第３２卷第１期 化 学 与 工 业 Ｖ０１．３２ Ｎｏ．１ ２０１２年２月 Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｆｅｂ．２０ｌ２ 林木生物质剪切粉碎特性及其机理分析 翁星星 ，盖国胜 ，吴成宝。 ，杨玉芬 ，胡小芳 （１．华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州５１０６４０；２．清华大学材料科学与 工程系粉体工程研究室，北京１０００８４；３．浙江清华长三角研究院 长兴粉体及新材料工程中心，浙江长兴３１３１００） 摘要： 为探索林木生物质的粉碎特性和粉碎机理，以林木木屑为研究对象，利用剪切磨在不同 ＷＥＮＧ Ｘｉｎｇ—ｘｉｎｇ 给料速度和含水量条件下进行粉碎试验，测量了木粉产品的粒度、密度、均匀性系数、长径比、形貌 和能耗；并分析了林木生物质的剪切粉碎机理。结果表明：随着给料速度从２６．１７ ｋｇ／ｈ增加到４９．８５ ｋｇ／ｈ，均匀性从 １．６３下降为１．３４，平均粒径从７１６．８４ Ｉｘｍ增加为８０３．７３ ｍ，而长径比和单位能耗先降后升；随着木屑含水量的增加，木 粉断裂由脆性断裂转变为韧性断裂，最大处理能力逐步下降为ｌ９．５７ ｋｇ／ｈ，产品粒度、长径比和单位能耗逐渐增加。 关键词：剪切粉碎；木质生物质；粉碎特性；粉碎机理 中图分类号：ＴＱ３５ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３—２４１７（２０１２）０ｌ一００１９—０６ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ｗｏｏｄ Ｂｉｏｍａｓｓ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｐｕｌｖｅｒｉｚｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＷＥＮＧ Ｘｉｎｇ．ｘｉｎｇ‘，ＧＡＩ Ｇｕｏ—ｓｈｅｎｇ ，ＷＵ Ｃｈｅｎｇ．ｂａｏ ，ＹＡＮＧ Ｙｕ．ｆｅｎ ，ＨＵ Ｘｉａｏ—ｆａｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６４０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｈａｎｇｘｉｎｇ Ｐｏｗｄｅｒ ａｎｄ Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ Ｙａｎｇｚｉ Ｄｅｌａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＴｓｉｎｇＪａｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎ Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈａｎｇｘｉｎｇ ３１３１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｐｕｌｖｅｒｉｚｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｗｏｏｄ ｂｉｏｍａｓｓ，ｐｕｌｖｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｏｏｄ ｂｉｏｍａｓｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｅｅｄ ｒａｔｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｐｒｏｄｕｃｔ ｓｉｚｅ， ｄｅｎｓｉｔｙ，ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ，ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ，ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｐｕｌｖｅｒｉｚｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｆｅｅｄ ｒａｔｅ ｆｒｏｍ ２６．１７ ｋｇ／ｈ ｔｏ ４９．８５ ｋｇ／ｈ，ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｐａｒ－ ｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ７１６．８４ ｔｚｍ ｔｏ ８０３．７３ Ｉｘｍ．Ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｌａｔｅｒ．Ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｉ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｉｔ ｗａｓ ｆ０ｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｃａｐａｃｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｓｔｅａｄｉｌｙ ｔｏ １９．５７ ｋｇ／ｈ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ，ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｓｐｅｃｉｉｆｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｕｌｖｅｒｉｚａｔｉｏｎ；ｗｏｏｄ ｂｉｏｍａｓｓ；ｐｕｌｖｅｒｉｚｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｐｕｌｖｅｒｉｚｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 生物质能源是自然界能量循环的重要组成，是一种ＣＯ 综合负排放，对节能减排具有重要意义，已 成为新能源的研究热点 Ｊ。预计到２０５０年，全球总能耗将有４０％来自生物质能源 Ｊ。此外，由于其 纤维素、半纤维素、木质素等组成结构特点，以及高热值、良好的吸附性的优点，木屑已经广泛应用于化 工、皮革、木塑制品等行业 Ｊ。大部分生物质原料在开发利用前期都需要进行粉碎加工处理，以便进 一步加工利用Ｈ ，木粉产品颗粒的大小及其形貌对木粉的后期运用有重要影响，因此，粉碎技术是生 物质转化利用的关键和决定性因素¨卜 Ｊ。生物质粉碎过程较复杂，其粉碎效果与原料性质、含水量和 粉碎设备等密切相关，且粉碎机理包括剪切、碰撞、挤压等多种作用¨ 。目前，公开发表的林木生物质 收稿日期：２０１１一（）５一ｏ５ 基金项目：国家８６３计划重点项目（２００９ＡＡ０４３２０２）；国家中医药局公益性行业科研专项（２００８０７０５４）；中日国际合作项目 （１０３０００４９８） 作者简介：翁星星（１９８７一），男，福建莆田人，硕士生，主要从事粉体加工工程；Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｎｇｘｘ８７０８２８＠１６３．ｃｏｒｎ 通讯作者：盖国胜，博士，主要从事粉体表面包覆、粉体工程技术、设备方面研究；Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｕｏｓｈｅｎｇ＠ｐｕｂｌｉｃ３．ｂｔａ．ｎｅｔ．ｃｎ。 Ｃ 林－Ⅱ ∽ ｅ Ｖ， 产ｄ ａ 林产化学与工业 第３２卷 粉碎文献很少，仅有一些关于木粉制造人造板方面的报道。剪切粉碎是一种传统的物料粉碎，在目前的 粉碎工艺中，一般作为细粉碎的一种预粉碎而被广泛采用，而利用剪切磨一步生产成品木粉的研究鲜有 报道。本研究利用剪切机对木屑进行细粉碎，获得一定粒径的细木粉产品，重点考察了不同给料速度， 不同水分含量的木屑粉碎特性及其产品物理性能，旨在为木屑的剪切粉碎加工提供工艺参数，进而为木 屑的资源化利用的预处理技术提供科学依据。 １ 实验 １．１原材料与仪器 木屑，家具厂生产，主要为切削刨花、锯末，尺寸不均，直径都在３０ ｍｍ以下；塑料粉碎机（壁筛筛孔 ３ ｍｍ）；ＢＴ一１０００型粉体综合特性测试仪；ＸＳ一２１００型光学显微镜；ＤＢＳ一３００型顶击式标准筛振筛机。 １．２木屑预处理 木屑原料经自然风干、曝晒一天后，用除铁器除去铁质杂质（小铁块、螺钉等），然后用人工挑选和 风选的方法除去块状木头。用喷雾器喷洒不同的水，并混合均匀，平衡２４ ｈ后，制备相对含水率分别为 ５％、１０％、１５％和２０％的木屑原料。 １．３木粉制备及取样 采用螺旋给料机向剪切机均匀输送木屑，通过调整给料机频率控制给料速度为２６．１７－４９．８５ ｋｇ／ｈ， 待稳定运行１ ｈ后停止运行，计算总投料量即为给料速度。取样采用缩样取样法选取１ ｋｇ的样品木粉， 以待性能检测。 １．４物性检测 用顶击振筛机测量产品粒度分布，将粒度分布数据代人ＲＲＢ模型中求算出特征粒径、平均粒径和 均匀性系数；用体式显微镜获取木粉产品的照片，然后用图像处理软件测算出长径比；用粉体综合性能 测试仪测量木粉产品的密度，同时计算出压缩比；用显微镜拍摄木粉产品颗粒的形貌；单位产品所消耗 的能量用电表测量。 ２结果与讨论 ２．１给料速度的影响 给料速度不仅决定着剪切粉碎制备木粉的效率及效益，而且对木粉产品的性能有重要影响。 ２．１．１ 对产品粒度的影响粒度是衡量木粉产品粗细程度的定量指标，也是评价木粉产品物性的重要 指标之一；均匀性系数是反映粉体粒度分布宽度的一个指标，也是评价木粉产品质量和产品使用领域的 重要参数之一ｌｌ 。将木粉粒度分布数据代人ＲＲＢ模型方程（如式（１）），并回归分析数据后，得到木粉 产品的特征粒径、平均粒径和均匀性系数，如图１所示。 ）＝１００ｅｘＰ［＿（ Ｄ）］ （１） 式中：Ｄ一粒径， ＩＤ＿； （Ｄ）一粒径大于ｄ的木粉的质量分数，％；Ｄ 一特征粒径，累积质量分数为 ３６．８％所对应的粒径，Ｉｘｍ； 一均匀性系数，其值越小，粒度分布越宽。 从图１可以看出，木粉产品的粒径大体随着给料速度的增加而增大，当给料速度超过４２ ｋｇ／ｈ时， 粒径增大速度加快，特征粒径从５７２．３ Ｉｘｍ增加为６４９．９８ Ｉｘｍ，平均粒径从７１６．８４ Ｉ，ｚｍ增加为 ８０３．７３｝ｘｍ，均匀性从１．６３下降为１．３４。究其原因：随着给料速度加快，堆积在壁筛内表面上的物料增 加；刀片运转时对木屑的挤压作用加强，通过自身弹性形变被挤出筛孔木粉的颗粒变多，数量变多，产品 整体粒径变大。观察图１可以发现，均一性系数随给料速度的增加逐渐下降，表明产品的均匀性在不断 下降。这是因为，在一定的剪切速率条件下，随着给料速率的加快，物料之问相互挤压、摩擦，动刀对物 第１期 翁星星，等：林木生物质剪切粉碎特性及其机理分析 ２１ 料的剪切力增加，一方面被挤出壁筛筛孔的颗粒的最大粒径增大，另一方面，给料速率ｆｌ＇，ＪＪＪｌ快，延长了物 料在壁筛内表面上的时间，物料被动刀剪切的几率增加，部分木粉颗粒的粒径变小，故ｌｆｌ』整体产品粒度 范围增加，均一性变差。 ２．１．２对产品长径比的影响颗粒的形貌对木粉物性有重要影响¨ ，长径比则是反映木粉产品形貌 的一个主要指标，也是间接反映木屑粉碎机理的参数和评价木粉产品质量优劣的参数之一。不同给料 速度下获得木粉产品的长径比如图２所示。 从图２可发现，长径比先随着给料速度增加而下降，当给料速度超过４２．５６ ｋｇ／ｈ时，又开始上升。 其原因可能是：当给料速度较慢时，剪切腔内储存较少料，物料在腔体内有较大空间，物料能随着刀片运 转；在运转的过程中，细长的木粉有较大机会纵向通过壁筛，而不被进一步剪断，使其产品的长径比较 大。随着给料速度增大，纵向通过筛孔的机率逐渐下降，产品的长径比对应有所下降。而当给料量大于 ４２．５６ ｋｇ／ｈ时，挤压作用大大增强，绝大部分颗粒被挤出壁筛，且产生一定破碎，由于破碎的断裂面主要 沿着纤维方向，故而整体长径比提高。 ２．１．３对单位能耗影响单位产品能耗是产品成本的重要组成部分，也是评价粉碎工艺可行性、优化 工艺参数的重要指标之一。为此，本文作者研究了不同给料速率条件下，单位木粉产品的能耗，如图２ 所示。 观察图２可以发现，与长径比变化趋势类似，单位能耗先下降后上升。这是因为木粉破碎过程的能 耗包括有用功和无用功，有用功是指木粉剪切和挤压所做的功，无用功是指维持系统运作需要的功。当 给料速度较小时，系统有用功不断增加，无用功维持不变，整体效率提高，单位能耗下降；当给料速度超 过４２．５６ ｋｇ／ｈ后，刀片与壁筛之间堆积了较厚的木屑，使得刀片运转的阻力增加，木屑通过筛孔的阻力 变大，此时木粉形变能、筛孔摩擦能和电动机发热能等功将大幅提高，使得整体单位能耗上升。 ２．１．４对密度影响松装密度和振实密度是反映了粉体物料的堆积性能，也是粉体物料包装和料仓设 计等工艺设计的重要依据之一。本研究中不同给料速度木粉产品的松装密度和振实密度如图３所示。 叩 毫 羞 稍 ：噩Ｌ 给料速度／（ｋｇ・ｈ一 １ 给料速度／（ｋｇ・ｈ ） 给料速度／（ｋｇ・ｈ－Ｉ） 口一特征粒径ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｄｉａｍｅｔｅｒ； 口一长径比值ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ； ０一松装密度ｂｕｌｋ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏ一平均粒径ａｖｅｒａｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ； ０一单位能耗ｓｐｅｃｉｉｆｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ； 口一振实密度ｔａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ △一均匀性系数ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ 图１给料速度对木粉粒径和均匀 图２给料速度对木粉颗粒产品长径 图３给料速度对木粉产品密度 －眭系数的影响 比及单位能耗的影响 的影响 舀１ Ｔｉｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｅｅｄ ｒａｔｅ ｏｆ ２ ｒｎＩｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｅｅｄ ｒａｔｅ ｏｆ Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｅｅｄ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｉｌｌ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｉｌｌ ｏｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｉｌｌ ｏｎ ｔｅｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ａｎｄ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｎｍｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅ ｂｉｏｍａｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔ ｓｐｅｃｉｉｆｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ 从图３可以看出，木粉的松装密度和振实密度随给料速度的加快而有所增大，给料速度小于 ４２．５６ ｋｇ／ｈ时，密度变化较小，而当给料速度超过４２．５６ ｋｇ／ｈ时，密度明显提高。一般而言，在含水量相 同的条件下，粉体产品的密度主要受其粒度及粒度分布的影响。对于木粉产品，粒度越小，木粉颗粒之 间越容易形成紧密堆积，产品的密度越大；粒度分布越宽，小颗粒容易“填充”到大颗粒之间形成的空隙 ２２ 林产化学与工业 第３２卷 里，产品的密度亦越大；木粉的密度是粒度和粒度分布综合影响的结果。对照木粉的粒度和均匀性系数 ５ ４ ３（如图１）数据不难发现，均匀性系数的明显降低、粒度分布宽度的增大，使得木粉产品的密度随着给料 速度的增大而呈增大趋势。 ２．２含水量的影响 由于组成林木生物质的主要成分纤维素、半纤维素、木质素，具有较强的亲水性，很容易在潮湿的环 境中吸水使得生物质在不同的环境条件下含有不同量的水分。水分含量不同的木屑其粉碎特性也有所 差别，进而影响粉碎机械的加工能力及其最终木粉产品的性能，如粒径、形貌等。 ２．２．１对最大处理量的影响最大处理量是考察粉碎机械设备粉碎效率，同时也是评价木屑粉碎特性 的一项重要指标。不同含水量对粉碎设备最大处理量的影响如图４（ ）所示。 从图４（ａ）可以看出，粉碎机的最大处理能力随着含水量增加而不断下降。５％木屑的最大处理量 较０％稍微有所提高，但去除５％水分，则其最大加工能力为４１．２４ ｋｇ／ｈ，小于０％最大处理能力 ４２．５６ ｋｇ／ｈ。从壁筛的封堵情况，可以清晰看到含水量越大的木粉，加工过程中筛孔封堵现象越严重， 由于筛孑Ｌ封堵，导致出料速度越来越慢。当出料速度比进料慢时，破碎将中断。随着木屑含水量的增 加，物料的黏性持续增加，物料颗粒通过筛孔变得困难，随着工作时问的推移，空隙的封堵现象变得更加 严重，出料阻力越来越大，导致了最大加工能力的不断下降，下降到ｌ９．５７ ｋｇ／ｈ。 ２．２．２对产品粒度的影响图４（ｂ）表明，木粉产品的特征粒径和平均粒径随着含水量的增加而增加。 原因是，当含水量增加时，木粉的硬度和脆性下降，韧性逐步提高。木屑韧性的提高使得木屑在受到剪 切作用时，脆裂效应大大降低，产生的木粉子颗粒减少；另一方面，在受到腔体压力时，更大的颗粒能产 生变形而被挤出。故产品小颗粒减少而大颗粒有所增加，导致木粉产品整体粒度不断增大。 ２．２．３ 对产品长径比的影响 从图４（ｃ）可以发现，当含水量大于１０％时，长径比逐步增加，从２．１７ 增长为３．０７（２０％）。如上所述，含水量增加，木屑变得更加柔软，在剪切过程更易出现撕拉而非剪断。 此外，由于水分增加，更多水分子填充于木屑纤维之间，使纤维之间的相互连接变得异常脆弱，撕拉过程 中更容易开来，故而整体的长径比变大。 ２．２．４ 对单位能耗的影响 图４（ｃ）表明，随着木粉含水量的增加，木粉产品的单位能耗基本呈近线性 增大。文献 指出，纤维最有效地粉碎断裂方式为两种：其一，纤维层与层问分离直至断裂，这种断裂 方式能在较大程度上破坏纤维组织在横截面上的网状结构；其二，纤维在顺纹方向上直接断裂，能通过 长度方向的剪切直接造成纤维颗粒粒径的减少，大大减小颗粒的长度尺寸；另外，组成木屑的纤维素、半 纤维素、木质素的韧性随着水分的增加而增加。所以，无论木屑是以何种方式断裂，韧性的增加使得木 屑在受到冲击时更容易发生塑性形变，在断裂的过程中吸收更多的冲击能，使得单位产品的能耗增加。 ． Ｌ 二 ｉ四 ● 皿噩Ｉ ｊ剐 ：班 Ｏ ５ ｌ０ １５ ２０ 含水量，％ 含水量，％ 含水量，％ 口一特征粒径ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｄｉａｍｅｔｅｒ 口一长径比值ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ； ｏ一平均粒径ａｖｅｒａｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ０一单位能耗ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ 图４含水置对最大处理能力（ａ）、粒径（ｂ）、长径比和单位能耗（Ｃ）的影响 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｈｔｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｃａｐａｃｉｔｙ（ａ），ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ（ｂ），ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｓｐｅｃｉｉｆｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ（Ｃ） 第１期 翁星星，等：林木生物质剪切粉碎特性及其机理分析 ２３ ２．３破碎机理分析 木屑被剪切破碎过程，主要包括两个步骤，即剪切作用与挤压作用。首先大颗粒原木粉受到刀片的 剪切作用而被剪断，形成较小颗粒。在被剪断过程出现两种情况，一种就是木粉被整齐切断，木粉本身 未发生开裂；另一种情况就是较脆的木粉在被剪断过程发生开裂，从端口出现裂缝并向内沿伸，且在断 口处会生成木粉碎片，形成产品中超细木粉。由于木粉本身流动性能差，故而极少木粉能自由地通过筛 孔，绝大多数是先暂时堆积在壁筛之上，再经由刀片对木粉的挤压作用而通过筛孔。在挤压过程中，韧 性较大的大颗粒木粉可以通过自身形变而被筛出，筛出后恢复原来形貌；但是，脆性的大颗粒在挤压过 程中发生开裂，进一步破碎，形成较纤细的子颗粒。 水分对木屑断裂机理有重要影响，为比较不同含水量木屑的断裂机理的差别，用光学显微镜获取了 含水量０％和２０％的木粉产品的图像，如图５所示。 形貌ｐａｒｔｉｃｌｅ：ａ．０％；ｂ．２０％；断口ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ：ｃ．０％；ｄ．２０％ 图５不同含水量的木粉产品形貌及其断口 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ 从图５（ａ）和（ｂ）可以看出，含水量为０％的木粉的轮廓清晰、规整，棱角分明；含水量２０％的木粉 则形貌相对圆润，表面棱角较少，出现较多小分叉，表明木粉脆性逐步降低。从图５（Ｃ）可以发现，含水 量０％木粉产品颗粒的断裂面比较平整，规整，表现为脆性断裂；相比之下，含水量为２０％的断口极不 平整，断口存在撕拉痕迹，纤维分叉现象明显，表现为韧性断裂（如图５（ｄ））。水分增强了木屑的韧性， 当受到剪切载荷，含水量较大的木屑不会像脆性木屑那样直接脆性断裂为两部分，而是会发生较大的塑 性形变吸收较多的剪切能，当刀片继续运转时，还未切断的木屑便受到了撕拉作用，形成了具有较多纤 维分叉的断面。 ３ 结论 ３．１木屑在剪切腔体内，先受刀片剪切作用而破碎，部分再受到挤压作用而进一步破碎。 ３．２ 随着给料速度从２６．１７ ｋｇ／ｈ增加到４９．８５ ｋｇ／ｈ，均匀性从１．６３下降为１．３４，平均粒径从 ７１６．８４ ｍ增加为８０３．７３ ｍ。 ３．３随着木屑含水量增加至２０％，木粉断裂由脆性断裂转变为韧性断裂，最大处理能力逐步下降为 １９．５７ ｋｇ／ｈ，产品粒度、长径比和单位能耗逐渐增加。 ２４ 林产化学与工业 第３２卷 参考文献： ［１］ＳＡＴＯ Ｔ，ＫＯＢＡＹＡＳＨＩ Ｎ，ＩＴＡＹＡ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｌｉｇｎｅｏｕｓ ｂｉｏｍａｓｓ ｐｏｗｄｅｒ【Ｊ］．Ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ＆Ｅｎｇｉ－ ｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｓｔｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｒ２００９，４８（１）：３７３－３７９． ［２］ＣＡｎ Ｙ，ＷＡＮＧ Ｙ，ＲＩＬＥＹ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｏｖｅｌ ｂｉｏｍａｓｓ ａｉｒ ｇａｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔａｒ－ｆｒｅｅ ｈｉｇｈｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｖａｌｕｅ ｆｕｅｌ ｇａｓ［Ｊ］．Ｆｕｅｌ Ｐｒｏ— ｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，８７（４）：３４３—３５３． ［３］张希良，陈荣，何建坤．中国生物质气化发电技术的商业化分析［Ｊ］．太阳能学报，２００４，２５（４）：５５７—５６０． ［４ ｊ ＰＩＬＡＲＳＫ１ Ｊ Ｍ，ＭＡＴＵＡＮＡ Ｌ Ｍ．Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗｏｏｄ ｆｌｏｕｒ－ｐｌａｓｔｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｅｘｐｏｓｅｄ ｔｏ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗ ｃｙｃｌｉｎｇ．ＩＩ．Ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｏｌｙ— ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｍａｔｉｒｘ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００６，１００（１）：３５—３９． ［５］ＭＡＴＵＡＮＡ Ｌ Ｍ，ＪＩＮ Ｓ，ＳＴＡＲＫ Ｎ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ ｏｆ ＨＤＰＥ／ｗｏｏｄ—ｆｌｏｕｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｃｏｅｘｔｎｄｅｄ ｗｉｒｔｈ ａ ｃｌｅａｒ ＨＤＰＥ ｃａｐ ｌａｙｅｒ ［Ｊ］．Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，２０１１，９６（１）：９７—１０６． ［６］ＧＲＥＧＯＲＯＶＡ Ａ，ＨＲＡＢＡＬＯＶＡ Ｍ，ＫＯＶＡＬＣＩＫ Ｒ，ｃｔ ａ１．Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｒｕｃｅ ｗｏｏｄ ｌｆｏｕｒ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｅ ｆｒａｇｉｌｉｔｙ ｏｆ ＰＬＡ／ ｗｏｏｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１ｌ，５１（１）：１４３—１５０． ［７］ＯＢＥＲＮＢＥＲＧＥＲ Ｉ，ＴＨＥＫ Ｇ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｎｓｉｉｆｅｄ ｂｉｏｍａｓｓ ｆｕｅｌｓ ｗｉｔｈ ｒｅｇａｒｄ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ［Ｊ］．Ｂｉｏｍａｓｓ＆Ｂｉｏｅｎｅｒｙ，ｇ２００４，２７（６）：６５３—６６９． ［８］ＰＡＵｌ ＲＵＤ Ｓ，ＭＡＴＴＳＳＯＮ Ｊ Ｅ，ＮＩＬＳＳＯＮ Ｃ．Ｐａｒｔｉｃｌｅ ａｎｄ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗｏｏｄ ｆｕｅｌ ｐｏｗｄｅｒ：Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｉｌｌｓ［Ｊ］．Ｆｕｅｌ Ｐｒｏ— ｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，７６（１）：２３—３９． ［９］ＭＯＲ１ Ｓ，ＩＴＡＹＡ Ｙ，ＫＯＢＡＹＡＳＨＩ Ｎ．Ｐｕｌｖｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｌｉｇｎｅｏｕｓ ｂｉｏｍａｓｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００３，１ ０： ｌ２９－１ ３２ ［１０］ＭＯＲＩ Ｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｈｉｏｍａｓｓ ｅｎｅｒｇｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｌａｎｄｓｃａｐｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， ２００９，１９（２）：６７—７２． ［１１］ＫＯＢＡＹＡＳＨＩ Ｊ，ＩＴＡＹＡ Ｙ，ＴＳＵＫＡＤＡ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｄｒｙｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｗｏｏｄｙ ｂｉｏｍａｓｓｆｏｒｆｉｎｅ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｂｙ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｉｌｌｓ［Ｊ］．Ａｓｉａ・Ｐａｃｉｉｆｃ Ｊｏｕｒ－ ｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，２（２）：８３－８９ ［１２］ＫＯＢＡＹＡＳＨＩ Ｎ，ＧＵ１ＬＩＮ Ｐ，ＫＯＢＡＹＡＳＩ－ＩＩ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｅｗ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｂｉｏｍａｓｓ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｐｏｗｄｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，１８０（３）： ２７２—２８３． ［１３］ Ｉ￣ＵＮＯＵ Ｅ，ＦｒｌＺＰＡＴＲＩＣＫ Ｊ Ｊ，ＳＹＮＮＯＴＦ Ｅ Ｃ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ ｏｆｆｏｏｄ ｐｏｗｄｅｒ ｌｆｏｗａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，３９（１）：３１—３７． ［１４］ＥＳＴＥＢＡＮ Ｌ Ｓ，ＣＡＲＲＡＳＣＯ Ｊ Ｅ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒａｔｅｉｇｅｓ ｆｏｒ ｐｕｌｖｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｒｅｓｔ ｂｉｏｍａｓｓｅｓ［Ｊ］．Ｐｏｗｄｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，１６６ （３）：１３９－１５１． ［１５］ＰＡＵＬＲＵＤ Ｓ，ＮＩＬＳＳＯＮ Ｃ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｆｒｏｍ ｂｕｒｎｉｎｇ ｗｏｏｄ ｆｕｅｌ ｐｏｗｄｅｒ［Ｊ］．Ｆｕｅｌ，２００４，８３（７／８）：８１３— ８２１． ［１６］承子微．燃料乙醇生产用玉米秸秆等超大量湿法粉碎技术研究［Ｄ］．无锡：江南大学硕士学位论文，２００８．
