生物质制备成型燃料颗粒可以克服生物质运输存储成本高、能量密度低等缺陷，对于实现双碳目标及建设新型能源体系具有重要意义。本文总结了两影响因素协同作用对成型颗粒物理性能的影响，从分子层面系统地分析和总结了生物质热压成型的键合机制，在此基础上探讨了通过生物质组分调控以提高成型燃料颗粒的品质及降低成型能耗的可能性。未来，将利用分子动力学手段对从微观层面上对生物质成型过程进行仿真模拟，探究成型过程中生物质组分间的协同键合机制，获得生物质成型过程的微观运行机制，并为生物质成型燃料乃至成型材料的制备提供理论指导。
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生物质燃料颗粒热压成型过程分析
第二次工业革命以来，人类社会对于化石燃料的大量使用使得全球温度上升速度加快。到 2021 年全球化石燃料消耗量为350 EJ，而全球平均气温较工业化前上升了 1.1 °C。面对化石燃料的枯竭及气候问题的突出，寻找化石燃料替代品迫在眉睫。生物质 作为可再生的碳基资源，具有来源广、污染低和“零碳” 排放等优点，发展生物质能源对于建设新型能源体 系以及实现“碳达峰”、“碳中和”目标具有重要意义。
然而，生物质本身结构疏松，运输和储存成本高， 阻碍了其进一步开发利用。生物质成型处理可将生物质转变为能量密度高、形状规则、结构致密的成型燃料，在降低运输储存成本的同时有利于后续的燃烧、 气化、热解等热化学转化过程，有利于生物质资源的高效利用。
成型燃料的品质受工艺参数和生物质组分 (纤维素、半纤维素与木质素等) 影响，通过生物质成型机理的探索，可为低成本、高品质成型燃料的制备提供指导。针对生物质成型机理，国内外学者对生物质压 缩过程做了大量研究，构建了生物质颗粒流变和传热等模型，并提出了生物质颗粒间的结合机制如机械互锁、桥接和分子间作用力等。在压力、水分和温度的作用下，生物质颗粒间的结合机制被激活并共 同作用，促使生物质颗粒紧密分布，从而得到致密、规 则的成型燃料颗粒。通过对成型微观机理的深入研究，不仅可深入了解成型过程中压力和热量的作用规律，而且能够确定成型的关键组分，为成型燃料性能 的调节和提高提供新的理论指导和依据，有助于推动宏观成型工艺进一步发展。 目前，生物质热压成型工艺和机理的系统总结较少，因此，笔者首先概述了生物质及成型过程的影响 因素，重点阐述了生物质成型过程中微观颗粒的演变 行为及其结合机制，并在分子层面分析并讨论了生物质的热压成型机制，旨在为低成本、高品质生物质成型工艺的开发提供理论指导与支撑。
从生物质压缩成型的微观领域来探究其热压成型机理，有利于深入了解工艺参数与生物质组分在热压成型过程中具体的作用机制，从而推动宏观成型工艺进一步发展。生物质热压成型过程中伴随着颗粒的流变及传热，从而激活颗粒的结合机制，促进生物质成型。
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生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素 3 组分组成，通过对生物质 3 组分分子结构进行深入分析，探究分子间作用力对生物质成型的键合作用机制，为高品质生物质成型燃料的制备工艺参数的确定提供指导。
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(1) 生物质成型工艺参数中水分含量对其成型颗 粒品质影响较大，成型温度影响较小，而成型压力及原料粒度的影响因生物质种类不同而不同。
(2) 生物质成型工艺参数之间存在着协同效应，尤其是水分含量与成型温度等参数之间的协同效应对生物质成型颗粒的品质有着促进作用，表明一定含量的水分在生物质成型过程中起着较好的促进作用，有利于成型温度、压力等工艺参数的降低，从而降低成 型成本。
(3) 生物质中的纤维素在其成型过程起着骨架作用，其存在对成型颗粒品质起着至关重要的促进作用， 而半纤维素及木质素等天然黏结剂组分形成的固体 桥是生物质颗粒主要的结合形式，水分与温度则是激活这些粘结性组分发挥作用的关键因素。
(4) 生物质组分分子间作用力决定着生物质成型燃料的品质。生物质热压成型过程是通过合适的水分、温度、压力等条件来降低组分分子间的距离，以充 分利用分子中的极性官能团产生分子间氢键、范德华力键合，从而使生物质成型颗粒致密、稳定。
(5) 生物质水热预处理可以改变生物质中的 3 组分比例，同时可以脱除生物质中的钾元素，且预处理废液可用作木醋液，从而制得能量密度高、品质好的 成型颗粒。
图 1 生物质成型工艺流程及影响因素
图 2 玉米秸秆/柳枝稷/黑松混合成型燃料的表面结构
图 3 玉米秸秆成型燃料横截面结构
图 4 纤维素及其片层分子结构
图 5 半纤维素分子结构
图 6 木质素、木质素基本单元及其前驱体分子结构
图 7 棉杆水热预处理过程中 3 组分演变规律
来源：
张守玉,黄健添,郎森等.生物质燃料颗粒热压成型过程分析[J/OL].煤炭学报,1-15[2024-02-29].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.ZZ23.1657.
