收稿日期：2021-11-10

基金項(xiàng)目：國家燕麥?zhǔn)w麥產(chǎn)業(yè)體系重大專項(xiàng)（CARS-07-D-2）

通信作者：張 靜（1976—），女，博士、教授，主要從事生物質(zhì)能源利用方面的研究。sxndzhangjing@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1373 文章編號：0254-0096（2023）04-0216-09

摘 要：針對玉米秸稈燃燒時(shí)結(jié)渣嚴(yán)重的缺點(diǎn)，將玉米秸稈炭化后與油松廢棄物制成環(huán)境友好型生物炭混合燃料，采用響應(yīng)面法研究物料含水率、成型溫度、壓強(qiáng)、玉米秸稈炭與油松混合物料比對燃料密度、耐久性及抗跌碎性的影響，并應(yīng)用渴求函數(shù)法和多種群遺傳算法對成型工藝參數(shù)進(jìn)行三響應(yīng)優(yōu)化。結(jié)果表明：生物炭混合燃料的密度、耐久性和抗跌碎性在含水率為6%～12%時(shí)與溫度和壓強(qiáng)成正比，與玉米秸稈炭含量呈反比；在含水率6%～12%、溫度70～130 ℃、玉米秸稈炭含量10%～20%、壓強(qiáng)90～150 MPa條件下，燃料密度、耐久性和抗跌碎性分別達(dá)到1.02 g/cm3、94%和97%以上。最佳工藝參數(shù)組合為：含水率8.986%、溫度124.272 ℃、玉米秸稈炭與油松混合物料比1∶9、壓強(qiáng)120 MPa，此組合下燃料密度為1.153 g/cm3、耐久性98.823%、抗跌碎性99.573%，與預(yù)測誤差僅有5.81%、0.04%、0.73%。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能；生物炭；燃料；物理性能；優(yōu)化；渴求函數(shù)

中圖分類號：S216.2；TK6" """"""""""""nbsp;"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

在中國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)情景下，生物質(zhì)固體燃料作為碳中性能源既可實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物的規(guī)?；糜帜芙鉀Q秸稈焚燒的污染與安全問題［1-3］。油松作為中國特有樹種，每年會(huì)因自然枯落、人工修剪、森林采伐以及木材加工等形式產(chǎn)生大量廢棄物［4］。玉米秸稈直接燃燒結(jié)渣現(xiàn)象嚴(yán)重［5］，經(jīng)過炭化處理后能極大降低其水分和揮發(fā)分，提高固定碳含量，可有效彌補(bǔ)玉米秸稈成型燃料熱值低、灰分高的不足［6-7］，玉米秸稈與其他農(nóng)林廢棄物按照一定比例混合，壓制成具有一定形狀和機(jī)械強(qiáng)度的生物炭混合燃料，具有熱值高、無粉塵，無有害氣體產(chǎn)生等優(yōu)良特性。然而，國內(nèi)外學(xué)者在生物炭混合燃料成型過程中大多添加了粘結(jié)劑［8-13］，使成本增加，故尋找合適的低成本粘結(jié)劑及最優(yōu)成型工藝參數(shù)，在生物質(zhì)炭混合燃料制備和推廣方面意義重大。

本文以油松廢棄物和玉米秸稈炭為原料，研究成型參數(shù)（含水率、成型溫度、壓強(qiáng)以及玉米秸稈炭與油松廢棄物物料混合比例）對生物炭混合燃料物理性能的影響?；贑entral Composite設(shè)計(jì)以密度、耐久性和抗跌碎性為響應(yīng)評價(jià)指標(biāo)的四因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，采用渴求函數(shù)法將3個(gè)響應(yīng)轉(zhuǎn)化為總體渴求函數(shù)并應(yīng)用多種群遺傳算法對其進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，得到各因素的最佳水平組合。以期對玉米秸稈炭混合油松廢棄物燃料的成型加工和農(nóng)林廢棄物的回收利用提供詳實(shí)的參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所需玉米秸稈與油松廢棄物均收集自山西省太谷區(qū)，于2020年秋季收集后置于室外陽光下曝曬至表面干燥，用益多YD-4500A粉碎機(jī)將原料粉碎至粒徑小于0.16 mm，之后置于105 ℃干燥箱內(nèi)干燥至原料恒重。

玉米秸稈炭在長800 mm，直徑100 mm的SK2-1.6-10Q管式爐中慢速熱解制備。將烘干后的原料與玉米秸稈炭放入密封袋中按一定比例混合，再加入定量的純凈水并攪拌均勻，從而獲得不同含水率的樣品。

1.2 壓縮成型

取約15 g混合均勻的物料注入內(nèi)徑為40 mm的不銹鋼成型模具中，壓緊動(dòng)模，在套筒外側(cè)固定好陶瓷加熱圈并將K型熱電偶的探針插入套筒與陶瓷加熱圈的間隙中，將組裝好的壓縮成型裝置放在YP-20TB油壓式粉末壓片機(jī)工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)溫度控制器，待加熱至所需溫度后進(jìn)行勻速施壓，保壓約3 min后取出壓塊進(jìn)行物理性能測定。

1.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用響應(yīng)面法對混合燃料物理性能進(jìn)行分析，研究物料含水率、溫度、壓強(qiáng)、玉米秸稈炭與油松廢棄物物料混合比例（以下簡稱物料比）對混合燃料密度、耐久性和抗跌碎性3個(gè)物理特性的影響。應(yīng)用Design-Expert 12進(jìn)行中心組合設(shè)計(jì)（CCD），共30組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)成型15個(gè)樣品，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。

1.4 混合燃料物理性能測試指標(biāo)

試驗(yàn)選用密度、耐久性、抗跌碎性3個(gè)指標(biāo)作為混合燃料的評判標(biāo)準(zhǔn)。用質(zhì)量和體積的比值來表征密度。耐久性根據(jù)《歐盟技術(shù)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)CEN/TS 15210-2》［14］，將混合燃料置于直徑598 mm的防塵滾筒內(nèi)，以21 r/min的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)5 min，試驗(yàn)前后混合燃料質(zhì)量的比值即為耐久性。抗跌碎性依據(jù)ASTM D 440-86［15］，將混合燃料由1.83 m處自由跌落至水泥地面并重復(fù)3次，測試前后燃料質(zhì)量比值即為抗跌碎性。

1.5 渴求函數(shù)法

渴求函數(shù)法是處理多響應(yīng)優(yōu)化問題最常用的方法之一，其值域從限值的0到滿足目標(biāo)的1。渴求值的轉(zhuǎn)化方式需根據(jù)響應(yīng)的類型而決定，通常而言，響應(yīng)根據(jù)品質(zhì)特性差異可分為望小、望大以及望目特性3類，相應(yīng)公式如式（1）～式（3）所示。

望小特性：

[di=1，yiξlt;TiHi-yiξ（Hi-Ti）ki，Ti≤yiξ≤Hi0，yiξgt;Hi]""" （1）

望大特性：

[di=0，yiξlt;Liyiξ-Li（Ti-Li）ki，Li≤yiξ≤Ti1，yiξgt;Ti]""""" （2）

望目特性：

[di=（yiξ-Li）（Ti-Li）ki，Li≤yiξlt;TiHi-yiξ（Hi-Ti）hi，Ti≤yiξ≤Hi0，yiξlt;Li 或 yiξgt;Hi]""" （3）

式中：[di]——第[i]個(gè)響應(yīng)的個(gè)體渴求值；[yiξ]——第[i]個(gè)響應(yīng)關(guān)于[ξ]的響應(yīng)值；[Ti]——第[i]個(gè)響應(yīng)的目標(biāo)值；[Hi]——第[i]個(gè)響應(yīng)的上限；[Li]——第[i]個(gè)響應(yīng)的下限；[ki]、[hi]——目標(biāo)必須滿足的程度。

根據(jù)響應(yīng)類型對所有響應(yīng)值進(jìn)行轉(zhuǎn)化求得個(gè)體渴求值，按照實(shí)際生產(chǎn)要求設(shè)定各個(gè)體渴求值的權(quán)重[wi]大小，各個(gè)體響應(yīng)權(quán)重值總和[wi=1]，對所有個(gè)體渴求值求幾何平均值得到總體渴求函數(shù)式：

[D=idiyiξwi] （4）

式中：[D]——總體渴求值；[wi]——第[i]個(gè)個(gè)體渴求值的權(quán)重。

1.6 多種群遺傳算法（MPGA）

由于渴求函數(shù)具有高度的非線性、多約束以及多峰分布等特性，且在目標(biāo)值處不可微，所以基于梯度的優(yōu)化算法并不適用［16］。遺傳算法（GA）是基于達(dá)爾文進(jìn)化論提出的模擬生物學(xué)自然選擇演變的計(jì)算模型，該算法只考慮最終收斂結(jié)果，而不用研究中間過程，適用于解決渴求函數(shù)這類復(fù)雜非線性函數(shù)的優(yōu)化問題，但標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法會(huì)出現(xiàn)早熟收斂［17］，即局部最優(yōu)解支配整個(gè)種群而使得進(jìn)化緩慢，為使優(yōu)化求解結(jié)果更加精確，本文采用多種群遺傳算法來彌補(bǔ)這一缺陷，程序主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）選擇是基于適應(yīng)度函數(shù)評價(jià)個(gè)體適應(yīng)性的過程，本文采用輪盤賭選擇法，其過程為：

[Pi=fi/j=1nfi]" （5）

式中：[Pi]——遺傳算法中被選擇的概率；[fi]——第[i]個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度；[n]——群體中個(gè)體數(shù)量。

2）交叉是兩個(gè)父代個(gè)體在交配池中隨機(jī)交配產(chǎn)生新個(gè)體的過程，生成的新個(gè)體結(jié)合了兩個(gè)父代的“遺傳基因”，有望提高適應(yīng)度，其運(yùn)算過程為：

[Pc=0.7+（0.9-0.7）·rand（N，1）Xt+1p=Pc（j）Xtp+1-Pc（j）XtqXt+1q=Pc（j）Xtq+1-Pc（j）Xtp]"""""" （6）

式中：[Xt+1p]、[Xt+1q]——同一種群內(nèi)兩個(gè)子代個(gè)體；[Pc（j）]——第[j]個(gè)種群的交叉概率；[Xtp]、[Xtq]——同一種群內(nèi)兩個(gè)父代個(gè)體；。

3）突變是隨機(jī)改變字符串位置，使編碼參數(shù)在空間內(nèi)隨機(jī)游走，以確保字符串中的信息不會(huì)過早流失。為防止種群中個(gè)體在算法運(yùn)行后期趨同，引入動(dòng)態(tài)突變算子［18］，突變概率如式（7）所示。

[Pm（j+1）=Pm（j）+gGm·Pc（j）3-Pm（j）] （7）

式中：[Pm（j）]——第[j]個(gè)種群的突變概率；[m]——突變算子求解精度；[g]——算法當(dāng)前運(yùn)行代數(shù)；[G]——算法總代數(shù)；[Pc（j）]——第[j]個(gè)種群的交叉概率。

4）移民是指在移民算子作用下以各代種群最優(yōu)個(gè)體代替其他種群最差個(gè)體，來保持各種群間信息交流。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 含水率

在成型溫度90 ℃，壓強(qiáng)90 MPa，物料比2∶8條件下對含水率進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并用Akima樣條曲線連接繪制出如圖2a所示的關(guān)系曲線。可以看出，在含水率為2%時(shí)，密度、耐久性和抗跌碎性都處于較低水平，隨著含水率的增大，成型壓塊的密度先上升再下降，密度和耐久性的峰值出現(xiàn)在含水率為6%。這是因?yàn)樗衷诔尚瓦^程中起到了潤滑作用，使粒子得以延展從而更緊密地結(jié)合，同時(shí)少量水分在高溫作用下得以汽化，使得熱流能均勻傳導(dǎo)有效降低木質(zhì)素的軟化點(diǎn)［19］。當(dāng)含水率在14%以上時(shí)，混合燃料的外緣會(huì)有明顯的浸濕且在脫模時(shí)會(huì)產(chǎn)生“放炮”現(xiàn)象，這是因?yàn)檫^高的含水率在高溫作用下會(huì)在模具內(nèi)積聚大量水蒸氣，在脫模瞬間溫度驟降而發(fā)生液化，壓差較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致混合燃料崩裂，同時(shí)冷凝水會(huì)在顆粒周圍形成水膜，阻礙顆粒間的粘結(jié)。故在含水率為6%～12%范圍內(nèi)，混合燃料的密度、耐久性和抗跌碎性分別達(dá)到1.05 g/cm3、94%、98.5%以上。

2.1.2 溫 度

在混合燃料成型過程中升高溫度能使生物質(zhì)原料內(nèi)部的木質(zhì)素發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，木質(zhì)素由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)時(shí)極大地增加了其粘黏性，在成型過程中能充當(dāng)天然的粘結(jié)劑，木質(zhì)素的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度在61～137 ℃之間［20］。在含水率6%、壓強(qiáng)90 MPa、物料比2∶8條件下對成型溫度進(jìn)行單因素試驗(yàn)。由圖2b可知，溫度由30 ℃升高到90 ℃，密度、耐久性和抗跌碎性指標(biāo)改善明顯，在溫度為90 ℃時(shí)耐久性和抗跌碎性達(dá)到峰值；溫度由110 ℃升高到150 ℃，密度出現(xiàn)短暫滑落后又回升至最高值，耐久性隨溫度的升高發(fā)生小幅波動(dòng)，而抗跌碎性則不斷下滑。這是因?yàn)楦邷厥沟媚举|(zhì)素軟化，脆性增強(qiáng)，在外力的作用下容易發(fā)生脆性斷裂。在溫度為150 ℃時(shí)，混合燃料發(fā)生輕微炭化，表面有焦黃色焦油析出。在溫度為70～130 ℃范圍內(nèi)，密度、耐久性和抗跌碎性分別達(dá)到1.05 g/cm3、95%、97.5%以上。

2.1.3 壓 強(qiáng)

纖維素含量在很大程度上決定了壓縮成型所需的壓強(qiáng)，它是植物細(xì)胞的骨架材料，其含量與細(xì)胞機(jī)械組織的發(fā)達(dá)程度呈正相關(guān)［21］。林木類，生物質(zhì)相比秸稈類擁有較高的纖維素含量，在成型過程中所需的壓強(qiáng)也應(yīng)相應(yīng)增大。在含水率6%、成型溫度90 ℃、物料比2∶8不變的條件下，分析壓強(qiáng)對燃料物料性能的影響，結(jié)果如圖2c所示。當(dāng)壓強(qiáng)增大到90 MPa后，密度短暫達(dá)到1.11 g/cm3，繼續(xù)增大成型壓，強(qiáng)密度會(huì)出現(xiàn)小幅滑落，同時(shí)其耐久性和抗跌碎性會(huì)持續(xù)性增長。這可能是由于壓強(qiáng)增大的同時(shí)混合燃料內(nèi)部纖維組織發(fā)生斷裂重組和彈性形變，在壓強(qiáng)未達(dá)到使混合燃料發(fā)生塑性形變時(shí)，多余的壓強(qiáng)反而會(huì)增大混合燃料內(nèi)部的彈性形變，脫模后會(huì)出現(xiàn)輕微反彈，所以會(huì)出現(xiàn)壓強(qiáng)增大但密度反而降低的情況。在90～150 MPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)密度、耐久性和抗跌碎性分別達(dá)到1.08 g/cm3、94%、97%以上。

2.1.4 物料比

玉米秸稈在炭化時(shí)原料中的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等具有天然粘結(jié)性的有機(jī)質(zhì)發(fā)生分解反應(yīng)，芳香化程度升高，生成甲烷、乙烯和乙烷等氣態(tài)烴［22］。故在無粘結(jié)劑情況下，純玉米秸稈炭在常規(guī)壓強(qiáng)下成型易松散，本文以一定量的油松廢棄物代替常用的粘結(jié)劑進(jìn)行成型試驗(yàn)。從圖2d可看出，在成型溫度90 ℃、含水率6%、壓強(qiáng)90 MPa條件下，混合燃料的密度、耐久性和抗跌碎性3個(gè)指標(biāo)均隨物料比的變化有顯著改變，其中密度隨玉米秸稈炭量的增加而逐漸降低，在物料比為2∶8之前降幅較為平緩，之后降幅增大，耐久性和抗跌碎性在物料比為2∶8之前降幅較為平緩甚至在2∶8節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)小幅上升，此后出現(xiàn)大幅下降。在玉米秸稈炭含量為0～20%范圍內(nèi)，混合燃料密度、耐久性和抗跌碎性分別達(dá)到1.05 g/cm3、94%、98%以上。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果分析

利用Design-Expert 12對上述結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，并對其進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表2所示，得到密度（Y1）、耐久性（Y2）和抗跌碎性（Y3）關(guān)于含水率（W）、溫度（T）、物料比（M）、壓強(qiáng)（N）的4元2次回歸方程，如式（8）～式（10）：

[Y1=0.8141+0.02664W+0.00152T+0.0001M+" """"""0.00166N-8.333×10-6WT-0.00036WM-" """"""0.00003WN+5.417×10-6TM-1.389×10-7TN-" """"""4.167×10-7MN-0.001W2-6.898×10-6T2-" """"""0.00004M2-6.620×10-6N2]""" （8）

[Y2=86.2077+0.8725W+0.0608T+0.1693M+" """"""0.05596N-0.0016WT-0.0026WM+0.0017WN-" """"""0.0007TM+0.0001TN-0.0002MN-0.0486W2-" ""nbsp;"""0.00016T2-0.0086M2-0.00029N2]"""" （9）

[Y3=83.8788+0.47151W+0.1148T+0.3402M+" """"""0.1195N-0.00098WT-0.00359WM+0.00127WN-" """"""0.0014TM+0.00019TN-0.00023MN-0.0238W2-" """"""0.00049T2-0.00734M2-0.00072N2]"""""" """""""""nbsp;" （10）

對3個(gè)響應(yīng)指標(biāo)的回歸模型進(jìn)行方差分析，密度、耐久性和抗跌碎性模型的信噪比分別為26.1713、24.5921和30.3956均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4，且該模型的[R2]值（分別為0.9774、0.9729、0.9861）、調(diào)整[R2]值（分別為0.9562、0.9476、0.9730）和預(yù)測[R2]值（分別為0.8986、0.8797、0.9428）均接近于1。

對密度的顯著性檢驗(yàn)中含水率（W）和物料比（M）的[P]值小于0.0001，這2項(xiàng)對密度影響極其顯著，溫度（T）、壓強(qiáng)（N）、含水率和物料比（W×M）對密度影響顯著（[P]值均小于0.05）。在對耐久性的顯著性檢驗(yàn)中物料比（M）、壓強(qiáng)（N）的P值均小于0.0001，此2項(xiàng)對耐久性影響極其顯著，含水率（W）、溫度（T）的P值分別為0.0006、0.0195均小于0.05對耐久性影響顯著。在對抗跌碎性的顯著性檢驗(yàn)中物料比（M）、壓強(qiáng)（N）、溫度與物料比（T×M）這項(xiàng)[P]值均小于0.0001，這3項(xiàng)對抗跌碎性影響極其顯著。含水率（W）、溫度（T）、溫度和壓強(qiáng)（T×N）對抗跌碎性影響顯著（[P]值均小于0.05）。

綜上，關(guān)于密度、耐久性和抗跌碎性的回歸模型都具有較高的可信度，該模型可用于對玉米秸稈炭混合油松廢棄物燃料的成型工藝參數(shù)優(yōu)化和燃料物理性能進(jìn)行預(yù)測。

3 成型工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 目標(biāo)函數(shù)

生物炭混合燃料密度、耐久性和抗跌碎性越大其品質(zhì)越優(yōu)良，故建立混合燃料渴求函數(shù)望大特性模型，并以此函數(shù)模型為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行MPGA尋優(yōu)計(jì)算，見式（11）～式（13）。

密度：

[dY1ξ=0，Y1ξlt;0.75Y1ξ-0.750.45，0.75≤Y1ξ≤1.21，Y1ξgt;1.2]"""""" （11）

耐久性：

[dY2ξ=0，Y2ξlt;86.1Y2ξ-86.113.89，86.1≤Y2ξ≤99.991，Y2ξgt;99.99]""""" （12）

抗跌碎性：

[dY3ξ=0，Y3ξlt;93.4Y3ξ-93.46.59，93.4≤Y3ξ≤99.991，Y3ξgt;99.99]"""""" （13）

總體渴求函數(shù)：將個(gè)體渴求函數(shù)式（11）～式（13）代入式（4）中，得出總體渴求值，如式（14）所示，相應(yīng)的約束如式（15）所示?？傮w渴求函數(shù)越接近于1，渴求度越高，表示混合燃料的物理特性越好，MPGA中對于耐久性和抗跌碎性的值超過99.99的均以99.99代入總體渴求函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

[Dξ=Y1ξ-0.750.450.4·Y2ξ-86.113.890.3·Y3ξ-93.46.590.3]"""""""""""""" （14）

[s.t.0.75≤Y1ξ≤1.286.1≤Y2ξ≤99.9993.4≤Y3ξ≤99.99" """""""s.t.6≤W≤1470≤T≤13010≤M≤3060≤N≤120]"""""" （15）

3.2 優(yōu)化結(jié)果及驗(yàn)證

設(shè)定多種群遺傳算法進(jìn)化代數(shù)為200，種群數(shù)為10，每個(gè)種群中個(gè)體數(shù)量為100。使得總體渴求函數(shù)[Dξ]最大時(shí)的含水率、溫度、物料比以及壓強(qiáng)為8.986%、124.272 ℃、1∶9、120 MPa，此參數(shù)下預(yù)測值為密度1.089 g/cm3、耐久性98.545%、抗跌碎性100.479%。為驗(yàn)證模型可信度，以此組參數(shù)進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，其結(jié)果如表3所示。由表3可見，試驗(yàn)密度為1.153 g/cm3、耐久性98.823%、抗跌碎性99.573%，試驗(yàn)值與預(yù)測值相對誤差為：5.81、0.04、0.73%。預(yù)測模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擁有較好的一致性。

在Design-Expert中的數(shù)值優(yōu)化也可用于此問題，首先設(shè)定好含水率、溫度、玉米秸稈炭含量、壓強(qiáng)的約束區(qū)間分別為［6，14］、［70，130］、［10，30］、［60，120］，在為所有響應(yīng)選擇達(dá)到最大值選項(xiàng)，[Y1]（密度）、[Y2]（耐久性）、[Y3]（抗跌碎性）目標(biāo)區(qū)間分別設(shè)定為［1，1.2］、［90，99.99］、［95，99.99］，并設(shè)定所有響應(yīng)權(quán)重均為1。得到的優(yōu)化參數(shù)組合為[ABCD=9.172120.29410116.918]，此組合下的[Y1]、[Y2]、[Y3]分別為1.089 g/cm3、99.352%、100.418%。

利用極差分析方法［23］將模型優(yōu)化結(jié)果與Design-Expert數(shù)值優(yōu)化（以下簡稱D-E）結(jié)果進(jìn)行比較。選取[9.172120.29410116.918]和[8.986124.27210120]作為可行域中的兩點(diǎn)，以驗(yàn)證其穩(wěn)健性。取距離兩點(diǎn)附近[σ =0.1]的范圍為最優(yōu)域來表征該點(diǎn)可控因素的波動(dòng)范圍，范圍越大影響越大，表明最佳點(diǎn)越不穩(wěn)定。用Matlab軟件根據(jù)式（16）計(jì)算最優(yōu)域內(nèi)各響應(yīng)的范圍。

[Rj=max（Yi）-min（Yi）]"" （16）

式中：[Rj]——第[j]個(gè)優(yōu)化方法的波動(dòng)幅度，[j=1]時(shí)為MPGA方法，[j=2]時(shí)為D-E方法；[max（Yi）]——最優(yōu)域內(nèi)第[i]個(gè)響應(yīng)的最大值；[min（Yi）]——最優(yōu)域內(nèi)第[i]個(gè)響應(yīng)的最小值。

[Δ=R2-R1]""" （17）

式中：[Δ]——兩種優(yōu)化方法波動(dòng)幅度的差值；[R1]——MPGA方法的波動(dòng)幅度；[R2]——D-E方法的波動(dòng)幅度。

結(jié)果如表4所示，在距離最優(yōu)點(diǎn)[9.172120.29410116.918]和[8.986124.27210120]附近[σ =0.1]的最優(yōu)域，多種群遺傳算法得到的最優(yōu)點(diǎn)的[R1=0.00060.02700.0059]，D-E得到的最優(yōu)點(diǎn)的[R2=0.00070.02940.0051]，雖然就抗跌碎性而言MPGA的穩(wěn)定性略差于D-E，但此時(shí)兩者抗跌碎性均已超過100%，此時(shí)該指標(biāo)穩(wěn)健性已無意義，且從密度和耐久性上來看MPGA的波動(dòng)幅度應(yīng)小于D-E，其中耐久性的[Δ]就達(dá)到0.0024，3項(xiàng)指標(biāo)的[Δ]之和為0.0017gt;0，故采用MPGA方法得到的最優(yōu)點(diǎn)[8.986124.27210120]更加穩(wěn)健。因此，玉米秸稈炭與油松廢棄物混合燃料的最佳成型工藝參數(shù)組合為：含水率8.986%、成型溫度124.272 ℃、玉米秸稈炭與油松廢棄物物料比1∶9、壓強(qiáng)120 MPa，在此條件下混合燃料密度為1.153 g/cm3、耐久性98.823%、抗跌碎性99.573%。

4 結(jié) 論

本文研究了含水率、成型溫度、壓強(qiáng)和物料比對玉米秸稈炭混合油松廢棄物燃料密度、耐久性和抗跌碎性的影響，應(yīng)用渴求函數(shù)法進(jìn)行三響應(yīng)優(yōu)化，得出以下主要結(jié)論：

1）在適當(dāng)含水率（6%～12%）下升高成型溫度、增大壓強(qiáng)可改善混合燃料的物理性能。含水率、成型溫度、壓強(qiáng)以及玉米秸稈炭含量分別在6%～12%、70～130 ℃、90～150 MPa、10%～20%范圍內(nèi)時(shí)，混合燃料的密度、耐久性和抗跌碎性分別達(dá)到1.02 g/cm3、94%和97%以上。

2）運(yùn)用渴求函數(shù)將玉米秸稈炭混合油松廢棄物燃料多響應(yīng)模型轉(zhuǎn)化為單一響應(yīng)的總體渴求函數(shù)，并將其作為多種群遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，最佳的含水率為8.986%、溫度124.272 ℃、物料比1∶9、壓強(qiáng)120 MPa，此條件下優(yōu)化結(jié)果為密度1.153 g/cm3、耐久性98.823%、抗跌碎性99.573%。

玉米秸稈炭與油松廢棄物混合燃料具有良好的物理性能，能有效解決油松廢棄物的回收利用問題和玉米秸稈的焚燒問題。

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OPTIMIZATION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF

MIXED FUEL OF CORN STOVER CHARCOAL AND Pinus

tabulaeformis BASED ON DESIRABILITY FUNCTION METHOD

Qian Xiaoliang，Zhang Jing，Zheng Decong，Zhang Xiuquan

（College of Agriculture Engineering， Shanxi Agricultural University， Jinzhong 030801， China）

Abstract：Aming at the serious shorcoming of slagging in burning corn straw， corn stover were carbonized and mixed with Pinus tabulaeformis wastes to make an environment-friendly biochar mixed fuel. Firstly， the influences of molding process parameters to the density， durability and shatter resistance of mixed fuel were researched based on the response surface methodology， including water content， molding temperature and pressure， and the ratio of corn stover charcoal to Pinus tabulaeformis mixed material. Then a three-response optimization of molding process parameters was carried out by using the craving function method and multi-population genetic algorithm. The results show that the density， durability and shatter resistance of biochar mixed fuel are directly proportional to temperature and pressure and inversely proportional to the content of corn stover charcoal， when the water content is 6%-12%. The density， durability and shatter resistance of the mixed fuel larger than 1.02 g/cm3， 94%， 97% with the water content of 6%-12%， temperature of 70-130 ℃， corn stover charcoal content of 10%-20% and pressure is 90-150 MPa respectively. At last， the optimum technological parameters are 8.986%， 124.272 ℃， 1∶9 and 120 MPa， corresponding to the water content， temperature， the ratio of corn stover charcoal to Pinus tabulaeformis mixture and pressure. Under these conditions， the density， durability and shatter resistance of mixed fuel are 1.153 g/cm3， 98.823% and 99.573% respectively， and the errors between experimental results and predicted results are only 5.81， 0.04 and 0.73%.

Keywords：biomass energy； biochar； fuel； physical properties； optimization； desirability function