張燦罡 ,劉吉東 ,李勇
(1. 東營(yíng)科技職業(yè)學(xué)院,山東 東營(yíng) 257300 ;2. 青島科技大學(xué),山東 青島 266000)
我國(guó)汽車工業(yè)的高速發(fā)展,有力地推動(dòng)了橡膠行業(yè)的快速發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)不斷增加的輪胎及制品產(chǎn)量,勢(shì)必會(huì)造成廢舊橡膠大量堆積,如何實(shí)現(xiàn)廢舊橡膠資源化有效循環(huán)利用,一直是困擾研究人員的難題,同時(shí)也是熱門研究課題。裂解既可解決當(dāng)前廢舊橡膠大量堆積所帶來(lái)的一系列環(huán)境問(wèn)題,亦可緩解當(dāng)前日益減少的不可再生資源的緊張情勢(shì)。對(duì)比分析不同的廢舊橡膠裂解技術(shù)的優(yōu)劣發(fā)現(xiàn),微波裂解是廢舊橡膠高值化循環(huán)利用最佳途徑之一。根據(jù)電磁理論,通過(guò)研究廢舊橡膠的微波裂解機(jī)理,利用微波特性,提出了圓盤結(jié)構(gòu)的裂解設(shè)備方案,以微波發(fā)射裝置采用微波管圓周布置形式,設(shè)計(jì)了可以進(jìn)行連續(xù)裂解的圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備。如圖1 所示為圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備布置圖。
圖1 圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備布置圖
對(duì)于圓盤式廢舊橡膠連續(xù)化裂解設(shè)備的研究,如何確定合理的結(jié)構(gòu)形式,使得微波發(fā)射器發(fā)射的微波能被廢舊橡膠高效吸收利用是整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。微波能吸收利用率不僅影響到能量的能耗而且還會(huì)影響裂解產(chǎn)物質(zhì)量。本文通過(guò)隊(duì)圓盤式圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備裂解腔體進(jìn)行模擬仿真,分析膠粉平鋪厚度對(duì)裂解能耗的影響,發(fā)現(xiàn)最佳的鋪粉厚度。同時(shí)開(kāi)展設(shè)備實(shí)驗(yàn)研究,測(cè)試裂解設(shè)備的工作性能。通過(guò)改變運(yùn)行工藝參數(shù),驗(yàn)證裂解腔體內(nèi)場(chǎng)能的分布均勻性以及裂解產(chǎn)物質(zhì)量,對(duì)橡膠裂解研究具有一定參考價(jià)值。
HFSS 是基于電磁場(chǎng)有限元分析微波工程問(wèn)題的三維設(shè)計(jì)和電磁仿真軟件。本章基于HFSS 建立圓盤式裂解腔體的三維模型,利用HFSS 對(duì)圓盤式裂解腔體電磁場(chǎng)進(jìn)行分析。
建立微波裂解腔體的有限元模型,為減少軟件模擬仿真的工作量,將模型簡(jiǎn)化,如圖2 所示。利用HFSS 有限元電磁仿真軟件設(shè)定相關(guān)參數(shù)、邊界條件和電磁激勵(lì),在裂解腔體上方建立3 個(gè)微波磁控管饋口模型,在饋口處設(shè)置微波端口激勵(lì),裂解腔體的四周均設(shè)為理想邊界條件[1],求解頻率設(shè)置為2 450 MHz。
微波磁控管經(jīng)透波石英板與BJ-22 標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)連接。
(1)裂解腔體微波能量場(chǎng)分布
經(jīng)過(guò)HFSS 軟件仿真計(jì)算完成,裂解腔體內(nèi)部的能量場(chǎng)分布如圖3 所示,在裂解腔體內(nèi)部呈現(xiàn)若干橙色團(tuán)絮狀電場(chǎng)分布區(qū)域,分布區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度基本一致,在1 500~1 928.6 V·m-1范圍內(nèi),說(shuō)明微波能量完全覆蓋整個(gè)裂解腔體,且能量場(chǎng)分布均勻,場(chǎng)強(qiáng)密度穩(wěn)定,符合微波裂解電性特質(zhì),從而也說(shuō)明裂解腔體的結(jié)構(gòu)可以滿足裂解要求。
圖3 裂解腔體微波能量場(chǎng)分布圖
(2)裂解物料微波能量場(chǎng)分布
在裂解腔體內(nèi)部鋪設(shè)廢舊橡膠后的微波能量場(chǎng)分布,如圖4 所示,鋪設(shè)廢舊橡膠的直徑方向的橫截面分布有3 塊較大的橙紅色區(qū)域,說(shuō)明能量場(chǎng)分布較為均勻,電場(chǎng)強(qiáng)度在1 071.4~1 607.1 V.m-1范圍內(nèi)。
圖4 裂解物料微波能量場(chǎng)分布圖
旋轉(zhuǎn)不同的角度,重復(fù)進(jìn)行仿真,如圖5、圖6、圖7 所示。由于裂解腔體上部的微波磁控管近似均勻分布,所得到的云圖基本相同。因而滿足微波裂解廢舊橡膠的場(chǎng)強(qiáng)要求,也說(shuō)明圓盤式設(shè)備在裂解腔體內(nèi)的存在對(duì)廢舊橡膠微波能量場(chǎng)分布的影響很小,能夠使廢舊橡膠連續(xù)裂解處于能量吸收的最佳狀態(tài)。
圖5 旋轉(zhuǎn)不同的角度能量場(chǎng)分布圖
圖6 旋轉(zhuǎn)不同的角度能量場(chǎng)分布圖
圖7 旋轉(zhuǎn)不同的角度能量場(chǎng)分布圖
圖8 平鋪厚度為20 mm 時(shí)能量吸收?qǐng)D
進(jìn)行廢舊橡膠裂解實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),裂解腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)圓盤上廢舊橡膠平鋪的厚度對(duì)裂解能耗和裂解結(jié)果存在影響。
微波滲透深度d,當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)從介質(zhì)材料表面衰減至表面值的1/e時(shí)的距離波長(zhǎng)λ0為122 mm,σ為電導(dǎo)率,εr為相對(duì)介電常數(shù),μ為磁導(dǎo)率,損耗角正切經(jīng)計(jì)算可得:
廢舊橡膠裂解前微波滲透深度:
膠粉裂解中微波滲透深度:
其中tanδ=0.08,εr=2。
廢舊橡膠裂解后期微波滲透深度:
其中tanδ=0.25,εr=16~18。
經(jīng)過(guò)計(jì)算,隨著廢舊橡膠不斷的裂解,產(chǎn)生的炭黑量越來(lái)越多直至廢舊橡膠裂解完成。勢(shì)必造成微波滲透深度逐漸減少,由計(jì)算數(shù)據(jù)可得廢舊橡膠平鋪厚度大于50 mm 時(shí),裂解效果已經(jīng)較差。
同樣為了縮減仿真工作量,建立簡(jiǎn)化仿真模型,對(duì)平鋪不同厚度的廢舊橡膠進(jìn)行模擬,平鋪厚度分別為20 mm,40 mm,60 mm,仿真分析結(jié)果如圖7、8和9 所示。
通過(guò)對(duì)圖7、8 和圖9 的數(shù)據(jù)分析,當(dāng)廢舊橡膠平鋪在旋轉(zhuǎn)圓盤厚度為20 mm 時(shí),吸波能力最強(qiáng),最高可達(dá)2 093.6 V.m-1,廢舊橡膠平鋪厚度為40 mm 時(shí),吸波能力較強(qiáng),最高可達(dá)到1 991.4 V.m-1,能量分布非常均勻,裂解率高。當(dāng)廢舊橡膠平鋪厚度為60 mm時(shí),吸波能量相對(duì)較差,裂解率低。由此可見(jiàn),微波對(duì)廢舊橡膠的穿透能力存在一定范圍,綜合考慮廢舊橡膠的吸波能力、設(shè)備裂解效率,故選擇廢舊橡膠平鋪厚度為40 mm。
圖9 平鋪厚度為40 mm 時(shí)能量吸收?qǐng)D
圖10 平鋪厚度為60 mm 時(shí)能量吸收?qǐng)D
經(jīng)過(guò)方案確定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),進(jìn)行了圓盤式廢舊橡膠連續(xù)裂解設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工制造、安裝調(diào)試,具備了新型裂解設(shè)備的實(shí)驗(yàn)條件。通過(guò)實(shí)驗(yàn),測(cè)試裂解設(shè)備的工作性能。通過(guò)改變運(yùn)行工藝參數(shù),驗(yàn)證裂解腔體內(nèi)場(chǎng)能的分布均勻性以及裂解產(chǎn)物質(zhì)量,并為裂解設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和裂解技術(shù)更深入的研究提供依據(jù)。
本次裂解實(shí)驗(yàn)裂解原料是將廢舊橡膠通過(guò)多級(jí)粉碎,去除鋼絲等金屬骨架篩選得到的直徑約3 mm 的膠粉,共計(jì)500 kg。如圖11 所示。
圖11 膠粉圖
(1)檢查裂解設(shè)備接口處連接以及所用的各種儀表器件,確保連接密封性和所用儀表器件能夠正常工作。
(2)將500 kg 膠粉放入進(jìn)料裝置的料倉(cāng)中。
(3)接通電源,向裂解裝置的裂解腔體內(nèi)部充氮?dú)?,觀察氧分儀表的顯示,達(dá)到4% 時(shí),停止供氮。同時(shí)開(kāi)啟料倉(cāng)下部的攪拌電機(jī)、葉片旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)圓盤的驅(qū)動(dòng)電機(jī),此時(shí)旋轉(zhuǎn)圓盤上均勻鋪上一層廢舊橡膠,廢舊橡膠厚度40 mm,旋轉(zhuǎn)圓盤電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周后,料倉(cāng)下部的攪拌電機(jī)、葉片旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)圓盤的驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)停止。
(4)然后,打開(kāi)微波發(fā)射裝置,對(duì)裂解裝置內(nèi)部的廢舊橡膠進(jìn)行加熱升溫,當(dāng)腔體內(nèi)溫度達(dá)到500 ℃時(shí),記錄時(shí)間,同時(shí)開(kāi)啟料倉(cāng)下部的攪拌電機(jī)、葉片旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)圓盤的驅(qū)動(dòng)電機(jī),并且開(kāi)啟螺旋排料機(jī)電機(jī),裂解進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。
(5)每隔5 min,記錄一次裂解溫度。裂解用的廢舊橡膠通過(guò)料倉(cāng)連續(xù)導(dǎo)入,裂解產(chǎn)生的固體產(chǎn)物炭黑經(jīng)過(guò)有軸螺旋排料機(jī)連續(xù)導(dǎo)出,儲(chǔ)存于炭黑儲(chǔ)存桶中,裂解產(chǎn)生的可燃?xì)饨?jīng)過(guò)出氣管進(jìn)入油氣回收裝置。旋轉(zhuǎn)圓盤持續(xù)運(yùn)行60 min。
(6)在微波發(fā)射裝置連續(xù)開(kāi)啟90 min,(旋轉(zhuǎn)圓盤上鋪上廢舊橡膠后旋轉(zhuǎn)圓盤停止旋轉(zhuǎn)30 min+ 旋轉(zhuǎn)圓盤正常運(yùn)行60 min)后關(guān)閉,此時(shí)旋轉(zhuǎn)圓盤繼續(xù)運(yùn)行35 min,即螺旋排料機(jī)繼續(xù)排料導(dǎo)出炭黑35 min后停止,關(guān)閉電源。
為更好地記錄裂解溫度變化,在排料螺旋腔體外壁、波導(dǎo)、裂解腔體壁、裂解腔體四個(gè)位置設(shè)置溫度表,編號(hào)分別為1#、2#、3#和4#,作為裂解實(shí)驗(yàn)四個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn),圖12 為四個(gè)溫度表安裝位置示意圖。
圖12 四個(gè)溫度表安裝位置示意圖
在廢舊橡膠裂解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,排料螺旋腔體外壁(1#)、波導(dǎo)(2#)、裂解腔體壁(3#)、裂解腔體(4#)四個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度變化,如表1 所示,變化曲線如圖13 所示。
表1 四個(gè)不同測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度變化記錄
圖13 四個(gè)溫度表溫度變化曲線圖
裂解實(shí)驗(yàn)共裂解廢舊橡膠161 kg,裂解用時(shí)90 min,設(shè)備的裂解能力107.3 kg,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
裂解能耗73.5 kWh,單耗0.68 kWh/kg,說(shuō)明裂解能耗明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熱裂解。裂解過(guò)程環(huán)保無(wú)污染,無(wú)泄露現(xiàn)象,說(shuō)明裂解設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
廢舊橡膠微波裂解下的三態(tài)產(chǎn)物包括裂解氣、裂解油和固體炭黑。裂解氣作為其中一種氣體產(chǎn)物,經(jīng)過(guò)油氣分離,脫硫處理等工藝,裂解氣可以作為商品燃?xì)馐褂?,如? 為氣體各成分比例。
表2 氣體成分分析
裂解油經(jīng)過(guò)蒸餾、分餾、冷凝等后處理后,可將裂解油分為汽油(C5~C11)、柴油(C12~C20) 和重油(>C20),所占比例1:2:1。若經(jīng)過(guò)提純處理能得到烯烴、甲苯類等有機(jī)溶劑和分散劑,裂解油能得到更多的具有更高附加使用價(jià)值的產(chǎn)品,如圖14 所示為裂解油實(shí)物圖。
圖14 裂解油實(shí)物圖
廢舊橡膠裂解產(chǎn)生大約45% 的固體炭黑[2],這些固體炭黑經(jīng)收集活化研磨處理,可以作為橡膠制品中的添加劑。微波裂解廢舊橡膠產(chǎn)生的固體炭黑相比較于傳統(tǒng)熱裂解產(chǎn)生的固體炭黑,品質(zhì)更好。主要因?yàn)槲⒉呀鈴U舊橡膠和傳統(tǒng)熱裂解的加熱過(guò)程不同,微波裂解可以實(shí)現(xiàn)廢舊橡膠內(nèi)外同時(shí)加熱,受熱溫度均勻,而傳統(tǒng)熱裂解需要熱傳導(dǎo)的加熱方式,溫度從廢舊橡膠表面開(kāi)始升溫裂解,勢(shì)必會(huì)造成裂解過(guò)程中焦化現(xiàn)象的產(chǎn)生。由此也可以說(shuō)明微波裂解要比傳統(tǒng)熱裂解更具有優(yōu)勢(shì),如圖15 所示為廢舊橡膠產(chǎn)物固體炭黑。
圖15 廢舊橡膠產(chǎn)物固體炭黑
為計(jì)算圓盤式裂解設(shè)備的裂解率,取殘固物進(jìn)行再次充分裂解實(shí)驗(yàn),通過(guò)計(jì)算殘固物的失重量來(lái)反映裂解率。取4 組殘固物作為充分裂解實(shí)驗(yàn)的樣品,分別標(biāo)記為1 號(hào)樣品、2 號(hào)樣品、3 號(hào)樣品、4 號(hào)樣品,每組裂解實(shí)驗(yàn)樣品稱取殘固物為100 g,將四組殘固物裝入燒杯中,放于實(shí)驗(yàn)爐中加熱達(dá)到充分裂解,裂解20 min 后,在天平上稱量,記錄其重量變化數(shù)據(jù),如表3 所示。
表3 殘固物失重分析
通過(guò)對(duì)4 組殘固物的裂解實(shí)驗(yàn),經(jīng)計(jì)算,圓盤式裂解設(shè)備的裂解率都達(dá)到96% 之上,由此可以說(shuō)明,該圓盤式裂解設(shè)備裂解效果良好,符合設(shè)計(jì)要求。
文章分析了有限元HFSS 分析軟件的特點(diǎn),介紹了有限元法的基本原理,利用有限元HFSS 分析軟件電磁仿真對(duì)圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備進(jìn)行了場(chǎng)能仿真,分析了膠粉平鋪厚度對(duì)裂解能耗的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)廢舊橡膠平鋪厚度具有最佳值,當(dāng)超過(guò)微波穿透范圍時(shí),廢舊橡膠的裂解性能變差。
對(duì)圓盤式廢舊橡膠裂解設(shè)備進(jìn)行了連續(xù)化廢舊橡膠裂解實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄了圓盤式廢舊橡膠裂解腔體的溫度變化、能耗、裂解能力等數(shù)據(jù)。通過(guò)繪制溫度變化曲線,可以看出廢舊橡膠在裂解過(guò)程中的溫度變化基本上是穩(wěn)定的。對(duì)廢舊橡膠裂解產(chǎn)物包括裂解氣、裂解油和固體炭黑的裂解產(chǎn)物成分進(jìn)行了測(cè)試分析。得出圓盤式裂解設(shè)備的能耗低、裂解過(guò)程環(huán)保無(wú)污染,裂解率可以達(dá)到96% 以上。由此驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的裂解設(shè)備達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。