微波裂解設(shè)備設(shè)計(jì)與工藝試驗(yàn)

摘要：為了提高農(nóng)業(yè)廢棄物的循環(huán)利用，設(shè)計(jì)了一款用于裂解炭化廢棄農(nóng)作物循環(huán)利用的農(nóng)業(yè)裝備。設(shè)備的微波總功率最大為3.6 kW ，頻率選用工業(yè)常用的頻率2.45 GHz，裂解腔的直徑為120 mm，高為" 700 mm；采用HFSS對(duì)裂解腔內(nèi)部的電場(chǎng)進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真可得裂解腔內(nèi)部的電場(chǎng)分布較為均勻。設(shè)計(jì)三因素三水平交互工藝性試驗(yàn)，以裂解腔直徑尺寸、微波功率、裂解溫度為試驗(yàn)因素，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可確定主次試驗(yàn)因素為裂解腔直徑尺寸gt;微波功率gt;裂解溫度，通過(guò)Design-Export得出最優(yōu)試驗(yàn)方案為微波裂解腔直徑81.84 mm，微波功率1.95 kW，裂解溫度325.51 ℃，炭產(chǎn)率為30.16%，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證棉桿的炭產(chǎn)率為29.87%，與軟件優(yōu)化值相差較小，可知設(shè)備滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：微波裂解設(shè)備；設(shè)計(jì)；仿真；炭產(chǎn)率

中圖分類號(hào)：X71；S22" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2023）08-0155-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.08.025 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design and process test of microwave cracking equipment

LUO Wen-jie1， ZHANG Jia-xi2， LI Hua3， LIU Na1， WANG Yan1

（1.Institute of Agricultural Mechanization， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi" 830091，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi" 830052， China； 3.College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing" 210031， China）

Abstract： In order to improve the recycling of agricultural waste， agricultural equipment for the recycling of cracked and carbonized waste crops was designed. The maximum microwave power of the equipment was 3.6 kW， and the frequency was 2.45 GHz， which was commonly used in industry. The diameter of the cracking chamber was 120 mm， and the height was 700 mm. HFSS was used to simulate the electric field in the cracking chamber， and the electric field distribution in the cracking chamber was relatively uniform. The three factors and three levels interactive technological test was designed. Taking cracking chamber diameter size， microwave power and cracking temperature as the test factors， the primary and secondary test factors could be determined as cracking chamber diameter sizegt;microwave powergt;cracking temperature through the test. Through the Design-Export optimization， the optimal test scheme was microwave cracking chamber diameter of 81.84 mm， microwave power of 1.95 kW， and cracking temperature of 325.51 ℃， and the carbon yield was 30.16%. After test verification， the carbon yield of the cotton stalk was 29.87%， which was slightly different from the software optimization value， so the equipment met the design requirements.

Key words： microwave cracking equipment； design； simulation； carbon yield

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨之產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物較多，充分利用好這些資源對(duì)中國(guó)能源和環(huán)境實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義［1］。中國(guó)每年產(chǎn)生的棉桿總量大，棉桿的主要處理為粉碎還田、壓縮木板和燃燒發(fā)電。國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)炭化設(shè)備的研究也有很多，例如上海交通大學(xué)的生物質(zhì)制取設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是制取過(guò)程簡(jiǎn)單、對(duì)工藝要求較低、能量轉(zhuǎn)化率高等。國(guó)外主要研究在炭化的均勻性上。微波裂解在日常生活中具有廣泛的應(yīng)用，也是一種很好的加熱方法。從微波加熱誕生到現(xiàn)在，行業(yè)一直在研究如何利用微波技術(shù)的可控性、高效性和可選擇性等加熱特點(diǎn)去更加高效、安全地生產(chǎn)生物炭［2，3］。

生物質(zhì)微波裂解設(shè)備是一種能夠?qū)⒔斩捴谱鞴虘B(tài)生物炭的設(shè)備［4］。傳統(tǒng)的粉碎還田的本質(zhì)是通過(guò)微生物分解，利用植物本身含有的碳元素對(duì)土壤進(jìn)行增肥，但是這些碳相對(duì)而言是不穩(wěn)定的，受環(huán)境影響較大，因此僅依靠土壤固碳效果不佳。而生物炭的不同之處在于木炭能夠穩(wěn)定地將碳元素鎖定，可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，且在生產(chǎn)過(guò)程中約有1/3轉(zhuǎn)化為生物炭，有1/3可以轉(zhuǎn)化為可燃燒的可燃?xì)猓€有另外1/3可以轉(zhuǎn)化為原油替代品，其中制取的生物炭在業(yè)內(nèi)被稱為黑色的肥料，可以用作土壤肥料，具有提升土壤肥力、增強(qiáng)土壤持水性和透氣性、調(diào)節(jié)土壤溫度、改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)［5，6］。目前研究主要是小型化試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)一種微波炭化設(shè)備對(duì)棉桿炭化的產(chǎn)率和棉桿生物炭的特性進(jìn)行研究，為后期利用微波技術(shù)生產(chǎn)生物炭進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化做準(zhǔn)備。

1 微波裂解設(shè)備的工作原理與設(shè)計(jì)

1.1 微波裂解工作原理

工作時(shí)，檢查各連接管道的密閉性，防止在進(jìn)行惰性氣體供應(yīng)時(shí)或裂解過(guò)程中發(fā)生氣體的泄露。裂解時(shí)產(chǎn)生的能量由磁控管提供，將需要裂解的物料通過(guò)進(jìn)出料口放入裂解腔內(nèi)部，打開電源開關(guān)，裂解的溫度通過(guò)熱電偶傳輸?shù)诫娔X上，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄。

1.2 微波裂解設(shè)備結(jié)構(gòu)

如圖1所示，可直觀地對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，微波裂解中的關(guān)鍵裝置為磁控管，選擇合適的磁控管對(duì)微波裂解時(shí)能耗的減少有很大的幫助。

1.3 微波裂解功率計(jì)算

按照裂解物料所需的能量進(jìn)行功率的計(jì)算 ［7］。所需的熱量（[Qr]）如式（1）所示。

式中，M表示需要裂解的棉桿質(zhì)量（kg）；X1表示棉桿干燥前的濕基含水率（%）；X2表示棉桿干燥后的干基含水率（%）；T1表示棉桿裂解前的溫度（℃）；T2表示棉桿裂解后的溫度（℃）；C1表示棉桿干燥后不含水的比熱容［kJ/（kg·K）］；Hr表示汽化潛熱（kJ/kg）。

用公式（2）可計(jì)算出裂解所需要的總功率（P）。

式中，P表示所需要裂解的微波總功率（kW）；Qr表示所需要的熱量（kJ）；t表示微波加熱的時(shí)間（s）；[η1]表示裂解效率（%）；[η2]表示微波轉(zhuǎn)換效率（%）。

由于每次的炭化質(zhì)量為305 g，炭化時(shí)間最長(zhǎng)為11 min，即為660 s，C1為棉桿的比熱容，取0.701 kJ/（kg·K），炭化前的溫度T1即室溫20 ℃，炭化后的溫度為600 ℃，棉桿中水分蒸發(fā)的汽化潛熱為2 243 kJ/kg，濕基含水率為35%，干基含水率為11%。則將上述值代入式（1）中可得Qr為498.10 kJ，將Qr代入式（2）可計(jì)算出裂解所需要的總功率，微波的能量轉(zhuǎn)換效率根據(jù)一般磁控管可知為0.7，參考國(guó)內(nèi)外炭化設(shè)備，微波裂解生物炭的效率在25%～35%，則取裂解效率30%代入式（2），可求得微波裂解設(shè)備的最大功率為3.59 kW，則取最大功率為3.6 kW。

通過(guò)對(duì)設(shè)備的要求和功率的計(jì)算可知，微波設(shè)備的總功率要求最大為3.6 kW，且根據(jù)設(shè)計(jì)需要為功率可調(diào)［8-11］。

1.4 磁控管裝置的選型

微波裂解過(guò)程中的能量由磁控管提供，選擇合適的磁控管對(duì)設(shè)備非常重要［12，13］?？紤]到裂解時(shí)的實(shí)際總功率為2.8 kW，同時(shí)考慮到減少磁控管的發(fā)熱，則應(yīng)對(duì)磁控管進(jìn)行分析。磁控管以其自身的便于攜帶性、高效性和可控性高等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)行業(yè)。

磁控管效率（η）：

[η=ηc×ηe]" " " （3）

式中，[ηc]表示電子效率；[ηe]表示回路效率。

電子效率（ηc）與耦合度（β）的關(guān)系為式（4）。

[ηc=β / β+1]" " " " "（4）

由式（4）可知，當(dāng)耦合度增大時(shí)，電子效率也增大。

[β=Qo/Qe]" " " " " （5）

式中，[Qo]表示腔體固有品質(zhì)因數(shù)；[Qe]表示外觀品質(zhì)因數(shù)。

磁控管的電子效率如式（6）所示。

[ηc=0.5+0.123√λ]" " " （6）

式中，[ηc]表示電子效率；λ表示波長(zhǎng)。

磁控管一般分為兩種，一種是脈沖磁控管，這種磁控管的效率為8%～52%，還有一種是連續(xù)波磁控管，效率為50%～92%，工作頻率為2.45 GHz，主要用于工業(yè)行業(yè)［7，14-19］。因此在選擇磁控管的時(shí)候選擇連續(xù)波磁控管。

1.5 微波功率控制原理

控制系統(tǒng)的控制策略如圖2所示，默認(rèn)將功率換算成電流，通過(guò)對(duì)磁控管陽(yáng)極電流的采樣值與設(shè)定的電流值的偏差作為PID控制器的輸入。

PID控制器是一種線性控制器，根據(jù)設(shè)定的值[Rt]與實(shí)際輸出值[Yt]構(gòu)成的控制偏差為：

PID控制規(guī)律為：

式中，[Kp]表示比例系數(shù)；[Ti]表示積分時(shí)間常數(shù)；[Td]表示微分時(shí)間常數(shù)。

2 微波裂解關(guān)鍵裝置的選擇

裂解過(guò)程中，微波源的位置固定不變，裂解腔的形狀大小在很大程度上直接影響著加熱的均勻性。當(dāng)磁控管開始工作時(shí)，微波會(huì)以不同的角度射入裂解腔，磁場(chǎng)會(huì)在裂解腔內(nèi)進(jìn)行反射，導(dǎo)致裂解腔內(nèi)部的微波磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)分布不均。所以在選擇裂解腔時(shí)選擇的裂解腔為圓柱形，主要是因?yàn)榱呀馇粌?nèi)部的面為曲面，可以在很大程度上減少微波的反射死區(qū)，提高微波加熱的利用率。

利用計(jì)算機(jī)輔助軟件Solidworks進(jìn)行裂解加熱腔三維模型的建立，設(shè)計(jì)了直徑為120 mm，高度為700 mm，厚度為10 mm的微波裂解腔。

3 工藝試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

微波裂解設(shè)備如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)前對(duì)微波裂解設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，檢查管路的密封性和設(shè)備的電路情況，確保試驗(yàn)順利進(jìn)行。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

在裂解前將棉桿進(jìn)行預(yù)處理，稱取305 g經(jīng)過(guò)處理的棉桿放入裂解腔容器，然后將裝滿棉桿的裂解腔的曲面內(nèi)筒放入微波裂解設(shè)備中，開啟微波裂解設(shè)備的電源開關(guān)，在可觸屏的顯示面板上輸入裂解參數(shù)后將熱電偶放入需要裂解的棉桿內(nèi)，微波炭化開始，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)參數(shù)

以炭產(chǎn)率為試驗(yàn)指標(biāo)，炭產(chǎn)率是衡量一套微波裂解設(shè)備好壞的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，炭產(chǎn)率的計(jì)算公式如式（9）所示。

[ω=（M1／M）×100%]" " "（9）

式中，ω表示炭產(chǎn)率（%）；M1表示炭化后生物炭的質(zhì)量（g）；M表示棉桿的質(zhì)量（g）。

3.4 棉桿炭產(chǎn)率的工藝研究

影響棉桿生物炭的因素有裂解腔直徑尺寸、微波功率、棉桿尺寸、保溫時(shí)間、裂解溫度、棉桿含水率等，其中裂解腔直徑尺寸、微波功率、裂解溫度對(duì)炭產(chǎn)率的影響較大，則以裂解腔直徑尺寸、微波功率、裂解溫度為試驗(yàn)因素，建立表1所示的因素水平。

對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行三因素三水平二次回歸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.4.1 回歸模型的建立與方差分析 建立炭產(chǎn)率（S1）與微波功率（X1）、裂解溫度（X2）、裂解腔直徑尺寸（X3）3個(gè)試驗(yàn)因素的二次多項(xiàng)式的回歸模型，并對(duì)方程（10）進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

[S1=23.84-1.85X1-1.83X2-3.05X3+1.34X1X2-2.19X1X3+1.69X2X3-1.96X12-1.24X22+0.99X32]""（10）

其中P小于0.01，表示回歸方程高度顯著，R2等于0.894 4，說(shuō)明回歸模型可高度擬合。該模型可以優(yōu)化微波裂解炭產(chǎn)率的影響參數(shù)，由表3可知，試驗(yàn)因素影響的顯著性從大到小依次為裂解腔直徑尺寸、微波功率、裂解溫度。

式（10）建立的二次回歸模型可進(jìn)行優(yōu)化，剔除不顯著回歸項(xiàng)得到式（11），顯著性檢驗(yàn)P均小于0.001［20-24］，表明模型高度顯著，失擬項(xiàng)P均大于0.05，則表明優(yōu)化模型可靠。

[S1=56.346+22.14X1-0.044 085X2-0.657 5X3+0.019 179X1X2-0.156 61X1X3+8.462 5×10-4X2X3-3.998 47X12-1.239 25×10-4X22+2.476 87×10-3X32]""（11）

3.4.2 交互因素對(duì)微波裂解設(shè)備性能影響分析 運(yùn)用Design-Export軟件建立微波功率、裂解溫度、裂解腔直徑尺寸三因素交互影響炭產(chǎn)率的響應(yīng)面［25-29］。

圖4a為裂解溫度為400 ℃時(shí)，微波功率（X1）與裂解腔直徑尺寸（X3）對(duì)棉桿炭產(chǎn)率交互作用的響應(yīng)面曲線。當(dāng)裂解腔直徑逐漸增加時(shí)，棉桿的炭產(chǎn)率逐漸減少，變動(dòng)幅度較大；當(dāng)微波功率逐漸增加時(shí)，棉桿的炭產(chǎn)率先增加后減少，變動(dòng)幅度逐漸平緩，在零水平下裂解腔直徑尺寸對(duì)棉桿炭產(chǎn)率的影響比微波功率的影響顯著。

圖4b為微波功率為2.1 kW時(shí)，裂解溫度（X2）與裂解腔直徑尺寸（X3）對(duì)棉桿炭產(chǎn)率交互作用的響應(yīng)面曲線。隨著微波裂解腔直徑的增加，棉桿的炭產(chǎn)率逐漸減少，隨著裂解溫度的增加，棉桿的炭產(chǎn)率呈減少的趨勢(shì)。在零水平下裂解腔直徑尺寸比裂解溫度的影響顯著。

圖4c為裂解腔直徑尺寸為100 mm時(shí)，微波功率（X1）與裂解溫度（X2）對(duì)棉桿炭產(chǎn)率交互作用的響應(yīng)面曲線。隨著微波功率的增加，棉桿的炭產(chǎn)率先增加再減少；隨裂解溫度的增加，棉桿的炭產(chǎn)率逐漸減少。在零水平下微波功率比裂解溫度的影響顯著。

3.5 因素優(yōu)化及驗(yàn)證

采用Design-Export軟件對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化，使棉桿炭產(chǎn)率達(dá)到最大，優(yōu)化后的試驗(yàn)因素為微波功率1.95 kW、裂解溫度325.51 ℃、裂解腔直徑尺寸81.84 mm，曲面的響應(yīng)值最大，炭產(chǎn)率為30.16%。

對(duì)以上軟件優(yōu)化值進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)時(shí)采用的因素為微波功率1.9 kW、裂解溫度325 ℃、裂解腔直徑尺寸81 mm，炭產(chǎn)率為29.87%，與軟件優(yōu)化值較為接近（表4），表明試驗(yàn)可靠。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)裂解設(shè)備的功率計(jì)算、磁控管選型和頻率的選擇，并通過(guò)HFSS軟件仿真可得到裂解腔內(nèi)部電場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)了一款用于農(nóng)業(yè)廢棄物炭化設(shè)備。

2）以裂解腔直徑尺寸、微波功率和裂解溫度為試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)了三因素三水平的二次回歸試驗(yàn)，得出了裂解腔直徑尺寸對(duì)炭產(chǎn)率的影響最顯著，微波功率較為顯著，裂解溫度次之。

3）利用Box-Benhnken組合試驗(yàn)法優(yōu)化分析微波裂解棉桿設(shè)備工作參數(shù)最優(yōu)組合為微波功率1.95 kW、裂解溫度325.51 ℃、裂解腔直徑尺寸81.84 mm；此時(shí)軟件分析預(yù)測(cè)棉桿炭產(chǎn)率為30.16%。驗(yàn)證試驗(yàn)在微波裂解功率1.9 kW、微波裂解溫度325 ℃、裂解腔直徑尺寸81 mm因素水平下，棉桿炭產(chǎn)率為29.87%，與預(yù)測(cè)模型相對(duì)誤差小于4%，模型可靠，能夠滿足微波裂解設(shè)備的作業(yè)要求。

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收稿日期：2022-06-13

基金項(xiàng)目：2021年新疆維吾爾自治區(qū)科技支疆項(xiàng)目（2021E02005）

作者簡(jiǎn)介：羅文杰（1983-），女，四川大足人，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備技術(shù)研究，（電話）13699988593（電子信箱）1491729808@qq.com；通信作者，王 彥（1984-），男，四川遂寧人，高級(jí)工程師，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備研究，（電話）15276729269（電子信箱）124290952@qq.com。