國槐廢棄物固體燃料熱壓成型優(yōu)化分析

摘 要：采用響應(yīng)面法研究國槐廢棄物生物質(zhì)固體燃料密度、耐久性及抗跌碎性3個物理性能與成型溫度、含水率及壓強(qiáng)的關(guān)系，并應(yīng)用滿意度函數(shù)法對工藝參數(shù)進(jìn)行三響應(yīng)優(yōu)化分析。結(jié)果表明：國槐固體燃料在溫度50～130 ℃，含水率5%～13%，壓強(qiáng)60～130 MPa范圍內(nèi)燃料密度、耐久性和抗跌碎性分別達(dá)到0.994 g/cm3、96.31%和99.41%以上，最佳燃料成型參數(shù)為溫度84.40 ℃，含水率5.08%，壓強(qiáng)129.76 MPa，在此成型參數(shù)下燃料密度、耐久性及抗跌碎性分別為1.075 g/cm3、99.06%及99.95%。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能；國槐；廢棄物；燃料；滿意度函數(shù)法；優(yōu)化

中圖分類號：S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

中國已明確把雙碳目標(biāo)納入生態(tài)文明建設(shè)中，希望通過提高生物質(zhì)能源利用率來解決能源短缺等問題［1-3］。農(nóng)林廢棄物可通過熱力、電力等方式將其轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)固體燃料［4-6］，目前生物質(zhì)燃料已成為歐洲發(fā)達(dá)國家的主要供熱燃料來源［7-8］。國內(nèi)學(xué)者對棉稈、玉米秸稈、檸條等農(nóng)林廢棄物制備生物質(zhì)固體燃料的成型參數(shù)進(jìn)行了大量研究［9-14］，得出了影響固體燃料物理性能的主要因素。Carone等［15］研究了橄欖樹枝條制備生物質(zhì)燃料，得出溫度、含水率、顆粒度、壓強(qiáng)對燃料成型品質(zhì)的影響逐漸降低；Bridgeman等［16］指出蘆葦、柳樹和小麥秸稈3種生物質(zhì)經(jīng)烘焙后其生物質(zhì)燃料的熱值增加，疏水性增強(qiáng)，便于運輸和儲存；Adapa等［17］確定了大麥、小麥在壓強(qiáng)為63.2 MPa，油菜籽和燕麥在壓強(qiáng)為94.7 MPa時密度最高，比能量值最小。

目前對園林修剪廢棄物生物質(zhì)固體燃料制備的研究較少，加大該類物料的生物質(zhì)能源利用對于固體燃料的制備和推廣意義重大?；诖?，本文以國槐園林修剪廢棄物為原料，研究溫度、含水率、壓強(qiáng)3個成型參數(shù)對其成型燃料密度、耐久性及抗跌碎性的作用，確定燃料成型參數(shù)最佳取值區(qū)間。通過中心組合設(shè)計（central composite design，CCD）方法設(shè)計三因素（含水率、溫度、壓強(qiáng)）三水平（密度、耐久性、抗跌碎性）的響應(yīng)面分析試驗并基于滿意度函數(shù)法對三響應(yīng)特征值進(jìn)行優(yōu)化分析，得出國槐修剪廢棄物固體燃料熱壓成型的最佳工藝參數(shù)組合。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗國槐于2011年8月取自山西省太原市園林修剪廢棄物，在室外晾曬2個月后將其粉碎成＜0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2.50、2.50～5.00 mm共5個粒徑范圍的粉末，將物料放在容器中并置于鼓風(fēng)干燥箱中，在設(shè)定105 ℃溫度下烘干時間不少于36 h直至物料恒重，將計算所需的水均勻噴灑于原料中并充分?jǐn)嚢?，得到試驗所需含水率，密封于自封袋中?/p>

1.2 壓縮成型

本文試驗在型號為WAW-300的萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行，采用不銹鋼單軸圓柱形模具，內(nèi)徑為40 mm，如圖1所示。

本文試驗采用熱壓成型方式，在模具外圍加置陶瓷加熱圈，通過調(diào)控預(yù)設(shè)溫度以滿足試驗對不同溫度的需求。首先將適量物料置于套筒內(nèi)，當(dāng)升溫到指定溫度后對其施壓，達(dá)到設(shè)定壓強(qiáng)后保壓20 s，再將成型壓塊緩慢擠出，放入密封袋中保存。

1.3 試驗設(shè)計

采用響應(yīng)面法研究國槐廢棄物的物料溫度（A）、含水率（B）、壓強(qiáng)（C）對燃料的密度（Y1）、耐久性（Y2）和抗跌碎性（Y3）的影響。采用SAS統(tǒng)計分析軟件設(shè)計20組響應(yīng)試驗方案，每組方案成型10個樣品，國槐固體燃料試驗設(shè)計及響應(yīng)結(jié)果見表1。

1.4 物理特性評價指標(biāo)

試驗選用密度、耐久性及抗跌碎性3個物理特性指標(biāo)衡量固體燃料物理性能的優(yōu)劣。密度是質(zhì)量與體積的比，如式（1）所示；耐久性根據(jù)《CEN/TS15210-2》［19］中，燃料在筒徑為598 mm的滾筒內(nèi)，作5 min的均勻旋轉(zhuǎn)，測量并計算試驗前后成型燃料的質(zhì)量比，如式（2）所示；抗跌碎性根據(jù)《ASTM D 440-86》［20］中，燃料從1.85 m高處作3次自由落體運動跌落至水泥地面，測量并計算試驗前后燃料的質(zhì)量比，如式（3）所示［21-22］。

[De=4Mπl(wèi)d2] （1）

式中：[De]——壓塊密度，g/cm3；[M]——壓塊質(zhì)量，g；[l]——壓塊厚度，cm；[d]——壓塊直徑，cm。

[Du=m1m×100%] （2）

式中：[Du]——耐久性，%；[m1]——耐久性測試后壓塊質(zhì)量，g；[m]——耐久性測試前壓塊質(zhì)量，g。

[Ds=m2m×100%] （3）

式中：[Ds]——抗跌碎性，%；[m2]——抗跌碎性測試后壓塊質(zhì)量，g；m——抗跌碎性測試前壓塊質(zhì)量，g。

1.5 滿意度函數(shù)法

滿意度函數(shù)法（D-F）最早由Harrington提出［23］并經(jīng)過不斷優(yōu)化，其基本原理是將每個響應(yīng)變量轉(zhuǎn)化為滿意度函數(shù)，應(yīng)用相應(yīng)的滿意度函數(shù)將每個響應(yīng)值[d（yi）]進(jìn)行歸一化處理并計算出各響應(yīng)值[d（yi）]的幾何平均值后將多響應(yīng)變量轉(zhuǎn)化成單響應(yīng)變量，將單響應(yīng)變量進(jìn)行不同權(quán)重分配從而得到組合函數(shù)［24］。根據(jù)響應(yīng)質(zhì)量特性的區(qū)別，將其劃分為3種類型，即望大特性、望小特性及望目特性，生物質(zhì)固體燃料密度、耐久性、抗跌碎性滿足望大特性，其對應(yīng)的滿意度函數(shù)為：

[d（yi）=1，" yigt;miyi-limi-lir，" li≤yi≤mi0，" yilt;li] （4）

式中：[yi]——第[i]個響應(yīng)值；[li]——響應(yīng)變量[i]的下限；[mi]——響應(yīng)變量[i]的上限。

單個滿意度函數(shù)合并成為總滿意度函數(shù)優(yōu)化模型的計算公式：

[maxD=d（y1（x））ω1" d（y2（x））ω2 … d（yn（x））ωn1ωi] （5）

式中：[ωi]——第[i]個響應(yīng)權(quán)重，[i=1，2，…，n]。

響應(yīng)權(quán)重和為1，即[ωi=1]，密度、耐久性、抗跌碎性權(quán)重分別為0.4、0.3、0.3。

2 結(jié)果與分析

2.1 方差結(jié)果分析

利用SAS統(tǒng)計分析軟件對上述響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，并進(jìn)行方差分析。通過方差分析可得到燃料密度（[Y1]）、耐久性（[Y2]）和抗跌碎性（[Y3]）關(guān)于成型條件溫度（[A]）、含水率（[B]）和壓強(qiáng)（[C]）的回歸方程如式（6）～式（8）。

[Y1=0.19398+0.00452687xA+0.065785xB+" " " " 0.007866xC-0.000261xAB-0.000028xAC-" " " " 0.00016xBC-0.00214x2B-0.0000175x2C] （6）

[Y2=66.57234+0.2183xA+1.69219xB+0.25991xC-" " " " 0.00524xAB-0.00061xAC-0.00563xBC-" " " " 0.00052x2A-0.05689x2B-00000621x2C] （7）

[Y3=91.88492+0.053492xA+0.46868xB+0.060588xC-" " " " 0.001656xAB-0.000159xAC-0.00154xBC-" " " " 0.00011x2A-0.01186x2B-0.000126x2C] （8）

式中：[xA、][xB、][xC]——溫度、含水率、壓強(qiáng)的實測值。

對國槐的三響應(yīng)試驗方差分析結(jié)果如表2所示。對密度影響顯著的因素有含水率（[B]）、溫度和含水率（[AB]）及溫度和壓強(qiáng)（[AC]）的互作。對耐久性影響顯著的因素有溫度（[A]）、含水率（[B]）、壓強(qiáng)（[C]）的互作。對抗跌碎性影響極其顯著的因素有壓強(qiáng)（[C]），影響顯著的因素有溫度（[A]）、含水率（[B]）、溫度和含水率（[AB]）、溫度和壓強(qiáng)（[AC]）、含水率和壓強(qiáng)（[BC]）的互作。

注：P值gt; 0.1的方差均已剔除。

綜上，各方差來源的顯著性[P]值小于0.05，極其顯著性[P]值小于0.0001，有個別方差大于0.06，這可能是由于誤差造成的，表明響應(yīng)面模型是顯著的。各模型失擬檢驗不顯著[P]值大于0.05，二次回歸模型擬合方程良好。

2.2 國槐固體燃料多因素試驗結(jié)果分析

溫度、含水率、壓強(qiáng)這3個成型條件因素的交互作用對國槐固體燃料的密度、耐久性、抗跌碎性物理特性的影響如圖2所示。

由圖2a可知，溫度106～130 ℃，含水率5%～7%情況下燃料成型密度可達(dá)1.04 g/cm3以上；溫度86～130 ℃，含水率11%～13%情況下燃料成型密度低于1.00 g/cm3。此現(xiàn)象可能是由于水分作為天然的粘結(jié)劑，適當(dāng)?shù)暮士稍龃蠓兜氯A力并形成氫鍵，提高了燃料成型密度；但過高的含水率會分布于粒子層之間，阻礙粒子層的緊密結(jié)合，同時在高溫下產(chǎn)生了較多的水蒸氣，降低了熱傳導(dǎo)從而使國槐原料中的木質(zhì)素難以軟化，原料內(nèi)部的粘結(jié)力減小，降低了成型密度。

由圖2b可知，溫度50～58 ℃，壓強(qiáng)116～130 MPa情況下成型密度可達(dá)1.07 g/cm3；溫度90～130 ℃，壓強(qiáng)88～130 MPa情況下燃料成型密度低于1.00 g/cm3。此現(xiàn)象可能是由于高溫高壓使木質(zhì)素失活，降低了原料內(nèi)部粘結(jié)力從而影響燃料成型密度。

由圖2c可知，含水率5%～9%，壓強(qiáng)88～130 MPa情況下成型燃料密度大于1.02 g/cm3，此現(xiàn)象可能是由于壓強(qiáng)較高時，水分與生物質(zhì)混合形成膠體增強(qiáng)內(nèi)部粘結(jié)力，燃料成型密度較高。含水率高于7%時，較高的含水率使顆粒間的固體橋無法形成，此時需要增大壓強(qiáng)擠壓出多余水分才能提高燃料成型密度。

由圖2d可知，溫度90～130 ℃，含水率5%～9%情況下燃料成型耐久性可達(dá)98%以上；溫度50～74 ℃或含水率9%～13%時燃料成型耐久性均低于96%，此現(xiàn)象可能是由于含水率過低時，生物質(zhì)顆粒不能充分延展結(jié)合其他粒子，易吸附空氣中的水分導(dǎo)致體積膨脹；含水率過高時，多余的水分會分布在粒子層中間，此時低溫條件下不能蒸發(fā)出多余的水分導(dǎo)致成型耐久性偏低，隨著溫度的升高能夠軟化生物質(zhì)且蒸發(fā)多余的水分，有利于成型耐久性的提高。

由圖2e可知，溫度82～106 ℃，壓強(qiáng)95～130 MPa情況下，燃料成型耐久性可達(dá)98%以上，此現(xiàn)象可能是由于壓強(qiáng)高于95 MPa時，隨著溫度的升高，原料中木質(zhì)素等物質(zhì)軟化，黏性增強(qiáng)，粘結(jié)更加可靠。而當(dāng)溫度高于106 ℃后，高溫使得水分蒸發(fā)從而降低了水分潤滑粘結(jié)的作用，導(dǎo)致燃料耐久性低于98%。

由圖2f可知，5%～7%含水率，壓強(qiáng)95～130 MPa情況下燃料成型耐久性可達(dá)98%以上，此現(xiàn)象可能是由于當(dāng)壓強(qiáng)較高時，水分與生物質(zhì)混合形成膠體增強(qiáng)內(nèi)部粘結(jié)力，燃料成型耐久性較好。當(dāng)含水率高于7%時，較高的含水率使顆粒間的固體橋無法形成，燃料成型耐久性低于98.5%。

由圖2g可知，溫度100～130 ℃，含水率5%～7%情況下抗跌碎性可達(dá)99.8%以上且保持不變；高溫高含水率情況下抗跌碎性低至99.5%，此現(xiàn)象可能是由于隨著含水率的增加，顆粒間的粘結(jié)度也增加，此時需要升高溫度才能充分激活內(nèi)在天然粘結(jié)劑使之不易發(fā)生蓬松現(xiàn)象，抗跌碎性趨于穩(wěn)定。但含水率過高，由于水分隨高溫蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣降低了內(nèi)部粘結(jié)力從而導(dǎo)致抗跌碎性較低。

由圖2h可知，溫度66～114 ℃，壓強(qiáng)102～130 MPa情況下抗跌碎性可達(dá)99.8%，此現(xiàn)象可能是由于升高溫度使物料內(nèi)木質(zhì)素軟化，增大壓強(qiáng)使物料內(nèi)部顆粒壓緊，提高了燃料抗跌碎性。但當(dāng)溫度高于114 ℃時，物料內(nèi)水分子減少，潤滑作用減小從而導(dǎo)致燃料抗跌碎性降低。

由圖2i可知，含水率5%～9%，壓強(qiáng)95～130 MPa情況下燃料抗跌碎性可達(dá)99.8%以上；低壓高含水率情況下抗跌碎性低至99.3%，此現(xiàn)象可能是由于隨著含水率的增加，顆粒間粘結(jié)度逐漸松弛，此時增大壓強(qiáng)，壓出物料間多余的水分，抗跌碎性也逐漸增強(qiáng)。

3 成型工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文基于響應(yīng)面設(shè)計，利用滿意度函數(shù)法對國槐固體燃料的成型條件溫度、含水率和抗跌碎性3個物理特性優(yōu)化，得出最優(yōu)參數(shù)組合函數(shù)，采用望大特性模型，得到國槐固體燃料的密度、耐久性、抗跌碎性的滿意度函數(shù)，如式（9）～式（11）所示。

[d（Y1（x））=1，" Y1（x）gt;1.2Y1（x）-0.70.5，0，" Y1（x）lt;0.7" " "0.7≤Y1（x）≤1.2] （9）

[d（Y2（x））=1，" Y2（x）gt;99.9Y2（x）-918.9，0，" Y2（x）lt;9191≤Y2（x）≤99.9] （10）

[d（Y3（x））=1，" Y3（x）gt;100Y3（x）-982，0，" Y3（x）lt;98" " "98≤Y3（x）≤100] （11）

將式（9）～式（11）代入式（5）中，可得出密度、耐久性和抗跌碎性的總滿意度函數(shù)max D如式（12）所示，Y1、Y2、Y3和A、B、C的取值范圍如式（13）所示。此總滿意度函數(shù)為國槐固體燃料壓塊需要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

[maxDtotal=Y1（x）-0.70.50.4×Y2（x）-918.90.3×Y3（x）-9820.3] （12）

[s.t.0.7≤Y1（x）≤1.291≤Y2（x）≤99.998≤Y3（x）≤10050≤xA≤1305≤xB≤1360≤xC≤130] （13）

3.2 優(yōu)化結(jié)果及驗證

利用VB編譯求最大值方法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，得到固體燃料優(yōu)化后的參數(shù)組合及優(yōu)化結(jié)果如表3所示。由表3可知，國槐固體燃料成型的溫度、含水率、壓強(qiáng)最優(yōu)參數(shù)組合為84.40 ℃、5.08%、129.76 MPa。在此參數(shù)水平下，其密度、耐久性及抗跌碎性分別為1.057g/cm3、99.12%及99.99%。為驗證優(yōu)化結(jié)果的有效性，對優(yōu)化后的成型參數(shù)重復(fù)試驗5次取均值作為實測值，通過對比實測值與預(yù)測值，密度、耐久性及抗跌碎性的誤差分別為1.7%、0.06%及0.04%，結(jié)果列于表3中，證明滿意度函數(shù)優(yōu)化結(jié)果的有效性。

針對解決此問題，使用Design-Expert軟件設(shè)定溫度、含水率、壓強(qiáng)、密度、耐久性、抗跌碎的區(qū)間分別為［50，130］、［5，13］、［60，130］、［1，1.2］、［90，100］、［95，100］，并設(shè)定所有響應(yīng)權(quán)重等于1。得到的國槐的優(yōu)化參數(shù)組合分別是[xA=119.03、][xB=5、][xC=130，]在此組合下的密度、耐久性、抗跌碎性分別為[Y1=1.0423、][Y2=99.3591、][Y3=100.0405]。

將模型優(yōu)化結(jié)果和D-E數(shù)值優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析對比。為驗證其穩(wěn)定性，在可行域取距離兩點附近波動大小為0.1作為最優(yōu)區(qū)域。利用Matlab結(jié)合式（14）計算最優(yōu)區(qū)域內(nèi)密度、耐久性及抗跌碎性響應(yīng)的范圍。

[Sj=maxyi-minyi] （14）

式中：[Sj]——第[j]個優(yōu)化方法的波動范圍；[maxyi]——第[i]個響應(yīng)的極大值；[minyi]——第[i]個響應(yīng)的極小值。

[Δ=S2-S1] （15）

式中：[Δ]——波動的差值；[S2]——D-E法的波動范圍；[S1]——滿意度函數(shù)法（D-F）的波動范圍。

結(jié)果如表4所示，對國槐而言，最優(yōu)點[xA=119.03]、[xB=5]、[xC=130]和[xA=84.40、][xB=5.08、][xC=129.76]附近0.1的范圍為最優(yōu)區(qū)域，通過滿意度函數(shù)法［25］得到的最優(yōu)點[S1=（0.0037，][0.0735，][0.0438），]通過D-E得到的最優(yōu)點[S2=（0.0049，][0.1457，][0.0157），]D-E密度和耐久性的波動范圍高于D-F，但對于抗跌碎性D-F的波動范圍大，穩(wěn)定性略差，D-E的抗跌碎性大于100%已無意義。其中耐久性[Δ]值達(dá)到0.0722，密度、耐久性、抗跌碎性三項指標(biāo)[Δ]之和為0.0453，大于0，所以用D-F方法得到的最優(yōu)點[xA=84.40、][xB=5.08、][xC=129.76]更加趨于穩(wěn)健。

4 結(jié) 論

本文通過研究國槐廢棄物熱壓成型溫度、含水率和壓強(qiáng)對密度、耐久性及抗跌碎性的影響，應(yīng)用滿意度函數(shù)法對建立的響應(yīng)面模型優(yōu)化分析，得到最佳成型參數(shù)組合。國槐原料在溫度為50～130 ℃，含水率為5%～13%，壓強(qiáng)為60～130 MPa的條件下國槐固體燃料成型密度、耐久性和抗跌碎性分別可達(dá)0.994 g/cm3、96.31%和99.41%以上，成型效果良好。國槐生物質(zhì)燃料成型的最優(yōu)條件：溫度84.40 ℃，含水率5.08%，壓強(qiáng)129.76 MPa，密度達(dá)到最高1.075 g/cm3、耐久性99.06%、抗跌碎性99.95%。

研究表明，國槐固體燃料的良好品質(zhì)能夠提高農(nóng)林廢棄物的利用率并緩解化石能源短缺等問題。

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OPTIMIZATION ANALYSIS OF HOT PRESSING FORMING PROCESS

SOLID FUEL FROM Sophora japonica FOREST WASTE

Yang Yuanqing1，2，Sun Qiankun1，Jian Hongliang1，Xin Peichen1，Qiao Xindan1，Zhang Jing1，2

（1. College of Agriculture Engineering， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801， China；

2. Dryland Farm Machinery Key Technology and Equipment Key Laboratory of Shanxi Province， Taigu 030801， China）

Abstract：Processing Sophora japonica waste into solid fuel can effectively promote the efficient utilization of resources. Response surface methodology（RSM） is used to study the relationship between three physical properties of the density， durability and impact resistance of the formed fuel and temperature， moisture content and pressure， and the desirability functions is used to carry out three response optimization analysis of process parameters. The results show that in the range of temperature 50-130 ℃， moisture content 5%-13% and pressure 60-130 MPa， the solid fuel density， durability and impact resistance reached more than 0.994 g/cm3， 96.31% and 99.41%， respectively. The optimum process parameter combination are temperature 84.40 ℃， moisture content 5.08% and pressure 129.76 MPa， and the fuel density， durability and impact resistance are 1.075 g/cm3， 99.06% and 99.95%， respectively.

Keywords：biomass energy； Sophora japonica； waste； fuel； desirability functions； optimization