圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備裂解腔體模擬仿真與設(shè)備實(shí)驗(yàn)研究

張燦罡 ，劉吉東 ，李勇

(1. 東營(yíng)科技職業(yè)學(xué)院，山東 東營(yíng) 257300 ；2. 青島科技大學(xué)，山東 青島 266000)

我國(guó)汽車工業(yè)的高速發(fā)展，有力地推動(dòng)了橡膠行業(yè)的快速發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)不斷增加的輪胎及制品產(chǎn)量，勢(shì)必會(huì)造成廢舊橡膠大量堆積，如何實(shí)現(xiàn)廢舊橡膠資源化有效循環(huán)利用，一直是困擾研究人員的難題，同時(shí)也是熱門研究課題。裂解既可解決當(dāng)前廢舊橡膠大量堆積所帶來(lái)的一系列環(huán)境問(wèn)題，亦可緩解當(dāng)前日益減少的不可再生資源的緊張情勢(shì)。對(duì)比分析不同的廢舊橡膠裂解技術(shù)的優(yōu)劣發(fā)現(xiàn)，微波裂解是廢舊橡膠高值化循環(huán)利用最佳途徑之一。根據(jù)電磁理論，通過(guò)研究廢舊橡膠的微波裂解機(jī)理，利用微波特性，提出了圓盤結(jié)構(gòu)的裂解設(shè)備方案，以微波發(fā)射裝置采用微波管圓周布置形式，設(shè)計(jì)了可以進(jìn)行連續(xù)裂解的圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備。如圖1 所示為圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備布置圖。

圖1 圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備布置圖

對(duì)于圓盤式廢舊橡膠連續(xù)化裂解設(shè)備的研究，如何確定合理的結(jié)構(gòu)形式，使得微波發(fā)射器發(fā)射的微波能被廢舊橡膠高效吸收利用是整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。微波能吸收利用率不僅影響到能量的能耗而且還會(huì)影響裂解產(chǎn)物質(zhì)量。本文通過(guò)隊(duì)圓盤式圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備裂解腔體進(jìn)行模擬仿真，分析膠粉平鋪厚度對(duì)裂解能耗的影響，發(fā)現(xiàn)最佳的鋪粉厚度。同時(shí)開(kāi)展設(shè)備實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試裂解設(shè)備的工作性能。通過(guò)改變運(yùn)行工藝參數(shù)，驗(yàn)證裂解腔體內(nèi)場(chǎng)能的分布均勻性以及裂解產(chǎn)物質(zhì)量，對(duì)橡膠裂解研究具有一定參考價(jià)值。

1 裂解腔體的有限元分析

HFSS 是基于電磁場(chǎng)有限元分析微波工程問(wèn)題的三維設(shè)計(jì)和電磁仿真軟件。本章基于HFSS 建立圓盤式裂解腔體的三維模型，利用HFSS 對(duì)圓盤式裂解腔體電磁場(chǎng)進(jìn)行分析。

1.1 仿真模型建立

建立微波裂解腔體的有限元模型，為減少軟件模擬仿真的工作量，將模型簡(jiǎn)化，如圖2 所示。利用HFSS 有限元電磁仿真軟件設(shè)定相關(guān)參數(shù)、邊界條件和電磁激勵(lì)，在裂解腔體上方建立3 個(gè)微波磁控管饋口模型，在饋口處設(shè)置微波端口激勵(lì)，裂解腔體的四周均設(shè)為理想邊界條件[1]，求解頻率設(shè)置為2 450 MHz。

微波磁控管經(jīng)透波石英板與BJ-22 標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)連接。

1.2 模型仿真與分析

（1）裂解腔體微波能量場(chǎng)分布

經(jīng)過(guò)HFSS 軟件仿真計(jì)算完成，裂解腔體內(nèi)部的能量場(chǎng)分布如圖3 所示，在裂解腔體內(nèi)部呈現(xiàn)若干橙色團(tuán)絮狀電場(chǎng)分布區(qū)域，分布區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度基本一致，在1 500～1 928.6 V·m-1范圍內(nèi)，說(shuō)明微波能量完全覆蓋整個(gè)裂解腔體，且能量場(chǎng)分布均勻，場(chǎng)強(qiáng)密度穩(wěn)定，符合微波裂解電性特質(zhì)，從而也說(shuō)明裂解腔體的結(jié)構(gòu)可以滿足裂解要求。

圖3 裂解腔體微波能量場(chǎng)分布圖

（2）裂解物料微波能量場(chǎng)分布

在裂解腔體內(nèi)部鋪設(shè)廢舊橡膠后的微波能量場(chǎng)分布，如圖4 所示，鋪設(shè)廢舊橡膠的直徑方向的橫截面分布有3 塊較大的橙紅色區(qū)域，說(shuō)明能量場(chǎng)分布較為均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度在1 071.4～1 607.1 V.m-1范圍內(nèi)。

圖4 裂解物料微波能量場(chǎng)分布圖

旋轉(zhuǎn)不同的角度，重復(fù)進(jìn)行仿真，如圖5、圖6、圖7 所示。由于裂解腔體上部的微波磁控管近似均勻分布，所得到的云圖基本相同。因而滿足微波裂解廢舊橡膠的場(chǎng)強(qiáng)要求，也說(shuō)明圓盤式設(shè)備在裂解腔體內(nèi)的存在對(duì)廢舊橡膠微波能量場(chǎng)分布的影響很小，能夠使廢舊橡膠連續(xù)裂解處于能量吸收的最佳狀態(tài)。

圖5 旋轉(zhuǎn)不同的角度能量場(chǎng)分布圖

圖6 旋轉(zhuǎn)不同的角度能量場(chǎng)分布圖

圖7 旋轉(zhuǎn)不同的角度能量場(chǎng)分布圖

圖8 平鋪厚度為20 mm 時(shí)能量吸收?qǐng)D

2 廢舊橡膠在裂解腔體內(nèi)的平鋪厚度對(duì)裂解能耗影響

2.1 微波滲透深度

進(jìn)行廢舊橡膠裂解實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，裂解腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)圓盤上廢舊橡膠平鋪的厚度對(duì)裂解能耗和裂解結(jié)果存在影響。

微波滲透深度d，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)從介質(zhì)材料表面衰減至表面值的1/e時(shí)的距離波長(zhǎng)λ0為122 mm，σ為電導(dǎo)率，εr為相對(duì)介電常數(shù)，μ為磁導(dǎo)率，損耗角正切經(jīng)計(jì)算可得：

廢舊橡膠裂解前微波滲透深度：

膠粉裂解中微波滲透深度：

其中tanδ=0.08，εr=2。

廢舊橡膠裂解后期微波滲透深度：

其中tanδ=0.25，εr=16～18。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，隨著廢舊橡膠不斷的裂解，產(chǎn)生的炭黑量越來(lái)越多直至廢舊橡膠裂解完成。勢(shì)必造成微波滲透深度逐漸減少，由計(jì)算數(shù)據(jù)可得廢舊橡膠平鋪厚度大于50 mm 時(shí)，裂解效果已經(jīng)較差。

2.2 廢舊橡膠在裂解腔內(nèi)的平鋪厚度對(duì)裂解能耗的影響分析

同樣為了縮減仿真工作量，建立簡(jiǎn)化仿真模型，對(duì)平鋪不同厚度的廢舊橡膠進(jìn)行模擬，平鋪厚度分別為20 mm，40 mm，60 mm，仿真分析結(jié)果如圖7、8和9 所示。

通過(guò)對(duì)圖7、8 和圖9 的數(shù)據(jù)分析，當(dāng)廢舊橡膠平鋪在旋轉(zhuǎn)圓盤厚度為20 mm 時(shí)，吸波能力最強(qiáng)，最高可達(dá)2 093.6 V.m-1，廢舊橡膠平鋪厚度為40 mm 時(shí)，吸波能力較強(qiáng)，最高可達(dá)到1 991.4 V.m-1，能量分布非常均勻，裂解率高。當(dāng)廢舊橡膠平鋪厚度為60 mm時(shí)，吸波能量相對(duì)較差，裂解率低。由此可見(jiàn)，微波對(duì)廢舊橡膠的穿透能力存在一定范圍，綜合考慮廢舊橡膠的吸波能力、設(shè)備裂解效率，故選擇廢舊橡膠平鋪厚度為40 mm。

圖9 平鋪厚度為40 mm 時(shí)能量吸收?qǐng)D

圖10 平鋪厚度為60 mm 時(shí)能量吸收?qǐng)D

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

經(jīng)過(guò)方案確定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了圓盤式廢舊橡膠連續(xù)裂解設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工制造、安裝調(diào)試，具備了新型裂解設(shè)備的實(shí)驗(yàn)條件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試裂解設(shè)備的工作性能。通過(guò)改變運(yùn)行工藝參數(shù)，驗(yàn)證裂解腔體內(nèi)場(chǎng)能的分布均勻性以及裂解產(chǎn)物質(zhì)量，并為裂解設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和裂解技術(shù)更深入的研究提供依據(jù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次裂解實(shí)驗(yàn)裂解原料是將廢舊橡膠通過(guò)多級(jí)粉碎，去除鋼絲等金屬骨架篩選得到的直徑約3 mm 的膠粉，共計(jì)500 kg。如圖11 所示。

圖11 膠粉圖

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）檢查裂解設(shè)備接口處連接以及所用的各種儀表器件，確保連接密封性和所用儀表器件能夠正常工作。

（2）將500 kg 膠粉放入進(jìn)料裝置的料倉(cāng)中。

（3）接通電源，向裂解裝置的裂解腔體內(nèi)部充氮?dú)?，觀察氧分儀表的顯示，達(dá)到4% 時(shí)，停止供氮。同時(shí)開(kāi)啟料倉(cāng)下部的攪拌電機(jī)、葉片旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)圓盤的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)圓盤上均勻鋪上一層廢舊橡膠，廢舊橡膠厚度40 mm，旋轉(zhuǎn)圓盤電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周后，料倉(cāng)下部的攪拌電機(jī)、葉片旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)圓盤的驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)停止。

（4）然后，打開(kāi)微波發(fā)射裝置，對(duì)裂解裝置內(nèi)部的廢舊橡膠進(jìn)行加熱升溫，當(dāng)腔體內(nèi)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，記錄時(shí)間，同時(shí)開(kāi)啟料倉(cāng)下部的攪拌電機(jī)、葉片旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)圓盤的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并且開(kāi)啟螺旋排料機(jī)電機(jī)，裂解進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

（5）每隔5 min，記錄一次裂解溫度。裂解用的廢舊橡膠通過(guò)料倉(cāng)連續(xù)導(dǎo)入，裂解產(chǎn)生的固體產(chǎn)物炭黑經(jīng)過(guò)有軸螺旋排料機(jī)連續(xù)導(dǎo)出，儲(chǔ)存于炭黑儲(chǔ)存桶中，裂解產(chǎn)生的可燃?xì)饨?jīng)過(guò)出氣管進(jìn)入油氣回收裝置。旋轉(zhuǎn)圓盤持續(xù)運(yùn)行60 min。

（6）在微波發(fā)射裝置連續(xù)開(kāi)啟90 min，（旋轉(zhuǎn)圓盤上鋪上廢舊橡膠后旋轉(zhuǎn)圓盤停止旋轉(zhuǎn)30 min+ 旋轉(zhuǎn)圓盤正常運(yùn)行60 min）后關(guān)閉，此時(shí)旋轉(zhuǎn)圓盤繼續(xù)運(yùn)行35 min，即螺旋排料機(jī)繼續(xù)排料導(dǎo)出炭黑35 min后停止，關(guān)閉電源。

3.3 溫度測(cè)量位置

為更好地記錄裂解溫度變化，在排料螺旋腔體外壁、波導(dǎo)、裂解腔體壁、裂解腔體四個(gè)位置設(shè)置溫度表，編號(hào)分別為1#、2#、3#和4#，作為裂解實(shí)驗(yàn)四個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，圖12 為四個(gè)溫度表安裝位置示意圖。

圖12 四個(gè)溫度表安裝位置示意圖

在廢舊橡膠裂解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，排料螺旋腔體外壁（1#）、波導(dǎo)（2#）、裂解腔體壁（3#）、裂解腔體（4#）四個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度變化，如表1 所示，變化曲線如圖13 所示。

表1 四個(gè)不同測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度變化記錄

圖13 四個(gè)溫度表溫度變化曲線圖

4 裂解數(shù)據(jù)分析

裂解實(shí)驗(yàn)共裂解廢舊橡膠161 kg，裂解用時(shí)90 min，設(shè)備的裂解能力107.3 kg，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

裂解能耗73.5 kWh，單耗0.68 kWh/kg，說(shuō)明裂解能耗明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熱裂解。裂解過(guò)程環(huán)保無(wú)污染，無(wú)泄露現(xiàn)象，說(shuō)明裂解設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

廢舊橡膠微波裂解下的三態(tài)產(chǎn)物包括裂解氣、裂解油和固體炭黑。裂解氣作為其中一種氣體產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)油氣分離，脫硫處理等工藝，裂解氣可以作為商品燃?xì)馐褂?，如? 為氣體各成分比例。

表2 氣體成分分析

4.1 裂解油

裂解油經(jīng)過(guò)蒸餾、分餾、冷凝等后處理后，可將裂解油分為汽油(C5～C11)、柴油(C12～C20) 和重油(＞C20)，所占比例1:2:1。若經(jīng)過(guò)提純處理能得到烯烴、甲苯類等有機(jī)溶劑和分散劑，裂解油能得到更多的具有更高附加使用價(jià)值的產(chǎn)品，如圖14 所示為裂解油實(shí)物圖。

圖14 裂解油實(shí)物圖

4.2 固體炭黑

廢舊橡膠裂解產(chǎn)生大約45% 的固體炭黑[2]，這些固體炭黑經(jīng)收集活化研磨處理，可以作為橡膠制品中的添加劑。微波裂解廢舊橡膠產(chǎn)生的固體炭黑相比較于傳統(tǒng)熱裂解產(chǎn)生的固體炭黑，品質(zhì)更好。主要因?yàn)槲⒉呀鈴U舊橡膠和傳統(tǒng)熱裂解的加熱過(guò)程不同，微波裂解可以實(shí)現(xiàn)廢舊橡膠內(nèi)外同時(shí)加熱，受熱溫度均勻，而傳統(tǒng)熱裂解需要熱傳導(dǎo)的加熱方式，溫度從廢舊橡膠表面開(kāi)始升溫裂解，勢(shì)必會(huì)造成裂解過(guò)程中焦化現(xiàn)象的產(chǎn)生。由此也可以說(shuō)明微波裂解要比傳統(tǒng)熱裂解更具有優(yōu)勢(shì)，如圖15 所示為廢舊橡膠產(chǎn)物固體炭黑。

圖15 廢舊橡膠產(chǎn)物固體炭黑

為計(jì)算圓盤式裂解設(shè)備的裂解率，取殘固物進(jìn)行再次充分裂解實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算殘固物的失重量來(lái)反映裂解率。取4 組殘固物作為充分裂解實(shí)驗(yàn)的樣品，分別標(biāo)記為1 號(hào)樣品、2 號(hào)樣品、3 號(hào)樣品、4 號(hào)樣品，每組裂解實(shí)驗(yàn)樣品稱取殘固物為100 g，將四組殘固物裝入燒杯中，放于實(shí)驗(yàn)爐中加熱達(dá)到充分裂解，裂解20 min 后，在天平上稱量，記錄其重量變化數(shù)據(jù)，如表3 所示。

表3 殘固物失重分析

通過(guò)對(duì)4 組殘固物的裂解實(shí)驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算，圓盤式裂解設(shè)備的裂解率都達(dá)到96% 之上，由此可以說(shuō)明，該圓盤式裂解設(shè)備裂解效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論與總結(jié)

文章分析了有限元HFSS 分析軟件的特點(diǎn)，介紹了有限元法的基本原理，利用有限元HFSS 分析軟件電磁仿真對(duì)圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備進(jìn)行了場(chǎng)能仿真，分析了膠粉平鋪厚度對(duì)裂解能耗的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)廢舊橡膠平鋪厚度具有最佳值，當(dāng)超過(guò)微波穿透范圍時(shí)，廢舊橡膠的裂解性能變差。

對(duì)圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備進(jìn)行了連續(xù)化廢舊橡膠裂解實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄了圓盤式廢舊橡膠裂解腔體的溫度變化、能耗、裂解能力等數(shù)據(jù)。通過(guò)繪制溫度變化曲線，可以看出廢舊橡膠在裂解過(guò)程中的溫度變化基本上是穩(wěn)定的。對(duì)廢舊橡膠裂解產(chǎn)物包括裂解氣、裂解油和固體炭黑的裂解產(chǎn)物成分進(jìn)行了測(cè)試分析。得出圓盤式裂解設(shè)備的能耗低、裂解過(guò)程環(huán)保無(wú)污染，裂解率可以達(dá)到96% 以上。由此驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的裂解設(shè)備達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。