压而发生变化。水分的存在增强了范德华力，从而增加了生物质颗粒之间的相互吸引力¹⁰一般来说，生物质中较高的含水量会影响压缩后产品的容重，这是由于物料在离开颗粒机或压块机模具时发生径向和侧向膨胀所致。¹⁰生物质组成（如淀粉、蛋白质、木质素及其他水溶性碳水化合物）会影响其在压缩成型设备中受压和受热时的结合行为。¹¹一些常见的组分反应受原料水分、模具温度和压力的影响，包括淀粉糊化、蛋白质变性以及木质素玻璃化转变。通常情况下，当温度达到100 °C或更高，且原料水分含量超过30%时，饲料和动物饲料中的淀粉会发生糊化，进而影响硬度等质地特性¹²通常，淀粉的反应包括糊化、糊精化和回生。在这些反应中，糊化对颗粒特性的影响最大。¹³淀粉常被用作粘合剂，广泛应用于食品和非食品领域。例如，在制药片剂配方中，淀粉被用作填充剂。^4,14生物质中的蛋白质在致密化过程中因经历高温高压而发生变性，并形成复杂的化学键。¹¹一般来说，生物质中蛋白质含量越高，制成的颗粒越耐用。^15,16例如，苜蓿的蛋白质含量较高，可在较高的原料水分含量下形成坚固的颗粒。生物质中的脂肪可降低制粒或压块过程中的摩擦力和挤出能耗。^11,17在木质纤维素生物质中，植物材料中的木质素有助于在不添加任何粘结剂的情况下形成颗粒¹⁸木本生物质的木质素含量（29-33%）高于草本生物质，后者通常含有12-16%的木质素。^4,19在约10-12%（湿基）的较低原料含水率下，木质素的玻璃化转变温度高于140 °C²⁰；而增加水分含量会降低玻璃化转变温度²¹根据Lehtikangas的研究²²，木质素在8-15%（以湿基计）含水量下的玻璃化转变温度约为100-135 °C，但当含水量增加至 >25%（湿基）可将玻璃化转变温度降低至 <90 °C

草本生物质的含水量因收获方法和收获时间的不同而有所差异。在单次收获法中，所收获的物料含水量较高。 >30%（w.b.）²³生物质通常需干燥至约10%（湿基）含水率，以使其在有氧条件下保持稳定，并防止储存期间干物质损失。Lamers 等²⁴ 表明在30%含水量条件下预处理生物质时，研磨（第1阶段 & 2）干燥成本约为每干吨43.60美元，其中仅生物质干燥的成本约为每干吨15.00美元。干燥生物质消耗的能源约占总预处理能耗的65%，而制粒约占8-9%²⁴. Yancey 等²⁵ 已证实干燥是生物质预处理过程中主要的能耗环节。实验数据与技术经济分析表明，高效的水分管理对于降低生物质预处理成本至关重要。降低干燥成本并更高效地管理原料水分的一种方法是采用高水分制粒工艺结合低温干燥技术。爱达荷国家实验室开发的高水分制粒工艺中，生物质在含水率高于28%（湿基）的条件下进行制粒；所产生的部分干燥颗粒仍具有较高水分，可进一步在节能型干燥设备（如谷物干燥机或带式干燥机）中完成干燥。²¹高水分制粒的一个主要优势在于其有助于降低干燥成本，从而减少颗粒生产的总成本。技术经济分析表明，与传统制粒方法相比，采用高水分制粒工艺可使能源和生产成本降低约40-50%。^24,26降低颗粒生产成本的主要原因是用工作温度约为80 °C或更低的谷物干燥机，取代了工作温度为160至180 °C的旋转干燥机。²¹用带式干燥机或谷物干燥机替代旋转干燥机的其他优势包括：1）更高的效率，2）降低火灾风险，3）无需高品质热源，4）减少挥发性有机化合物（VOC）排放，5）减少颗粒物排放，以及6）不会使高黏土含量或黏性生物质发生团聚²⁷在传统的制粒过程中，通常采用高能耗的蒸汽调质步骤来增加水分并激活部分生物质组分，而本方法将其替换为短暂的预热步骤。该步骤有助于降低原料的含水率，同时激活木质素等生物质组分。此外，制粒模具中产生的摩擦热还可进一步将原料含水率降低约5-8%（湿基）。^21,28在高水分制粒过程中，制粒机不仅对生物质进行压缩，还在压缩和挤出过程中有助于降低其含水量。许多研究人员已采用单机、实验室规模、中试规模的环模制粒设备以及商业化的连续制粒系统，对原始及化学预处理后的生物质在较宽水分范围（7–45%，湿基）内进行了制粒实验。^{10,25,29-40,(Pace, D. 2015. 市政固体废弃物及氨纤维爆破（AFEX）预处理玉米秸秆在中试规模环模制粒机中的制粒研究。生物燃料部，总工程师，生物质国家用户设施，爱达荷国家实验室（未发表数据）}这些研究人员将生物质原料的含水量调节至不同目标水平，以探究含水量对颗粒燃料品质特性的影响。

根据美国颗粒燃料协会（Pellet Fuel Institute, PFI）的规定，颗粒质量属性中的容积密度和耐久性属于规范性指标。然而，根据欧洲标准化委员会（European Committee for Standardization, CEN）的规定，耐久性为规范性指标，而容积密度则为信息性指标⁴¹。根据PFI标准，耐久性值>96.5% 且容积密度>640 kg/m³ 的颗粒被定为超高级颗粒；而耐久性值>97.5% 的颗粒则被定为最高等级颗粒。CEN和PFI标准均推荐不同直径的颗粒。例如，PFI推荐颗粒直径范围为6.35–7.25 mm，而CEN推荐颗粒直径范围为6–25 mm，且颗粒长度应小于或等于直径的4倍⁴¹。考虑到较小直径的颗粒（6 mm）具有更高的堆积密度，因此在长距离运输中更受青睐²⁸。对于常规制粒工艺，建议在较低含水率条件下对生物质进行制粒，以满足适合长距离运输所需的密度要求⁴¹。CEN和PFI均设有其他颗粒等级⁴¹。Tumuluru²⁸ 以及Tumuluru和Conner⁴⁰ 指出，爱达荷国家实验室开发的高水分制粒工艺有助于生产具有不同质量属性（容积密度和耐久性）及特定能耗的玉米秸秆和木颗粒，使其适用于不同的运输和物流场景。

大多数关于生物质制粒的研究均采用单一的制粒系统。在实验室规模下，利用连续式系统进行生物质制粒的数据较为有限。对连续制粒系统开展研究，有助于理解制粒工艺参数（如模具转速、长径比和模具直径）对颗粒质量特性及单位能耗的影响。连续系统的制粒数据还可进一步用于将该工艺放大至中试规模和工业化规模系统。通常，实验室中采用平模制粒机对木质和草本类生物质进行制粒研究⁴。实验室规模的平模制粒机、中试规模及工业规模的环模制粒机的工作原理相似。这些制粒机均配备有一个带两个或三个 压辊的穿孔硬质钢制模具。通过旋转模具，压辊对原料施加压力，迫使物料穿过模具上的孔洞，从而形成高密度颗粒⁴。

我们早期关于玉米秸秆在原料含水率28-38%（湿基）条件下进行高水分制粒且不添加任何粘结剂的研究表明，在较高原料含水率下所得颗粒的耐久性较低^21,28。提高高水分颗粒在冷却和干燥后的耐久性至关重要，因为这有助于防止颗粒在搬运、储存和运输过程中发生破碎（颗粒品质下降）。颗粒破碎通常会导致细粉产生，从而造成颗粒生产商的收入损失。在制粒过程中通常会使用粘结剂以提高颗粒质量，尤其是耐久性，并降低单位能耗。制粒过程中常用的天然粘结剂包括蛋白质和淀粉^4,28。在热、水分和压力作用下，淀粉会发生糊化，而蛋白质则会发生变性。这两种反应均有助于在较低能耗下实现更好的粘结效果，从而获得更耐用的颗粒。本研究的总体目标是开发并验证一种在玉米秸秆高水分制粒过程中添加粘结剂的工艺，以在较低单位能耗条件下生产出具有良好绿色耐久性（冷却后）和固化耐久性（干燥后）的高品质颗粒。本研究的具体目标包括：1）在不同原料含水率（33%、36%和39%，湿基）和淀粉粘结剂添加量（0%、2%和4%）条件下进行玉米秸秆高水分制粒；2）评估颗粒的物理特性（颗粒含水率、颗粒直径、膨胀比、容积密度以及耐久性（绿色耐久性和固化耐久性））；3）评估制粒过程的单位能耗。

方案

注意：玉米秸秆捆来自美国爱荷华州的农场，以捆状形式采购。采购的秸秆捆分两个阶段依次进行研磨。第一阶段使用配备50.8 mm筛网的研磨机对玉米秸秆捆进行研磨；第二阶段将第一阶段所得研磨物料进一步用配备4.8 mm筛网的Bliss锤磨机进行研磨。研磨后的物料测定其含水率和容重，并储存于密封容器中，用于后续的制粒试验。纯玉米淀粉购自当地市场，同样测定其含水率和容重。粉碎后的玉米秸秆及玉米淀粉黏结剂的含水率和容重见表1。

表 1. 粉碎后玉米秸秆和玉米淀粉粘结剂的含水量与堆积密度。

1. 颗粒饲料机

1. 使用配备10马力电机的实验室平板模粒机进行制粒试验（图1）^21,28,38。

图1. 爱达荷国家实验室使用的实验室规模平模制粒机示意图（改编自Tumuluru²¹）。 采用平模制粒机进行高水分玉米秸秆制粒试验，试验包括添加与不添加粘结剂的条件。请点击此处查看此图的放大版本。

2. 将柔性加热带放置在料斗和螺旋进料器的表面，然后用玻璃棉进行保温，以防止热量散失。将加热带连接至温度控制器，将生物质预热至30–130 °C范围内的目标温度。
3. 为制粒机配备变频驱动器（VFD），并将制粒机的变频驱动器连接至制粒机电机。进料器电机控制器为直流电机控制器，用于调节输送至制粒机的进料速率。
4. 将功率计连接至制粒机电机，以记录能耗。手动选择一种孔径为8 mm、长径比（L/D）为2.6的平模制粒模具。
5. 在制粒机上加装水平制粒冷却器，用于冷却从制粒模孔中排出的温热颗粒。将冷却器连接至排风系统，以循环新鲜空气。

2. 原料制备

1. 取2-3 kg使用4.8 mm筛网粉碎的玉米秸秆。测定玉米秸秆的含水量（见步骤4.1）和容重（见步骤4.3）（见表2）。
2. 测定从当地市场采购的纯（100%）玉米淀粉粘结剂的含水量（见步骤4.1）和容重（见步骤4.3）。
3. 将玉米淀粉粘结剂加入粉碎后的玉米秸秆中（粘结剂添加百分比见表2）。
4. 根据公式1计算需添加的水量，以调节粉碎玉米秸秆与玉米淀粉粘结剂混合物的含水量至33%、36%和39%（湿基）。
   = （1）
   注：公式1中，W_w 为水的质量（g），W_s 为生物质样品的质量（g），m_f：样品最终含水量百分比（湿基），m_i：样品初始含水量百分比（湿基%）。
5. 将计算所得的水量加入玉米秸秆/玉米淀粉粘结剂混合物中，并在实验室规模的带式混合机中进行混合。
6. 将调节好水分的玉米秸秆/玉米淀粉混合物储存在密封容器中，并置于设定为4-5 °C的冰箱中，使水分充分平衡。

3. 高水分制粒工艺

1. 将玉米秸秆/玉米淀粉混合物从冰箱中取出，在室温下放置约1-2小时，使其升至室温。
2. 将物料装入制粒机的进料斗中，以60 Hz（380 rpm）的模具转速运行制粒机。
3. 通过调节制粒机的进料速率，均匀进料，以在稳态条件下生产颗粒，并在水平颗粒冷却器中对颗粒进行冷却。
4. 使用6.3 mm筛网分离制粒过程中产生的细粉。
   注意：冷却后测定颗粒的水分含量和耐久性²¹。
5. 将冷却后的高水分颗粒在实验室烘箱中于70 °C下干燥3-4小时，使颗粒最终水分含量降至9%以下（湿基）。
   注意：测定干燥后颗粒的水分含量、容重及耐久性²¹。
6. 在制粒过程中将功率数据记录到计算机中。
   注意：制粒试验条件见表2，含水量为33%、36%和39%并添加4%玉米淀粉粘结剂所制得的颗粒见图2。

表 2. 本研究中使用的实验测试条件。

图 2. 使用 4% 玉米淀粉作为粘结剂，在不同原料含水量条件下制备的玉米秸秆颗粒的照片。 请点击此处查看该图的放大版本。

4. 沉淀物特性与比能耗

注：采用ASABE标准⁴² 测定原料和颗粒物料的含水量、密度、耐久性及细粉百分比。

1. 将约25-50 g粉碎并制粒的玉米秸秆样品放入设定为105 °C的实验室烘箱中，干燥24小时。分别称量干燥前后的样品重量。使用公式2计算水分含量。实验重复三次。
   （2）
2. 取单个颗粒，用砂布将两端打磨平整。使用游标卡尺测量颗粒直径。根据公式3²⁸计算颗粒的膨胀比。测量十个颗粒的直径。
   膨胀比 = （3）
   注：公式3中，D为挤出颗粒的直径（mm），d为模具的直径（mm）。
3. 使用一个高度为155 mm、直径为120 mm的有机玻璃圆筒。将颗粒倒入圆筒至溢出，用直边刮平上表面。称量装有物料的圆筒总质量。将物料质量除以圆筒体积，计算容积密度。重复实验三次。
4. 使用6.3 mm筛网对制粒物料进行手工筛分。称量通过筛网的物料质量。使用公式4计算细粉百分比。
   细粉百分比 = × 100 （4）
5. 将约500 g不含细粉的颗粒分别装入颗粒耐久性测试仪的每个仓室中。以50转/分钟的速度翻滚10分钟。使用6.3 mm筛网对翻滚后的物料进行筛分。使用公式5计算颗粒的耐久性百分比。
   耐久性 = × 100 （5）
   注：绿色耐久性指冷却后测得的颗粒耐久性；固化耐久性指将颗粒在70 °C下干燥3小时后测得的耐久性。
6. 使用数据记录软件记录颗粒机的功耗。在60 Hz模具转速下空载运行颗粒机，记录空载功率（kW）数据。使用公式6计算单位能耗（SEC）。
   （6）

结果

沉淀物含水量

成型后生物质的含水量降低了约5-8%（湿基）。这种降低主要归因于模孔内产生的摩擦热、预热温度以及高水分颗粒的冷却过程。此外，黏结剂也影响了水分损失的量。在0%黏结剂条件下，水分损失约为7-8%，这与我们之前的研究结果一致^21,28；而在4%黏结剂条件下，成型过程中原料的水分损失约为3-5%（图3）。添加到生物质中的黏结剂可能起到了润滑剂的作用，从而降低了摩擦阻力，并缩短了物料在模孔通道内的停留时间，导致水分损失减少。在先前的研究中，使用红外测温仪（Fluke，型号561，Fluke Corporation，Everett，WA，美国）在成型后立即测得的模孔温度达到约100-110 °C²¹。随着黏结剂比例的增加，水分损失减少，可能是由于水分与淀粉颗粒紧密结合所致。将高水分颗粒在实验室烘箱中于70 °C下进一步干燥3-4小时后，其含水量降至<9%（湿基），这些颗粒用于测定其他物理特性，如颗粒直径、膨胀比、容积密度和耐久性。对颗粒含水量数据的统计分析表明，原料含水量与黏结剂添加之间存在交互作用，共同影响颗粒的含水量（表3）。对于不含黏结剂和含2%黏结剂的颗粒，原料含水量的增加导致颗粒含水量上升（Tukey检验，p<0.05），但在4%黏结剂条件下，这一趋势无统计学显著性（Tukey检验，p≥0.05；图3）。

图3. 原料含水量（FMC）和淀粉黏结剂对冷却后颗粒含水量的影响（均值±1SD；n=3）。 未添加黏结剂的制粒试验相比添加黏结剂的试验导致更高的原料水分损失。不同字母表示经事后Tukey HSD检验存在显著差异（p<0.05）。请点击此处查看该图的放大版本。

沉淀物直径

添加粘结剂与未添加粘结剂的颗粒在含水率为33%时，冷却后的直径范围为8.4–8.7 mm（数据未显示）。当原料含水率提高至36%和39%（湿基）并添加粘结剂时，颗粒直径最大增至9.3 mm（数据未显示）。这些颗粒随后在实验室烘箱中于70 °C下干燥约3–4小时。干燥导致颗粒直径减小约0.3–0.4 mm。干燥后颗粒直径减小的主要原因是颗粒发生收缩。原料含水率与粘结剂添加之间的交互作用对干燥后颗粒直径具有统计学上的显著影响（表3）。在原料含水率为33%时，干燥后颗粒直径范围为8.3至8.5 mm；而将原料含水率提高至36%或39%时，颗粒直径增至约8.7 mm（图4）。当未使用粘结剂时，仅在33%与39%之间观察到统计学上的显著差异（Tukey检验，p<0.05），这可能是由于测量数据变异较大所致。

图4. 原料含水率（FMC）和玉米淀粉粘结剂对干燥后颗粒直径的影响（均值±1标准差；n=10）。 颗粒直径随原料含水率和淀粉添加量的增加而增大。不同字母表示经事后Tukey HSD检验存在显著差异（p<0.05）。请点击此处查看该图的放大版本。

扩增倍数

膨胀比通过颗粒直径计算（公式3）。与干燥后相比，冷却后颗粒的膨胀比值更高（数据未显示）。在33%水分含量下，无论是否添加黏结剂，冷却后的膨胀比值范围为1.16–1.20。将原料水分含量进一步提高至36%和39%且不添加黏结剂时，膨胀比值增至1.35。干燥后的颗粒膨胀比较低，主要原因是颗粒在直径和长度方向均发生收缩。在33%原料水分含量下，添加或不添加黏结剂的膨胀比值范围为1.11–1.07（图5）。将原料水分含量提高至36%和39%时，膨胀比值进一步增加至1.10–1.18（图5）；然而，仅在不添加黏结剂条件下，33%与39%水分含量之间的差异具有统计学显著性（Tukey检验 p<0.05；表3）。对于颗粒直径和膨胀比而言，在所有原料水分含量条件下，添加淀粉类黏结剂均提高了这些数值，但这些差异无统计学显著性（Tukey检验 p≥0.05）。干燥后的膨胀比结果与早期研究结果一致，即提高原料水分含量会增加膨胀比，并进一步降低容重值²⁸。

图 5. 原料含水率（FMC）及淀粉类粘结剂对颗粒干燥后膨化率的影响（n=10）。 无论是否添加粘结剂，随着原料含水率的增加，颗粒的膨化率均有所提高。不同的字母表示通过事后Tukey HSD检验发现的显著差异（p<0.05）。请点击此处查看该图的放大版本。

容积密度

使用含水率为33%的原料（添加和未添加黏结剂）制成的颗粒，冷却后测得的容重范围为464–514 kg/m³（数据未显示）。在不含黏结剂的情况下，当原料含水率为36%和39%时，颗粒的容重值分别为437–442 kg/m³。在这些含水率条件下添加黏结剂后，容重降低至<400 kg/m³。将高含水率的颗粒在实验室烘箱中于70 °C下干燥约3小时后，颗粒含水率降至9%以下（湿基）。干燥后容重略有增加，约提高50 kg/m³。干燥后容重的增加可能是由于颗粒间液桥减少，从而使颗粒排列更紧密，结构更致密。Oginni⁴⁴观察到，粉碎后的湿地松容重随含水率增加而降低。对于使用含水率为33%的原料（无论是否添加黏结剂）制成的颗粒，其容重范围为520–530 kg/m³（图6）。当原料含水率较高（分别为36%和39%，湿基）时，干燥后颗粒的容重显著下降，分别降至<434 kg/m³和<437 kg/m³。原料含水率与黏结剂添加之间对容重存在显著的交互作用（表3）。总体而言，随着初始原料含水率的增加，容重呈下降趋势。此外，有迹象表明，随着淀粉含量的增加，容重也有所降低（图6）。

图6. 原料含水率（FMC）和淀粉粘结剂对颗粒干燥后堆积密度的影响（均值±1SD；n=3）。 较低的原料含水率（33%，湿基）且不添加粘结剂时，颗粒的堆积密度最高。在不同原料含水率条件下添加2%和4%的粘结剂均导致堆积密度降低。不同的字母表示通过事后Tukey HSD检验存在显著差异（p<0.05）。请点击此处查看该图的放大版本。

耐久性 (%)

冷却后

绿色耐久性

图7展示了颗粒在冷却后（绿色强度）以及在70 °C烘箱中干燥3-4小时后的耐久性（固化强度）。较高的高水分颗粒耐久性值是理想的，因为这将提高其抗剪切和抗冲击能力，从而在搬运和储存过程中减少破碎。在方差分析（ANOVA）中，原料含水率、粘结剂百分比和干燥处理之间的交互作用具有显著性（表3）。颗粒在冷却后的耐久性值随粘结剂含量的增加而提高（表3；Tukey检验，p<0.05）。在原料含水率为33%（湿基）时，不添加粘结剂的颗粒耐久性值约为87.2%；而添加2%和4%淀粉粘结剂后，耐久性值分别提高至93.2%和96.1%（图7）。对于36%和39%（湿基）的其他原料含水率，趋势相似。不添加粘结剂时，耐久性值约为80%；然而，向生物质中添加粘结剂可提高耐久性值。当原料含水率为36%并添加4%淀粉粘结剂制粒时，耐久性值提高至约90%。在更高的原料含水率（39%，湿基）下，趋势相似，但总体耐久性值较其他含水率条件有所下降。

图7. 原料含水量（FMC）和淀粉粘结剂对冷却和干燥后颗粒耐久性的影响（均值±1标准差；n=3）。 在原料含水量分别为33%、36%和39%（湿基）条件下制备的高水分玉米秸秆颗粒，其在冷却后和干燥后的耐久性均随粘结剂添加量的增加而提高。不同字母表示经事后Tukey HSD检验存在显著差异（p<0.05）。请点击此处查看该图的放大版本。

干燥后

固化耐久性

将高水分颗粒在实验室烘箱中于 70 °C 下干燥 3–4 小时，可使颗粒固化，从而提高颗粒的耐久性。在原料含水率分别为 33%、36% 和 39%（湿基）条件下制备的颗粒，其耐久性经干燥后均提升至 >92%（图7）。其中，原料含水率为 33% 时，颗粒耐久性经干燥后提高至约 98%（图7）。这些结果与先前的研究工作^21,28高度一致。使用黏结剂制备的颗粒，其耐久性在干燥后亦有所提升（Tukey 检验，p<0.05）。在原料含水率为 33% 且添加 4% 黏结剂的条件下，测得最终耐久性约为 98%。在原料含水率为 36% 和 39% 的情况下，趋势相似，黏结剂对耐久性具有显著的正向影响（Tukey 检验，p<0.05）。当原料含水率为 39%，并添加 2% 和 4% 黏结剂时，颗粒耐久性提升至约 94–95%。

细粒含量百分比

本研究中，当原料水分含量为36%和39%（湿基）时，制粒过程中产生的细粉比例高于33%（湿基）的条件。与未添加黏结剂的试验相比，添加黏结剂后，在所有原料水分含量条件下产生的细粉比例均有所降低（图8）。未添加黏结剂的制粒试验在39%（湿基）原料水分含量下产生的细粉比例最高，约为11%。在玉米秸秆中添加2%和4%的黏结剂后，与未添加黏结剂的颗粒相比，33%和36%（湿基）水分含量条件下的制粒细粉比例均有所下降。本研究中观察到的最低细粉比例出现在添加4%黏结剂且原料水分含量为33%（湿基）的条件下，约为3%。

图 8. 原料水分含量和淀粉黏合剂对颗粒物料产生细粉百分比的影响。 在原料水分含量为 33%、36% 和 39%（湿基）时，添加黏合剂可降低颗粒物料中的细粉百分比。请点击此处查看该图的放大版本。

比能耗

比能耗受黏结剂添加的影响（图9）。在不添加黏结剂的情况下，当原料含水率为33%、36%和39%时，比能耗介于118–126 kWhr/吨之间。添加2%的黏结剂后，比能耗降低至约75–94 kWhr/吨。进一步将黏结剂比例增加至4%，在所有测试的原料含水率条件下，比能耗进一步降低至约68–75 kWhr/吨。添加2%和4%的黏结剂可使比能耗降低约20–40%。

图9. 原料含水率和淀粉粘结剂对高水分制粒过程比能耗的影响。 添加2%和4%的淀粉基粘结剂后，高水分玉米秸秆制粒过程的比能耗降低了约20-40%。请点击此处查看此图的放大版本。

统计分析

统计分析在 JMP 10 中完成⁴³采用双因素方差分析（two-way ANOVA）评估原料含水量（33%、36%、39%）和玉米淀粉黏合剂（0%、2%、4%）对颗粒含水量（n=3）、颗粒直径（n=10）、膨胀比（n=10）和容积密度（n=3）的影响。采用三因素方差分析（three-way ANOVA）评估含水量（33%、36%、39%）、玉米淀粉黏合剂（0%、2%、4%）以及干燥处理（干燥前、干燥后）对颗粒耐久性（n=3）的影响。残差满足方差分析对正态性和方差齐性的假设要求。为满足这些假设，颗粒含水量数据经四次方变换处理。^th 功率。如果方差分析中检验的因素在 p<0.05，采用Tukey HSD检验进行事后两两比较。

表3. 基于方差分析（ANOVA）的工艺变量统计显著性。

讨论

在高水分制粒方法中，以较低的单位能耗生产出具有理想耐久性的颗粒，其关键步骤包括：1）将高水分玉米秸秆干燥至目标水分含量（33-39%，湿基）；2）添加适量黏结剂；3）将高水分生物质均匀地喂入颗粒机。原料水分含量和黏结剂添加比例是影响颗粒特性（冷却前及干燥后的颗粒密度和耐久性）以及制粒过程单位能耗的工艺变量。建议在开展制粒研究前，检测原料的水分含量。将水分含量为33%、36%和39%（湿基）的高水分玉米秸秆均匀喂入颗粒机，会影响颗粒质量和能耗。对颗粒机进料装置加装变频驱动装置，对于实现生物质均匀喂料至关重要。

本研究结果表明，在高水分玉米秸秆中添加黏结剂虽略微降低了颗粒的容重，但显著提高了颗粒的耐久性。添加基于淀粉的黏结剂会增加压缩和挤出后颗粒的水分含量，但在几乎所有研究案例中，这种增加均无统计学显著性。在添加4%黏结剂的情况下，造粒过程中的水分损失约为3%至4%，而未添加黏结剂时水分损失更高（7–8%，湿基）。在玉米秸秆中添加黏结剂可能产生了以下两种作用：1）缩短了物料在模孔内的停留时间；2）降低了模孔内的摩擦阻力，从而降低了模孔温度，这可能导致在颗粒模孔内压缩和挤出过程中水分损失减少。

颗粒从颗粒模具中挤出并干燥后，其直径有所增加（图4）。这种增加在原料含水率较高以及添加淀粉粘结剂的情况下更为显著。在33%（湿基）原料含水率条件下，无论是否添加粘结剂，颗粒的容积密度均在510–530 kg/m³范围内。先前的研究表明，当原料含水率较高（约38%，湿基）时，容积密度会降低，这主要是由于颗粒通过模具出口时发生膨胀所致^21,28。当高含水率的生物质材料在压力作用下通过模具挤出时，常会发生水分闪蒸现象^12,21。水分的闪蒸导致颗粒在轴向和径向上均发生膨胀。通常情况下，径向膨胀比轴向膨胀更为明显。生物质在压缩并通过颗粒模具挤出后发生膨胀的另一个原因可能是生物质纤维在含水条件下发生松弛。Ndiema 等⁴⁵ 和 Mani 等¹⁸ 指出，在模具中释放施加的压力会导致压缩后的生物质发生松弛。这种松弛特性受多种因素影响，如颗粒尺寸、原料含水率和施加的压力。此外，本研究中我们观察到干燥后容积密度有所增加，这可能是由于颗粒间液桥减少 ，从而使颗粒排列更紧密，形成更为致密的结构。Oginni⁴⁵ 观察到，粉碎后的湿地松容积密度随含水率增加而降低。

通过测定颗粒的耐久性来评估其强度。通常，颗粒在储存、运输和操作过程中会受到剪切力和冲击力的作用^4,46。Kaliyan 和 Morey⁴⁷指出，颗粒在刚生产完成时的耐久性（即绿色强度）与其生产后存放数天的耐久性（即固化强度）有所不同。耐久性较低的颗粒容易破碎，从而增加储存过程中的风险，例如释放气体和自燃，可能导致颗粒生产商的经济损失。根据欧洲标准化委员会（CEN）和美国颗粒燃料协会（PFI）的规定，高品质或优级颗粒的耐久性推荐值应>96.5%³¹。本研究中，使用淀粉粘结剂在39%含水率条件下制备的颗粒，其耐久性提高至约94–95%，而未添加粘结剂的颗粒在干燥后的耐久性仅为83–85%。在33%（湿基）原料含水率条件下制备的颗粒，其耐久性值>96.5%，符合国际标准。

水分在生物质制粒过程中具有多种作用，包括：1）通过范德华力在生物质颗粒之间形成固体桥，2）激活生物质中天然存在的黏结剂（如蛋白质、淀粉和木质素），以及3）促进基于淀粉和蛋白质的反应（如糊化和变性），这些反应对颗粒的质地特性（如硬度）具有显著影响^4-12。对于木质纤维素类生物质而言，主要的黏结成分为木质素（木本生物质中含量为27-33%，草本生物质中为12-16%）⁴。根据组成数据的综述（包括文献资料和原料数据库）分析，玉米秸秆中木质素含量平均约为16%⁴⁸。木质素分子在较高水分含量下具有更高的流动性，可起到黏合剂作用，从而增强颗粒间的结合强度；然而，当水分含量过高时，其作用更类似于润滑剂，反而会削弱结合效果。在本研究中，当水分含量高达约39%（湿基）时，水分可能主要表现出润滑作用，导致颗粒耐久性降低，并在制粒过程中产生更多细粉。当原料水分含量较高（36%和39%，湿基）时，添加黏结剂后观察到更高的耐久性值，这可能是由于在模具温度和原料水分共同作用下淀粉发生糊化所致。此类糊化反应可促使淀粉与其他生物质组分之间形成交联结构。

造粒过程中产生的细粉百分比是衡量生物质成粒性能优劣的良好指标。造粒过程中细粉的生成会导致颗粒生产商的产品和收入损失。造粒过程中过度产生细粉还可能对产品质量特性产生影响，例如 密度和耐久性。造粒过程中细粉的产生受生物质组成的影响（即淀粉、蛋白质、木质素和蜡质），制粒工艺参数 即, 长径比（L/D 比）、模具转速、蒸汽条件、预热）以及原料变量（即、原料含水率、粒径和进料速率） ⁴本研究结果表明，添加黏结剂不仅减少了细颗粒物的生成比例，还有助于改善物理特性，同时降低比能耗。细颗粒物生成比例较低表明生物质具有更强的制粒性能。

Tumuluru 等⁴ 在其关于适用于将生物质转化为商品型产品的压块系统的综述中指出，添加粘结剂有助于降低挤出能耗，从而减少单位能耗。通常，长径比（L/D）控制物料在模具中的停留时间，并促进生物质的结合。此外，长径比也影响挤出能耗和单位能耗。较高的长径比会延长停留时间，从而改善颗粒的物理特性，但会增加挤出所需的能量。在生物质中添加粘结剂可在较低的长径比下实现有效结合，并降低挤出能耗。本研究中选定的长径比（L/D）保持恒定，为2.6。未来的研究旨在探讨颗粒模具的长径比及其与原料含水率之间的交互作用对颗粒品质特性的影响。

来自爱达荷国家实验室（INL）的生物质国家用户设施（https://www.inl.gov/bfnuf/）所获得的生物质预处理（粉碎、干燥和制粒）实验数据及相关技术经济分析表明，将生物质含水率从30%降至10%（湿基）需要消耗大量能量（未发表数据）。INL开发的高水分制粒工艺相比传统制粒方法可有效降低颗粒生产成本²⁴。本研究表明，在高水分制粒过程中添加淀粉类粘结剂，可在原料含水率为36%和39%（湿基）并经冷却后，使颗粒耐久性提高至>92%，同时使制粒过程的单位能耗降低约20–40%。在较高原料含水率下制得的颗粒具有更高的耐久性，这一点至关重要，因其可显著提升颗粒在输送设备上的可操作性。通常，耐久性较低的颗粒在搬运和储存过程中易碎裂成细粉，导致颗粒生产商的收入损失。此外，生产过程中产生的细粉还可能引发自燃和释放气体等安全隐患^28,41。使用粘结剂实现约20–40%的单位能耗降低，其效益远超过粘结剂本身的成本。同时，基于本研究可得出结论：食品加工行业产生的部分副产品 可用于生物质制粒，以应用于生物能源领域。目前，高水分制粒工艺已在实验室规模的平模制粒机上得到验证。本文所述的实验室规模制粒机操作方案，将为后续放大模型的开发，以及在中试规模和商业化规模制粒机中的工艺测试提供基础。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
平模颗粒机	Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA	ECO-10 pellet mill
加热带	BriskHeat, Columbus, OH, USA	Silicon Rubber Heater, Etched foil elements
热电偶	Watlow, Burnaby, BC, Canada	J型
变频驱动器	Schneider Electric, Palatine, IL, USA	Altivar 71
颗粒冷却器	Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA	CME ECO-HC6
数据记录软件	National Instruments Corporation, Austin, TX, USA	Labview软件
耐久性测试仪	Seedburo Equipment Co., Des Plaines, IL, USA	颗粒耐久性测试仪
锤片式粉碎机	Bliss Industries	CME ECO-HC6
研磨机	Vermeer	HG200
卧式混合机	Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA	ECO-RB 500
蓝色研磨布	3M	部件号：05107-150J 级
保温材料	McMaster Carr	柔性玻璃纤维保温材料
进料控制器	KB Electornics, INC	KBIC-DC-MTR 直流电机控制器
粉尘排气系统	Delta	型号：50-763，序列号：2010 11OI1415
游标卡尺	VWR® 数字游标卡尺	部件号： 12777-830
粘结剂	ACH Food Companies Inc., Memphis, TN, USA	ARGO 100%纯玉米淀粉
玉米秸秆	采自美国爱荷华州，以捆状形式获取