微波技術(shù)在煤炭加工領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

楊寶剛

（棗礦集團(tuán)盛隆化工有限公司，山東 棗莊 277519）

煤炭作為我國(guó)的基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料，長(zhǎng)期以來(lái)為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家能源安全穩(wěn)定供應(yīng)提供了有力保障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年我國(guó)煤炭消費(fèi)在能源消費(fèi)中占比為57%。盡管我國(guó)能源結(jié)構(gòu)持續(xù)改進(jìn)、優(yōu)化，但在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭仍然是我國(guó)主導(dǎo)能源，加快推進(jìn)煤炭清潔高效利用是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的重要途徑。近年來(lái)，微波加熱技術(shù)在煤炭加工中（如在褐煤脫水、輔助熱解、脫硫、水煤漿等領(lǐng)域）得到了廣泛應(yīng)用[1]。煤的微波處理具有高效、節(jié)能、省時(shí)的特點(diǎn)，且在加熱過(guò)程中不釋放污染物。基于以上優(yōu)點(diǎn)，煤的微波處理技術(shù)具有很大的發(fā)展空間及應(yīng)用潛能。本文詳細(xì)介紹了微波加熱機(jī)理，總結(jié)了微波技術(shù)在煤炭加工中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀。

1 微波加熱機(jī)理

微波是頻率在0.3 GHz～300 GHz 的電磁波，通常用于加熱的微波頻率為915 MHz 和2 450 MHz。當(dāng)電磁波遇到物料時(shí)，電磁波可以被反射、穿透、吸收或這三種作用的任意組合，不同物料下微波的3 種響應(yīng)機(jī)理如圖1 所示[2]：（1）電磁波遇到微波透明體或微波絕緣體，微波通過(guò)但未被吸收，如玻璃、塑料和瓷器等絕緣體；（2）電磁波遇到介于絕緣體與導(dǎo)體之間的物質(zhì)，能夠被吸收；（3）電磁波遇到微波反射體或微波導(dǎo)體，微波被反射，大多數(shù)導(dǎo)體都能夠反射微波，如鐵、鋁等金屬。

圖1 不同物料下的微波響應(yīng)機(jī)理

除此之外，混合吸收材料作為復(fù)合多相材料，至少有一個(gè)相作為吸收相（高介電損耗材料），而其他相是傳輸相（低介電損耗材料），這種材料充分利用了微波的選擇性加熱特性，可加熱特定部件，同時(shí)使周?chē)牧舷鄬?duì)不受影響。

微波本身是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的組合，不是熱量，但在介質(zhì)中可以轉(zhuǎn)化為熱量。當(dāng)微波作用于介電材料時(shí)，產(chǎn)生電子極化、原子極化、界面極化及偶極轉(zhuǎn)向極化，電子極化和原子極化的建立及消除所需時(shí)間比微波電場(chǎng)反轉(zhuǎn)的時(shí)間要短得多，因而不會(huì)產(chǎn)生微波加熱。界面極化及偶極轉(zhuǎn)向極化產(chǎn)生的極化強(qiáng)度矢量落后于電場(chǎng)一個(gè)角度，產(chǎn)生與電場(chǎng)同相的電流，構(gòu)成了材料內(nèi)部的功率耗散，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成熱能，即，微波加熱依靠介質(zhì)材料在微波場(chǎng)中的極化損耗產(chǎn)生熱能，熱量產(chǎn)生于材料內(nèi)部而非來(lái)自外部加熱源。

2 微波加熱特性

2.1 介電性能

材料的介電性能決定其吸收微波的能力及在微波輻射下加熱的可能性。介電常數(shù)是描述電介質(zhì)極化強(qiáng)度的宏觀(guān)物理量，在交變電場(chǎng)中介電常數(shù)可表示為式（1）：

式中：εr是電介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)；εra是介電常數(shù)、復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部，代表電介質(zhì)的儲(chǔ)能特性；εrb是損耗因子，復(fù)介電常數(shù)的虛部，代表電介質(zhì)的耗能特性；j表示復(fù)數(shù)。

損耗角正切表示在特定微波頻率和溫度下材料的電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率，是介電損耗因子與介電常數(shù)的比值，即式（2）：

式中：δ 是介電損耗角。tanδ 值越大，轉(zhuǎn)化為熱能的微波能量越多，產(chǎn)生的加熱速率越高。當(dāng)tanδ 小于0時(shí)，材料不能被微波穿透；當(dāng)tanδ 在0.1～0.5 時(shí)，材料具有較低的介電損耗；當(dāng)tanδ 大于0.5 時(shí)，材料具有良好的微波吸收性能[3]。材料中的tanδ 不同時(shí)，會(huì)發(fā)生選擇性加熱。tanδ 的大小取決于電磁波頻率、溫度和材料的物理狀態(tài)及成分。25 ℃和2.45 GHz 微波頻率下常見(jiàn)材料的介電損耗角正切如表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

傳統(tǒng)加熱技術(shù)是根據(jù)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射原理使熱量從外部傳至物料，熱量總是由表及里傳遞進(jìn)行加熱物料，物料中不可避免地存在溫度梯度，故加熱的物料不均勻，致使物料出現(xiàn)局部過(guò)熱。微波加熱技術(shù)通過(guò)被加熱體內(nèi)部偶極分子高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生“內(nèi)摩擦熱”而使被加熱物料溫度升高，不需任何熱傳導(dǎo)過(guò)程，就能使物料內(nèi)外部同時(shí)加熱、同時(shí)升溫，加熱速度快且均勻，僅需傳統(tǒng)加熱方式能耗的幾分之一或幾十分之一就可達(dá)到加熱目的。

物質(zhì)吸收微波輻射后，微波能部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽沟梦⒉◤?qiáng)度從物質(zhì)表面到物質(zhì)內(nèi)部呈指數(shù)級(jí)減弱。為了描述微波的減弱程度，定義微波穿透深度Dp如式（3）：

式中：Dp是微波穿透深度，cm；λ 是真空下的微波波長(zhǎng)，cm。頻率為915 MHz 時(shí)微波波長(zhǎng)約為33 cm，頻率為2 450 MHz 時(shí)微波波長(zhǎng)約為12 cm。

影響Dp的因素有介電損耗、微波頻率、工作溫度、物質(zhì)的化學(xué)成分和微觀(guān)結(jié)構(gòu)等[4]。Dp越小，材料的吸收微波能力越好。在固定頻率下，高損耗電介質(zhì)材料的Dp較小，低損耗電介質(zhì)材料的Dp較大。通常非磁性介電材料的Dp隨著溫度的升高而降低。25 ℃和2.45 GHz下的不同普通材料的Dp值見(jiàn)表2。

表2 25 ℃和2.45 GHz 下不同材料的Dp 值 cm

2.3 非熱效應(yīng)

微波介質(zhì)加熱效應(yīng)有兩種，分別為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。微波介質(zhì)加熱產(chǎn)生的溫差會(huì)引起熱效應(yīng)。微波非熱效應(yīng)是無(wú)法用溫度變化來(lái)闡釋的特殊效應(yīng)，是微波功率、輻射時(shí)間、輻射方式、生物體屬性等多種因素相互影響的結(jié)果[5]。目前，微波非熱效應(yīng)仍是一個(gè)有爭(zhēng)議的話(huà)題，該領(lǐng)域的大多數(shù)學(xué)者普遍認(rèn)為，大多數(shù)情況下微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的效應(yīng)是熱效應(yīng)，沒(méi)有非熱效應(yīng)。B.GUTMANN 等[6]認(rèn)為相同表觀(guān)溫度下微波加熱與常規(guī)加熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的原因是溫度測(cè)量錯(cuò)誤或沒(méi)有有效控制實(shí)驗(yàn)條件，這種現(xiàn)象不是真正的非熱效應(yīng)。然而其他學(xué)者提出了與之相反的觀(guān)點(diǎn)，Q.LIU等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥草堿水解過(guò)程中存在非熱效應(yīng)；梁瑞紅等[8]發(fā)現(xiàn)微波非熱效應(yīng)能夠加速果膠鏈的斷裂，提高了果膠的降解程度；王建英等[9]研究了微波加熱對(duì)無(wú)水乙醇表面張力的影響，發(fā)現(xiàn)微波非熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致超溫沸騰現(xiàn)象；R.AHIRWAR 等[10]闡述了微波介導(dǎo)的酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)中存在的非熱效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)微波非熱效應(yīng)優(yōu)于熱效應(yīng)。

3 微波技術(shù)在煤炭加工中的應(yīng)用研究

3.1 脫水改質(zhì)

近年來(lái)，很多學(xué)者研究微波加熱煤除濕干燥技術(shù)。微波加熱具有“體加熱”的特點(diǎn)，使加熱物質(zhì)被整體加熱，物質(zhì)內(nèi)部無(wú)溫度梯度。水優(yōu)先于煤炭中其他物質(zhì)吸收微波能，能量?jī)?yōu)先轉(zhuǎn)移到煤炭中的水分，從而縮短了干燥時(shí)間。影響煤的干燥特性因素有微波輸出功率、輻射時(shí)間、煤粒徑、煤樣質(zhì)量、灰分和煤的種類(lèi)[2]。M.S.SEEHRA 等[11]將細(xì)煤泥樣品質(zhì)量分為50 g、100 g、150 g、200 g，按照不同的加熱速率對(duì)其進(jìn)行微波干燥，與傳統(tǒng)的熱干燥方法相比，脫水時(shí)間是原來(lái)的1/10，脫水效率約為80%。A.TAHMASEBI 等[12]按照三種不同的微波輸出功率進(jìn)行煤炭除濕，微波干燥可以選擇性地去除煤結(jié)構(gòu)中的水和氧，而煤的其他有機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)保持不變。隨著微波功率的增加，氧官能團(tuán)逐漸損失，進(jìn)而逐漸增加煤的芳香性。W.O.WANG 等[13]研究了微波脫水對(duì)褐煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)微波加熱脫水時(shí)間較短時(shí)，孔隙結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為大孔，比表面積減小，平均孔徑和平均孔體積增大；隨著微波加熱脫水時(shí)間的增加，孔隙結(jié)構(gòu)向中孔發(fā)展，比表面積增大，平均孔徑和平均孔體積減小。

微波干燥不僅可以改變褐煤的物理結(jié)構(gòu)，如孔隙結(jié)構(gòu)和表觀(guān)形態(tài)，還可以改變褐煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)，如煤中碳、氫、氧元素的含量和氧官能團(tuán)的含量。煤的這些變化可以降低褐煤表面的接觸角，削弱水分的再吸附，使煤的物理化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定，減少自燃的可能性。微波脫水后，煤樣含水量降低，性質(zhì)更加穩(wěn)定，有利于長(zhǎng)途運(yùn)輸和后續(xù)利用。

3.2 水煤漿制備

水煤漿由于其燃燒效率高、污染物排放低、易于儲(chǔ)存、裝卸和運(yùn)輸方便，已成為替代油、氣等能源的潔凈能源。褐煤等低階煤儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，且反應(yīng)活性較高，是制漿原料的理想選擇，但褐煤中的水分較高，不利于水煤漿的成漿性，成漿濃度低。低階煤即使通過(guò)干燥去除內(nèi)在水分，水分也很容易被重新吸收。微波脫水不僅可以干燥褐煤，而且可以增強(qiáng)褐煤表面的疏水性[14]，因此能夠有效改善褐煤的成漿性。F.ZHOU等[14]對(duì)五種褐煤進(jìn)行了微波處理，發(fā)現(xiàn)隨著褐煤級(jí)別增高，親水性降低，這有利于制備出高固含量的水煤漿。F.ZHOU 等[15]還發(fā)現(xiàn)微波處理下的褐煤水煤漿的固體濃度高于未經(jīng)處理的褐煤水煤漿。Y.G.REN 等[16]研究了微波輻射時(shí)間對(duì)褐煤水煤漿的固體濃度、流變性和靜態(tài)穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著微波輻射時(shí)間的增加，褐煤上的水化膜會(huì)變薄，從而導(dǎo)致褐煤最大固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)從51.63%增加到55.30%。

3.3 熱解

熱解是碳?xì)浠衔铮ɑ蛴袡C(jī)物）在無(wú)氧高溫下的熱化學(xué)分解，可生產(chǎn)含有多種成分的焦油、用作燃料的焦炭和氣體。煤的氣化、液化以及熱解是提高煤炭清潔利用的有效途徑，而煤的熱解是煤熱轉(zhuǎn)化技術(shù)的基礎(chǔ)。熱解能夠在溫和條件下將煤中富氫組分提取出來(lái)，是提高煤利用效率的重要方法。微波熱解熱慣性小，溫度及熱解過(guò)程易于控制，熱解產(chǎn)物收率高，熱解氣體中CO、H2含量高，可以有效提高煤炭資源利用率、改善焦油品質(zhì)。

近年來(lái)，許多學(xué)者研究煤的微波熱解，分析煤的種類(lèi)、微波功率、加熱時(shí)間、熱解溫度等對(duì)熱解產(chǎn)物的影響。夏浩等[17]指出在相同熱解溫度條件下，微波熱解下的煤的轉(zhuǎn)化率與焦油產(chǎn)率均高于常規(guī)熱解，原煤粒徑對(duì)升溫速率影響很小。X.Q.ZHAO 等[18]發(fā)現(xiàn)隨著微波功率的增加，氣體和石油產(chǎn)品的產(chǎn)量增加。Y.N.ZHANG 等[19]發(fā)現(xiàn)總焦油產(chǎn)率和輕油產(chǎn)率最初隨著輻射時(shí)間的增加而增加，然后略有下降。B.R.REDDY 等[20]分析了兩種不同微波功率、不同粒度的印度和印度尼西亞煤熱解產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)除了加熱速率外，其他條件對(duì)產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)幾乎沒(méi)有影響。上述不同研究者得到不完全一致乃至矛盾的結(jié)論，表明微波加熱對(duì)煤熱解產(chǎn)物的影響有待進(jìn)一步分析。然而，褐煤中較低的H、C 原子比導(dǎo)致熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率較低，而生物質(zhì)的H、C 原子比較高，故生物質(zhì)可以與褐煤共熱解，作為氫供體，在共熱解過(guò)程中改善褐煤的分解，因此可以通過(guò)褐煤和生物質(zhì)的共熱解實(shí)現(xiàn)液體燃料和化學(xué)品的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，但共熱解下的目標(biāo)產(chǎn)物收率較低。

3.4 微波脫硫

煤中不同成分具有不同的介電性質(zhì)，吸收微波能力有差異，利用微波輻射，通過(guò)選擇性加熱，不僅可實(shí)現(xiàn)煤炭脫硫，還能避免煤炭特性變異。微波輻射對(duì)煤中無(wú)機(jī)硫和有機(jī)硫的去除有顯著效果。微波可以改善煤中黃鐵礦的磁性，從而有效提高無(wú)機(jī)硫的去除率。S.H.WENG 等[21]將原煤在惰性氣氛下進(jìn)行微波輻射，并用鹽酸清洗，可以脫除97%的無(wú)機(jī)硫。E.JORJANI等[22]對(duì)原煤進(jìn)行微波照射后，采用過(guò)氧乙酸進(jìn)行清洗，提高了煤的脫硫率。微波除可直接用于微波脫硫外，還可與其他脫硫方法結(jié)合使用，例如超聲波、磁分離和化學(xué)方法等[23]。

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的加熱方法相比，煤的微波加熱處理具有高效、低能耗、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，煤的微波處理技術(shù)越來(lái)越受到重視。材料在微波場(chǎng)中產(chǎn)生的熱量可分為磁損耗加熱和介質(zhì)損耗加熱，其中吸收微波能量的能力取決于介電損耗角的正切值。微波技術(shù)已在脫水改質(zhì)、水煤漿制備、熱解和脫硫等煤炭加工領(lǐng)域得到應(yīng)用，研究表明微波與煤的相互作用受水分、礦物、化學(xué)鍵官能團(tuán)、微波頻率、煤階以及添加劑等因素的影響。目前，煤炭微波處理成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用，可以將微波加熱實(shí)驗(yàn)與煤炭數(shù)值模擬相結(jié)合，為煤的微波處理走向工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)，使煤炭微波處理的大規(guī)模應(yīng)用成為可能。