城市固體廢棄物微波輔助熱解過程的界面極化效應(yīng)

中圖分類號：X799.3 文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)程加速使得固體廢棄物治理成為重大環(huán)境挑戰(zhàn).我國作為人口大國和工業(yè)大國，2025年城市生活垃圾總碳排放量預(yù)計(jì)可達(dá) 5.56×10⁷t/a^[1] .傳統(tǒng)填埋、焚燒等處理導(dǎo)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(zhàn)略體系，在2024年出臺《關(guān)于加快構(gòu)建廢棄物循環(huán)利用體系的意見》（國辦發(fā)［2024]7號），明確以源頭減量、資源再利用和低碳處理為技術(shù)路線，推動廢棄物的精細(xì)管理和高效回收[5].其中微波輔助熱解技術(shù)作為廢棄物資源化利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，因其加熱速率快、選擇性高、能耗低、適用范圍廣等優(yōu)勢而受到眾多學(xué)者的關(guān)注[6-8].

微波輔助熱解技術(shù)中，介電響應(yīng)機(jī)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(guān)鍵的響應(yīng)機(jī)制，其基本原理是在不同介電特性的物質(zhì)接觸熱解過程中，界面處會形成電子和離子的堆積，導(dǎo)致顯著的溫度梯度和電場畸變，使得局部溫度實(shí)現(xiàn)快速躍升，從而顯著加速熱解反應(yīng)進(jìn)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(rèn)為界面極化效應(yīng)在提高加熱效率和優(yōu)化產(chǎn)物分布上具有重要作用[11].

GrundasS等[12]認(rèn)為，在碳基材料中，微波加熱主要依賴于界面極化效應(yīng)，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(zhì)結(jié)構(gòu)材料的微波吸收性能展開研究，結(jié)果表明界面極化效應(yīng)顯著增強(qiáng)了低頻段的吸收效率，結(jié)果進(jìn)一步表明，界面極化效應(yīng)在微波輔助熱解相互作用中具有關(guān)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用適當(dāng)?shù)奈⒉ㄎ詹牧希ㄈ缡┠苁股镉彤a(chǎn)量最高達(dá)到 53‰ ，能量回收率接近 95% ，而生物油的脫氧率高達(dá) 85% ，主要成分包括呋喃類、酚類、環(huán)氧化合物以及單環(huán)和多環(huán)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(jié)構(gòu)極大增強(qiáng)了界面極化效應(yīng)；研究結(jié)果顯示，木質(zhì)素衍生炭的石墨化度可達(dá)到 89.53% ，電子導(dǎo)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(jī)制和界面極化效應(yīng)提供了較為系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但仍然缺乏對物料顆粒層面微觀界面極化效應(yīng)的系統(tǒng)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(jī)理、優(yōu)化工藝參數(shù)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(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在顆粒尺度上可視化界面極化效應(yīng)，為微波輔助熱解過程的精細(xì)化調(diào)控提供了理論與技術(shù)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(jìn)行模擬，探究不同接觸條件下的溫度與電場變化，并驗(yàn)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(yīng)，并展開相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dǎo)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(jī)制解析提供理論依據(jù).

1模型建立與參數(shù)設(shè)置

1. 1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

本研究基于實(shí)際測量的多元固體廢棄物顆粒微波輔助熱解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用COMSOL有限元分析軟件構(gòu)建了對應(yīng)的三維幾何模型（如圖1（a）所示）.該模型采用矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其銅質(zhì)波導(dǎo)端口位于反應(yīng)腔體后部，同材質(zhì)的爐腔內(nèi)偏右位置放置了兼具微波透射性和導(dǎo)熱特性的石英管反應(yīng)容器.

為準(zhǔn)確模擬腔體內(nèi)電磁場分布及顆粒溫度場特性，研究采用物理場控制的網(wǎng)格劃分策略，選擇自由四面體網(wǎng)格類型進(jìn)行離散化處理.如圖1（b）所示，最終生成的網(wǎng)格系統(tǒng)包含823982個域單元、2959個邊界單元及322個頂點(diǎn)單元.經(jīng)質(zhì)量評估，超過 80% 的網(wǎng)格單元質(zhì)量系數(shù)優(yōu)于0.75，完全滿足數(shù)值模擬對網(wǎng)格精度的要求，為后續(xù)仿真結(jié)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(wǎng)格質(zhì)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(guī)律的核心方程組.計(jì)算公式如式（1）所示：

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

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

式（2）中： ρ 是介質(zhì)的密度， kg/m³;Cp 為介質(zhì)熱容， J/（kg?K）;t 是時間， s;k 為介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)， 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(dǎo)的壁被定義為阻抗邊界條件并在頻域中求解，計(jì)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(shè)置

微波輔助熱解過程涉及多個物理場相互耦合，其數(shù)值較為復(fù)雜，為便于計(jì)算和分析，對模型作出以下假設(shè)：

（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(fā)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(shù)表及固體廢棄物參數(shù)表如表1和表2所示.

表1物性參數(shù)表

表2固體廢棄物參數(shù)表

為確保模型既貼合實(shí)驗(yàn)實(shí)際又兼顧計(jì)算可行性，本研究中邊界條件與材料參數(shù)的選擇主要依據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置：微波輸入功率 800W 頻率 2.45GHz 來源于所用實(shí)驗(yàn)裝置的額定參數(shù)，并與微波輔助熱解常用條件保持一致；反應(yīng)腔外包覆多層高效保溫材料，環(huán)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(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容、密度等物性參數(shù)均取自COMSOL材料庫，以保證模擬過程中的參數(shù)準(zhǔn)確性.

1.4 實(shí)驗(yàn)部分

1.4.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)中使用的生物質(zhì)顆粒為楊木，呈規(guī)則球形，半徑約為 0.5mm. 為增強(qiáng)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(zhì).同時，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)過程中，將生物質(zhì)顆粒、HDPE顆粒和微波吸收介質(zhì)均勻混合后裝入微波反應(yīng)器.為監(jiān)測反應(yīng)溫度，在進(jìn)氣口（左側(cè)）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(jié)構(gòu)防止微波泄漏.實(shí)驗(yàn)前，先以 585mL/min 的流速通入氮?dú)?30min ，確保反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)產(chǎn)生的可凝氣體通過快速冷凝系統(tǒng)（控溫 -25±1^°C） 轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)物.在實(shí)驗(yàn)過程中，為提高數(shù)據(jù)的可靠性與再現(xiàn)性，對溫度記錄、產(chǎn)氣量及液態(tài)產(chǎn)物的生成情況均進(jìn)行至少三次平行實(shí)驗(yàn)，并對每個實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)取平均值，作為該組參數(shù)的代表值.

液體產(chǎn)物的成分及分布采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS，Agilent7890B-5977）進(jìn)行分析.取1_μL 液體產(chǎn)物，在氦氣流速為 1.0mL/min 、分流比為 50：1 的條件下，溫度設(shè)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(zhì)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(jié)果與討論

2.1微波輔助熱解下顆粒間的界面極化效應(yīng)分析

為探究界面極化效應(yīng)及其對熱阻調(diào)控的作用機(jī)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(shí)驗(yàn)，并輔以數(shù)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(zhì)顆粒的物理狀態(tài)及溫度場分布特征.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，處于接觸狀態(tài)的顆粒在微波場作用下顯現(xiàn)出明顯的界面極化效應(yīng)，其接觸界面溫度顯著高于顆粒其他區(qū)域；而非接觸組未觀察到相應(yīng)的極化現(xiàn)象，溫度分布較為均勻.當(dāng)體系溫度升至 300° 時，接觸組顆粒界面已出現(xiàn)明顯的碳化現(xiàn)象.進(jìn)一步的定量分析顯示，由界面極化效應(yīng)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(guī)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(yīng)既克服了傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)方法中存在的熱阻限制[16]，又通過局部高溫實(shí)現(xiàn)對主熱解反應(yīng)的加速，同時抑制了常規(guī)熱解中常見的二次熱解副反應(yīng)[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(guī)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(guī)律

圖4微波輔助熱解示意圖

2.2界面極化效應(yīng)對微波反應(yīng)系統(tǒng)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(yīng)通過多重機(jī)制強(qiáng)化了顆粒體系的能量吸收與溫度響應(yīng)特性.當(dāng)異質(zhì)介質(zhì)顆粒相互接觸時，接觸界面處形成的介電梯度空間會引發(fā)顯著的電荷累積效應(yīng)，這種界面極化現(xiàn)象不僅導(dǎo)致局部電場強(qiáng)度增強(qiáng)，更重要的是通過介電損耗機(jī)制形成了更為集中的焦耳熱源.具體而言，界面極化效應(yīng)通過材料界面處電荷的不對稱分布形成局部強(qiáng)電場，這一強(qiáng)電場可顯著增強(qiáng)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(qū)域被高效轉(zhuǎn)化為熱能，從而在界面附近形成密集的熱斑并實(shí)現(xiàn)快速局部升溫.這種能量集中效應(yīng)既直接提升了系統(tǒng)的初始加熱速率，又通過熱傳導(dǎo)將界面區(qū)域積累的熱量擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了整體溫升的協(xié)同強(qiáng)化，

T接觸gt;T非接觸T接觸點(diǎn)gt;T非接觸點(diǎn)800.。

這種界面極化效應(yīng)的影響在圖5中得到驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)顯示，在顆粒形成物理接觸的體系中，測得升溫速率達(dá)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(jié)果證明了界面極化效應(yīng)對微波反應(yīng)系統(tǒng)升溫的積極影響.在優(yōu)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(zhì)展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢.

圖5反應(yīng)系統(tǒng)升溫曲線圖

如圖6所示，得益于其優(yōu)異的介電損耗特性，生物炭在 800W 微波功率條件下可達(dá)到 的升溫速率，這一性能顯著優(yōu)于陶瓷基材料和金屬氧化物等傳統(tǒng)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(zhì)的共熱解體系中，添加生物炭使系統(tǒng)升溫速率提升至 .這種協(xié)同效應(yīng)不僅優(yōu)化了熱解動力學(xué)過程，更證實(shí)了界面極化效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速升溫的關(guān)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(qiáng)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(jìn)行的多場耦合模擬結(jié)果表明，顆粒間存在顯著的界面極化效應(yīng).接觸表面觀測到明顯的電場增強(qiáng)現(xiàn)象，體系平均電場強(qiáng)度達(dá)到 7.56×10⁴V/m ，而生物質(zhì)與生物炭顆粒接觸界面的最大電場強(qiáng)度可升至 4.0×10⁴V/m. 隨著電場強(qiáng)度的積累，顆粒溫度呈現(xiàn)梯度上升趨勢，接觸界面溫度高達(dá) 880‰ ，顯著高于顆粒其他區(qū)域 700° 的溫度水平.

相較之下，圖8中非接觸體系模擬結(jié)果顯示，非接觸顆粒的電場強(qiáng)度較弱.溫度場分布呈現(xiàn)非均勻特征，生物質(zhì)和塑料顆粒間的溫差達(dá) 135^°C .而接觸組由于界面極化效應(yīng)的強(qiáng)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(qiáng)了界面極化效應(yīng).繼而導(dǎo)致接觸界面溫度顯著升高和內(nèi)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(yīng)對微波輔助熱解液體產(chǎn)物的促進(jìn)作用

如圖9所示，顆粒間界面極化效應(yīng)對微波輔助熱解過程的優(yōu)化機(jī)制具有雙重作用.相較于非接觸組體系，接觸組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示液體產(chǎn)物收率提升23.1% （由 46.8% 增至 57.6% ），目標(biāo)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(xué)鍵的斷裂和重組反應(yīng)，從而優(yōu)化反應(yīng)路徑和產(chǎn)物分布.進(jìn)而，表明界面極化效應(yīng)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(yīng)的發(fā)生.

圖9接觸組與非接觸組微波輔助熱解液體產(chǎn)物組分分布特性

3結(jié)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(yīng)展開系統(tǒng)分析，通過有限元模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證揭示了其對熱解效率和產(chǎn)物分布的影響機(jī)制.結(jié)果表明，界面極化效應(yīng)在異質(zhì)顆粒接觸界面處引發(fā)電荷累積，導(dǎo)致局部電場強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，從而大幅度提高了接觸界面溫度（ 880‰ ，遠(yuǎn)高于非接觸區(qū)域的 700° ）.這種局部高溫效應(yīng)不僅提升了系統(tǒng)升溫速率，還降低了熱阻，優(yōu)化了熱解動力學(xué)過程.生物質(zhì)、生物炭和高密度聚乙烯（HDPE）顆粒的熱解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接觸組液體產(chǎn)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(yīng)對微波輔助熱解的關(guān)鍵促進(jìn)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(zé)任編輯：陳 佳】