基于仿真模擬的油泥微波熱解研究

摘""""" 要： 油泥的存在加劇了原油的污染和侵蝕，給原油的使用帶來了安全風險，所以必須對油泥進行有效地的治理。對于罐底油泥，可以采用多種不同的處理方法，其中我選用了微波熱解，并進行了以下工作：從油罐底部的油泥的各種危害性出發，對它的各種基本特征和凈化指數進行了詳細的總結和分析，并對目前國內外油罐底部的油泥體系的研究現狀和存在的問題進行了詳細的總結和研究；通過對油罐底油泥的微波熱解技術的總體設計需求和仿真計算，得到了一套適用于中國現代化煉油廠的儲罐油泥的微波熱解技術；在油泥的微波熱解中，一個重要的問題是波導的大小以及微波腔體的大小，要根據油泥物性參數以及其他影響因素，來確定一種適用于油泥的微波熱解模式；本文利用 COMSOL軟件建立了模型，并利用該模型對油泥的微波熱解過程進行了模擬?；诜抡嬗嬎氵x擇最佳的微波頻率和輸出功率。

關" 鍵" 詞：罐底油泥； 微波熱解； COMSOL仿真； 數值模擬

中圖分類號：TQ××E992"""" 文獻標識碼： A"""" 文章編號： 1004-0935（2024）03-0408-05

目前已有多種提高微波爐加熱效果的方法，可分為兩種：一種是主動式加熱，另一種是被動式加熱。提高熱量的辦法可以概括為：尋找一種高效的吸放能模式，將熱量均勻地吸收。有源供熱技術是將其他的將其它的方式和微波聯合起來使用的技術。Bae [1]在材料干燥過程中，使用了一種可控制的微波源，改善了材料干燥過程中的熱量均勻性。在此基礎上，進一步改進了受熱器中的電場，使受熱器中的冷斑得到了明顯的改善，使受熱器的熱效率增加了34%。Lee等人[2]提出了一種在微波和超聲共同作用下加熱的新模式，并對模式下熱轉移現象進行了分析，并與單個微波端口的熱轉移特性進行了比較，結果顯示，在水中，微波與超聲的熱均勻性要好于單個微波。但是，與超聲相比，在水環境下，微波對水體的吸收相對較弱，會導致水體發生局部過熱。這樣就不均勻了。結果表明，在超聲的作用下，流體的流動速度顯著提高，進而引起了換熱的加速；在此基礎上，提高了供熱效率。結果表明，隨著隨著受熱時間的增加，水溶液中的微波輻照均勻性逐漸降低，而經微波超聲輻照后，水溶液中的輻照均勻性逐漸降低。Choi 等人[3]報道了一個具有歐姆-微波耦合作用的多組分耦合系統的數值模擬，并對其進行了分析。Wang等人[3]利用傳導實現微波反射，在微波爐中提高了電場的均勻性。另外，由于加熱過程中加熱過程中的平均磁場增強，使得加熱過程中物料的熱解作用增強。主動式供熱技術能夠實現高效的微波供熱，但是其能耗比較高。

1" 仿真方案設計

1.1" 微波熱解的基本原理及特點

微波加熱是一種新型的熱能技術，當被加熱物質在其內部接受到微波輻射時，物質中的可動顆粒會發生快速地移動快速的移動，它們會發生碰撞和摩擦，從而在物質中形成較高的熱效。然而，在常規的高溫熱解法中，由于熱由表層傳至表層，表層的溫度比表層的溫度要高。而在微觀磁場下，則正好與之相對，即由材料本身所生成的熱，再由材料釋放到外界；表層的溫度比中間的低。微波加熱，也叫體積加熱，它能快速而均勻地加熱，大大提高加熱品質。從宏觀上看，在微波輻射下，在介電介質中產生了電偶，電偶發生了重排；并以一種一秒幾百萬次的頻率，伴隨著交流頻率的高頻電磁振蕩電磁震蕩。分子要在不停變化的高頻電磁場的方向上重新排列，而分子有一定的熱運動及分子之間的相互影響，因此就會產生摩擦。在這個微觀的過程中，微波能被轉換成了媒質的熱，它在宏觀上的體現就是媒質的升溫。

1.2" 方案設計內容

在此基礎上，對系統的工作原理進行了詳細的闡述，并對系統進行了詳細的分析。所以，在計算機仿真模擬的基礎上，構建了多微波頻率、不同端口輸入功率的數值模型，對電場、溫度及反應物濃度等因素進行了不同的比較，并對油泥的熱解均勻效果展開了全面的分析，通過比較，最終對最佳的熱解方案進行了全面的評估。

本文方案設計內容如下：

（1）通過對物理過程進行建模，其中找到最佳加熱方式，通過微波功率的優化來提高加熱效率，減少能量損失等。

（2）運用 COMSOL 設計出微波熱解的幾何模型。

（3）采用可變參數法，借助 COMSOL 軟件，實現了對各種微波功率和各種頻率的獨立仿真；對在各種構造條件下，每一個時期的油泥的最佳溫度等條件進行了分析，并在此基礎上，針對油泥在不同的溫度下所產生的差異，開發出一種與當前環境相適應的最高效的油泥微波熱解方案，并對油泥進行完全加熱的構造方法。

1.3" 油泥熱解機理

在高溫下，各種碳氫化合物的分解反應會同時進行，圖 1 是可能的中間產物產生的過程：

結果表明，在高溫裂解反應中，大分子的烷烴會被裂解為低分子的烷烴類和烯烴類化合物；以下將重點討論烷烴類與烯烴類的裂化反應機制：

（1）C-C 鍵斷裂后，長鏈烴裂生成小分子的分子地烯烴和烷烴，其反應式為：

R-CH2CH2-R→R-CH=CH2+RH。

（2）C--H 鍵斷裂后，生成氫氣和小分子烯烴，其反應式為：

R-CH2-CH2-CH3→R-CH2-CH=CH2+H2。

烷烴類、烯烴類的脫氫以及斷鏈反應的難度，主要取決于化學鏈中的碳原子與其鄰近的碳原子以及氫原子之間的鍵能。這兩個反應都屬于吸熱反應，所以會傾向于選擇在鍵能較低的地方進行。由于一般的條件下，C--H 鍵的鍵能要比 C--C 鍵的鍵能要大，所以更有可能使鄰近的 C 原子間的鍵斷裂。碳氫化合物的分子質量大，碳氫化合物的碳氫化合物、碳碳化合物的鍵能較小，其熱穩定性較差，且在較高溫度下易于斷裂。而環烷烴、環烯烴等因其苯環

分子的相對穩定性，在較高溫度下，通常會使其側鏈破裂；形成少量的烷或烯。在高溫下，環烷與環烯將產生環狀裂解，形成雙烯或雙烯，在 500 攝氏度以上時，將產生脫氫，使碳環向芳香化合物轉變，使碳環中含有大量的芳香化合物；通過脫氫和縮合形成芳香化合物，最后形成焦炭焦碳。芳族化合物是一種相對穩定的化合物，它的苯環在通常的高溫下是不會被破壞的，而在 600" ℃攝氏度以上，芳族化合物的側鏈會被破壞，或是會出現脫氫的現象。

碳氫化合物熱解的主要作用機制：在含油污泥中，油泥熱解的過程中，存在著大量的油漿和多種縮合作用。目前公認的反應機制是碳氫化合物的鏈反應，它包含了鏈起始、鏈增長和鏈終結。其基本機制是：在碳-碳鍵分離的過程中，在碳-碳鍵分離的過程中，在碳-碳鍵分離的過程中，以碳-碳雙鍵為主。碳-碳鍵解離后，碳-碳鍵解產生的鏈狀生長現象，即從一個自由基向下一個自由基不斷轉移。主要內容有：自由基奪氧，自由基分解，自由基加合，自由基轉移等。一旦這些游離基團和其他游離基團形成了一個穩定的大分子，那么，這些游離基團的連鎖反應就會停止。

在此過程中，由于反應繼續進行，在反應器內的溫度持續上升，有可能會在同一時間進行熱分解與縮合反應，此時所形成的小分子化合物較少；游離的游離基團，如果不能被載氣迅速清除，將在溫度較高的條件下，與其他與其它游離基團進行縮合，進而生成芳香烴和稠環烯烴，這樣既不能有效地提高原油的質量，又會產生大量的相似的焦炭，不能再進行該反應。要掌握好相關的溫度和合適的載氣速度，防止發生縮聚反應。

2" 模型設置

2.1" 模型參數設置

整體微波模型由一個波導和一個微波腔組成，如圖2所示。微波通過尺寸78.0 mm×18.0 m×50.0 mm的波導饋入，波導的長度設置為模擬頻率下波導波長的一半，這可以用實際實驗中使用的波導近似。

被加熱的物體是一個圓柱型油泥，被加熱油泥的尺寸為高50 mm，半徑12.5 mm，放置在腔體中央底部的玻璃板的中心，尺寸為高6.0 mm，半徑為13.5 mm。模型結構構建在多物理軟件COMSOL Multiphysics中。

2.2" 網格無關性驗證

網格單元的大小由物理場決定。模型采用自由四面體網格單元。為了提高模擬精度，減少模擬的RAM內存和運算時間，對玻璃薄片部分進行了精細細分，對其他部分其它部分進行了常規細分。本文中使用的微波頻率是2.45 GHz和0.915 GHz，波長分別對應的是122.4 mm和34.575 cm，那么經過計算后所劃分的網格最大尺寸不大于15.3 mm。在進行網格劃分時，采用了一種以無結構的四面體網格為主的劃分方式，其最大劃分尺寸不得大于16 mm，如

圖3。

由圖4可以看出，當微波輻射將裝置的柵格數量提升到了8 477之后，隨著柵格數量的增加，油泥的中心溫度逐漸趨于平穩，最終保持在了347 K的位置。通過對上述數據的分析，由于在常規化之前的粗化網格下，溫度剛剛趨于平穩，于是便選用更為穩定處的16 991個網格數量處，即常規網格劃分。

由圖4可以看出，當微波輻射將裝置的柵格數量提升到了8477之后，隨著柵格數量的增加，油泥的中心溫度逐漸趨于平穩，最終保持在了347 K的位置。通過對上述數據的分析，由于在常規化之前的粗化網格下，溫度剛剛趨于平穩，于是便選用更為穩定處的16991個網格數量處，即常規網格劃分。

2.3" 與實驗結合對比

文中在參考了許多文獻資料的基礎上，尋找了一種適用于油泥的試驗方法，得出油泥上表層的溫度值，并與模擬值作了比較?？梢钥吹剑撃Ｐ椭械臏囟葓觥岚叩奈恢?、形態以及溫度方向與數值計算的結果是一致的。然而，在試驗中發現的“熱斑”面積比數值計算值稍大，這與數值計算中對物理模式及工況進行了簡化有關。本項目將研究加熱后的油泥作為一種新型的加熱介質，研究其加熱后的熱力學行為，研究其在加熱條件下的加熱機理。如圖5所示，最大絕對誤差為6 s處，最大相對誤差為1.05％，沒有超過10％，即可繼續進行仿真。

3" 模擬結果與對比

3.1" 頻率的選擇

為了防止相互間的電磁干擾，家庭使用的微波應該是0.915或2.45千兆赫茲。如圖3.56所示，在油泥樣本中，在0.915 GHz下，電場強很小。就波導而言，在某些實施方式中，波導管可被構造成借助于根據其外形和大小而確定的變化的頻率而被削弱或阻塞電力[4]。計算結果表明，當諧振腔的截止頻率為0.915 GHz時，將不會有任何的電磁輻射入腔。與此相反，在油泥中央出現了2.45 GHz電場強度最大的區域。因為磁場的強弱確定了電磁能量的損耗，所以當磁場的強弱增大時，會使溫度升高得更快。如在圖6中所見，在我們的模擬中，將會證明2.45千兆赫茲是一個理想的微波頻率。

3.2" 功率的選用

另外，對油泥的升溫速度也有一定的影響。這一現象很有可能是導致儲層孔隙結構演變及儲層破裂的重要原因。在此基礎上，采用有限元方法，對不同能量輸入條件下的油泥進行了實驗研究。沉積物在1000，800，600處沉積；在400 W功率時，其峰值與均值也呈現出類似的升高態勢。高的輸出功率會使加熱速度加快，這一點和大量的試驗研究中得到的結論是相吻合的[5]。在1000，800瓦條件下，其升溫過程表現為“慢-快”。在180 s之前，沉積物的峰值低于500℃，且增溫速度不顯著；在180 s以后，隨著介質的介質系數和損失系數的增大，溫升速率加快。在600瓦及400瓦時，這兩種溫度均保持不變，但隨著微波輻射的持續，其升溫速率將有所增加。在此基礎上，進一步研究了在微波場作用下，油泥在微波場中的熱演變過程。在2.45千兆赫茲下，在不同的功率下，溫度的改變，見圖7。

3.2" 功率的選用

另外，對油泥的升溫速度也有一定的影響。這一現象很有可能是導致儲層孔隙結構演變及儲層破裂的重要原因。在此基礎上，采用有限元方法，對不同能量輸入條件下的油泥進行了實驗研究。沉積物在1 000，800，600處沉積；在400 W功率時，其峰值與均值也呈現出類似的升高態勢。高的輸出功率會使加熱速度加快，這一點和大量的試驗研究中得到的結論是相吻合的[5]。在1 000，800 W條件下，其升溫過程表現為“慢-快”。在180 s之前，沉積物的峰值低于500 ℃，且增溫速度不顯著；在180 s以后，隨著介質的介質系數和損失系數的增大，溫升速率加快。在600 W及400 W時，這兩種溫度均保持不變，但隨著微波輻射的持續，其升溫速率將有所增加。在此基礎上，進一步研究了在微波場作用下，油泥在微波場中的熱演變過程。在2.45千兆赫茲下，在不同的功率下，溫度的改變，見圖7。

在四個不同的端口輸入功率中，油泥的溫度跨度明顯，溫度隨著功率的升高而增大，因此較高的輸入功率有利于油泥的溫升，但在1 kW時溫升急劇，為排除因溫度過高而油泥發生二次裂解的情況，選用溫升較為平和穩定的0.8 kW更為穩妥。

3.3" 模擬分析

焦油油泥微波熱解的化學反應也是一個復雜的多步反應過程。總體來說，焦油油泥中的有機物質逐漸分解為低分子量化合物，并且部分有機物能重排成較穩定的芳香族化合物。在此基礎上，將熱量傳遞與質量傳遞相結合，實現了對微波輻射與化學反應過程的數值模擬。第一步是采用 COMSOL多物理系統中的化學反應工程模式來實現該過程中的熱解過程。以化學反應為基礎的沉積物裂解動力學數據：

C5H12O3+2H2O→C2H4O+CH4+CO2+3H2。

綜上分析，根據CH4的生成趨勢可以看出，

0.4 kW、0.6 kW時40 s內化學反應沒有進行完全，而在0.8 kW、1 kW時40 s處化學反應已經結束，模型內CH4的濃度已經穩定，但在1 kW時，化學反應過程時間較短，化學產物的運移不以擴散為主，便應選用0.8 kW的端口輸入功率，減小模型中化學產物的對流。

綜上分析，根據CH4的生成趨勢可以看出，0.4kW、0.6kW時40s內化學反應沒有進行完全，而在0.8kW、1kW時40s處化學反應已經結束，模型內CH4的濃度已經穩定，但在1kW時，化學反應過程時間較短，化學產物的運移不以擴散為主，便應選用0.8kW的端口輸入功率，減小模型中化學產物的對流。

4" 結 論

（1） 采用兩種民用的頻率、四種不同的端口輸入功率，電場的強弱直接影響油泥的分解的速率、油泥分解是否完全以及是否能分解生成所需的生成物，因此頻率的選擇是必要的，根據幾組的對比分析及模擬結果所示，可以確定在0.915 GHz和2.45 GHz這兩個常見的民用頻率中，2.45 GHz為仿真模擬中較為合適的頻率選擇。

（2） 在四個不同的端口輸入功率中，油泥的溫度跨度明顯，溫度隨著功率的升高而增大，因此較高的輸入功率有利于油泥的溫升，但在1 kW時溫升急劇，為排除因溫度過高而油泥發生二次裂解的情況，選用溫升較為平和穩定的0.8 kW更為穩妥。

參考文獻：

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［3］CHOI W， LEE S H， KIM C- T， et al. A finite element method based flow and heat transfer model of continuous flow microwave and ohmic combination heating for particulate foods[J]. Journal of Food Engineering， 2015， 149（21）： 159-170.

［4］SEIDA A. O. Seida， Propagation of electromagnetic waves in a rectangular tunnel， Appl[J]. Math. Comput.， 2003， 136（20）： 405-413.

［5］LIN B. Lin， ZHU C. Zhu， LI H. Li， Effect of microwave irradiation on petrophysical characterization of coals， Appl[J]. Therm. Eng.， 2016， 102（26）： 1109-1125.

Simulation design of oil mud microwave pyrolysis scheme

QIAN Zeng-fu1， YAN Yu-lin1， JIN Hui-xin2， HU， Zhi-yong2， ZHAO Lei2*

（1. Fushun Ning Group Co.， LTD.， Liaoning Fushun 113001，China；

2. Liaoning Petroleum Chemical University， Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract：" The presence of oil sludge exacerbates the pollution and erosion of new crude oil， bringing safety risks to the use of crude oil. Therefore， effective treatment of oil sludge is necessary. For the oil sludge at the bottom of the tank， various treatment methods can be used， among which we have chosen microwave pyrolysis and carried out the following work：Starting from the various hazards of the oil sludge at the bottom of the tank， a detailed summary and analysis were conducted on its basic characteristics and purification index. The current research status and existing problems of the oil sludge system at the bottom of the tank at home and abroad were also summarized and studied in detail;Through the overall design requirements and simulation calculations of microwave pyrolysis technology for tank bottom sludge， a set of microwave pyrolysis technology for tank sludge suitable for modern Chinese refineries has been obtained;In the microwave pyrolysis of sludge， an important problem is the size of the waveguide and the size of the microwave cavity. According to the physical parameters of sludge and other influencing factors， a microwave pyrolysis mode suitable for sludge should be determined;This article establishes a model using COMSOL software and simulates the microwave pyrolysis process of oil sludge using this model. Selecting the optimal microwave frequency and output power based on simulation calculation.

Key words：" Tank bottom sludge;" Microwave pyrolysis;" COMSOL software;" Numerical simulation