基于耦合Maxwell-CFD建模的感应加热催化螺旋反应器塑料-橡胶废弃物热解多物理场优化

《Chemical Engineering Journal Advances》：Multiphysics Optimization of an Induction-Heated Catalytic Auger Reactor for Plastic-Rubber Waste Pyrolysis via Coupled Maxwell-CFD Modeling

　　

塑料和橡胶废弃物的热化学转化常受限于聚合物材料较差的热导率（0.1-0.2 W m?1 K?1），导致严重的内温度梯度、不完全转化和裂化反应。为解决这些局限性，本研究开发了一个完全耦合的三维Maxwell-多相计算流体动力学（CFD）模型，该模型整合了电磁感应加热、趋肤深度衰减和非牛顿多相流体动力学。该模型通过实验开发的配备分段电磁线圈和自动化Fe-生物炭催化剂进料系统的连续感应加热螺旋反应器进行了验证，用于塑料-橡胶废弃物共热解。研究人员进行了系统的参数研究，以评估螺距直径比（P/D）、旋转速率和感应频率对热均匀性、气液比（XGL）行为和产物收率的影响。结果表明，将P/D降至0.5通过增强的机械混合提高了热均匀性（γT = 0.94），但促进了蒸汽滞留并使XGL增至0.38。相反，将P/D增至1.5使热均匀性降至0.62，并因径向热再分布不足使XGL增至0.45。低于20 rpm的旋转速率产生强烈的热分层，而超过50 rpm的过高转速引入了额外的剪切诱导加热并缩短了停留时间。类似地，高感应频率（250-300 kHz）因电磁穿透深度浅而产生严重的壁面局部加热和热不均匀性，而低频率则降低了加热强度和转化效率。研究确定了最优操作窗口为P/D = 1.0、旋转速率35 rpm和感应频率175 kHz，在此条件下反应器实现了约0.88-0.90的热均匀性、0.16-0.20的最低XGL以及55-60 wt.%的最大生物油收率。

**论文解读：基于耦合Maxwell-CFD建模的感应加热催化螺旋反应器塑料-橡胶废弃物热解多物理场优化**

**1. 研究背景与问题**

塑料和橡胶废弃物的产生量呈指数级增长，已成为当今最紧迫的环境问题之一。全球塑料年产量已超过4亿吨，但因收集和回收基础设施不足，大量塑料最终进入垃圾填埋场或海洋环境。轮胎和橡胶废弃物因其硫化和交联结构而尤其难以处理，这类材料在自然条件下不易降解，形成大型堆积物并带来火灾隐患和病媒滋生风险。化学回收是解决这一问题的必要途径，因为废弃物之间的混合使机械回收在经济上低效。热解已被确定为将混合聚合物废弃物转化为有价值化学原料和燃料的最重要热化学转化技术之一。

热解是在无氧环境下于400°C至700°C相对较高温度下对聚合物链进行分解和热裂解的方法。传统热解方法采用电阻加热或燃气壁面加热，存在根本性的传热问题。由于废弃物材料是极差的热导体（0.1-0.2 W/m·K），反应器内部会产生陡峭的热梯度，导致加热缓慢、局部过热或中心不熔化并形成重质蜡状残留物。为缓解传热限制，微波热解和电磁感应加热作为过程强化工具受到广泛关注。与依赖反应器壁面热传导的传统表面加热不同，电磁加热通过电磁场与反应器内极性分子和导电感受体的相互作用实现体积能量输入。橡胶废弃物含有约30 wt.%的炭黑，是高效的微波吸收体，可作为“热海绵”。然而，在连续螺旋反应器中实现共热解面临多物理问题，包括塑料熔化后形成的高粘性非牛顿流体包覆炭黑和催化剂颗粒、电磁场的趋肤效应、催化剂硫中毒和快速结焦等复杂问题。现有CFD模型通常将床层简化为均匀多孔介质或忽略与机械输送相关的动态温度依赖性电磁场衰减。

**2. 研究目标与方法**

本研究旨在缓解热化学回收过程中聚合物废物流热导率较差所导致的二次挥发性裂化和内部热梯度问题。为此，研究人员将耦合3D Maxwell-多相计算流体动力学（CFD）模型与连续感应加热螺旋反应器物理样机的开发相结合。该反应器配备分段电磁线圈和自动化Fe-生物炭催化剂进料系统，系统分析了系统几何、动力学和电磁特性的关键参数：螺旋叶片螺距直径比（P/D）、螺旋旋转速度和感应加热谐波频率。研究致力于在螺旋通道内找到最佳流体动力学和热平衡，以优化混合塑料和橡胶废物流的生物燃料产率，同时避免裂化反应。

**3. 主要关键技术方法**

研究人员首先建立了一个完全耦合的三维Maxwell-多相CFD模型，该模型在COMSOL软件中实现，利用AC/DC模块的磁场接口求解频域Maxwell方程以获得电磁场分布，并将电磁能耗散转化为体积热源项（Q_em）。随后该热源被注入瞬态多相CFD求解器的能量守恒方程中，求解采用欧拉-颗粒多相模型（EGMM），将域划分为连续气相、非牛顿聚合物相和固体颗粒相。螺旋旋转通过滑移网格/任意网格界面（AMI）框架实现。同时采用温度依赖的Cross粘度模型描述非牛顿流变行为，焓-孔隙率方法处理固液相变。六集总动力学网络描述热解反应路径，Arrhenius方程计算反应速率。模型通过实验验证，实验装置包括连续感应加热螺旋反应器、自动化进料系统、多级冷凝系统以及14个温度传感器的监测阵列。原料组成为30 wt.% LDPE、30 wt.% HDPE、20 wt.% PP和20 wt.%废橡胶，进料速率固定为1.0 kg h?1，氮气吹扫流速5.0 L min?1。

**4. 研究结果**

**4.1 相分数分布与多相流体动力学**：在最优条件（P/D = 1.0，35 rpm，175 kHz）下，沿反应器纵向提取二维相分数分布图。在Zone 1，通道主要由堆积颗粒固相组成（α_solid = 0.85-0.95），局部液膜仅沿外筒边界形成。Zone 2经历焓-孔隙率相变，α_solid急剧下降，形成非牛顿熔体池（α_liquid = 0.65-0.80）并开始初级气体生成（α_gas = 0.15-0.30）。Zone 3中Fe-生物炭颗粒的异质热催化裂化使气相成为主要连续相（α_gas > 0.70），固相保持低浓度（α_solid = 0.02-0.05）。纵向监测证实0.5 wt.% Fe-生物炭颗粒在35 rpm螺旋旋转下均匀悬浮而无重力沉降。

**4.1.1 温度分布验证**：CFD预测温度与实验中沿50 cm轴向长度间隔5 cm布置的K型热电偶测量值对比显示，数值预测和物理测量均呈现明显的正弦振荡，成功捕捉了旋转螺旋叶片驱动的局部热变化。六个操作配置的决定系数（R2）紧密介于0.911至0.926之间，超过了0.90的严格目标阈值。定量评估显示总体平均绝对误差（MAE）为16.5°C，均方根误差（RMSE）为18.8°C，RMSE/MAE比值1.14表明误差呈均匀分布，无局部极端偏差。

**4.2 P/D比对热均匀性和产物收率的影响**：P/D = 1.5时混合不足，产生陡峭热梯度、较低热均匀性（0.62）和较高气液比（0.45）。P/D = 0.5时通过强烈壁面刮擦和涡流形成实现高效热再分布，热均匀性达0.94，但因剪切力导致气液比增至0.38。最优P/D = 1.0在混合和停留时间之间取得平衡，最小化气液比（0.18）并最大化生物油收率（55.0 wt.%），气相收率低（10.0 wt.%）。

**4.3 旋转速度对热均匀性和产物收率的影响**：低转速（10-20 RPM）下静态边界层耗散额外能量，导致热分层（γT ≈ 0.65）和较高XGL（≈ 0.42）。高转速（50-60 RPM）虽提供良好热均匀性（γT ≈ 0.92），但极端粘性耗散使床层温度升至最优催化水平以上，导致二次气化和XGL ≈ 0.35，且加速轴向输送阻止橡胶核心完全脱硫。中间转速35 RPM实现了机械对流传热与电磁场指数衰减之间的关键平衡，保持γT ≈ 0.85，最小化XGL ≈ 0.20。

**4.4 感应频率对热均匀性和产物收率的影响**：75 kHz低频率产生较大趋肤深度（11.6 mm），电磁能穿透深但体积发热密度大幅下降，系统难以快速达到所需480°C，形成冷核，热均匀性降至0.70。275 kHz高频率趋肤深度极小（6.0 mm），能量几乎全部沉积在壁面邻近边界层，形成超过650°C的严重过热，热均匀性降至0.60，XGL达最大值0.48。最优175 kHz（趋肤深度7.6 mm）提供了电磁穿透深度和加热能量密度之间的最优平衡，实现γT ≈ 0.90、XGL ≈ 0.16和最大生物油收率60%。

**4.5 最优配置**：综合分析表明最优操作条件为P/D = 1.0、旋转速率30-40 rpm（基线设计35 rpm）和感应频率约175 kHz，实现热均匀性指数0.88-0.90、气液比0.16-0.20和最大液体生物油收率55-60 wt.%。

**4.6 催化剂表征与稳定性**：XPS分析显示新鲜催化剂中金属铁（Fe?）相对峰面积占32.5%，经10次循环后降至8.4%，同时Fe3?比例从18.4%增至44.1%，归因于纳米颗粒烧结、难去除焦炭表面覆盖和部分不可逆氧化。BET分析显示比表面积从215.4 m2 g?1（新鲜）持续降至105.0 m2 g?1（Cycle 10），相当于51.2%的织构失活，总孔容从0.285 cm3 g?1降至0.145 cm3 g?1。SEM-EDX分析确认铁聚集（表面铁含量降至6 wt.%）、焦炭沉积（碳含量增至88 wt.%）和硫峰出现（0.9 wt.%）。FTIR光谱证实表面脱氧（O-H和C-O峰减弱）、生物炭芳构化（C=C峰增强）以及C-S/Fe-S键的形成。催化稳定性测试显示原料总体转化率从97%降至60%，生物油产率从60 wt.%降至50 wt.%。

**5. 结论与讨论**

本研究成功开发、测试并验证了一个完整的3D CFD耦合Maxwell-多相模型，用于优化处理80 wt.%塑料和20 wt.%橡胶混合废物流的连续感应加热螺旋反应器中的电磁加热和产物分布。该方法成功克服了聚合物基质较差热导率（0.1-0.2 W/m·K）相关的严重热梯度问题。研究表明，最终产物收率和热均匀性受机械边界层更新与电磁趋肤深度效应的复杂多物理相互作用的严格控制。最优操作条件为P/D = 1.0、螺旋速度35 rpm和感应频率175 kHz，在此条件下XGL最小化至0.18，合成气低至10.0%，高价值液体生物油最大化为55.0 wt.%。该研究通过将机械边界更新与电磁学直接关联，为从复杂复合废弃物中最大化高价值单体提取提供了可扩展的工程平台。催化剂稳定性测试表明Fe-生物炭催化剂在10次循环中经历显著失活，包括活性Fe?位点损失、比表面积下降、焦炭和硫积累，导致转化率从97%降至60%。GC-MS分析显示液体产物富含包括苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTX）在内的C5-C12汽油范围轻烃，以及异戊二烯、苯乙烯和D-柠檬烯等橡胶降解标志物，表明聚烯烃富氢链为橡胶不饱和自由基片段提供氢源，抑制了自由基重组和二次交联，抑制了固体炭生成。