CN107748806A - 微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算和模拟方法 - Google Patents

微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算和模拟方法 Download PDF

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孙世昌
袁娜娜
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Abstract

本发明属于资源与环境领域，具体涉及微波热解技术应用于市政或工业污泥的减量化与资源化处理过程；本方案提供的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算和模拟方法创造性的采用仪器测量与数值推导相结合的方法计算出了微波热解不同阶段高温条件下污泥的相对介电常数与介电损耗因子，弥补了该领域的空白，并为建立基于HFSS软件的电磁场强度的仿真模型与模拟提供了可能和基础数据，从而实现了微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的准确模拟，为从微观电磁场角度解释微波辐照下污泥的升温失重机理提供了可能，为实现污泥微波热解工艺的优化与工程应用提拱技术支持和理论依据，具有重要价值。

Description

微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算和模拟方法
技术领域
本发明属于资源与环境领域，具体涉及微波热解技术应用于市政或工业污泥的减量化与资源化处理过程。
背景技术
随着科学的发展，人们的生活水平越来越高，但是各种工业垃圾等也越来越多，成为人类发张刻不容缓需要解决的问题。
为此人们想到使用微波热解的方法消除这些垃圾。为此需要先设计一种计算或模拟方法。
计算或模拟首先需要构建二维数学模型模拟计算有机质热解过程电磁场强度及其分布。微波辐照热解有机质过程中，由于微波腔体内的电磁场分布及场强没有实测的仪器，一般都是通过数学模型或软件进行模拟计算，且研究报道较少，仅发现通过建立二维数学模型模拟了木块有机质热解过程中电磁场的变化以及化学反应过程中热量与物质的转化情况，研究结果显示模型的预测结果与实验数据结果比较吻合。
其次可以通过软件模拟有机质热解过程电磁场强度及其分布。在模拟软件方面，常用的软件有High Frequency Structure Simulator(HFSS)、ANSYS、FLUENT等，这些软件已被广泛研究和应用于陶瓷烧结、焊接、石油化工、食品加热等领域的微波电磁场的模拟，特别是在陶瓷烧结的反应器仿真与优化设计方面取得了显著效果。其中，HFSS软件是基于电磁场有限元方法分析各种复杂微波工程问题的三维电磁仿真软件，软件采用了自适应网格剖分技术，提高了计算精度和速度，可直接得到特征阻抗、传播常数、S参数、电磁场、辐射场、天线方向图、能量吸收率等模拟计算结果。
但是，建模工作面对者许多问题。
首先，采用二维数学模型模拟有机质热解过程中电磁场强度及其分布，过程十分复杂。加之污泥是较木块成分更加复杂的混合物，因此，采用数学模型计算污泥热解过程的电磁场变化将会变得更加复杂，可操作性不强。
其次，利用HFSS模拟污泥微波热解过程电磁场的分布规律，有助于探索热解过程不同阶段电磁能与热能相互转化关系，进而可以从微观角度解释污泥升温失重机理，具有可操作性和现实意义。然而，将软件模拟技术应用于污泥微波热解电磁场强度及其分布方面，迄今尚未见任何研究与工程报道。
第三，无法实现热解过程不同升温阶段污泥介电常数(包括相对介电常数和介电损耗因子)的准确测量是导致软件模拟技术无法应用于污泥微波热解电磁场强度及其分布模拟计算的最主要因素。
第四，目前，只能通过矢量网络分析仪测量常温下物质的介电常数，无法测量微波热解过程中高温条件下物质的介电常数，关于高温条件下污泥介电常数的研究，迄今未见任何相关报道。
为此，本发明试图建立一种全新的模型，以填补该领域的空白。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算和模拟方法，用来克服现在还没有计算污泥在不同温度下介电常数的依据和模型问题。
本发明是这样实现的，一种微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算方法，包括以下步骤：
步骤A：介电常数测定步骤，所述介电常数测定步骤系测定常温下污泥在热解不同阶段的介电常数；
步骤B：介电材料含量测定步骤，所述介电材料含量测定步骤系在常温下分别测量微波热解不同阶段污泥中不同介电材料的含量，并计算各物质的质量分数wt.％；
步骤C：计算步骤，所述计算步骤系通过污泥在常温下介电常数和物质质量分数计算出在温度T下污泥的介电常数。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤A中所述介点常数包括相对介电常数ε′0和介电损耗因子ε″0。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤C中所述介点常数包括相对介电常数ε′和介电损耗因子ε″。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤A中采用矢量网络分析仪测定介电常数。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤C中采用以下公式计算温度T条件下的相对介电常数ε′和介电损耗因子ε″：
ε′＝wt.％*α*(T-T0)+ε′0
ε″＝wt.％*β*(T-T0)+ε″0
其中，ε′0表示常温T0下，污泥相对介电常数；ε″0表示常温T0下，污泥介电损耗因子；ε′表示对应温度T下，污泥相对介电常数；ε″表示对应温度T下，污泥介电损耗因子；wt.％表示对应温度T下，不同介电材料的质量分数；α表示相对介电常数的温度变化系数；β表示介电损耗因子的温度变化系数。
介电性能是指在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示。无机介质材料表现出来的介电性能的应用中，还涉及到介电常数、介电损耗因子和介电强度等。
其中，介电常数温度系数是指一定温度范围内、温度每升高1℃时介电常数的相对平均变化率。介电损耗因子的温度变化系数是指一定温度范围内、温度每升高1℃时介电损耗因子的相对平均变化率。这些参数均可以通过查阅手册等方法获得。
本发明的另一目的在于提供一种微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的模拟方法，包括以下步骤：
步骤A：建模步骤，所述建模步骤系利用HFSS软件构件电磁仿真模型；
步骤B：模拟步骤，所述模拟步骤系在步骤A构件的模型中利用前述计算方法计算污泥在温度T下的介电常数。
HFSS(High Frequency Structure Simulator)是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,目前已被ANSYS公司收购；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；②端口特征阻抗和传输常数；③S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；④结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。HFSS是当今天线设计最流行的设计软件。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤A中电磁仿真模型由微波馈源、保温棉、污泥样品和石英管组成，其中所述微波馈源、保温棉和所述石英管依次相连，所述污泥样品设置于所述石英管内部。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤B中计算前需要输入模型参数和污泥参数。
本发明的进一步技术方案是：所述模型参数由微波馈源尺寸、微波馈源中心位置坐标、输入功率、激励频率、模式数、求解模式组成。
本发明的进一步技术方案是：所述污泥参数由污泥尺寸和污泥中心坐标位置组成。
本发明的有益效果是：本方案提供的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算和模拟方法创造性的采用仪器测量与数值推导相结合的方法计算出了微波热解不同阶段高温条件下污泥的相对介电常数与介电损耗因子，弥补了该领域的空白，并为建立基于HFSS软件的电磁场强度的仿真模型与模拟提供了可能和基础数据，从而实现了微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的准确模拟，为从微观电磁场角度解释微波辐照下污泥的升温失重机理提供了可能，为实现污泥微波热解工艺的优化与工程应用提拱技术支持和理论依据，具有重要价值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的模型示意图。
具体实施方式
本发明提供一种微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算和模拟方法。以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
一种微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算方法，包括以下步骤：
步骤A：介电常数测定步骤，所述介电常数测定步骤系测定常温下污泥在热解不同阶段的介电常数；
步骤B：介电材料含量测定步骤，所述介电材料含量测定步骤系在常温下分别测量微波热解不同阶段污泥中不同介电材料的含量，并计算各物质的质量分数wt.％；
步骤C：计算步骤，所述计算步骤系通过污泥在常温下介电常数和物质质量分数计算出在温度T下污泥的介电常数。
其中，所述步骤A中所述介点常数包括相对介电常数ε′0和介电损耗因子ε″0。
其中，所述步骤C中所述介点常数包括相对介电常数ε′和介电损耗因子ε″。
其中，所述步骤A中采用矢量网络分析仪测定介电常数。
其中，所述步骤C中采用以下公式计算温度T条件下的相对介电常数ε′和介电损耗因子ε″：
ε′＝wt.％*α*(T-T0)+ε′0
ε″＝wt.％*β*(T-T0)+ε″0
其中，ε′0表示常温T0下，污泥相对介电常数；ε″0表示常温T0下，污泥介电损耗因子；ε′表示对应温度T下，污泥相对介电常数；ε″表示对应温度T下，污泥介电损耗因子；wt.％表示对应温度T下，不同介电材料的质量分数；α表示相对介电常数的温度变化系数；β表示介电损耗因子的温度变化系数。
介电性能是指在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示。无机介质材料表现出来的介电性能的应用中，还涉及到介电常数、介电损耗因子和介电强度等。
其中，介电常数温度系数是指一定温度范围内、温度每升高1℃时介电常数的相对平均变化率。介电损耗因子的温度变化系数是指一定温度范围内、温度每升高1℃时介电损耗因子的相对平均变化率。这些参数均可以通过查阅手册等方法获得。
本发明的另一目的在于提供一种微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的模拟方法，包括以下步骤：
步骤A：建模步骤，所述建模步骤系利用HFSS软件构件电磁仿真模型；
步骤B：模拟步骤，所述模拟步骤系在步骤A构件的模型中利用前述计算方法计算污泥在温度T下的介电常数。
HFSS(High Frequency Structure Simulator)是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,目前已被ANSYS公司收购；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；②端口特征阻抗和传输常数；③S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；④结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。HFSS是当今天线设计最流行的设计软件。
其中，所述步骤A中电磁仿真模型由微波馈源、保温棉、污泥样品和石英管组成，其中所述微波馈源、保温棉和所述石英管依次相连，所述污泥样品设置于所述石英管内部。
其中，所述步骤B中计算前需要输入模型参数和污泥参数。
其中，所述模型参数由微波馈源尺寸、微波馈源中心位置坐标、输入功率、激励频率、模式数、求解模式组成。
其中，所述污泥参数由污泥尺寸和污泥中心坐标位置组成。
下面通过具体实施例来对本发明做出进一步说明。
1.一种微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的模拟方法，包括污泥微波热解不同阶段介电常数的计算和电磁场强度仿真模型的构建与模拟。
2.污泥微波热解不同阶段介电常数的计算包括以下步骤：
(1)常温下污泥介电常数的测定：利用矢量网络分析仪，测定微波热解不同阶段的污泥在常温条件下的相对介电常数ε′0和介电损耗因子ε″0。
(2)微波热解不同阶段污泥中各介电材料含量的测定：常温条件下，分别测定微波热解不同阶段污泥中不同介电材料的含量，并计算各物质的质量分数wt.％。
(3)根据污泥中各介电材料在常温下的介电常数、热解过程不同阶段各介电材料的质量分数、升温情况(T-T0)及其介电常数的升温系数，计算出对应温度下污泥的相对介电常数ε′和介电损耗因子ε″。
使用公式为：
ε′＝wt.％*α*(T-T0)+ε′0
ε″＝wt.％*β*(T-T0)+ε″0
其中，ε′0表示常温T0下，污泥相对介电常数；ε″0表示常温T0下，污泥介电损耗因子；ε′表示对应温度T下，污泥相对介电常数；ε″表示对应温度T下，污泥介电损耗因子；wt.％表示对应温度T下，不同介电材料的质量分数；α表示相对介电常数的温度变化系数；β表示介电损耗因子的温度变化系数。
3.电磁场强度仿真模型的构建与模拟包括以下步骤：
(1)基于HFSS操作平台，以微波馈源尺寸及其中心坐标、输入功率、激励频率、模式数、求解模式等为模型构建参数，建模基于HFSS软件的污泥微波热解电磁场强度仿真模型。
模型的结构示意图如图1所示，图1中包括微波馈源1、保温棉2、污泥样品3、石英管4。其中，微波馈源的功能是为污泥热解反应提供微波能量；保温棉的作用是减少由微波能转化生成的热能的流失；石英管的作用是作为污泥热解反应的反应器皿。
(2)将计算得到的微波热解不同阶段对应温度下污泥的相对介电常数ε′和介电损耗因子ε″作为输入数据，联同初始条件下污泥尺寸及其中心坐标等参数，带入所构建的仿真模型，计算并模拟相应的电磁
场强度值及其分布。
计算时需要用到表1的数据。
表1：HFSS软件电磁场仿真建模数据组成
根据上述数据计算后可以获得表2的数据。
表2 SiC污泥微波热解过程不同阶段介电常数估算
可见，可以通过上述方法计算出不同温度下污泥的介电常数。
本方案提供的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算和模拟方法创造性的采用仪器测量与数值推导相结合的方法计算出了微波热解不同阶段高温条件下污泥的相对介电常数与介电损耗因子，弥补了该领域的空白，并为建立基于HFSS软件的电磁场强度的仿真模型与模拟提供了可能和基础数据，从而实现了微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的准确模拟，为从微观电磁场角度解释微波辐照下污泥的升温失重机理提供了可能，为实现污泥微波热解工艺的优化与工程应用提拱技术支持和理论依据，具有重要价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：介电常数测定步骤，所述介电常数测定步骤系测定常温下污泥在热解不同阶段的介电常数；
步骤B：介电材料含量测定步骤，所述介电材料含量测定步骤系在常温下分别测量微波热解不同阶段污泥中不同介电材料的含量，并计算各物质的质量分数wt.％；
步骤C：计算步骤，所述计算步骤系通过污泥在常温下介电常数和物质质量分数计算出在温度T下污泥的介电常数。
2.根据权利要求1所述的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算方法，其特征在于：所述步骤A中所述介点常数包括相对介电常数ε0′和介电损耗因子ε0″。
3.根据权利要求1所述的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算方法，其特征在于：所述步骤C中所述介点常数包括相对介电常数ε′和介电损耗因子ε″。
4.根据权利要求1所述的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算方法，其特征在于：所述步骤A中采用矢量网络分析仪测定介电常数。
5.根据权利要求1所述的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的计算方法，其特征在于：所述步骤C中采用以下公式计算温度T条件下的相对介电常数ε′和介电损耗因子ε″：
ε′＝wt.％*α*(T-T0)+ε0′
ε″＝wt.％*β*(T-T0)+ε0″
其中，ε0′表示常温T0下，污泥相对介电常数；ε0″表示常温T0下，污泥介电损耗因子；ε′表示对应温度T下，污泥相对介电常数；ε″表示对应温度T下，污泥介电损耗因子；wt.％表示对应温度T下，不同介电材料的质量分数；α表示相对介电常数的温度变化系数；β表示介电损耗因子的温度变化系数。
6.一种微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：建模步骤，所述建模步骤系利用HFSS软件构件电磁仿真模型；
步骤B：模拟步骤，所述模拟步骤系在步骤A构件的模型中利用权利要求1-5中任一所述的计算方法计算污泥在温度T下的介电常数。
7.根据权利要求6所述的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的模拟方法，其特征在于：所述步骤A中电磁仿真模型由微波馈源、保温棉、污泥样品和石英管组成，其中所述微波馈源、保温棉和所述石英管依次相连，所述污泥样品设置于所述石英管内部。
8.根据权利要求7所述的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的模拟方法，其特征在于：所述步骤B中计算前需要输入模型参数和污泥参数。
9.根据权利要求8所述的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的模拟方法，其特征在于：所述模型参数由微波馈源尺寸、微波馈源中心位置坐标、输入功率、激励频率、模式数、求解模式组成。
10.根据权利要求8所述的微波热解污泥电磁场强度及其分布规律的模拟方法，其特征在于：所述污泥参数由污泥尺寸和污泥中心坐标位置组成。
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