微波裂解腔体波导管馈口分布对废旧橡胶裂解的影响

苏 昕，李志华，胡立皓，赵宪冰

（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）

随着橡胶工业的快速发展，废旧橡胶产出量与日俱增[1-3]，对废旧橡胶高值化循环利用的研究也逐渐深入[4-8]。废旧橡胶裂解的传统方式为热裂解，而与其相比，微波裂解具有节能、环保、高效、可控等优势[9-10]，A.V.YATSUN等[11-12]利用微波裂解废旧橡胶得到令人满意的结果。微波裂解废旧橡胶的处理工艺为：在无氧或充满惰性气体的微波裂解腔中，波导管馈口将微波能辐射到废旧橡胶内部，处于电场中的废旧橡胶分子极化并高速相对运动，在极短的时间内废旧橡胶迅速升温至裂解温度，从而使废旧橡胶的高分子碳链发生断链，得到相对分子质量较小的裂解气、裂解油以及炭黑等可回收再利用的裂解产物[13-14]。

橡胶制品形状和尺寸各异，原材料和配方不同，有的甚至采用纤维和钢丝等骨架材料，传统的热裂解技术一般预先对橡胶制品进行粉碎切块处理，并且提前将金属骨架去除，这使得其热裂解流程复杂，能耗大，效率低。研究[15]表明，采用微波裂解技术，未去除钢丝的整条废轮胎反而更易快速裂解，废轮胎的微波裂解相比于热裂解可以节省人力物力、提高裂解效率、简化裂解工艺和降低裂解能耗。

微波裂解腔体是通过波导管馈口传递微波能的[16]。为提高废旧橡胶的裂解效率和降低裂解能耗，必须合理布置微波裂解腔体上的波源及与之相连的波导管。本工作利用电磁仿真软件HFSS，对微波裂解腔体进行建模，研究裂解腔体上波导管馈口的分布方式和间距对废旧橡胶裂解的影响，进而得到最佳的设计参数。

1 仿真模型建立

本工作以废旧橡胶微波裂解腔体为仿真对象，在裂解腔体上方设置4个波源和波导管，腔体内置1条废轮胎，简化的仿真模型如图1所示。

图1 废旧橡胶微波裂解腔体的仿真模型示意Fig.1 Simulation model of microwave pyrolysis cavity for waste rubber

仿真微波裂解腔体的长度、宽度和高度分别为700，700和350 mm；废轮胎呈环状，外直径、内直径和高度分别为600，400和200 mm；波源和相应波导管4个，位于裂解腔体上方，每个波源功率为1 kW，微波频率为2.45 GHz；波导管型号为BJ-26，截面呈矩形，长度和宽度分别为86.36和43.18 mm；裂解腔体以及波导管内的介质设定为空气（仿真软件中在“波导管内部以及腔体填补材料特性”选项中只有“空气”可以选择，不影响仿真结果），设置边界条件与理想电场条件相同。

矩形截面的波导管与波源直接相连，波导管馈口有正交分布和同向分布两种分布方式，如图2所示。其中，L为相邻波导管馈口中心间距。

图2 裂解腔体上方波导管馈口分布方式示意Fig.2 Distribution of waveguide feed ports above pyrolysis cavity

2 仿真过程与结果分析

对仿真模型裂解腔体上多个波源的波导管馈口的分布方式和间距进行电场分布和微波能损耗分析，通过比较S参数，研究微波能利用率与波导管馈口分布的关系。

S参数指S11和S21参数，计算公式为：

式中，P为微波入射功率，P1为馈电端口1到馈电端口2的微波传输功率，P2为微波反射功率。

由式（1）和（2）可以看出，S11指微波能反射损耗，S11的大小表示微波能反射损耗的高低，S11越小，说明微波能输出后反射回的微波能越小，微波能损耗越低，微波能有效利用率越高。S21指微波能输送效率，S21的大小表示微波能传输效率的高低，S21越大，说明微波能输出效率越高，微波能有效利用率越高。本模型所建裂解腔体密闭，且无输出端馈口，4个输入端波导管馈口为中心对称分布，故只比较S11即可得到微波能利用率与L的关系。

2.1 波导管馈口正交分布

设置裂解腔体仿真模型中4个波导管馈口为正交分布，基于波源和波导管的尺寸限制，L在100～600 mm之间变化，计算步长为50 mm。

S11与L的曲线如图3所示。

从图3可以看出：L为150 mm时S11最小，其值为－21.8，微波能有效利用率最高；L为600 mm时S11最大，其值为－8.7，微波能有效利用率最低。

为进一步精确判断，根据图3的推导结果，获取L为150和600 mm时电场矢量分布图，如图4所示。图中仅显示电场强度大于3 000 V·m-1的区域。

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图3 S11与L的曲线Fig.3 Curve of S11 and L

从图4可以发现，相比L为600 mm，L为150 mm时废旧橡胶对微波的吸收率明显较高，微波能反射损耗较低，微波能有效利用率较高，因此L为150 mm时，废旧橡胶裂解的能耗较低，更节能。

图4 L为150和600 mm时电场矢量分布Fig.4 Distributions of electric field vector at L of 150 and 600 mm

2.2 波导管馈口同向分布

设置仿真模型中4个波导管馈口为同向分布，L在100～600 mm之间变化，计算步长为50 mm，得到的S11与L的曲线与图3基本一致，但S11普遍较大，具体结果为：L为150 mm时S11最小，其值为－19.6，微波能有效利用率最高；L为600 mm时S11最大，其值为－7.9，微波能有效利用率最低。

2.3 不同波导管馈口分布方式比较

对于不同波导管馈口分布，以S11为微波能有效利用率参数进行对比得出，波导管馈口同向分布的微波能利用率的曲线（S11与L的曲线）与波导管馈口正交分布类似，但是其微波能反射损耗明显比波导管馈口正交分布高10%左右。

L为200 mm时，不同波导管馈口分布方式的电场矢量分布如图5所示，图中只显示电场强度大于3 000 V·m-1的区域。

图5 不同波导管馈口分布方式的电场矢量分布Fig.5 Distributions of electric field vector of different waveguide feed port distribution forms

对比图5（a）与（b）发现，波导管馈口正交分布的电场分布密度较大，强度分布较均匀。改变L大小，可得到与图5类似的电场矢量分布图，表明当输出功率控制不变，采用不同波导管馈口分布方式，微波裂解废旧橡胶的裂解速度、时间及能耗相差较大，废旧橡胶能吸收的微波能也有较大差别。对于废旧橡胶的微波裂解，波导管馈口正交分布的微波能有效利用率较波导管馈口同向分布高约10%，说明波导管馈口采用正交分布比采用同向分布更优。

3 结语

（1）在废旧橡胶微波裂解腔体中，微波裂解能耗和微波能有效利用率的高低取决于与波源相连的波导管馈口分布方式和排列间距。

（2）与波导管馈口同向分布相比，波导管馈口正交分布的废旧橡胶对微波能的有效利用率高10%左右，微波吸收能力更好，微波能反射损耗更低。

（3）当L发生变化，裂微波解腔体内电场强度发生改变，波源之间的相互干涉程度也随之变化。对于波导管馈口正交分布和同向分布，当L为150 mm时，微波能有效利用率最高，但相较于波导管馈口同向分布，波导管馈口正交分布的废旧橡胶裂解效率更高，微波能反射损耗更低。