0、引言
生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)作為較成熟的技術(shù)之一，可以將生物質(zhì)經(jīng)干燥、粉碎、壓縮成型，變?yōu)榘魻睢K狀或顆粒狀的成型
顆粒燃料。成型燃料的密度可達(dá)0.80～1.35g/cm3，能量密度與中值煤相當(dāng)，燃燒特性較成型前也有明顯改善。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)壓縮成型的研究集中在成型燃料的制造技術(shù)（主要是解決成型后生物質(zhì)燃料不松散、能長(zhǎng)期存放的問(wèn)題）和相應(yīng)的爐具（能提高燃燒效率）的開(kāi)發(fā)上。對(duì)于生物質(zhì)壓縮成型工況的研究也做了一定的工作，但仍缺乏適應(yīng)性較廣的模型對(duì)成型工況進(jìn)行理論指導(dǎo)，缺少?gòu)某尚蜋C(jī)理的角度對(duì)成型燃料的性能進(jìn)行優(yōu)化。
本研究在建立生物質(zhì)稻殼壓縮成型過(guò)程的模型基礎(chǔ)上，尋找使成型燃料達(dá)到滿(mǎn)意性能的較好工況。
1、稻殼壓縮成型過(guò)程模型的建立
生物質(zhì)壓縮成型工況，主要包括生物質(zhì)原料的含水率、物料粒徑、成型壓力、成型溫度、添加粘結(jié)劑以及成型燃料的松弛密度、熱值及抗?jié)B水性、抗變形性、抗跌碎性等。
成型燃料的品質(zhì)特性包括燃燒特性和物理特性，除燃燒特性外，成型燃料的物理特性是最重要的品質(zhì)特性，它直接決定了成型燃料的使用、運(yùn)輸要求和貯藏條件。松弛密度即是衡量成型燃料物理品質(zhì)特性的重要指標(biāo)之一。一般認(rèn)為，松弛密度大于或接近1g/cm3的成型燃料無(wú)論對(duì)于燃燒、存儲(chǔ)和運(yùn)輸都是比較理想的，富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售木屑顆粒機(jī)、稻殼顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料出售。
本文以生物質(zhì)稻殼作為研究對(duì)象，不考慮其粒徑影響，研究稻殼壓縮成型過(guò)程中原料含水率和成型溫度對(duì)成型燃料松弛密度的影響，尋找出較為理想的成型工況（適宜的含水率和成型溫度），從而得到較為理想的松弛密度。
1.1模型建立
本文采用最小二乘支持向量機(jī)，建立了一種簡(jiǎn)化的生物質(zhì)稻殼壓縮成型過(guò)程模型，如式(1)所示。
支持向量機(jī)模型只關(guān)心對(duì)象的輸入與輸出，而不必關(guān)心對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在小樣本的情況下具有良好的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律和泛化能力，輸入與輸出的映射關(guān)系由支持向量機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在最小二乘支持向量機(jī)算法中，核函數(shù)有多種形式，本文采用的是高斯徑向基核函數(shù)(RBF)。
本文建立的模型是以生物質(zhì)（稻殼）的含水率M和成型溫度丁作為模型的輸入，以成型燃料的松弛密度p作為模型的輸出。
1.2模型驗(yàn)證
本文以生物質(zhì)物料稻殼為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
由表1可知，在同一含水率條件下，稻殼成型松弛密度隨著成型溫度的升高而減��；在同一成型溫度下，稻殼成型松弛密度隨著含水率的變化較小，在含水率較低的情況下，．隨著含水率的升高，成型燃料松弛密度有升高的趨勢(shì)，但隨著含水率的繼續(xù)升高，成型燃料松弛密度卻降低，甚至不能成型。
本文取表1中含水率M=7.76%，成型溫度分別為T(mén)=140，170，230，260℃；含水率為M=8.90%，成型溫度為T(mén)=140，170，230，260℃；含水率為M=10.82%，成型溫度為T(mén)=170，230，260℃；含水率為M=12.56%．成型溫度為T(mén)=200,230,260℃；含水率為M=14.89%．成型溫度為T(mén)=230,260℃的16組數(shù)據(jù)作為模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。利用遺傳算法對(duì)模型參數(shù)C和仃2尋優(yōu)，選擇初始種群規(guī)模為50，遺傳代數(shù)為100．參數(shù)尋優(yōu)范圍為CE[1，1 000]，a2∈[1，10]，尋優(yōu)結(jié)果為C=435.391 5,a2=2.5271.
根據(jù)尋優(yōu)得到的C和a2對(duì)LS-SVM模型進(jìn)行訓(xùn)練，從而確定稻殼壓縮成型過(guò)程的最優(yōu)LS-SVM模型，如式(2):
為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，選擇表1中成型溫度T=200℃，含水率分別為M=7.76%，8.90%，10.82%的3組數(shù)據(jù)進(jìn)行模型估計(jì)值與實(shí)驗(yàn)值的線(xiàn)性回歸分析。線(xiàn)性回歸相關(guān)系數(shù)( Regressioncoefficient．回歸直線(xiàn)的斜率)R=1，可以說(shuō)明支持向量機(jī)對(duì)訓(xùn)練樣本擬合精確。
1.3結(jié)果分析
在模型訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，把測(cè)試數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的模型進(jìn)行泛化能力的檢驗(yàn)。結(jié)果是成型燃料松弛密度平均相對(duì)誤差為0.699 2c70．可以認(rèn)為型具有較好的泛化能力和擬合效果，在實(shí)際過(guò)程中可以考慮采用該模型對(duì)稻殼壓縮成型過(guò)程松弛密度進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。稻殼壓縮成型松弛密度回歸測(cè)試結(jié)果及相對(duì)誤差如表2所示。
由以上分析可知，本文建立的最小二乘支持向量機(jī)模型，相對(duì)誤差較小，擬合效果較好。
2、壓縮成型過(guò)程的優(yōu)化
基于以上模型，對(duì)稻殼壓縮成型過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，即尋找當(dāng)成型燃料的松弛密度達(dá)到最大值時(shí)，成型溫度T和含水率M兩個(gè)控制量應(yīng)滿(mǎn)足的優(yōu)化目標(biāo)值。
2.1約束條件
2.1.1含水率的限定
原料的含水率是生物質(zhì)成型過(guò)程中需要嚴(yán)格控制的一個(gè)重要參數(shù)，含水率過(guò)高或過(guò)低時(shí)，都影響其松弛密度。在適當(dāng)?shù)暮屎统尚蜏囟葪l件下，成型燃料才能具有較高的松弛密度。當(dāng)含水率較低時(shí)，雖然能得到較好的松弛密度，但由于成型燃料本身含水率太低，容易吸收空氣中的水分，導(dǎo)致燃料漲裂變形；當(dāng)?shù)練ず瘦^高時(shí)，原料中的水分被快速汽化，水蒸氣不能及時(shí)從成型筒中排出，造成成型燃料出模時(shí)漲裂，表面粗糙，無(wú)法成型。
由圖3（據(jù)表l數(shù)據(jù)繪制）可以看出，稻殼成型燃料的松弛密度與含水率、成型溫度密切相關(guān)，隨著含水率的增加，成型溫度越高，則松弛密度越小，當(dāng)含水率為7%一8%，成型溫度在140—170℃時(shí)，成型燃料可達(dá)到較高的松弛密度。即在相對(duì)較低的含水率下成型時(shí)，其松弛密度較高，此時(shí)所需的成型溫度也較低。綜合考慮，本文選擇稻殼含水率為5%~15%。
2.1.2成型溫度的限定
在熱壓成型時(shí)，對(duì)成型溫度的要求是很?chē)?yán)格的，由于生物質(zhì)原料中的木質(zhì)素都有一個(gè)軟化溫度(70—110℃)，成型溫度太低，無(wú)法對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行軟化，即木質(zhì)素達(dá)不到作為粘結(jié)劑的作用，無(wú)法使分散的原料成型；當(dāng)成型溫度過(guò)高時(shí)，燃料的表層被高溫保型筒炭化，導(dǎo)熱性能變差，使溫度無(wú)法及時(shí)傳遞到燃料中心，造成成型燃料松弛密度降低；過(guò)高的成型溫度使原料中的水分快速汽化，蒸汽不能及時(shí)從成型筒排出，形成很大的蒸汽壓力，造成生物質(zhì)成型燃料出模開(kāi)裂，同樣降低了成型燃料的松弛密度。
圖4(據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制)直觀地說(shuō)明了稻殼在5種不同的含水率下，成型溫度對(duì)松弛密度的影響規(guī)律。所得結(jié)論與圖3基本一致。本文選取稻殼成型溫度為100—300℃。
2.2成型過(guò)程優(yōu)化
本文采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。
(1)確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)模型，優(yōu)化變量及其變化范圍
3、結(jié)論
(1)通過(guò)對(duì)稻殼壓縮成型過(guò)程中成型燃料松弛密度與含水率、成型溫度之間關(guān)系的分析，建立了稻殼壓縮成型過(guò)程最小二乘支持向量機(jī)LS-SVM模型。通過(guò)驗(yàn)證，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值平均相對(duì)誤差最大值為0.699 2%，表明模型具有較好的模擬效果。
(2)在建模基礎(chǔ)上，對(duì)稻殼壓縮成型過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。尋優(yōu)結(jié)果：當(dāng)?shù)練こ尚腿剂纤沙诿芏冗_(dá)到最大值1.2816 g/cm3時(shí)，含水率和成型溫度兩個(gè)控制量的優(yōu)化目標(biāo)值分排政策的實(shí)施，大中城市取締中小型燃煤工業(yè)鍋爐將成為必然，如果改用燃油或天然氣，運(yùn)行成本較高，長(zhǎng)期使用難以為繼。因此，將燃煤鍋爐尤其是小型鍋爐改造為生物質(zhì)成型燃料鍋爐，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。
《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中提出，到2020年，全國(guó)生物質(zhì)同體成型燃料年利用量達(dá)到5 000萬(wàn)t。農(nóng)業(yè)部《農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2007-2015)》提出，到2010年，全國(guó)將建成400個(gè)左右秸稈固化成型燃料應(yīng)用示范點(diǎn)，秸稈固化成型燃料年利用量將達(dá)到100萬(wàn)t左右：到2015年，秸稈固化成型燃料年利用量將達(dá)到2 000萬(wàn)t左右。以此推算，到2020年可以實(shí)現(xiàn)年C02減排量6600萬(wàn)t，發(fā)展?jié)摿薮蟆?br />
5、結(jié)論與建議
目前，我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)正處于起步階段，開(kāi)發(fā)CDM項(xiàng)目，引入發(fā)達(dá)國(guó)家的資金，有利于加快我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。通過(guò)測(cè)算．年生產(chǎn)1萬(wàn)t生物質(zhì)固體成型燃料可以?xún)魷p排C02量13 200t。按照2020年生物質(zhì)同體成型燃料年利朋量達(dá)到5 000萬(wàn)t的目標(biāo)估算，可以實(shí)現(xiàn)年C02減排量6 600萬(wàn)t，發(fā)展?jié)摿薮�。因此，在我�?guó)開(kāi)發(fā)生物質(zhì)同體成型燃料CDM項(xiàng)目是可行的，但目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的方法學(xué)可用于該領(lǐng)域的CDM項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。鑒于目前我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較小，大多為1—2萬(wàn).t/a，建議開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的小規(guī)模方法學(xué)，用于生物質(zhì)固體成型燃料CDM項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，富通新能源出售的稻殼顆粒機(jī)專(zhuān)業(yè)壓制稻殼顆粒燃料。
