(山東科技大學(xué)，青島 266590)

0 引 言

石油和天然氣燃料資源在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但其用量主要依靠進(jìn)口，造成工業(yè)產(chǎn)生成本的提高。目前，石油和天然氣行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)是如何從生產(chǎn)領(lǐng)域維持清潔產(chǎn)出[1]。然而，煤炭、生物燃料和固體廢棄物的巨大貢獻(xiàn)可以在未來對世界能源起到至關(guān)重要的作用。

微波加熱具有快速性、選擇性和高效性等優(yōu)點(diǎn)，通過材料的介電損耗可促進(jìn)電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，以空間性的形式誘導(dǎo)產(chǎn)生分子水平上的熱量[2]。基于煤炭熱解理論，微波加熱技術(shù)有望改善煤炭熱解過程以及熱解產(chǎn)物的調(diào)控。在電磁場中，金屬對微波的介電響應(yīng)特性可顯著促進(jìn)介質(zhì)材料對微波的吸收，進(jìn)而降低介質(zhì)材料在熱處理過程中?；诙辔粚W(xué)者對炭基材料和金屬氧化物對微波熱解褐煤的影響研究，線性金屬耦合微波熱解型煤特性的報道較少。文中以褐煤為原料，通過冷壓成型制備得到型煤，研究線性金屬的種類和長度對型煤熱解的型焦進(jìn)行物理特性和化學(xué)結(jié)構(gòu)分析，借助FT-IR、SEM表征型焦的物化性質(zhì)，為金屬耦合微波熱解型煤作用機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 型煤的制備

本實驗采用的褐煤來自于內(nèi)蒙古東部地區(qū)，將褐煤分別用破碎機(jī)粉碎，使用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，取粒徑小于80目的原料置于干燥箱中在105 ℃的環(huán)境下干燥24 h。褐煤的工業(yè)分析與元素分析見表1。

冷壓成型制備型煤分為兩步：混合與冷壓成型。褐煤與粘結(jié)劑(羧甲基纖維素)按照10∶1比例混合均勻，將混合均勻的煤料放于模具中，利用壓片機(jī)在6 MPa恒壓下保持5 min后脫模。制備得到規(guī)格為φ60 mm×10 mm的型煤，室溫下自然干燥24 h。

表1 褐煤的工業(yè)分析和元素分析

1.2 實驗裝置與方法

實驗中選用鐵、鋁和銅三種金屬。線性金屬采用直徑相同，高度不同的四種規(guī)格，分別為φ1×40 mm、φ1×60 mm、φ1×80 mm、φ1×100 mm。

型煤中部一次插入不同線性金屬，然后放入自制密封性良好的石英微波反應(yīng)器中，置于微波爐中進(jìn)行熱解。實驗開始前，通入氮?dú)庑纬啥栊詺怏w環(huán)境，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繛?00 Ml/min，設(shè)定微波功率為320 W，時間為15 min。成型炭熱解工藝如圖1所示。

圖1 型煤熱解裝置示意圖

1.3 樣品表征與分析

1.3.1 型焦物理特性參數(shù)分析法

成型炭物理特性參考生物質(zhì)成型燃料的計算方法，主要參數(shù)如下：

抗跌碎率(Dr)：將樣品從1.5 m的高度跌落，一共跌落三次。稱取剩余樣品質(zhì)量(Mr)，與其原成型燃料質(zhì)量(Mt)比值即為抗跌碎率，計算公式如下式。

1.3.2 SEM分析

探究樣品微觀結(jié)構(gòu)需使用掃描電子顯微鏡(SEM)檢測方法，能觀測到試劑在樣品表面的分布狀況、樣品的表面形貌、成分分析和元素分析、裂紋和空隙產(chǎn)生的大小等信息。

1.3.3 FT-IR分析

文中采用Vertex70傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)表征產(chǎn)物表面的官能團(tuán)。常見的化學(xué)基團(tuán)在4 000～400 cm-1范圍內(nèi)有特征基團(tuán)頻率。

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬耦合微波熱解型煤隨型焦物理特性的影響

一般情況下，體積密度越高其抗跌碎性能越好。型焦抗跌碎率如圖2所示。隨金屬長度的增加更多空間中的微波能誘導(dǎo)在型煤，強(qiáng)化型煤熱解，型焦抗跌碎率持續(xù)下降。

圖2 不同線性金屬耦合微波熱解型煤型焦的抗跌速率圖

2.2 金屬耦合微波熱解型煤對型焦孔隙結(jié)構(gòu)的影響

圖3為不同金屬耦合微波熱解型煤制備型焦的SEM圖。從圖中可以得知，引入不同金屬種類，型焦呈現(xiàn)的孔隙結(jié)構(gòu)和粗糙程度不同。線性金屬鐵絲制備的型焦，表面粗糙而且疏松多孔；插入銅絲制備的型焦，表面比較密制孔徑較??；鋁絲耦合微波制備的型焦表面的孔隙結(jié)構(gòu)介于鐵絲和銅絲之間。線性金屬的加入，聚集立體空間微波能誘導(dǎo)到型煤，促進(jìn)熱解反應(yīng)的發(fā)生。

圖3 不同線性金屬耦合微波熱解型煤型焦的SEM圖

2.3 金屬耦合微波熱解型煤對型焦官能團(tuán)的影響

圖4 不同線性金屬耦合微波熱解型煤型焦的FT-IR圖

圖4顯示了型煤在線性金屬長度為10 cm時鐵絲、鋁絲和銅絲強(qiáng)化微波熱解條件下制備型焦的FT-TR圖。可以看出，不同線性金屬的譜圖形態(tài)比較相似，在3 450 cm-1是褐煤中羥基的吸收峰，峰形寬且鈍，說明在熱解過程中羥基發(fā)生了分解，其分解程度為：鐵絲>銅絲>鋁絲。1 600 cm-1附近是芳烴及多環(huán)芳香層的C=C骨架振動，此吸收峰反應(yīng)了煤的芳構(gòu)化結(jié)構(gòu)，隨煤化程度的加深而逐漸減弱。

3 結(jié)束語

(1)線性金屬耦合微波有效的強(qiáng)化了型煤的熱解，加快了熱解反應(yīng)速率。微波加熱整體性的特點(diǎn)與金屬聚集外部空間微波能相結(jié)合，加速揮發(fā)分的析出，利用型焦孔結(jié)構(gòu)形成。

(2)線性金屬的引入，加劇了型煤大分子芳香結(jié)構(gòu)的分解以及含氧官能團(tuán)的釋放。不同金屬能夠調(diào)熱解產(chǎn)品的分布，因不同金屬暴露在微波場中形成不同的活性位點(diǎn)，致使焦油、煤氣和型焦的組分發(fā)生改變。