微波裂解腔體波導管饋口分布對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 機電工程學院，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[9-10]，A.V.YATSUN等[11-12]利用微波裂解廢舊橡膠得到令人滿意的結(jié)果。微波裂解廢舊橡膠的處理工藝為：在無氧或充滿惰性氣體的微波裂解腔中，波導管饋口將微波能輻射到廢舊橡膠內(nèi)部，處于電場中的廢舊橡膠分子極化并高速相對運動，在極短的時間內(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)的熱裂解技術一般預先對橡膠制品進行粉碎切塊處理，并且提前將金屬骨架去除，這使得其熱裂解流程復雜，能耗大，效率低。研究[15]表明，采用微波裂解技術，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、簡化裂解工藝和降低裂解能耗。

微波裂解腔體是通過波導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管。本工作利用電磁仿真軟件HFSS，對微波裂解腔體進行建模，研究裂解腔體上波導管饋口的分布方式和間距對廢舊橡膠裂解的影響，進而得到最佳的設計參數(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象，在裂解腔體上方設置4個波源和波導管，腔體內(nèi)置1條廢輪胎，簡化的仿真模型如圖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；波源和相應波導管4個，位于裂解腔體上方，每個波源功率為1 kW，微波頻率為2.45 GHz；波導管型號為BJ-26，截面呈矩形，長度和寬度分別為86.36和43.18 mm；裂解腔體以及波導管內(nèi)的介質(zhì)設定為空氣（仿真軟件中在“波導管內(nèi)部以及腔體填補材料特性”選項中只有“空氣”可以選擇，不影響仿真結(jié)果），設置邊界條件與理想電場條件相同。

矩形截面的波導管與波源直接相連，波導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為相鄰波導管饋口中心間距。

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

2 仿真過程與結(jié)果分析

對仿真模型裂解腔體上多個波源的波導管饋口的分布方式和間距進行電場分布和微波能損耗分析，通過比較S參數(shù)，研究微波能利用率與波導管饋口分布的關系。

S參數(shù)指S11和S21參數(shù)，計算公式為：

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，且無輸出端饋口，4個輸入端波導管饋口為中心對稱分布，故只比較S11即可得到微波能利用率與L的關系。

2.1 波導管饋口正交分布

設置裂解腔體仿真模型中4個波導管饋口為正交分布，基于波源和波導管的尺寸限制，L在100～600 mm之間變化，計算步長為50 mm。

S11與L的曲線如圖3所示。

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

為進一步精確判斷，根據(jù)圖3的推導結(jié)果，獲取L為150和600 mm時電場矢量分布圖，如圖4所示。圖中僅顯示電場強度大于3 000 V·m-1的區(qū)域。

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圖3 S11與L的曲線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時廢舊橡膠對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，廢舊橡膠裂解的能耗較低，更節(jié)能。

圖4 L為150和600 mm時電場矢量分布Fig.4 Distributions of electric field vector at L of 150 and 600 mm

2.2 波導管饋口同向分布

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

2.3 不同波導管饋口分布方式比較

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

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

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

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

3 結(jié)語

（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管饋口分布方式和排列間距。

（2）與波導管饋口同向分布相比，波導管饋口正交分布的廢舊橡膠對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L發(fā)生變化，裂微波解腔體內(nèi)電場強度發(fā)生改變，波源之間的相互干涉程度也隨之變化。對于波導管饋口正交分布和同向分布，當L為150 mm時，微波能有效利用率最高，但相較于波導管饋口同向分布，波導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。