基于仿真模拟的油泥微波热解研究

第53卷第3期 辽 宁 化 工 Vol.53，No. 3 2024年3月 Liaoning Chemical Industry March，2024
基金项目：辽宁省博士启动基金（项目编号：2023-BS-187）。

收稿日期：2023-07-14
作者简介：钱增福（1968-），男，高级工程师，辽宁省抚顺市人，1991年毕业于黑龙江矿业学院机械制造工艺与设备专业。

研究方向：机电
基于仿真模拟的油泥微波热解研究
钱增福1，闫玉麟1，金慧欣2，胡志勇2，赵磊2*
（1. 抚顺矿业集团有限责任公司，辽宁 抚顺 113001； 2. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001）
摘 要： 油泥的存在加剧了原油的污染和侵蚀，给原油的使用带来了安全风险，所以必须对油泥进行有效治理。

对于罐底油泥，可以采用多种不同的处理方法，选用了微波热解，并进行了以下工作：从油罐底部的油泥的各种危害性出发，对它的各种基本特征和净化指数进行了详细的总结和分析，并对目前国内外油罐底部的油泥体系的研究现状和存在的问题进行了详细的总结和研究；通过对油罐底油泥的微波热解技术的总体设计需求和仿真计算，得到了一套适用于中国现代化炼油厂的储罐油泥的微波热解技术；在油泥的微波热解中，一个重要的问题是波导的大小以及微波腔体的大小，要根据油泥物性参数以及其他影响因素，来确定一种适用于油泥的微波热解模式；本文利用 COMSOL 软件建立了模型，并利用该模型对油泥的微波热解过程进行了模拟。

基于仿真计算选择最佳的微波频率和输出功率。

关 键 词：罐底油泥； 微波热解； COMSOL 仿真； 数值模拟
中图分类号：TE992 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2024）03-0408-05
目前已有多种提高微波炉加热效果的方法，可分为两种：一种是主动式加热，另一种是被动式加热。

提高热量的办法可以概括为：寻找一种高效的吸放能模式，将热量均匀地吸收。

有源供热技术是将其他的方式和微波联合起来使用的技术。

Bae [1]在材料干燥过程中，使用了一种可控制的微波源，改善了材料干燥过程中的热量均匀性。

在此基础上，进一步改进了受热器中的电场，使受热器中的冷斑得到了明显的改善，使受热器的热效率增加了34%。

Lee 等[2]提出了一种在微波和超声共同作用下加热的新模式，并对模式下热转移现象进行了分析，并与单个微波端口的热转移特性进行了比较，结果显示，在水中，微波与超声的热均匀性要好于单个微波。

但是，与超声相比，在水环境下，微波对水体的吸收相对较弱，会导致水体发生局部过热。

这样就不均匀了。

结果表明，在超声的作用下，流体的流动速度显著提高，进而引起了换热的加速；在此基础上，提高了供热效率。

结果表明，随着受热时间的增加，水溶液中的微波辐照均匀性逐渐降低，而经微波超声辐照后，水溶液中的辐照均匀性逐渐降低。

Choi 等[3]报道了一个具有欧姆-微波耦合作用的多组分耦合系统的数值模拟，并对其进行了分析。

Wang 等[3]利用传导实现微波反射，在微波炉中提高了电场的均匀性。

另外，由于加热过程中的平
均磁场增强，使得加热过程中物料的热解作用增强。

主动式供热技术能够实现高效的微波供热，但是其能耗比较高。

1 仿真方案设计
1.1 微波热解的基本原理及特点
微波加热是一种新型的热能技术，当被加热物质在其内部接受到微波辐射时，物质中的可动颗粒会发生快速地移动，它们会发生碰撞和摩擦，从而在物质中形成较高的热效。

然而，在常规的高温热解法中，由于热由表层传至表层，表层的温度比表层的温度要高。

而在微观磁场下，则正好与之相对，即由材料本身所生成的热，再由材料释放到外界；表层的温度比中间的低。

微波加热，也叫体积加热，它能快速而均匀地加热，大大提高加热品质。

从宏观上看，在微波辐射下，在介电介质中产生了电偶，电偶发生了重排；并以一种一秒几百万次的频率，伴随着交流频率的高频电磁振荡。

分子要在不停变化的高频电磁场的方向上重新排列，而分子有一定的热运动及分子之间的相互影响，因此就会产生摩擦。

在这个微观的过程中，微波能被转换成了媒质的热，它在宏观上的体现就是媒质的升温。

1.2 方案设计内容
在此基础上，对系统的工作原理进行了详细的
第53卷第3期 赵磊，等：基于仿真模拟的油泥微波热解研究 409
阐述，并对系统进行了详细的分析。

所以，在计算机仿真模拟的基础上，构建了多微波频率、不同端口输入功率的数值模型，对电场、温度及反应物浓度等因素进行了不同的比较，并对油泥的热解均匀效果展开了全面的分析，通过比较，最终对最佳的热解方案进行了全面的评估。

本文方案设计内容如下：
1）通过对物理过程进行建模，其中找到最佳加热方式，通过微波功率的优化来提高加热效率，减少能量损失等。

2）运用COMSOL 设计出微波热解的几何模型。

3）采用可变参数法，借助COMSOL 软件，实现了对各种微波功率和各种频率的独立仿真；对在各种构造条件下，每一个时期的油泥的最佳温度等条件进行了分析，并在此基础上，针对油泥在不同的温度下所产生的差异，开发出一种与当前环境相适应的最高效的油泥微波热解方案，并对油泥进行完全加热的构造方法。

1.3 油泥热解机理
在高温下，各种碳氢化合物的分解反应会同时进行，图1 是可能的中间产物产生的过程：
图1 各烃类转化过程
结果表明，在高温裂解反应中，大分子的烷烃会被裂解为低分子的烷烃类和烯烃类化合物；以下将重点讨论烷烃类与烯烃类的裂化反应机制：1）C-C 键断裂后，长链烃裂生成小分子的烯烃和烷烃，其反应式为：
R-CH2CH2-R→R-CH=CH2+RH。

2）C-H 键断裂后，生成氢气和小分子烯烃，其反应式为：
R-CH2-CH2-CH3→R-CH2-CH=CH2+H2。

烷烃类、烯烃类的脱氢以及断链反应的难度，主要取决于化学链中的碳原子与其邻近的碳原子以及氢原子之间的键能。

这两个反应都属于吸热反应，所以会倾向于选择在键能较低的地方进行。

由于一般的条件下，C-H 键的键能要比C-C 键的键能要大，所以更有可能使邻近的C 原子间的键断裂。

碳氢化合物的分子质量大，碳氢化合物的碳氢化合物、碳碳化合物的键能较小，其热稳定性较差，且在较高温度下易于断裂。

而环烷烃、环烯烃等因其苯环分子的相对稳定性，在较高温度下，通常会使其侧链破裂；形成少量的烷或烯。

在高温下，环烷与环烯将产生环状裂解，形成双烯或双烯，在500 摄氏度以上时，将产生脱氢，使碳环向芳香化合物转变，使碳环中含有大量的芳香化合物；通过脱氢和缩合形成芳香化合物，最后形成焦炭。

芳族化合物是一种相对稳定的化合物，它的苯环在通常的高温下是不会被破坏的，而在600 ℃以上，芳族化合物的侧链会被破坏，或是会出现脱氢的现象。

碳氢化合物热解的主要作用机制：在含油污泥中，油泥热解的过程中，存在着大量的油浆和多种缩合作用。

目前公认的反应机制是碳氢化合物的链反应，它包含了链起始、链增长和链终结。

其基本机制是：在碳-碳键分离的过程中，在碳-碳键分离的过程中，在碳-碳键分离的过程中，以碳-碳双键为主。

碳-碳键解离后，碳-碳键解产生的链状生长现象，即从一个自由基向下一个自由基不断转移。

主要内容有：自由基夺氧，自由基分解，自由基加合，自由基转移等。

一旦这些游离基团和其他游离基团形成了一个稳定的大分子，那么，这些游离基团的连锁反应就会停止。

在此过程中，由于反应继续进行，在反应器内的温度持续上升，有可能会在同一时间进行热分解与缩合反应，此时所形成的小分子化合物较少；游离的游离基团，如果不能被载气迅速清除，将在温度较高的条件下，与其他游离基团进行缩合，进而生成芳香烃和稠环烯烃，这样既不能有效地提高原油的质量，又会产生大量的相似的焦炭，不能再进行该反应。

要掌握好相关的温度和合适的载气速度，防止发生缩聚反应。

2 模型设置
2.1 模型参数设置
整体微波模型由一个波导和一个微波腔组成，如图2所示。

微波通过尺寸78.0 mm×18.0 m×50.0 mm的波导馈入，波导的长度设置为模拟频率下波导波长的一半，这可以用实际实验中使
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用的波导近似。

被加热的物体是一个圆柱型油泥，被加热油泥的尺寸为高50 mm，半径12.5 mm，放置在腔体中央底部的玻璃板的中心，尺寸为高6.0 mm，半径为13.5 mm。

模型结构构建在多物理软件COMSOL Multiphysics中。

图2 三维微波仿真模型的几何图形
2.2 网格无关性验证
网格单元的大小由物理场决定。

模型采用自由四面体网格单元。

为了提高模拟精度，减少模拟的RAM内存和运算时间，对玻璃薄片部分进行了精细细分，对其他部分进行了常规细分。

本文中使用的微波频率是2.45 GHz和0.915 GHz，波长分别对应的是122.4 mm和34.575 cm，那么经过计算后所划分的网格最大尺寸不大于15.3 mm。

在进行网格划分时，采用了一种以无结构的四面体网格为主的划分方式，其最大划分尺寸不得大于16 mm，如图3。

图3 模型网格划分
由图4可以看出，当微波辐射将装置的栅格数量提升到了8 477之后，随着栅格数量的增加，油泥的中心温度逐渐趋于平稳，最终保持在了347 K 的位置。

通过对上述数据的分析，由于在常规化之前的粗化网格下，温度刚刚趋于平稳，于是便选用更为稳定处的16 991个网格数量处，即常规网格划分。

图4 油泥微波热解网格无关性验证
2.3 与实验结合对比
文中在参考了许多文献资料的基础上，寻找了一种适用于油泥的试验方法，得出油泥上表层的温度值，并与模拟值作了比较。

可以看到，该模型中的温度场、热斑的位置、形态以及温度方向与数值计算的结果是一致的。

然而，在试验中发现的“热斑”面积比数值计算值稍大，这与数值计算中对物理模式及工况进行了简化有关。

本项目将研究加热后的油泥作为一种新型的加热介质，研究其加热后的热力学行为，研究其在加热条件下的加热机理。

如图5所示，最大绝对误差为6 s处，最大相对误差为1.05％，没有超过10％，即可继续进行仿真。

图5 25 min中上表面中心点温度的模拟和实验研究
3 模拟结果与对比
3.1 频率的选择
为了防止相互间的电磁干扰，家庭使用的微波
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应该是0.915或2.45千兆赫兹。

如图6所示，在油泥样本中，在0.915 GHz下，电场强很小。

就波导而言，在某些实施方式中，波导管可被构造成借助于根据其外形和大小而确定的变化的频率而被削弱或阻塞电力[4]。

计算结果表明，当谐振腔的截止频率为0.915 GHz时，将不会有任何的电磁辐射入腔。

与此相反，在油泥中央出现了2.45 GHz电场强度最大的区域。

因为磁场的强弱确定了电磁能量的损耗，所以当磁场的强弱增大时，会使温度升高得更快。

如在图6中所见，在我们的模拟中，将会证明2.45千兆赫兹是一个理想的微波频率。

图6 不同频率、不同功率下电场的分布
3.2 功率的选用
另外，对油泥的升温速度也有一定的影响。

这一现象很有可能是导致储层孔隙结构演变及储层破裂的重要原因。

在此基础上，采用有限元方法，对不同能量输入条件下的油泥进行了实验研究。

沉积物在1 000，800，600处沉积；在400 W功率时，其峰值与均值也呈现出类似的升高态势。

高的输出功率会使加热速度加快，这一点和大量的试验研究中得到的结论是相吻合的[5]。

在1 000，800 W条件下，其升温过程表现为“慢-快”。

在180 s之前，沉积物的峰值低于500 ℃，且增温速度不显著；在180 s以后，随着介质的介质系数和损失系数的增大，温升速率加快。

在600 W及400 W时，这两种温度均保持不变，但随着微波辐射的持续，其升温速率将有所增加。

在此基础上，进一步研究了在微波场作用下，油泥在微波场中的热演变过程。

在2.45千兆赫兹下，在不同的功率下，温度的改变，见图7。

图7 2.45 GHz时不同功率下油泥的温度分布
在四个不同的端口输入功率中，油泥的温度跨度明显，温度随着功率的升高而增大，因此较高的输入功率有利于油泥的温升，但在1 kW时温升急剧，为排除因温度过高而油泥发生二次裂解的情况，选用温升较为平和稳定的0.8 kW更为稳妥。

3.3 模拟分析
焦油油泥微波热解的化学反应也是一个复杂的多步反应过程。

总体来说，焦油油泥中的有机物质逐渐分解为低分子量化合物，并且部分有机物能重排成较稳定的芳香族化合物。

在此基础上，将热量传递与质量传递相结合，实现了对微波辐射与化学反应过程的数值模拟。

第一步是采用COMSOL多物理系统中的化学反应工程模式来实现该过程中的
热解过程。

以化学反应为基础的沉积物裂解动力学数据：
C5H12O3+2H2O→C2H4O+CH4+CO2+3H2。

综上分析，根据CH4的生成趋势可以看出，0.4 kW、0.6 kW时40 s内化学反应没有进行完全，而在0.8 kW、1 kW时40 s处化学反应已经结束，模型内CH4的浓度已经稳定，但在1 kW时，化学反应过程时间较短，化学产物的运移不以扩散为主，便应选用0.8 kW的端口输入功率，减小模型中化学产物的对流。

图8 2.45 GHz时不同功率下CH4的浓度随温度变化的曲线
4 结论
1) 采用两种民用的频率、四种不同的端口输入
功率，电场的强弱直接影响油泥的分解的速率、油
泥分解是否完全以及是否能分解生成所需的生成
物，因此频率的选择是必要的，根据几组的对比分
析及模拟结果所示，可以确定在0.915 GHz和2.45
GHz这两个常见的民用频率中，2.45 GHz为仿真模
拟中较为合适的频率选择。

2) 在四个不同的端口输入功率中，油泥的温度
跨度明显，温度随着功率的升高而增大，因此较高
的输入功率有利于油泥的温升，但在1 kW时温升
急剧，为排除因温度过高而油泥发生二次裂解的情
况，选用温升较为平和稳定的0.8 kW更为稳妥。

参考文献：
［1］ BAE S H，JEONG M G，KIM J H，et al. Acontinuous
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［4］SEIDA A O. Propagation of electromagnetic waves in a rectangular
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characterization of coals, Appl[J]. Therm. Eng., 2016, 102(26):
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（下转第480页）
Study on Treatment and Resource Utilization of High
Salt Water in Methanol-to-Olefin Project
YANG Xingru
（Inner Mongolia China Coal Ordos Energy and Chemical Co., Ltd., Ordos Inner Mongolia 017320, China） Abstract: The high salt water desalination crystallization unit of a methanol-to-olefin plant was studied. The plant crystallizes and purifies all the high salt water generated in the production process through the pretreatment unit, sodium chloride crystallization unit, sodium sulfate crystallization unit and miscellaneous salt evaporation crystallization unit. The crystallization products of sodium chloride and sodium sulfate meet the industrial dry salt level 1 standard, and the output water reaches the recycling standard, effectively treating high salt water, realizing the recycling and reuse of high salt water, achieving the purpose of reducing costs and increasing efficiency, meeting the national environmental protection requirements, and having guiding significance for the construction, reconstruction and expansion of high salt water treatment in coal chemical plants, especially for methanol-to-olefin projects.
Key words: Methanol to olefin; High salt water; Salt crystallization; Environment protection
（上接第412页）
Study on Microwave Pyrolysis of Oil Sludge Based on Simulation
QIAN Zengfu1, YAN Yulin1, JIN Huixin2, HU Zhiyong2, ZHAO Lei2*
（1. Fushun Mining Group Co., Ltd., Fushun Liaoning 113001, China;
2. Liaoning Petrochemical University, Fushun Liaoning 113001,China）
Abstract: The presence of oil sludge exacerbates the pollution and erosion of new crude oil, bringing safety risks to the use of crude oil. Therefore, effective treatment of oil sludge is necessary. For the oil sludge at the bottom of the tank, various treatment methods can be used. In this paper, microwave pyrolysis was chosen,and the following work was carried out as follows: starting from the various hazards of the oil sludge at the bottom of the tank, a detailed summary and analysis were conducted on its basic characteristics and purification index. The current research status and existing problems of the oil sludge system at the bottom of the tank at home and abroad were also summarized and studied in detail. Based on the overall design requirements and simulation calculations of microwave pyrolysis technology for tank bottom sludge, a set of microwave pyrolysis technology for tank sludge suitable for modern Chinese refineries has been obtained. In the microwave pyrolysis of sludge, an important problem was the size of the waveguide and the size of the microwave cavity. According to the physical parameters of sludge and other influencing factors, a microwave pyrolysis mode suitable for sludge should be determined. A model was established by using COMSOL software,and the microwave pyrolysis process of oil sludge was simulated with this model. The optimal microwave frequency and output power were selected based on simulation calculation.
Key words: Tank bottom sludge; Microwave pyrolysis; COMSOL software; Numerical simulation
（上接第442页）
Research Progress of Mineral Admixtures on Permeability of Concrete
LI Lang, WANG Yihe, CUI Yunpeng
（Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110158, China）
Abstract: Impermeable concrete is an engineering composite material with low cost, good volume stability and good durability. It is of great significance to study its application in construction projects such as bridges and dams. According to current research, adding an appropriate amount of mineral admixtures can effectively improve the impermeability of concrete and give better advantages to the application of impermeable concrete. In this article, the improvement of permeability effect with fly ash, silica fume, slag and fiber was introduced, providing effective reference for the application of impermeable concrete in key engineering fields.
Key words: Impermeable concrete; Mineral admixtures; Permeability。