段 宇，馬敏陽(yáng)，薛 銳

（南京工程學(xué)院 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京211167）

1 引言

生物質(zhì)能源是唯一可再生，能替代化石能源轉(zhuǎn)化成氣、液和固態(tài)燃料以及其它化工原料或產(chǎn)品的碳資源。隨著化石能源的枯竭和人類對(duì)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，生物質(zhì)能源替代化石能源利用的研究和開(kāi)發(fā)，已成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

生物質(zhì)成型技術(shù)是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用中的重要方面。這項(xiàng)技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)80多年的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入到商業(yè)化應(yīng)用階段［1～5］。目前在國(guó)內(nèi)對(duì)生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究，主要集中在生物質(zhì)壓縮過(guò)程的機(jī)械特性、壓縮特性、流變特性和成型工藝等方面的實(shí)驗(yàn)研究和理論探討，但缺少一個(gè)模型模擬成型過(guò)程和參數(shù)優(yōu)化，因此本文研究探討成型過(guò)程模型的建立。

2 生物質(zhì)成型機(jī)理

在人們的生活和生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生農(nóng)業(yè)廢棄物（秸稈、殼類、糠渣）、林業(yè)廢棄物（各種木屑、樹(shù)枝（葉）、稻草）及各類有機(jī)垃圾。生物質(zhì)壓縮成型過(guò)程是將上述廢棄物收集后經(jīng)過(guò)預(yù)處理，再經(jīng)專門的設(shè)備壓縮為成型塊或顆粒燃料。這種成型燃料密度大，占用體積減小8倍左右［6，7］，具有熱值高、著火溫度低、幾乎不產(chǎn)生 SO2、燃燒完全等特點(diǎn)，可直接燃燒，也可用于氣化［8，9］。

2.1 成型燃料的評(píng)價(jià)指標(biāo)

為得到物理化學(xué)特性符合使用標(biāo)準(zhǔn)的燃料和生物質(zhì)氣化原料。衡量成型燃料物理品質(zhì)特性的指標(biāo)選擇松弛密度（Relax density）和耐久性（Durability）［10，11］。成型燃料氣化的評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇氣體熱值、氣化效率和焦油含量。

2.1.1 耐久性

耐久性反映了成型塊的粘結(jié)性能，是由成型塊的壓縮條件及松弛密度決定的。

2.1.2 松弛密度

生物質(zhì)成型塊出模后，其壓縮密度會(huì)由于彈性變形和應(yīng)力松弛逐漸減小。一定時(shí)間后密度趨于穩(wěn)定，此時(shí)成型塊的密度稱為松弛密度［11］。

2.1.3 氣體熱值（kJ／m3）

2.1.4 氣化效率

氣化后可燃?xì)怏w總熱量占?xì)饣峡偀崃康谋戎怠?/p>

2.1.5 焦油量

生物質(zhì)氣化過(guò)程中產(chǎn)生的大分子多核芳香族碳?xì)浠衔锛礊榻褂汀＝褂碗y以完全燃燒，并產(chǎn)生碳黑顆粒，對(duì)燃?xì)庠O(shè)備等損害都相當(dāng)嚴(yán)重，同時(shí)產(chǎn)生的氣味對(duì)人體也是有害的；另外焦油對(duì)于整個(gè)氣化生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)很大的影響，容易堵塞輸氣管道，卡死閥門［12］。

2.2 影響成型指標(biāo)的主要因素

影響生物質(zhì)的成型的因素有很多，包括內(nèi)在和外在因素。內(nèi)在因素主要指原料種類、含水率等；外在因素主要指加熱的溫度、壓力和粒徑。這些因素是相互制約的。另外，成型料的尺寸、催化劑的種類及配比主要影響成型料氣化過(guò)程。

2.2.1 加熱溫度和壓力

成型溫度會(huì)影響成型燃料的密度和機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)原料含水率一定時(shí)，成型溫度越高，所需壓力越小。這是由于生物質(zhì)成型過(guò)程中加熱將木質(zhì)素軟化形成膠體物質(zhì)有利于成型，并有效的減少了生物質(zhì)原料對(duì)模具的磨損，提高模具壽命［13］。目前，成型過(guò)程的加熱主要有外加熱和摩擦生熱。但溫度和壓力應(yīng)在合適范圍，否則難以成型。實(shí)驗(yàn)證明：生物質(zhì)成型的一般壓強(qiáng)為10～30MPa，有外部加熱時(shí)為10MPa左右，沒(méi)有任何外在輔助加熱設(shè)施時(shí)需要28MPa左右；秸稈的軟化溫度為110℃，成型熔融溫度為160～180℃［13］。

2.2.2 含水率和粒度

生物機(jī)體內(nèi)存在的適量結(jié)合水和自由水有潤(rùn)滑劑的作用，使粒子間的摩擦力減小，流動(dòng)性增強(qiáng)，輔助粒子相互嵌和、填充；在一定壓力作用下，可以起到成型粘結(jié)劑的作用；另外，水分還可以降低木質(zhì)素的熔融溫度，使生物質(zhì)成型溫度降低［19］。應(yīng)特別提出，水分過(guò)低或過(guò)高都不宜成型。粉碎粒度的大小和粉碎后原料顆粒質(zhì)量會(huì)影響產(chǎn)品的抗跌碎性、抗?jié)B水性以及密度等［14，15］。粒度小的生物質(zhì)填充度高，成型塊的抗?jié)B水性和吸濕性增強(qiáng)［14］。原料的粒度越大，越不易破壞原來(lái)的物相之間的結(jié)構(gòu)，將直接影響成型機(jī)的成型效果、生產(chǎn)效率和動(dòng)力消耗，使產(chǎn)品的質(zhì)量下降。

2.2.3 顆粒尺寸

顆粒尺寸主要會(huì)影響氣化效率［16］。

2.2.4 催化劑的種類及配比

在生物質(zhì)成型原料中添加合適的催化劑，可以減少焦油和提高氣化效率等［12］。

3 壓縮成型過(guò)程建模及參數(shù)優(yōu)化

3.1 模型建立及參數(shù)優(yōu)化

可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理來(lái)研究不同溫度、壓力和含水率等燃料性能和參數(shù)優(yōu)化。但由于這些方法的局限性在于只能考慮某一種因素，或最佳成型參數(shù)的范圍。提出本文使用最小二乘支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型方法。它是標(biāo)準(zhǔn)支持向量機(jī)的擴(kuò)展，將二次規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線形方程組，有效提高了求解精度并解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部最優(yōu)問(wèn)題和訓(xùn)練樣本不足問(wèn)題［17，18］。將含水率、成型壓力作為模型輸入；成型的松弛密度、壓縮比為模型輸出，如圖1所示。

設(shè)輸入向量為 X＝［x1，x2，……，xd］（d 表示訓(xùn)練次數(shù)）。LS－SVM模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，K（xi，xj）為核函數(shù)，b∈R為偏差。LS－SVM模型的輸出y（x）為：

構(gòu)造最小二乘支持向量機(jī)（LS－SVM）模型選用高斯徑向基核函數(shù)（RBF），RBF核函數(shù)為：

LS－SVM模型和RBF核函數(shù)包含C（誤差懲罰因子）與σ2（核函數(shù)的寬度參數(shù)）兩個(gè)未知參數(shù)，通過(guò)兩個(gè)參數(shù)的選擇來(lái)使模型達(dá)最佳模擬效果［20］。本文選擇以鋸末原料的生物質(zhì)壓縮成型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［21］在主壓缸壓力為100～200bar（c＝1.51、σ2＝5.85）此時(shí)f＝0.988和400～600bar（c＝246、σ2＝3.6）此時(shí)f＝0.968分別進(jìn)行建模。數(shù)目標(biāo)值結(jié)果表明模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差小于5%，該模型能對(duì)鋸末壓縮成型過(guò)程有較好的模擬效果。

對(duì)于成型參數(shù)的優(yōu)化，本文提出上述支持向量機(jī)模型的基礎(chǔ)上可以考慮基于智能優(yōu)化的方法建立關(guān)于成型性能指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型為：

式中X＝（x1，x2，x3），x1：成型壓力 P 約束范圍為100bar到600bar；x2：原料含水率，為保證成型效果良好取5%到25%；y1：松弛密度；y2：壓縮比。

圖2 LS－SVM模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

由上述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算可求得燃料成型過(guò)程中應(yīng)滿足的最佳控制參數(shù)。

3.2 成型燃料對(duì)氣化指標(biāo)的影響

在理想的絕熱條件下，顆粒較小使氣體越容易從顆粒內(nèi)部溢出，氣化效率越高（表1）［16］。但實(shí)際上小顆粒生物質(zhì)在非絕熱條件下可能由于質(zhì)量較小，易于附著在爐壁上，或被載氣帶出。這種情況的發(fā)生與爐內(nèi)溫度較低有直接關(guān)系，溫度較低造成反應(yīng)速度較慢，所以在反應(yīng)完全前小顆粒生物質(zhì)就很有可能被迫終止反應(yīng)。該因素在絕熱體系中因?yàn)樵诮^熱體系中溫度可以得到充分保證可以不必考慮，但在非絕熱體系中它必須與原有因素綜合考慮，才得出可燃?xì)怏w產(chǎn)量的極值［22］。

另外，成型燃料中添加不同種類含量及配比的催化劑可以提高生物質(zhì)氣化過(guò)程焦油脫除率和氣化效率［12］。例如添加K2CO3和Na2CO3可提高氣體反應(yīng)速率、降低反應(yīng)溫度、提高氣體產(chǎn)量等［23］；通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，溫度在780℃時(shí)使用催化劑可以將生物質(zhì)氣化時(shí)可燃?xì)怏w的產(chǎn)量提高一倍左右［23］。添加白云石等催化劑可以有效地降低氣化過(guò)程的焦油含量，粒徑越小，催化效果越好。但顆粒直徑太小對(duì)固定床來(lái)說(shuō)，阻力太大；而對(duì)流化床來(lái)說(shuō)則飛灰損失太嚴(yán)重，所以其直徑有一定合適范圍，一般為2.0～7.0mm 為好［24］。但目前國(guó)內(nèi)外在生物質(zhì)壓縮成型過(guò)程的研究中主要是考慮添加某一種催化劑的效果，缺乏對(duì)多種催化劑的混合添加，以及添加配比量的研究。

表1 成型燃料不同粒徑下的氣化結(jié)果

為此本文建議在壓縮成型過(guò)程中可以考慮將兩種或兩種以上的經(jīng)濟(jì)廉價(jià)催化劑（如石灰石、白云石等）同時(shí)使用，這些催化劑在合適的配比量下加入成型料中，來(lái)提高氣化燃?xì)馄焚|(zhì)，降低燃?xì)饨褂秃俊?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要在國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物質(zhì)壓縮技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，深入分析了成型因素（加熱溫度、成型壓力、含水率以及原料破碎的粒徑的大?。?duì)成型料性能（成型燃料的松弛密度、成型燃料的耐久性和燃料氣化性能等）的影響。并提出了對(duì)生物質(zhì)壓縮過(guò)程使用智能方法（如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)）來(lái)建模，進(jìn)而在該模型的基礎(chǔ)上使用智能方法（如遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法）來(lái)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)而獲得最佳的成型效果。解決廢棄生物質(zhì)體積密度小，占用空間大，燃燒效率低等問(wèn)題。另外，本文分析了以成型燃料為原料來(lái)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)氣化的過(guò)程中成型顆粒的尺寸、向成型料中添加催化劑（兩種或兩種以上）的含量及配比對(duì)生物質(zhì)氣化后的氣化性能（氣化效率、氣體熱值和碳轉(zhuǎn)化率）的影響。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)壓縮成型過(guò)程或氣化過(guò)程的研究主要是在成型或氣化機(jī)理的基礎(chǔ)上來(lái)數(shù)學(xué)建模分析，但是生物質(zhì)的壓縮過(guò)程包含的反應(yīng)較多，催化氣化過(guò)程更是復(fù)雜，所以進(jìn)行機(jī)理方面的建模與參數(shù)優(yōu)化相當(dāng)困難。而嘗試在其他工業(yè)過(guò)程的建模與參數(shù)優(yōu)化中得到了較好的應(yīng)用的智能方法（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等）對(duì)生物質(zhì)壓縮和氣化過(guò)程建模與參數(shù)優(yōu)化。可以為生物質(zhì)成型料的制備和生物質(zhì)氣化過(guò)程的工程應(yīng)用提供有益的參考。

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