城市固體廢棄物微波輔助熱解過程的界面極化效應

中圖分類號：X799.3 文獻標志碼：A

Abstract： This study investigates the mechanism of interfacial polarization during microwave-assisted pyrolysis of urban solid waste and elucidates its effects on pyrolysis eficiency and product distribution.A three-dimensional geometric model was developed by integrating finite element simulation with experimental validation，enabling the simulation of multi-field coupling among electromagnetic， thermal，and fluid fields under microwave conditions.The results demonstrate that interfacial polarization induces charge accumulation at the interfaces between heterogeneous particles，which enhances the local electric field to a maximum of 4.0×10⁴V/m. Consequently，the temperature at these contact interfaces reaches 880‰ ，considerably surpassing the 700° observed in non-contact regions. This localized high-temperature effect increases the system's heating rate by 34.1% （to 126.7^°C/ min） and improves the liquid product yield from 46.8% to 57.6% ，while also enhancing the relative content of target phenolic compounds from 45.2% to 55.6% . These findings provide a robust theoretical foundation and technical support for optimizing resource utilization technologies in urban solid waste management.

Key words：microwave-assisted pyrolysis; interfacial polarization effect； solid waste; numerical simulation

0 引言

全球人口增長與城市化進程加速使得固體廢棄物治理成為重大環境挑戰.我國作為人口大國和工業大國，2025年城市生活垃圾總碳排放量預計可達 5.56×10⁷t/a^[1] .傳統填埋、焚燒等處理導致的土地侵占、溫室氣體排放和二次污染問題日益凸顯[2-4].

在此背景下，我國將固廢治理納入國家戰略體系，在2024年出臺《關于加快構建廢棄物循環利用體系的意見》（國辦發［2024]7號），明確以源頭減量、資源再利用和低碳處理為技術路線，推動廢棄物的精細管理和高效回收[5].其中微波輔助熱解技術作為廢棄物資源化利用的關鍵技術之一，因其加熱速率快、選擇性高、能耗低、適用范圍廣等優勢而受到眾多學者的關注[6-8].

微波輔助熱解技術中，介電響應機制涵蓋了界面極化、偶極極化和離子極化，其中界面極化作為最常見且關鍵的響應機制，其基本原理是在不同介電特性的物質接觸熱解過程中，界面處會形成電子和離子的堆積，導致顯著的溫度梯度和電場畸變，使得局部溫度實現快速躍升，從而顯著加速熱解反應進程[9.10].

近年來，針對固體廢棄物的微波輔助熱解研究不斷增多，研究者主要聚焦于提高微波吸收效率和改善熱量吸收不均的問題，普遍認為界面極化效應在提高加熱效率和優化產物分布上具有重要作用[11].

GrundasS等[12]認為，在碳基材料中，微波加熱主要依賴于界面極化效應，尤其是在不同的介電材料或具有移動帶電粒子的材料中更為明顯；而Chen等[13]對多層異質結構材料的微波吸收性能展開研究，結果表明界面極化效應顯著增強了低頻段的吸收效率，結果進一步表明，界面極化效應在微波輔助熱解相互作用中具有關鍵作用.

此外，Suriapparao等[14]通過對包含纖維素、石蠟油、廚余垃圾和園藝廢物混合物的微波輔助共熱解實驗發現，采用適當的微波吸收材料（如石墨）能使生物油產量最高達到 53‰ ，能量回收率接近 95% ，而生物油的脫氧率高達 85% ，主要成分包括呋喃類、酚類、環氧化合物以及單環和多環芳香烴.Ke等[15]在研究中觀察到，在 450° 至 700° 條件下，由生物炭生成的材料中，其多孔結構極大增強了界面極化效應；研究結果顯示，木質素衍生炭的石墨化度可達到 89.53% ，電子導電率為104.6Scm^-1 ，而纖維素衍生炭則分別為 76.74% 和 48.8Scm^-1 ·

盡管上述研究為微波熱解的整體加熱機制和界面極化效應提供了較為系統的理論與實驗驗證，但仍然缺乏對物料顆粒層面微觀界面極化效應的系統分析.因此，深入探討不同材料接觸界面處的電場與溫度場耦合特性，對于揭示微波熱解加熱機理、優化工藝參數并提高能源與資源利用效率具有重要意義.本研究通過有限元多場耦合模擬結合實驗驗證，在顆粒尺度上可視化界面極化效應，為微波輔助熱解過程的精細化調控提供了理論與技術支撐.

基于此，本文利用有限元方法對微波輔助（以下類同）熱解過程中的多場耦合進行模擬，探究不同接觸條件下的溫度與電場變化，并驗證微波輔助熱解過程中不同材料之間存在的界面極化效應，并展開相應的實驗驗證，從而為微波輔助熱解過程的可視化研究提供有效手段.本文研究有助于闡明微波誘導熱解的特性及其多場耦合特性，為多物理場下微波輔助熱解機制解析提供理論依據.

1模型建立與參數設置

1. 1 幾何模型及網格劃分

本研究基于實際測量的多元固體廢棄物顆粒微波輔助熱解實驗系統，利用COMSOL有限元分析軟件構建了對應的三維幾何模型（如圖1（a）所示）.該模型采用矩形波導結構，其銅質波導端口位于反應腔體后部，同材質的爐腔內偏右位置放置了兼具微波透射性和導熱特性的石英管反應容器.

為準確模擬腔體內電磁場分布及顆粒溫度場特性，研究采用物理場控制的網格劃分策略，選擇自由四面體網格類型進行離散化處理.如圖1（b）所示，最終生成的網格系統包含823982個域單元、2959個邊界單元及322個頂點單元.經質量評估，超過 80% 的網格單元質量系數優于0.75，完全滿足數值模擬對網格精度的要求，為后續仿真結果的可靠性提供了保障.

（a）微波輔助熱解幾何裝置模型

圖1幾何模型及網格質量

1.2 控制方程

在固體廢棄物的微波輔助熱解研究中，麥克斯韋方程組是描述電磁場基本規律的核心方程組.計算公式如式（1）所示：

式（1）中： 是向量場各點的旋度， μ 為介質磁導率， H/m;E 為電場強度， V/m;H 為磁場強度； B 為磁感應強度； ω 為電磁波角頻率； ε₀ 為真空介電常數，8.85×10^-12F/m;ε_r 為相對介電系數； k₀ 為自由空間電磁波波數； j 為電流密度， A/m² ： σ 為電導率， S/m.

在微波輔助熱解模擬中，為計算流體傳熱過程、分析熱解反應與傳熱的耦合，使用了傅里葉平衡方程進行表述，如式（2）所示：

式（2）中： ρ 是介質的密度， kg/m³;Cp 為介質熱容， J/（kg?K）;t 是時間， s;k 為介質的導熱系數， W/（m²?K）;U 是速度矢量， m/s;T 是溫度，K;Q 為提供給試樣的總熱量，J.

對于電磁場，波腔和波導的壁被定義為阻抗邊界條件并在頻域中求解，計算方程如式（3）所示：

式（3）中： n 為折射率，單位為1.

1.3邊界及材料設置

微波輔助熱解過程涉及多個物理場相互耦合，其數值較為復雜，為便于計算和分析，對模型作出以下假設：

（1）微波輸入功率800W和頻率 2.45GHz 保持恒定.（2）保溫層材料作為理想材料，不存在與外界熱交換發生熱量損耗.（3）在熱解前后，顆粒的粒徑保持不變本文采用的物性參數表及固體廢棄物參數表如表1和表2所示.

表1物性參數表

表2固體廢棄物參數表

為確保模型既貼合實驗實際又兼顧計算可行性，本研究中邊界條件與材料參數的選擇主要依據實際實驗裝置：微波輸入功率 800W 頻率 2.45GHz 來源于所用實驗裝置的額定參數，并與微波輔助熱解常用條件保持一致；反應腔外包覆多層高效保溫材料，環境熱損失小于總熱量的 5% ，故可近似為絕熱邊界以簡化模型并提高收斂速度；所有材料的介電常數、導熱系數、熱容、密度等物性參數均取自COMSOL材料庫，以保證模擬過程中的參數準確性.

1.4 實驗部分

1.4.1 實驗原料

實驗中使用的生物質顆粒為楊木，呈規則球形，半徑約為 0.5mm. 為增強微波吸收效果，研究選用生物炭顆粒（半徑約 0.5mm， 作為微波吸收介質.同時，實驗還采用了粒徑相同（半徑約 0.5mm， 的高密度聚乙烯（HDPE）塑料顆粒作為研究對象.

1. 4.2 實驗過程

實驗過程中，將生物質顆粒、HDPE顆粒和微波吸收介質均勻混合后裝入微波反應器.為監測反應溫度，在進氣口（左側）方向插入熱電偶，使其尖端直接接觸混合物中心位置，并采用密封結構防止微波泄漏.實驗前，先以 585mL/min 的流速通入氮氣 30min ，確保反應器內空氣完全排出.隨后開啟 $8 0 0 ～ ＼mathrm { ＼textW }$ （頻率 2.45GHz 的微波加熱，待物料溫度升至 600° 后維持該溫度 15min .反應產生的可凝氣體通過快速冷凝系統（控溫 -25±1^°C） 轉化為液態產物.在實驗過程中，為提高數據的可靠性與再現性，對溫度記錄、產氣量及液態產物的生成情況均進行至少三次平行實驗，并對每個實驗所得數據取平均值，作為該組參數的代表值.

液體產物的成分及分布采用氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS，Agilent7890B-5977）進行分析.取1_μL 液體產物，在氦氣流速為 1.0mL/min 、分流比為 50：1 的條件下，溫度設定為 50°C 保持5min ，然后以 5^°C/min 的速率升至 280° ，并在280°C 保持 7min .質譜接口溫度為 280° ，離子源溫度為 230°C ，電子轟擊（EI）源的電子能量為70°V ，掃描范圍為 18～500μ

2 結果與討論

2.1微波輔助熱解下顆粒間的界面極化效應分析

為探究界面極化效應及其對熱阻調控的作用機制，本研究開展了在不同溫度條件下特定顆粒的微波輔助熱解實驗，并輔以數值模擬分析.圖2和圖3分別展示了在 250°C 和 350° 條件下接觸組與非接觸組生物質顆粒的物理狀態及溫度場分布特征.實驗結果表明，處于接觸狀態的顆粒在微波場作用下顯現出明顯的界面極化效應，其接觸界面溫度顯著高于顆粒其他區域；而非接觸組未觀察到相應的極化現象，溫度分布較為均勻.當體系溫度升至 300° 時，接觸組顆粒界面已出現明顯的碳化現象.進一步的定量分析顯示，由界面極化效應引起的局部溫度提升，可使接觸面溫度分別由 250°C 和 350° 上升至 和 408^°C ，從而有效降低了常規加熱方式下的體系熱阻，并提高了整體熱效率.綜上所述，在微波輔助熱解過程中，界面極化效應既克服了傳統熱傳導方法中存在的熱阻限制[16]，又通過局部高溫實現對主熱解反應的加速，同時抑制了常規熱解中常見的二次熱解副反應[17]

圖2 250°C 微波輔助熱解下顆粒接觸與否的溫度場變化規律

圖3 350°C 微波輔助熱解下顆粒接觸與否的溫度場變化規律

圖4微波輔助熱解示意圖

2.2界面極化效應對微波反應系統升溫的影響

如圖4所示，微波輔助熱解過程中顆粒的界面極化效應通過多重機制強化了顆粒體系的能量吸收與溫度響應特性.當異質介質顆粒相互接觸時，接觸界面處形成的介電梯度空間會引發顯著的電荷累積效應，這種界面極化現象不僅導致局部電場強度增強，更重要的是通過介電損耗機制形成了更為集中的焦耳熱源.具體而言，界面極化效應通過材料界面處電荷的不對稱分布形成局部強電場，這一強電場可顯著增強微波電磁場與材料間的相互作用，促使更多微波能量在界面區域被高效轉化為熱能，從而在界面附近形成密集的熱斑并實現快速局部升溫.這種能量集中效應既直接提升了系統的初始加熱速率，又通過熱傳導將界面區域積累的熱量擴散，實現了整體溫升的協同強化，

T接觸gt;T非接觸T接觸點gt;T非接觸點800.。

這種界面極化效應的影響在圖5中得到驗證.實驗顯示，在顆粒形成物理接觸的體系中，測得升溫速率達到 $1 2 6 . 7 ＼mathrm { ～ ＼textC ～ / m i n }$ ，較非接觸體系（升溫速率為 94.5C/min） 提升了 34.1% .這一結果證明了界面極化效應對微波反應系統升溫的積極影響.在優化微波輔助熱解體系能量效率方面，生物炭作為高效微波吸收介質展現出獨特的優勢.

圖5反應系統升溫曲線圖

如圖6所示，得益于其優異的介電損耗特性，生物炭在 800W 微波功率條件下可達到 的升溫速率，這一性能顯著優于陶瓷基材料和金屬氧化物等傳統微波敏感材料.更重要的是，生物炭的引人能夠有效改善混合物料體系的整體加熱效率：在微波透射型材料HDPE和低損耗生物質的共熱解體系中，添加生物炭使系統升溫速率提升至 .這種協同效應不僅優化了熱解動力學過程，更證實了界面極化效應是實現系統快速升溫的關鍵所在.

圖6微波輔助熱解中各材料升溫曲線圖

2.3顆粒組成對電場強度分布及溫升特性的影響

如圖7所示，在800W微波功率、200s加熱時間及 0.5mm 顆粒半徑條件下進行的多場耦合模擬結果表明，顆粒間存在顯著的界面極化效應.接觸表面觀測到明顯的電場增強現象，體系平均電場強度達到 7.56×10⁴V/m ，而生物質與生物炭顆粒接觸界面的最大電場強度可升至 4.0×10⁴V/m. 隨著電場強度的積累，顆粒溫度呈現梯度上升趨勢，接觸界面溫度高達 880‰ ，顯著高于顆粒其他區域 700° 的溫度水平.

相較之下，圖8中非接觸體系模擬結果顯示，非接觸顆粒的電場強度較弱.溫度場分布呈現非均勻特征，生物質和塑料顆粒間的溫差達 135^°C .而接觸組由于界面極化效應的強化作用，溫差僅為28.5°C .接觸界面的增加使界面溫度提升 25.7% ，主要原因在于接觸面的增加加強了界面極化效應.繼而導致接觸界面溫度顯著升高和內部熱傳遞加快，從而顯著提高了顆粒的整體溫度.

圖7微波輔助熱解中接觸組顆粒的溫度場與電場分布

圖8微波輔助熱解中非接觸組顆粒的溫度場與電場分布

2.4界面極化效應對微波輔助熱解液體產物的促進作用

如圖9所示，顆粒間界面極化效應對微波輔助熱解過程的優化機制具有雙重作用.相較于非接觸組體系，接觸組實驗數據顯示液體產物收率提升23.1% （由 46.8% 增至 57.6% ），目標酚類化合物相對含量同步增加 22.9% （由 45.2% 提升至55.6% ），這表明局部電場集中造成的溫度快速上升有助于加速化學鍵的斷裂和重組反應，從而優化反應路徑和產物分布.進而，表明界面極化效應不僅提高了熱解過程的整體能效，同時還有效抑制了副反應的發生.

圖9接觸組與非接觸組微波輔助熱解液體產物組分分布特性

3結論

本文圍繞城市固體廢棄物微波輔助熱解過程中的界面極化效應展開系統分析，通過有限元模擬和實驗驗證揭示了其對熱解效率和產物分布的影響機制.結果表明，界面極化效應在異質顆粒接觸界面處引發電荷累積，導致局部電場強度顯著增強，從而大幅度提高了接觸界面溫度（ 880‰ ，遠高于非接觸區域的 700° ）.這種局部高溫效應不僅提升了系統升溫速率，還降低了熱阻，優化了熱解動力學過程.生物質、生物炭和高密度聚乙烯（HDPE）顆粒的熱解實驗發現，接觸組液體產物收率及酚類化合物含量均顯著提高.本研究闡明了界面極化效應對微波輔助熱解的關鍵促進作用，為城市固體廢棄物的減量化、資源化和高值化利用提供了新的思路和途徑.

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【責任編輯：陳 佳】