密封隔板表面附著炭黑對廢橡膠微波裂解的影響

李志華，陳士壯，宋應帥，劉強彩，劉飛鵬

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

隨著我國橡膠工業的快速發展，廢橡膠的總量急劇增長，環境與發展的矛盾更加突出。當前對廢橡膠裂解處理技術的研究雖然取得了一些成果[1-3]，但仍不盡如人意，開發一種更環保、更易實現資源循環利用的方法刻不容緩。微波裂解是當今世界上先進的廢橡膠處理新工藝，采用微波裂解技術處理廢橡膠已經引起業界的重視[4]。

廢橡膠微波裂解是指微波源通過波導將微波能量傳輸到裂解腔體內，位于裂解腔體內的廢橡膠吸收微波能量使大分子鏈斷開變成小分子，完成廢橡膠的裂解，從而得到炭黑、油和可燃氣體。廢橡膠微波裂解是微波理論[5]、化學化工、材料科學和工程技術的集成。在廢橡膠的微波裂解設備[6]中，為防止裂解腔體內廢橡膠裂解產生的可燃氣體通過波導反向進入波源內引發事故，在波導內設置了防止可燃氣體穿過的密封隔板。密封隔板一般選用透波[7-8]良好的石英板。

在廢橡膠微波裂解過程中發現，在其他條件不變的前提下，隨著裂解時間的延長，呈現廢橡膠裂解速率緩慢下降、能耗緩慢上升的趨勢。而通過拆解微波裂解設備發現，波導內密封隔板面向裂解腔體的表面上有炭黑附著，如圖1所示。

圖1 密封隔板附著炭黑示意

隨著計算機技術的發展，利用計算機數值模擬技術[9]可有效模擬并分析微波能的傳輸過程。本工作利用電磁仿真軟件HFSS建立波導物理模型，在2.45 GHz工作頻率下設定相關邊界條件和參數，針對微波裂解廢橡膠過程中密封隔板上的炭黑附著問題進行計算與仿真，以期得到炭黑在密封隔板上的附著對廢橡膠微波裂解的影響，并提出相應改進措施。

1 理論基礎

1.1 主要原材料

微波是一種頻率在300 MHz～300 GHz、波長在1～1 000 mm范圍內的電磁波。廢橡膠置于微波電磁場中，電磁場與廢橡膠分子之間發生相互作用，廢橡膠分子克服原有的熱運動和分子相互間作用的干擾和阻礙，隨著高頻交變電磁場的作用以每秒高達數億次的速度擺動[10]，引發分子內部產生摩擦，從而產生大量的熱。微波裂解就是利用廢橡膠的粒子傳導及偶極子轉動實現諧振來達到自身升溫，廢橡膠的化學鍵在高溫（150～450 ℃）無氧環境下斷開，大分子鏈斷鍵變為小分子，經后處理裝置分離得到炭黑、油、可燃氣體等高附加值產物。微波裂解具有傳統熱裂解所不具備的一系列獨特優點，如內外同時加熱、傳熱速度快、溫度分布均勻、裂解效率高、裂解完全、耗能低、無污染等。

1.2 S參數

S參數[11]是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網絡，適于微波電路分析[12]。用于微波能傳輸的矩形波導可視為一個二端口網絡[13]，端口1和2分別為微波能的輸入端和輸出端。微波能從端口1射入，一部分能量傳輸到端口2，一部分能量反射回端口1，一部分能量在波導內損耗，如圖2所示。用S11和S21來分別描述微波能的反射率和傳輸率。

圖2 波導S參數示意

式中P——入射功率，kW；

P2——反射功率，kW；

P1——傳輸功率，kW。

2 仿真和分析

2.1 物理模型的建立

選用BJ-22標準矩形波導[14]建立物理模型，其長×寬×高＝109.22 mm×54.61 mm×200 mm。端口1位于坐標XY平面，端口1中心為原點；端口2位于Z＝200 mm平面處；密封隔板厚度H＝4 mm，位于Z＝100 mm平面處，垂直于Z軸；設定炭黑在密封隔板上附著均勻，附著厚度h＝1～10 mm，沿著Z軸正方向增加，如圖3所示。

圖3 物理模型示意

2.2 技術參數

為了模擬密封隔板附著炭黑對微波裂解廢橡膠能量傳輸的影響，取相關技術參數如下：端口1入射功率 1 kW；BJ-22波導腔體填充 假設真空，相對介電常數為1，相對磁導率為1；BJ-22波導腔體邊界 理想金屬邊界；密封隔板 相對介電常數為3.78，相對磁導率為1；炭黑 相對介電常數假定為4，相對磁導率為1。

2.3 結果與分析

圖4所示為在波導高度方向、密封隔板附著炭黑厚度分別為1，5和10 mm時波導截面微波能量分布情況。由圖4可以看出，在微波能量自下而上的傳輸過程中，不管附著炭黑厚度如何變化，在穿過密封隔板上的炭黑前微波能量分布無任何變化，說明無能量損耗；但在微波穿透密封隔板上的炭黑后，能量分布密度變化明顯，呈現不同程度的密度削弱。炭黑附著厚度為1 mm時削弱較小，5 mm時次之，10 mm時最大，說明炭黑附著厚度越大，能量分布密度削弱越嚴重，能量損耗越大。

圖4 附著不同厚度炭黑的波導內能量分布

圖5所示為密封隔板上附著炭黑厚度分別為1，5和10 mm時炭黑能量吸收分布。由圖5可以看出，隨著炭黑附著厚度從1 mm增大到10 mm，炭黑吸收的能量逐漸增大。

圖5 不同厚度炭黑能量吸收分布

圖6示出了微波能量傳輸率和反射率隨著密封隔板附著炭黑厚度的變化曲線。由圖6可知，微波能量傳輸率隨炭黑附著厚度的增大而減小，而能量反射率則隨炭黑附著厚度的增大而增大。

圖6 微波能量傳輸率和反射率隨附著炭黑厚度的變化曲線

綜合分析圖5和6可知，微波能量在波導內傳輸過程中穿過密封隔板上附著炭黑時，出現了炭黑對微波能量的吸收和反射，即僅有部分微波能進入裂解腔體；隨著炭黑附著厚度逐漸增大，能量損耗越來越大，從而降低了廢橡膠的裂解速率。由于炭黑在密封隔板上的附著增加了端口1的能量反射率，不僅增加了能耗，反射的微波能量還會反向進入波源，使得波源升溫，從而縮短波源的使用壽命。

炭黑的相對介電常數和損耗因子較大是導致其在微波能從端口1到端口2的傳輸過程中對能耗和廢橡膠裂解速率影響較大的原因。經計算得知，炭黑附著厚度分別為1，5和10 mm時，能量傳輸率分別為86.9%，74.4%和64.9%，即造成了13.1%，25.6%和35.1%的能量反射和損耗。因此，在微波裂解過程中應避免炭黑在波導內密封隔板上的附著。

2.4 改進措施

在波導窄邊一側開細長矩形孔，矩形孔設在密封隔板附近且靠近端口1一側，矩形孔長度即波導窄邊長，高度為2 mm。鴨嘴型噴嘴與矩形孔焊接，噴嘴后面安裝通氣管。在微波裂解過程中，從通氣管通入設定壓力的氮氣，氮氣通過噴嘴射入波導內會形成氣幕，如圖7所示。這道氣幕將裂解可燃氣體與密封隔板隔離，同時吹掃密封隔板表面，起清掃炭黑的作用。通過試驗驗證，該方案可有效避免密封隔板上炭黑的附著。

圖7 波導改進結構示意

3 結論

（1）在微波裂解廢橡膠過程中，部分微細炭黑隨裂解氣體飛揚接觸到密封隔板表面并附著是持續發生的。

（2）利用電磁仿真軟件HFSS對矩形波導內附著不同厚度炭黑的密封隔板的能量傳輸進行仿真模擬，結果表明：炭黑在密封隔板表面的附著影響了微波能量在波導內的有效傳輸；附著炭黑吸收了微波能量，同時造成了微波的反射，降低了能量傳輸率；能量傳輸率隨著附著炭黑厚度的增大而降低，是造成廢橡膠裂解速率逐漸降低、能耗增加的根本原因。

（3）通過改進波導結構形式，增加氮氣隔離吹掃功能，可以有效避免炭黑在波導內密封隔板上的附著。