生物質(zhì)壓縮成型過程建模與參數(shù)優(yōu)化探討

段 宇，馬敏陽，薛 銳

（南京工程學院 能源與動力工程學院，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環(huán)境問題的關注，生物質(zhì)能源替代化石能源利用的研究和開發(fā)，已成為國內(nèi)外眾多學者關注的熱點。

生物質(zhì)成型技術是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用中的重要方面。這項技術在發(fā)達國家經(jīng)過80多年的發(fā)展，已經(jīng)進入到商業(yè)化應用階段［1～5］。目前在國內(nèi)對生物質(zhì)壓縮成型技術的研究，主要集中在生物質(zhì)壓縮過程的機械特性、壓縮特性、流變特性和成型工藝等方面的實驗研究和理論探討，但缺少一個模型模擬成型過程和參數(shù)優(yōu)化，因此本文研究探討成型過程模型的建立。

2 生物質(zhì)成型機理

在人們的生活和生產(chǎn)中會產(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、樹枝（葉）、稻草）及各類有機垃圾。生物質(zhì)壓縮成型過程是將上述廢棄物收集后經(jīng)過預處理，再經(jīng)專門的設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，可直接燃燒，也可用于氣化［8，9］。

2.1 成型燃料的評價指標

為得到物理化學特性符合使用標準的燃料和生物質(zhì)氣化原料。衡量成型燃料物理品質(zhì)特性的指標選擇松弛密度（Relax density）和耐久性（Durability）［10，11］。成型燃料氣化的評價指標選擇氣體熱值、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，其壓縮密度會由于彈性變形和應力松弛逐漸減小。一定時間后密度趨于穩(wěn)定，此時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

氣化后可燃氣體總熱量占氣化原料總熱量的比值。

2.1.5 焦油量

生物質(zhì)氣化過程中產(chǎn)生的大分子多核芳香族碳氫化合物即為焦油。焦油難以完全燃燒，并產(chǎn)生碳黑顆粒，對燃氣設備等損害都相當嚴重，同時產(chǎn)生的氣味對人體也是有害的；另外焦油對于整個氣化生產(chǎn)過程帶來很大的影響，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程。

2.2.1 加熱溫度和壓力

成型溫度會影響成型燃料的密度和機械強度，當原料含水率一定時，成型溫度越高，所需壓力越小。這是由于生物質(zhì)成型過程中加熱將木質(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)原料對模具的磨損，提高模具壽命［13］。目前，成型過程的加熱主要有外加熱和摩擦生熱。但溫度和壓力應在合適范圍，否則難以成型。實驗證明：生物質(zhì)成型的一般壓強為10～30MPa，有外部加熱時為10MPa左右，沒有任何外在輔助加熱設施時需要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

生物機體內(nèi)存在的適量結合水和自由水有潤滑劑的作用，使粒子間的摩擦力減小，流動性增強，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］。應特別提出，水分過低或過高都不宜成型。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［14］。原料的粒度越大，越不易破壞原來的物相之間的結構，將直接影響成型機的成型效果、生產(chǎn)效率和動力消耗，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

可以通過實驗并對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理來研究不同溫度、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預測模型方法。它是標準支持向量機的擴展，將二次規(guī)劃問題轉(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)絡的局部最優(yōu)問題和訓練樣本不足問題［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。

設輸入向量為 X＝［x1，x2，……，xd］（d 表示訓練次數(shù)）。LS－SVM模型內(nèi)部結構如圖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：

構造最小二乘支持向量機（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)）兩個未知參數(shù)，通過兩個參數(shù)的選擇來使模型達最佳模擬效果［20］。本文選擇以鋸末原料的生物質(zhì)壓縮成型實驗數(shù)據(jù)［21］在主壓缸壓力為100～200bar（c＝1.51、σ2＝5.85）此時f＝0.988和400～600bar（c＝246、σ2＝3.6）此時f＝0.968分別進行建模。數(shù)目標值結果表明模型預測值與實驗值的相對誤差小于5%，該模型能對鋸末壓縮成型過程有較好的模擬效果。

對于成型參數(shù)的優(yōu)化，本文提出上述支持向量機模型的基礎上可以考慮基于智能優(yōu)化的方法建立關于成型性能指標的多目標優(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)部結構示意圖

由上述優(yōu)化目標函數(shù)，通過優(yōu)化計算可求得燃料成型過程中應滿足的最佳控制參數(shù)。

3.2 成型燃料對氣化指標的影響

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)溫度較低有直接關系，溫度較低造成反應速度較慢，所以在反應完全前小顆粒生物質(zhì)就很有可能被迫終止反應。該因素在絕熱體系中因為在絕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，才得出可燃氣體產(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可提高氣體反應速率、降低反應溫度、提高氣體產(chǎn)量等［23］；通過實驗得出，溫度在780℃時使用催化劑可以將生物質(zhì)氣化時可燃氣體的產(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程的焦油含量，粒徑越小，催化效果越好。但顆粒直徑太小對固定床來說，阻力太大；而對流化床來說則飛灰損失太嚴重，所以其直徑有一定合適范圍，一般為2.0～7.0mm 為好［24］。但目前國內(nèi)外在生物質(zhì)壓縮成型過程的研究中主要是考慮添加某一種催化劑的效果，缺乏對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果

為此本文建議在壓縮成型過程中可以考慮將兩種或兩種以上的經(jīng)濟廉價催化劑（如石灰石、白云石等）同時使用，這些催化劑在合適的配比量下加入成型料中，來提高氣化燃氣品質(zhì)，降低燃氣焦油含量。

4 結語

本文主要在國內(nèi)外學者對生物質(zhì)壓縮技術研究的基礎上，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小）對成型料性能（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。并提出了對生物質(zhì)壓縮過程使用智能方法（如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機）來建模，進而在該模型的基礎上使用智能方法（如遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法）來進行參數(shù)優(yōu)化，進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，燃燒效率低等問題。另外，本文分析了以成型燃料為原料來實現(xiàn)生物質(zhì)氣化的過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。

目前國內(nèi)外對生物質(zhì)壓縮成型過程或氣化過程的研究主要是在成型或氣化機理的基礎上來數(shù)學建模分析，但是生物質(zhì)的壓縮過程包含的反應較多，催化氣化過程更是復雜，所以進行機理方面的建模與參數(shù)優(yōu)化相當困難。而嘗試在其他工業(yè)過程的建模與參數(shù)優(yōu)化中得到了較好的應用的智能方法（神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等）對生物質(zhì)壓縮和氣化過程建模與參數(shù)優(yōu)化。可以為生物質(zhì)成型料的制備和生物質(zhì)氣化過程的工程應用提供有益的參考。

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