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高溫微波反應(yīng)器工業(yè)化應(yīng)用部分關(guān)鍵問題分析
作者：發(fā)布時間：2013-10-29 10:29:16點擊率：7718
作者：羅會龍,彭金輝，張利波，郭勝惠，劉秉國
昆明理工大學(xué)材料與冶金工程學(xué)院，云南昆明650093
摘要:簡述了高溫微波反應(yīng)器的工作原理及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。重點分析了高溫微波反應(yīng)器工業(yè)化應(yīng)用在微波高溫陶瓷材料、大功率微波發(fā)生器、物料溫度測試及數(shù)值模擬、設(shè)備的適應(yīng)性等方面存在的主要問題，并展望了高溫微波反應(yīng)器的工業(yè)化應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:微波;高溫反應(yīng)器;工業(yè)應(yīng)用
微波加熱作為一種工業(yè)加熱技術(shù)早在60多年前就已經(jīng)產(chǎn)生。與傳統(tǒng)的加熱方式相比，微波加熱具有選擇性加熱、升溫速率快、易于實現(xiàn)自動控制及可降低化學(xué)反應(yīng)溫度等優(yōu)點。因而，微波加熱在工業(yè)上的應(yīng)用日益廣泛。然而目前國內(nèi)外微波加熱設(shè)備主要集中在低溫加熱應(yīng)用方面，如食品處理、木柴干燥、橡膠硫化等，微波高溫加熱設(shè)備的應(yīng)用較少閣。微波高溫加熱是指利用微波能量將物料加熱到400℃以上，并對物料進行燒結(jié)、合成、改性或者熱處理的一種技術(shù)。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果表明，高溫微波反應(yīng)器應(yīng)用于冶金物料高溫燃燒及難選礦物預(yù)處理可有效減少能源消耗、強化礦物表面化學(xué)性能，可望開發(fā)出在常規(guī)加熱條件下無法實現(xiàn)的冶金新技術(shù)和新工藝，以改造某些傳統(tǒng)的冶金工藝和技術(shù)。
近年來，微波高溫加熱領(lǐng)域的研究日益受到人們的關(guān)注，并成功地開展了小功率高溫微波加熱裝置陶瓷燒結(jié)、微波助磨、難處理礦物預(yù)處理的實驗研究。為有效促進高溫微波反應(yīng)器的工業(yè)化應(yīng)用，在微波專用高溫陶瓷、大功率微波源、物料溫度的測試及數(shù)值模擬、設(shè)備的適用性等方面尚需進行深人分析與研究。
1、工作原理
微波是一種電磁波，其頻率在300 MHz一300GHz。在微波高溫加熱設(shè)備中，目前允許使用的2種頻率分別為2.450 GHz和0.915 GHz。根據(jù)物料自身電磁特性，微波能夠穿透一定厚度的物料。在電磁場中，極性偶極子分子總是試圖隨著迅速改變的電磁場方向調(diào)整其取向。當(dāng)物料處于微波場中時，通過物料自身可極化粒子(如分子、離子、原子等)隨微波電磁場快速的改變、粒子間相互摩擦耗散微波能產(chǎn)生熱量加熱物料。因此，與常規(guī)加熱不同，微波加熱不需由表及里的熱傳導(dǎo)，而是通過微波在物料內(nèi)部的能量耗散來直接加熱物料，可有效地減少物料內(nèi)部的溫度梯度。
高溫微波反應(yīng)器的基本構(gòu)成主要由變壓器、整流器、微波發(fā)生器、波導(dǎo)管和諧振腔等主要部件組成。微波發(fā)生器一般采用磁控管、調(diào)速管或磁旋管，其產(chǎn)生的微波經(jīng)波導(dǎo)饋人諧振腔中，對放置在腔體中的物料進行加熱。由于波導(dǎo)管并不總與諧振腔完全匹配，因此一部分微波從諧振腔被反射回波導(dǎo)管。環(huán)行器將被反射回波導(dǎo)管的微波經(jīng)導(dǎo)向水負(fù)載，從而有效保護微波發(fā)生器。
2、研究現(xiàn)狀
高溫微波反應(yīng)器主要包括單模腔式高溫微波反應(yīng)器、多模腔式高溫微波反應(yīng)器和波導(dǎo)型高溫微波反應(yīng)器3種形式〔14]。目前，高溫微波反應(yīng)器的研究及應(yīng)用以多模腔式高溫微波反應(yīng)器占主導(dǎo)地位。
單模腔式高溫微波反應(yīng)器是在標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)中激起單一基模微波傳輸?shù)囊环N反應(yīng)器，在其諧振腔中心處可建立起很高的電場強度。因而單模腔式高溫微波反應(yīng)器諧振腔中心處功率密度大，可實現(xiàn)物料快速升溫，適用于小尺寸材料的高溫處理。但是由于單模腔式高溫微波反應(yīng)器腔體體積小，均溫區(qū)小，只能進行尺寸較小的試樣分批處理，難以應(yīng)用于大尺寸材料的加工和連續(xù)生產(chǎn)，適用范圍有。
多模腔式高溫微波反應(yīng)器的主體采用由金屬壁封閉的矩形多模諧振腔體，其三維尺寸主要由被處理物料的大小，微波功率密度和諧振腔內(nèi)微波模式的多少及分布來確定。近年來，隨著微波加熱技術(shù)的發(fā)展，各種多模腔式高溫微波反應(yīng)器的實驗裝置及中試設(shè)備相繼研制成功，其中部分高溫微波反應(yīng)器設(shè)備在陶瓷燒結(jié)、金屬氧化物的碳熱還原等領(lǐng)域得到了小規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。
波導(dǎo)型高溫微波反應(yīng)器主要由矩形波導(dǎo)諧振腔、石英反應(yīng)管以及禍合膜片3部分組成。微波能量通過禍合膜片饋人諧振腔，調(diào)節(jié)短路活塞使諧振腔達到諧振狀態(tài)。饋人諧振腔的微波能量作用于石英反應(yīng)管內(nèi)的原料氣體，使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。波導(dǎo)型高溫微波反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，但只適用于處理尺寸較小的細(xì)桿或薄帶材料，并且石英反應(yīng)管內(nèi)存在一定的反應(yīng)不均勻性。
3、工程化應(yīng)用的部分關(guān)鍵問題
3.1高溫微波加熱專用陶瓷材料
在高溫微波反應(yīng)器中，待加熱物料置于諧振腔中的陶瓷管內(nèi)，饋人諧振腔的微波能需穿過陶瓷管壁進人待加熱物料。因而，高溫微波反應(yīng)器專用陶瓷材料應(yīng)為微波透波材料，具有較低的介電系數(shù)和介電損耗角正切值，對微波電磁波的透過率應(yīng)高于70%。另一方面，高溫微波反應(yīng)器的陶瓷材料不僅需要具備普通耐火材料所具有的基本理化性質(zhì)，而且在高溫條件下能夠經(jīng)受結(jié)構(gòu)應(yīng)力、各種物理、化學(xué)和機械作用，其熱膨脹系數(shù)應(yīng)較低，耐火度高(一般需高于158090 )，同時具有一定的機械強度。
高溫微波加熱陶瓷材料是耐火材料的新分支。缺乏理想的高溫微波加熱陶瓷材料已成為制約高溫微波反應(yīng)器工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。高溫微波反應(yīng)器專用陶瓷材料的電磁、機械性能及熱物理性質(zhì)取決微波冶金耐火材料的組分、粒度、相態(tài)及密度等關(guān)鍵因素。目前，高溫微波加熱陶瓷材料主要包括硅酸鋁質(zhì)制品、硅質(zhì)制品、鎂質(zhì)制品、碳質(zhì)制品及純度較高的氧化物制品等，其中純物質(zhì)耐火材料是目前應(yīng)用比較理想的高溫微波加熱陶瓷材料。為有效提高高溫微波加熱的熱效率，進一步開發(fā)具有優(yōu)良電磁、機械性能及熱物理性質(zhì)的高溫微波加熱陶瓷材料對促進高溫微波反應(yīng)器工業(yè)應(yīng)用尤為重要。
3.2大功率微波發(fā)生器設(shè)計
工業(yè)加熱所處理的物料量通常很大，因而單個設(shè)備所需加熱功率也相應(yīng)較大。目前，大功率微波發(fā)生器的設(shè)計是高溫微波反應(yīng)器工業(yè)化應(yīng)用的另一技術(shù)瓶頸。提高高溫微波反應(yīng)器微波功率的途徑主要包括增大單個磁控管的功率及多微波功率源功率合成技術(shù)。大功率磁控管一方面生產(chǎn)成本高，價格昂貴，不利于高溫微波反應(yīng)器的推廣應(yīng)用；另一方面，受高功率微波的物理產(chǎn)生機制以及器件工藝結(jié)構(gòu)等限制，單個磁控管的微波功率也很有限，如在915 MHz頻率下，目前單個磁控管最大功率為75 kW，難以滿足工業(yè)加熱的功率需求。
采用多個小功率微波源進行功率合成是大功率高溫微波反應(yīng)器設(shè)計的一個新的發(fā)展方向。多微波源功率源功率合成包括相干功率源及非相干功率源的合成2種方式。在高溫微波反應(yīng)器中，功率源在實際工作時其相位和頻率隨機變化，因此多個微波源的功率合成實際上是非相干源的合成。利用時域有限差分法(FDTD )、有限元法(FEM)等電磁場數(shù)值計算方法，求解Maxwell方程組可獲得諧振腔內(nèi)的電磁場分布靜態(tài)微波能量分布。結(jié)合待加熱物料的電磁參數(shù)及熱傳導(dǎo)方程，可進一步求解耗散功率及物料的溫度分布。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)待加熱物料的電磁特性、熱物性參數(shù)及加熱工藝對高溫微波反應(yīng)器的諧振腔體進行優(yōu)化設(shè)計，以有效提高微波能及溫度分布的均勻性。
3.3微波加熱高功率微波場中溫度測最
在高溫微波反應(yīng)器中，物料的溫度是重要的工藝及控制參數(shù)。在功率密度相對較低的微波場中，可采用帶屏蔽保護套的常規(guī)熱電偶測溫或熱敏電阻一高阻導(dǎo)線組成的抗電磁干擾溫度傳感器進行測量，但上述方法在連續(xù)測溫、自動控溫方面都不太理想，并且仍存在一定的電磁干擾。
光纖測溫是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一門新興測溫技術(shù)，與傳統(tǒng)溫度傳感器相比，光纖溫度傳感器有一些獨特的優(yōu)點，如抗電磁干擾、耐高壓、體積小、質(zhì)量輕等，為功率密度較高的微波場測溫問題提供了一條新的途徑。較適用于微波場測溫的主要有以下幾類:①半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器;②熒光輻射式光纖溫度傳感器;③光纖液晶溫度傳感器;④光纖輻射溫度傳感器;⑤接觸式點傳感器。但目前光纖溫度傳感器仍處在研究發(fā)展階段，并且由于產(chǎn)品穩(wěn)定性較差、造價高，限制了它在微波場測溫中的推廣應(yīng)用。
紅外測溫儀根據(jù)被測物的紅外輻射強度確定其溫度，是一種非接觸測量儀表，用于物體的表面溫度測量較方便。但紅外測溫儀用于高溫微波反應(yīng)器測溫存在視場小的局限，并且不能檢測物料內(nèi)部的溫度。此外，超聲波測溫儀也可用于微波場中溫度測量。但超聲波測溫儀造價昂貴，并且有待于進一步研究開發(fā)。
3.4微波高溫加熱數(shù)值模擬
在微波高溫加熱研究領(lǐng)域，建立高溫微波反應(yīng)器內(nèi)物料的傳熱、傳質(zhì)模型，通過數(shù)值模擬及實驗測試，一方面可精確了解高溫反應(yīng)器內(nèi)微波場和溫度的分布，從而對物料進行加熱工藝的優(yōu)化控制;另一方面，可進一步研究外部條件變化對反應(yīng)過程的影響，得到微波加熱物料過程的一般規(guī)律，實現(xiàn)高溫反應(yīng)器在高溫條件下的正常運行。
目前，對微波加熱溫度的數(shù)值模擬基本上集中在低功率、低溫段、單模式、小體積和單一物料方面，如在食品的加熱、保鮮以及木材的干燥等。在上述應(yīng)用領(lǐng)域中，物料在加熱過程中溫度變化范圍不大，其電磁參數(shù)和熱物性參數(shù)變化不明顯，數(shù)值模擬時可近似處理為常數(shù)，加熱過程是線性的，數(shù)值模擬相對較簡單。在微波反應(yīng)器中，一方面隨物料溫度的升高，其介電常數(shù)、電導(dǎo)率等電磁參數(shù)及定壓比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性參數(shù)相應(yīng)變化，加熱過程是非線性的。另一方面，微波反應(yīng)器中物料多是混合物，物料的介電常數(shù)及熱性能相差較大，且難以測定。因此，物料變溫介電常數(shù)及和熱物性參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的嚴(yán)重缺乏影響微波加熱溫度分布數(shù)值模擬研究。
3.5高溫微波反應(yīng)器的適應(yīng)性
高溫微波反應(yīng)器中諧振腔內(nèi)的微波能量分布不僅與微波源、波導(dǎo)、諧振腔的結(jié)構(gòu)及尺寸等因素密切相關(guān)，而且受物料的形狀、數(shù)量、電磁和熱物性參數(shù)的影響。由于不同物料的電磁特性熱物性參數(shù)差異較大，加熱工藝也不盡相同，因而對于給定的物料需要設(shè)計專用的高溫微波反應(yīng)器，使得高溫微波反應(yīng)器難以成為一種通用型設(shè)備。為有效促進高溫微波反應(yīng)器的工業(yè)應(yīng)用，應(yīng)設(shè)法提高其適應(yīng)性。在這一研究領(lǐng)域，需要借助于高溫微波反應(yīng)器內(nèi)物料傳熱、傳質(zhì)模型，通過更換模擬物料，分析數(shù)值計算模型的適應(yīng)性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合模擬物料的加熱工藝，可優(yōu)化高溫微波反應(yīng)器應(yīng)用于不同物料、不同功率規(guī)格的移植性方案，為高溫微波反應(yīng)器工程設(shè)計提高理論指導(dǎo)。
4結(jié)語
目前，高溫微波反應(yīng)器在高溫微波專用陶瓷、大功率微波發(fā)生器、設(shè)備的適應(yīng)性、諧振腔內(nèi)物料溫度測量及數(shù)值模擬等方面均存在部分尚需解決的問題。但與傳統(tǒng)的工業(yè)加熱設(shè)備相比，高溫微波反應(yīng)器具有選擇性加熱、升溫速率快、溫度分布均勻、易于實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點，符合工業(yè)加熱設(shè)備高效、清潔、易于自控的發(fā)展方向，并且已經(jīng)在納米陶瓷、介電陶瓷、磁性材料及炭熱還原合成冶金材料等方面小規(guī)模應(yīng)用，具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。隨著微波與物質(zhì)作用機理研究的深人、相關(guān)技術(shù)瓶頸的不斷突破，高溫微波反應(yīng)器可望在新材料制備、難處理稀缺礦石處理等領(lǐng)域率先獲得工業(yè)化應(yīng)用。
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