微波裂解腔體波導(dǎo)管饋口分布對(duì)廢舊橡膠裂解的影響

蘇 昕，李志華，胡立皓，趙憲冰

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

隨著橡膠工業(yè)的快速發(fā)展，廢舊橡膠產(chǎn)出量與日俱增[1-3]，對(duì)廢舊橡膠高值化循環(huán)利用的研究也逐漸深入[4-8]。廢舊橡膠裂解的傳統(tǒng)方式為熱裂解，而與其相比，微波裂解具有節(jié)能、環(huán)保、高效、可控等優(yōu)勢(shì)[9-10]，A.V.YATSUN等[11-12]利用微波裂解廢舊橡膠得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果。微波裂解廢舊橡膠的處理工藝為：在無(wú)氧或充滿(mǎn)惰性氣體的微波裂解腔中，波導(dǎo)管饋口將微波能輻射到廢舊橡膠內(nèi)部，處于電場(chǎng)中的廢舊橡膠分子極化并高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在極短的時(shí)間內(nèi)廢舊橡膠迅速升溫至裂解溫度，從而使廢舊橡膠的高分子碳鏈發(fā)生斷鏈，得到相對(duì)分子質(zhì)量較小的裂解氣、裂解油以及炭黑等可回收再利用的裂解產(chǎn)物[13-14]。

橡膠制品形狀和尺寸各異，原材料和配方不同，有的甚至采用纖維和鋼絲等骨架材料，傳統(tǒng)的熱裂解技術(shù)一般預(yù)先對(duì)橡膠制品進(jìn)行粉碎切塊處理，并且提前將金屬骨架去除，這使得其熱裂解流程復(fù)雜，能耗大，效率低。研究[15]表明，采用微波裂解技術(shù)，未去除鋼絲的整條廢輪胎反而更易快速裂解，廢輪胎的微波裂解相比于熱裂解可以節(jié)省人力物力、提高裂解效率、簡(jiǎn)化裂解工藝和降低裂解能耗。

微波裂解腔體是通過(guò)波導(dǎo)管饋口傳遞微波能的[16]。為提高廢舊橡膠的裂解效率和降低裂解能耗，必須合理布置微波裂解腔體上的波源及與之相連的波導(dǎo)管。本工作利用電磁仿真軟件HFSS，對(duì)微波裂解腔體進(jìn)行建模，研究裂解腔體上波導(dǎo)管饋口的分布方式和間距對(duì)廢舊橡膠裂解的影響，進(jìn)而得到最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 仿真模型建立

本工作以廢舊橡膠微波裂解腔體為仿真對(duì)象，在裂解腔體上方設(shè)置4個(gè)波源和波導(dǎo)管，腔體內(nèi)置1條廢輪胎，簡(jiǎn)化的仿真模型如圖1所示。

圖1 廢舊橡膠微波裂解腔體的仿真模型示意Fig.1 Simulation model of microwave pyrolysis cavity for waste rubber

仿真微波裂解腔體的長(zhǎng)度、寬度和高度分別為700，700和350 mm；廢輪胎呈環(huán)狀，外直徑、內(nèi)直徑和高度分別為600，400和200 mm；波源和相應(yīng)波導(dǎo)管4個(gè)，位于裂解腔體上方，每個(gè)波源功率為1 kW，微波頻率為2.45 GHz；波導(dǎo)管型號(hào)為BJ-26，截面呈矩形，長(zhǎng)度和寬度分別為86.36和43.18 mm；裂解腔體以及波導(dǎo)管內(nèi)的介質(zhì)設(shè)定為空氣（仿真軟件中在“波導(dǎo)管內(nèi)部以及腔體填補(bǔ)材料特性”選項(xiàng)中只有“空氣”可以選擇，不影響仿真結(jié)果），設(shè)置邊界條件與理想電場(chǎng)條件相同。

矩形截面的波導(dǎo)管與波源直接相連，波導(dǎo)管饋口有正交分布和同向分布兩種分布方式，如圖2所示。其中，L為相鄰波導(dǎo)管饋口中心間距。

圖2 裂解腔體上方波導(dǎo)管饋口分布方式示意Fig.2 Distribution of waveguide feed ports above pyrolysis cavity

2 仿真過(guò)程與結(jié)果分析

對(duì)仿真模型裂解腔體上多個(gè)波源的波導(dǎo)管饋口的分布方式和間距進(jìn)行電場(chǎng)分布和微波能損耗分析，通過(guò)比較S參數(shù)，研究微波能利用率與波導(dǎo)管饋口分布的關(guān)系。

S參數(shù)指S11和S21參數(shù)，計(jì)算公式為：

式中，P為微波入射功率，P1為饋電端口1到饋電端口2的微波傳輸功率，P2為微波反射功率。

由式（1）和（2）可以看出，S11指微波能反射損耗，S11的大小表示微波能反射損耗的高低，S11越小，說(shuō)明微波能輸出后反射回的微波能越小，微波能損耗越低，微波能有效利用率越高。S21指微波能輸送效率，S21的大小表示微波能傳輸效率的高低，S21越大，說(shuō)明微波能輸出效率越高，微波能有效利用率越高。本模型所建裂解腔體密閉，且無(wú)輸出端饋口，4個(gè)輸入端波導(dǎo)管饋口為中心對(duì)稱(chēng)分布，故只比較S11即可得到微波能利用率與L的關(guān)系。

2.1 波導(dǎo)管饋口正交分布

設(shè)置裂解腔體仿真模型中4個(gè)波導(dǎo)管饋口為正交分布，基于波源和波導(dǎo)管的尺寸限制，L在100～600 mm之間變化，計(jì)算步長(zhǎng)為50 mm。

S11與L的曲線(xiàn)如圖3所示。

從圖3可以看出：L為150 mm時(shí)S11最小，其值為－21.8，微波能有效利用率最高；L為600 mm時(shí)S11最大，其值為－8.7，微波能有效利用率最低。

為進(jìn)一步精確判斷，根據(jù)圖3的推導(dǎo)結(jié)果，獲取L為150和600 mm時(shí)電場(chǎng)矢量分布圖，如圖4所示。圖中僅顯示電場(chǎng)強(qiáng)度大于3 000 V·m-1的區(qū)域。

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圖3 S11與L的曲線(xiàn)Fig.3 Curve of S11 and L

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，相比L為600 mm，L為150 mm時(shí)廢舊橡膠對(duì)微波的吸收率明顯較高，微波能反射損耗較低，微波能有效利用率較高，因此L為150 mm時(shí)，廢舊橡膠裂解的能耗較低，更節(jié)能。

圖4 L為150和600 mm時(shí)電場(chǎng)矢量分布Fig.4 Distributions of electric field vector at L of 150 and 600 mm

2.2 波導(dǎo)管饋口同向分布

設(shè)置仿真模型中4個(gè)波導(dǎo)管饋口為同向分布，L在100～600 mm之間變化，計(jì)算步長(zhǎng)為50 mm，得到的S11與L的曲線(xiàn)與圖3基本一致，但S11普遍較大，具體結(jié)果為：L為150 mm時(shí)S11最小，其值為－19.6，微波能有效利用率最高；L為600 mm時(shí)S11最大，其值為－7.9，微波能有效利用率最低。

2.3 不同波導(dǎo)管饋口分布方式比較

對(duì)于不同波導(dǎo)管饋口分布，以S11為微波能有效利用率參數(shù)進(jìn)行對(duì)比得出，波導(dǎo)管饋口同向分布的微波能利用率的曲線(xiàn)（S11與L的曲線(xiàn)）與波導(dǎo)管饋口正交分布類(lèi)似，但是其微波能反射損耗明顯比波導(dǎo)管饋口正交分布高10%左右。

L為200 mm時(shí)，不同波導(dǎo)管饋口分布方式的電場(chǎng)矢量分布如圖5所示，圖中只顯示電場(chǎng)強(qiáng)度大于3 000 V·m-1的區(qū)域。

圖5 不同波導(dǎo)管饋口分布方式的電場(chǎng)矢量分布Fig.5 Distributions of electric field vector of different waveguide feed port distribution forms

對(duì)比圖5（a）與（b）發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)管饋口正交分布的電場(chǎng)分布密度較大，強(qiáng)度分布較均勻。改變L大小，可得到與圖5類(lèi)似的電場(chǎng)矢量分布圖，表明當(dāng)輸出功率控制不變，采用不同波導(dǎo)管饋口分布方式，微波裂解廢舊橡膠的裂解速度、時(shí)間及能耗相差較大，廢舊橡膠能吸收的微波能也有較大差別。對(duì)于廢舊橡膠的微波裂解，波導(dǎo)管饋口正交分布的微波能有效利用率較波導(dǎo)管饋口同向分布高約10%，說(shuō)明波導(dǎo)管饋口采用正交分布比采用同向分布更優(yōu)。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在廢舊橡膠微波裂解腔體中，微波裂解能耗和微波能有效利用率的高低取決于與波源相連的波導(dǎo)管饋口分布方式和排列間距。

（2）與波導(dǎo)管饋口同向分布相比，波導(dǎo)管饋口正交分布的廢舊橡膠對(duì)微波能的有效利用率高10%左右，微波吸收能力更好，微波能反射損耗更低。

（3）當(dāng)L發(fā)生變化，裂微波解腔體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變，波源之間的相互干涉程度也隨之變化。對(duì)于波導(dǎo)管饋口正交分布和同向分布，當(dāng)L為150 mm時(shí)，微波能有效利用率最高，但相較于波導(dǎo)管饋口同向分布，波導(dǎo)管饋口正交分布的廢舊橡膠裂解效率更高，微波能反射損耗更低。