微波技术在煤炭加工领域的应用研究进展
时间：2022-12-03 17:45:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
杨宝刚
（枣矿集团盛隆化工有限公司，山东 枣庄 277519）
煤炭作为我国的基础能源和工业原料，长期以来为经济社会发展和国家能源安全稳定供应提供了有力保障。据统计，2020 年我国煤炭消费在能源消费中占比为57%。尽管我国能源结构持续改进、优化，但在未来相当长一段时间内，煤炭仍然是我国主导能源，加快推进煤炭清洁高效利用是实现“碳达峰”“碳中和”目标的重要途径。近年来，微波加热技术在煤炭加工中（如在褐煤脱水、辅助热解、脱硫、水煤浆等领域）得到了广泛应用[1]。煤的微波处理具有高效、节能、省时的特点，且在加热过程中不释放污染物。基于以上优点，煤的微波处理技术具有很大的发展空间及应用潜能。本文详细介绍了微波加热机理，总结了微波技术在煤炭加工中的应用研究现状。
微波是频率在0.3 GHz～300 GHz 的电磁波，通常用于加热的微波频率为915 MHz 和2 450 MHz。当电磁波遇到物料时，电磁波可以被反射、穿透、吸收或这三种作用的任意组合，不同物料下微波的3 种响应机理如图1 所示[2]：（1）电磁波遇到微波透明体或微波绝缘体，微波通过但未被吸收，如玻璃、塑料和瓷器等绝缘体；
（2）电磁波遇到介于绝缘体与导体之间的物质，能够被吸收；
（3）电磁波遇到微波反射体或微波导体，微波被反射，大多数导体都能够反射微波，如铁、铝等金属。
图1 不同物料下的微波响应机理
除此之外，混合吸收材料作为复合多相材料，至少有一个相作为吸收相（高介电损耗材料），而其他相是传输相（低介电损耗材料），这种材料充分利用了微波的选择性加热特性，可加热特定部件，同时使周围材料相对不受影响。
微波本身是电场和磁场的组合，不是热量，但在介质中可以转化为热量。当微波作用于介电材料时，产生电子极化、原子极化、界面极化及偶极转向极化，电子极化和原子极化的建立及消除所需时间比微波电场反转的时间要短得多，因而不会产生微波加热。界面极化及偶极转向极化产生的极化强度矢量落后于电场一个角度，产生与电场同相的电流，构成了材料内部的功率耗散，进而转换成热能，即，微波加热依靠介质材料在微波场中的极化损耗产生热能，热量产生于材料内部而非来自外部加热源。
2.1 介电性能
材料的介电性能决定其吸收微波的能力及在微波辐射下加热的可能性。介电常数是描述电介质极化强度的宏观物理量，在交变电场中介电常数可表示为式（1）：
式中：εr是电介质的复介电常数；
εra是介电常数、复介电常数的实部，代表电介质的储能特性；
εrb是损耗因子，复介电常数的虚部，代表电介质的耗能特性；
j表示复数。
损耗角正切表示在特定微波频率和温度下材料的电磁能转化为热能的效率，是介电损耗因子与介电常数的比值，即式（2）：
式中：δ 是介电损耗角。tanδ 值越大，转化为热能的微波能量越多，产生的加热速率越高。当tanδ 小于0时，材料不能被微波穿透；
当tanδ 在0.1～0.5 时，材料具有较低的介电损耗；
当tanδ 大于0.5 时，材料具有良好的微波吸收性能[3]。材料中的tanδ 不同时，会发生选择性加热。tanδ 的大小取决于电磁波频率、温度和材料的物理状态及成分。25 ℃和2.45 GHz 微波频率下常见材料的介电损耗角正切如表1 所示。
表1 25 ℃和2.45 GHz 下不同材料的tan δ 值
2.2 微波穿透深度
传统加热技术是根据热传导、对流和辐射原理使热量从外部传至物料，热量总是由表及里传递进行加热物料，物料中不可避免地存在温度梯度，故加热的物料不均匀，致使物料出现局部过热。微波加热技术通过被加热体内部偶极分子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使被加热物料温度升高，不需任何热传导过程，就能使物料内外部同时加热、同时升温，加热速度快且均匀，仅需传统加热方式能耗的几分之一或几十分之一就可达到加热目的。
物质吸收微波辐射后，微波能部分转变为热能，使得微波强度从物质表面到物质内部呈指数级减弱。为了描述微波的减弱程度，定义微波穿透深度Dp如式（3）：
式中：Dp是微波穿透深度，cm；
λ 是真空下的微波波长，cm。频率为915 MHz 时微波波长约为33 cm，频率为2 450 MHz 时微波波长约为12 cm。
影响Dp的因素有介电损耗、微波频率、工作温度、物质的化学成分和微观结构等[4]。Dp越小，材料的吸收微波能力越好。在固定频率下，高损耗电介质材料的Dp较小，低损耗电介质材料的Dp较大。通常非磁性介电材料的Dp随着温度的升高而降低。25 ℃和2.45 GHz下的不同普通材料的Dp值见表2。
表2 25 ℃和2.45 GHz 下不同材料的Dp 值 cm
2.3 非热效应
微波介质加热效应有两种，分别为热效应和非热效应。微波介质加热产生的温差会引起热效应。微波非热效应是无法用温度变化来阐释的特殊效应，是微波功率、辐射时间、辐射方式、生物体属性等多种因素相互影响的结果[5]。目前，微波非热效应仍是一个有争议的话题，该领域的大多数学者普遍认为，大多数情况下微波化学实验观察到的效应是热效应，没有非热效应。B.GUTMANN 等[6]认为相同表观温度下微波加热与常规加热实验结果不同的原因是温度测量错误或没有有效控制实验条件，这种现象不是真正的非热效应。然而其他学者提出了与之相反的观点，Q.LIU等[7]通过实验证实了麦草碱水解过程中存在非热效应；
梁瑞红等[8]发现微波非热效应能够加速果胶链的断裂，提高了果胶的降解程度；
王建英等[9]研究了微波加热对无水乙醇表面张力的影响，发现微波非热效应会导致超温沸腾现象；
R.AHIRWAR 等[10]阐述了微波介导的酶联免疫吸附试验中存在的非热效应，并发现微波非热效应优于热效应。
3.1 脱水改质
近年来，很多学者研究微波加热煤除湿干燥技术。微波加热具有“体加热”的特点，使加热物质被整体加热，物质内部无温度梯度。水优先于煤炭中其他物质吸收微波能，能量优先转移到煤炭中的水分，从而缩短了干燥时间。影响煤的干燥特性因素有微波输出功率、辐射时间、煤粒径、煤样质量、灰分和煤的种类[2]。M.S.SEEHRA 等[11]将细煤泥样品质量分为50 g、100 g、150 g、200 g，按照不同的加热速率对其进行微波干燥，与传统的热干燥方法相比，脱水时间是原来的1/10，脱水效率约为80%。A.TAHMASEBI 等[12]按照三种不同的微波输出功率进行煤炭除湿，微波干燥可以选择性地去除煤结构中的水和氧，而煤的其他有机结构相对保持不变。随着微波功率的增加，氧官能团逐渐损失，进而逐渐增加煤的芳香性。W.O.WANG 等[13]研究了微波脱水对褐煤孔隙结构的影响，结果发现当微波加热脱水时间较短时，孔隙结构扩展为大孔，比表面积减小，平均孔径和平均孔体积增大；
随着微波加热脱水时间的增加，孔隙结构向中孔发展，比表面积增大，平均孔径和平均孔体积减小。
微波干燥不仅可以改变褐煤的物理结构，如孔隙结构和表观形态，还可以改变褐煤的化学结构，如煤中碳、氢、氧元素的含量和氧官能团的含量。煤的这些变化可以降低褐煤表面的接触角，削弱水分的再吸附，使煤的物理化学性质更加稳定，减少自燃的可能性。微波脱水后，煤样含水量降低，性质更加稳定，有利于长途运输和后续利用。
3.2 水煤浆制备
水煤浆由于其燃烧效率高、污染物排放低、易于储存、装卸和运输方便，已成为替代油、气等能源的洁净能源。褐煤等低阶煤储量丰富，价格低廉，且反应活性较高，是制浆原料的理想选择，但褐煤中的水分较高，不利于水煤浆的成浆性，成浆浓度低。低阶煤即使通过干燥去除内在水分，水分也很容易被重新吸收。微波脱水不仅可以干燥褐煤，而且可以增强褐煤表面的疏水性[14]，因此能够有效改善褐煤的成浆性。F.ZHOU等[14]对五种褐煤进行了微波处理，发现随着褐煤级别增高，亲水性降低，这有利于制备出高固含量的水煤浆。F.ZHOU 等[15]还发现微波处理下的褐煤水煤浆的固体浓度高于未经处理的褐煤水煤浆。Y.G.REN 等[16]研究了微波辐射时间对褐煤水煤浆的固体浓度、流变性和静态稳定性的影响，发现随着微波辐射时间的增加，褐煤上的水化膜会变薄，从而导致褐煤最大固体质量分数从51.63%增加到55.30%。
3.3 热解
热解是碳氢化合物（或有机物）在无氧高温下的热化学分解，可生产含有多种成分的焦油、用作燃料的焦炭和气体。煤的气化、液化以及热解是提高煤炭清洁利用的有效途径，而煤的热解是煤热转化技术的基础。热解能够在温和条件下将煤中富氢组分提取出来，是提高煤利用效率的重要方法。微波热解热惯性小，温度及热解过程易于控制，热解产物收率高，热解气体中CO、H2含量高，可以有效提高煤炭资源利用率、改善焦油品质。
近年来，许多学者研究煤的微波热解，分析煤的种类、微波功率、加热时间、热解温度等对热解产物的影响。夏浩等[17]指出在相同热解温度条件下，微波热解下的煤的转化率与焦油产率均高于常规热解，原煤粒径对升温速率影响很小。X.Q.ZHAO 等[18]发现随着微波功率的增加，气体和石油产品的产量增加。Y.N.ZHANG 等[19]发现总焦油产率和轻油产率最初随着辐射时间的增加而增加，然后略有下降。B.R.REDDY 等[20]分析了两种不同微波功率、不同粒度的印度和印度尼西亚煤热解产物的物理化学性质，发现除了加热速率外，其他条件对产品的物理化学性质几乎没有影响。上述不同研究者得到不完全一致乃至矛盾的结论，表明微波加热对煤热解产物的影响有待进一步分析。然而，褐煤中较低的H、C 原子比导致热解产物的产率较低，而生物质的H、C 原子比较高，故生物质可以与褐煤共热解，作为氢供体，在共热解过程中改善褐煤的分解，因此可以通过褐煤和生物质的共热解实现液体燃料和化学品的进一步转化，但共热解下的目标产物收率较低。
3.4 微波脱硫
煤中不同成分具有不同的介电性质，吸收微波能力有差异，利用微波辐射，通过选择性加热，不仅可实现煤炭脱硫，还能避免煤炭特性变异。微波辐射对煤中无机硫和有机硫的去除有显著效果。微波可以改善煤中黄铁矿的磁性，从而有效提高无机硫的去除率。S.H.WENG 等[21]将原煤在惰性气氛下进行微波辐射，并用盐酸清洗，可以脱除97%的无机硫。E.JORJANI等[22]对原煤进行微波照射后，采用过氧乙酸进行清洗，提高了煤的脱硫率。微波除可直接用于微波脱硫外，还可与其他脱硫方法结合使用，例如超声波、磁分离和化学方法等[23]。
与传统的加热方法相比，煤的微波加热处理具有高效、低能耗、省时等优点，煤的微波处理技术越来越受到重视。材料在微波场中产生的热量可分为磁损耗加热和介质损耗加热，其中吸收微波能量的能力取决于介电损耗角的正切值。微波技术已在脱水改质、水煤浆制备、热解和脱硫等煤炭加工领域得到应用，研究表明微波与煤的相互作用受水分、矿物、化学键官能团、微波频率、煤阶以及添加剂等因素的影响。目前，煤炭微波处理成本较高，限制了其大规模应用，可以将微波加热实验与煤炭数值模拟相结合，为煤的微波处理走向工业应用提供理论依据，使煤炭微波处理的大规模应用成为可能。
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