梁 坤 周 軍， 吳 雷 周晶晶 張秋利， 宋永輝 蘭新哲

(1.西安建筑科技大學化學與化工學院，710055 西安；2.陜西省冶金工程技術(shù)研究中心，710055 西安；3.西安建筑大學冶金工程學院，710055 西安)

0 引 言

煤炭資源是人類最主要的礦產(chǎn)資源，其最直接的利用方式是直接燃燒發(fā)電，然而，這種直接利用方式會造成嚴重的生態(tài)環(huán)境破壞[1]。因此，煤炭資源的高效清潔利用成為當下能源研究的重點內(nèi)容之一[2-3]。低變質(zhì)煤微波熱解技術(shù)是微波技術(shù)與煤熱解技術(shù)相結(jié)合的一種新型高效熱解技術(shù)，具有加熱速度快、選擇性加熱、控制簡單、安全環(huán)保等優(yōu)點[4-6]。雖然已有較多學者對煤的微波熱解進行了大量實驗研究，但研究工作多集中在熱解產(chǎn)物收率及特性方面，對微波爐腔體內(nèi)的電場和煤樣的溫度場分布的變化研究較少。微波腔體中電磁場分布是煤微波熱解爐設(shè)計的關(guān)鍵，直接關(guān)系到微波熱解爐的工業(yè)開發(fā)應(yīng)用[7]，而煤樣的溫度場分布直接影響微波熱解的能效[8]。數(shù)值模擬是一種可視化和量化的技術(shù)，借助計算機模擬，能夠減少大量的中間試驗，尋找最佳的操作參數(shù)，達到過程優(yōu)化的目的[9-11]。CHEN et al[12]模擬了塊狀橡膠的微波加熱行為，研究了微波頻率、功率和樣本大小對溫度場分布的影響。結(jié)果表明，微波頻率、功率和樣本大小都對溫度場分布存在影響，且在微波頻率為2.45 GHz時，加熱效率最高。塊狀橡膠內(nèi)外溫差隨著功率的增加而增大；減小樣品尺寸，溫度分布更加均勻，但微波加熱效率降低。ARSHAD et al[13]使用COMSOL軟件模擬預(yù)測了空果束的微波加熱行為，研究了生物質(zhì)裝載高度、生物質(zhì)形狀對溫度和電場分布的影響，并對熱點位置進行了預(yù)測。研究發(fā)現(xiàn)，終點溫度很大程度上取決于樣品的裝載高度，模擬出的熱點位置和實驗觀察到的位置幾乎一致。

目前，有關(guān)煤微波熱解數(shù)值模擬的研究較少，在僅有的研究中，研究者通常也將煤樣的熱容、介電系數(shù)及煤樣化學反應(yīng)熱等關(guān)鍵影響因素簡化為定值，使得模擬結(jié)果的準確性受到一定的影響[14]。筆者在煤樣的TG-DSC分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，耦合電磁傳熱模型，研究了微波功率、熱解時間和煤樣位置對微波爐腔體內(nèi)電場和煤樣的溫度場分布的影響，得出了數(shù)值模擬的最優(yōu)工藝條件，并在此工藝條件下進行了低變質(zhì)煤微波熱解實驗研究。此模型考慮了煤樣化學反應(yīng)熱對電場和溫度場分布的影響，為探索微波熱解爐工業(yè)化放大難題的解決提供了新的研究思路。

1 模型建立及實驗過程

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

基于COMSOL Multiphysics模擬軟件對微波熱解裝置建立幾何模型，如圖1所示。波導為矩形端口，位于爐腔左側(cè)，爐腔和波導由銅制成，內(nèi)部充滿空氣(零介電損耗)，圓柱形煤樣位于腔體中心位置。為了減小計算機運行負擔，采用了對稱模型。詳細的幾何參數(shù)如表1所示。

圖1 微波加熱幾何模型Fig.1 Geometric model of microwave heating

表1 模型幾何參數(shù)Table 1 Model geometry parameters

對建立的幾何模型進行有限元網(wǎng)格劃分，并對有限元網(wǎng)格劃分進行質(zhì)量計算，如圖2所示。幾何模型是由9 141個域單元、161個邊界單元和22個頂點單元組成的完整網(wǎng)格，劃分的網(wǎng)格元素中95%以上都滿足質(zhì)量大于0.6的要求。因此，模擬計算結(jié)果是可靠的，可以計算出準確的模擬結(jié)果[15]。

計算過程在Intel Core i7-9750H，3.40 GHz處理器，16 GB RAM內(nèi)存和64位Windows 10 Enterprise操作系統(tǒng)的計算機上進行，模擬軟件為COMSOL Multiphysics 5.4版本。

1.2 控制方程

1.2.1 電磁場

電磁場的計算運用麥克斯韋方程組進行精準求解，計算方程如式(1)所示。

圖2 幾何模型有限元網(wǎng)格Fig.2 Geometric model finite element mesha—Mesh map；b—Mesh quality map

(1)

式中：μ為介質(zhì)磁導率，H/m；E為電場強度，V/m；ω為電磁波角頻率；ε0為真空介電常數(shù)，8.85×10-12F/m；εr為相對介電系數(shù)；k0為自由空間電磁波波數(shù)；j為電流密度，A/m2；σ為電導率，S/m。

1.2.2 傳熱方程

傳熱只在煤樣區(qū)域進行求解。利用傅立葉能量平衡方程對微波場中的熱傳遞進行計算，計算方程如式(2)所示。

(2)

式中：ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；Cp為介質(zhì)熱容，J/(kg·K)；t為時間，s；k為介質(zhì)熱導率，W/(m2·K)；u為速度向量，m/s；T為溫度，K；Q為供給煤樣升溫的總熱量，J。

根據(jù)JERZY et al[16]對煤熱解過程的熱容變化研究結(jié)果，將Cp定義為式(3)的溫度函數(shù)，引入計算模型。

Cp=1.01+4.19×10-3×T-2.01×10-6×
T2-5.63×10-9×T3+3.85×10-2×T4

(3)

式中：T為溫度，K。

計算過程中，將煤樣熱解發(fā)生反應(yīng)消耗的熱量及熱解氣逸出帶走的熱量定義為Qloss，在計算煤樣溫度變化時，應(yīng)從微波熱源所提供的總能量中減去該部分熱量。Qloss可根據(jù)熱失重實驗過程中獲取的DSC差熱曲線進行函數(shù)擬合得到，如圖3所示。擬合后Qloss計算如式(4)所示，將方程式引入計算模型。

圖3 DSC差熱分析擬合函數(shù)曲線Fig.3 DSC differential thermal analysis fitting function curve

(4)

式中：T為溫度，K。

1.3 邊界條件

對于電磁場，波腔和波導的壁被定義為阻抗邊界條件并在頻域中求解，計算方程如式(5)所示。

(5)

式中：n為折射率，單位為1。

對稱邊界被描述為完美磁導體，如式(6)所示。

n×H=0

(6)

式中：H為磁場強度，A/m。

端口邊界由橫向電波激發(fā)，端口為矩形，頻率為2 450 MHz，在TE10(m=1，n=0)模式下運行，計算方程如式(7)和式(8)所示。

(7)

(8)

式中：β為傳播常數(shù)；c為傳播速度，m/s；v代表微波頻率；vc為截止頻率；c′為電磁波在波導中的傳播速度，m/s；m和n是模式編號；a和b表示矩形橫截面的長度，m。

熱絕緣邊界條件是指在邊界上沒有熱流，計算方程如式(9)所示。

(9)

1.4 實驗過程

實驗所用煤樣為陜西北部某低變質(zhì)煤，其工業(yè)分析及元素分析見表2。稱取50 g低變質(zhì)煤樣，放入石英反應(yīng)器中，根據(jù)實驗條件連接測試儀表及石英反應(yīng)器放置位置(以煤樣處于微波爐腔體中心位置為0 cm位置，依次水平靠近波導以3 cm增幅點分別記為-3 cm位置、-6 cm位置、-9 cm位置，依次水平遠離波導以3 cm增幅點分別記為+3 cm位置、+6 cm位置、+9 cm位置)，連接完成后檢測裝置的氣密性，并將反應(yīng)器及管路內(nèi)氣體排空。設(shè)置實驗所需微波功率，開始熱解實驗，達到設(shè)定的熱解時間后自動停止加熱，待反應(yīng)器冷卻至室溫。反應(yīng)結(jié)束后，稱量石英反應(yīng)器(含有固體產(chǎn)物)質(zhì)量和冷凝裝置下集液瓶(含有液體產(chǎn)物)質(zhì)量并記錄，利用差重法計算固、液產(chǎn)物產(chǎn)量和收率，液體產(chǎn)物利用有機溶劑和無水硫酸鈉進行油水分離，氣體產(chǎn)物用氣體分析儀進行分析檢測。低變質(zhì)煤微波熱解產(chǎn)物收率計算公式如式(10)～式(14)所示。

表2 實驗用煤樣的工業(yè)分析與元素分析(%1))Table 2 Proximate and ultimate analysis of coal(%1))

1) Mass fraction; 2) By difference.

ms=m1-m2

(10)

(11)

mL=m3-m4

(12)

(13)

(14)

式中：m0為原煤質(zhì)量，g；m1為熱解結(jié)束后石英反應(yīng)器(含有固體產(chǎn)物)質(zhì)量，g；m2為空石英反應(yīng)器質(zhì)量，g；m3為熱解結(jié)束后集液瓶(含有液體產(chǎn)物)總質(zhì)量，g；m4為熱解前空集液瓶總質(zhì)量，g；m5為油水分離后焦油質(zhì)量，g；ms為固體產(chǎn)物產(chǎn)量，g；ws為固體產(chǎn)物收率，%；mL為液體產(chǎn)物產(chǎn)量，g；wL為液體產(chǎn)物收率，%；wtar為焦油收率，%。

微波熱解模擬部分采用單因素實驗法，分別研究微波功率(280 W,420 W,560 W,700 W)、熱解時間(100 s,200 s,400 s,1 800 s)和煤樣位置(0 cm，±3 cm，±6 cm和±9 cm)對微波爐腔的電場分布和煤樣的溫度場分布的影響，確定出低變質(zhì)煤微波熱解模擬最優(yōu)實驗條件，并在模擬最優(yōu)工藝條件下進行低變質(zhì)煤微波熱解實驗，通過模擬升溫曲線與熱解實驗升溫曲線的對比，以驗證數(shù)值模擬的準確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 微波功率對微波爐腔體內(nèi)電場和煤樣溫度場分布的影響

在四種功率下的模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4a可以看出，在微波爐腔體內(nèi)，四種微波功率均出現(xiàn)了7處強電場分布區(qū)域，其中6處以爐體中心為界呈對稱分布，并且越靠近波導位置，電場強度越強。隨著微波功率的增大，微波腔體中電場分布位置沒有明顯的變化，但強度隨微波功率的增大而增大。當微波功率從280 W增加到700 W時，靠近波導的電場強度從約4.2×104V/m增加到約6.5×104V/m，增加了約1.55倍。煤樣在微波場中吸收微波能轉(zhuǎn)化為熱能，而溫度又是熱能的直觀表現(xiàn)形式。煤樣的溫度分布如圖4b所示，煤樣的高溫區(qū)主要集中在煤樣的右上部分，并朝煤樣左下部分逐漸降低。這是因為煤樣處在微波爐腔中心位置時，其右上部分處于+3 cm位置的強電場輻射范圍內(nèi)，而左下部分距離較強電場分布區(qū)域較遠，因此導致煤樣中溫度分布不均勻。煤樣溫度分布呈羽狀分布，且隨著微波功率的增大，羽狀面積逐漸增大。當微波功率為700 W時，煤樣溫度的羽狀分布面積達到煤樣切面的80%以上，大部分羽狀區(qū)域溫度超過800 ℃。微波功率增大使得微波爐腔體內(nèi)電場增強，增大了煤樣在微波場中的吸波放熱，從而導致煤樣溫度分布增大，溫度整體升高。在本研究中，微波功率為700 W時，煤樣的高溫區(qū)域面積最大，熱解終溫最好，因此，選擇微波功率700 W為低變質(zhì)煤微波熱解的較優(yōu)微波功率。

圖4 不同功率下電場和溫度場分布Fig.4 Distribution of electric field and temperature field at different powersa—Electric field；b—Temperature field

2.2 熱解時間對微波爐腔體內(nèi)電場分布和煤樣溫度場分布的影響

在微波功率700 W，煤樣處于微波爐腔體中心位置(0 cm)的條件下，研究熱解時間對微波爐腔體內(nèi)的電場分布和煤樣的溫度分布的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5a可知，當微波熱解時間從100 s增加到1 800 s時，微波爐腔體內(nèi)的電場分布和強度幾乎沒有變化，都出現(xiàn)了6處呈對稱分布的強電場，強電場的強度約為6.5×104V/m。微波功率、微波腔體、腔體內(nèi)吸波物質(zhì)等因素會影響微波爐腔內(nèi)電場分布特性，而微波熱解時間只是影響微波熱解的一個因素，因此，熱解時間對電場分布特性幾乎沒有影響，但對煤樣溫度分布影響十分明顯。由圖5b可以看出，煤樣的溫度分布主要集中在煤樣的右上部分，但隨著熱解時間延長，溫度分布范圍越來越大，溫度也越來越高。從熱解時間100 s增加到400 s時，煤樣的最高溫度從730 ℃升高到1 100 ℃。正如前文所述，煤樣的溫度分布主要是熱解反應(yīng)熱和煤樣吸波轉(zhuǎn)化熱造成的。雖然煤樣所在微波腔體內(nèi)電場強度沒有變化，但熱解反應(yīng)隨著熱解時間的增加而越發(fā)劇烈，因此，延長熱解時間對煤樣溫度的分布和高低影響十分明顯。當微波熱解時間增加到1 800 s時，煤樣的溫度分布與熱解時間400 s時的溫度分布和最高溫度相似，但整體溫度略低于400 s時的溫度。為了使微波熱解充分反應(yīng)，結(jié)合之前的研究經(jīng)驗，選擇微波熱解時間1 800 s為最優(yōu)的微波熱解時間。

圖5 不同熱解時間下電場和溫度場分布Fig.5 Distribution of electric field and temperature field at different pyrolysis timea—Electric field；b—Temperature field

2.3 煤樣位置對微波爐腔體內(nèi)電場分布和煤樣溫度分布的影響

當微波功率為700 W，熱解時間為1 800 s，煤樣處于0 cm，±3 cm，±6 cm和±9 cm七個位置時微波爐腔的電場分布和煤樣的溫度分布如圖6所示。由圖6a可以清晰看出，當改變煤樣位置時，微波爐腔中的電場分布和強度也會隨之發(fā)生變化。當煤樣處于-9 cm位置時，除波導位置外，微波爐腔內(nèi)電場沒有出現(xiàn)較強的分布區(qū)域，這可能是由于煤樣太靠近波導，除小部分微波被煤樣吸收，大部分微波被煤樣阻擋反射，導致微波爐腔內(nèi)其他地方電場分布強度較弱。當煤樣處于-6 cm位置時，微波爐腔體內(nèi)在-9 cm位置出現(xiàn)了一個強電場分布區(qū)域，強電場分布區(qū)域中心位置強度約為1.5×104V/m，其他區(qū)域電場強度較煤樣處于-9 cm時電場分布均勻，電場強度也有所增強。當煤樣處于-3 cm位置時，微波爐腔內(nèi)明顯出現(xiàn)了6個強電場分布區(qū)域，且呈對稱分布形態(tài)，與煤樣處于-6 cm位置相似，同樣在電場分布區(qū)域-9 cm靠左位置出現(xiàn)了最強電場，電場強度約為1.1×105V/m，較煤樣處于-6 cm位置時相同位置的電場強度提高了一個數(shù)量級。其他位置的電場強度增強，強電場分布區(qū)域面積增大、形狀規(guī)則。 當煤樣處于0 cm位置時，與煤樣位置處于-3 cm最強電場相同，微波爐腔體內(nèi)出現(xiàn)6處強電場分布區(qū)域，最強電場分布區(qū)域在-9 cm位置；與之不同的是，強電場分布區(qū)域面積增大，但電場強度有所降低，最強電場區(qū)域的最大電場強度約為6.2×104V/m。當煤樣處于+3 cm位置時，微波爐腔體內(nèi)強電場分布區(qū)域數(shù)量上與之前一樣，存在6個強電場分布區(qū)域，但不同的是，強電場分布區(qū)域位置有所差異，從之前的豎向分布變?yōu)闄M向分布，分布區(qū)域面積有所減小，但強電場分布區(qū)域的電場強度較為均勻。當煤樣處于-6 cm和-9 cm時，強電場分布區(qū)域較為相似，分布區(qū)域位置大致在一條線上，形狀無規(guī)則，也均在-9 cm靠左位置出現(xiàn)了最強電場分布區(qū)域，最強電場分別約為3.5×104V/m和5.2×104V/m。從電場分布和強度來看，當煤樣位置處于-3 cm到+3 cm時，微波爐腔內(nèi)強電場分布呈規(guī)則對稱分布，強電場分布區(qū)域面積較大，電場強度也較高，尤其是煤樣處于-3 cm位置。

由圖6b可以看出，煤樣位置顯著影響了煤樣的溫度分布，這是因為煤樣位置影響電場分布和強度，而電場變化又直接影響煤樣的吸波轉(zhuǎn)化熱。當煤樣處于-9 cm位置時，煤樣溫度分布主要集中在煤樣的左側(cè)中心位置，呈核殼型分布，中心最高溫度為590 ℃，由電場分布圖可知，煤樣左側(cè)處在一個弱電場分布區(qū)域，因此，煤樣的溫度集中在左側(cè)位置。當煤樣位置處于-6 cm時，煤樣的溫度分布區(qū)域面積增大，呈圓環(huán)型分布，整體溫度較高，最高溫度達到860 ℃，但煤樣中心位置溫度較低，僅約為470 ℃，與煤樣左側(cè)的最高溫相差近400 ℃。由電場分布圖同樣可以看出，煤樣在-6 cm位置時，煤樣左側(cè)處在一個強電場分布區(qū)域，而右側(cè)處在一個弱電場分布區(qū)域，因此，煤樣溫度分布呈圓環(huán)型分布，且煤樣左側(cè)溫度高于右側(cè)溫度。當煤樣處于-3 cm位置時，煤樣的溫度分布最為均勻，溫度也最高，煤樣整體溫度約在1 000 ℃。盡管煤樣在-3 cm時，煤樣整體處于強電場的邊緣區(qū)域和弱電場區(qū)域，但強電場邊緣區(qū)域和弱電場區(qū)域的電場強度分別約為6×104V/m和2.5×104V/m，均高于煤樣處于-6 cm位置時的電場強度，這也導致了煤樣溫度高于之前所處位置煤樣溫度，溫度分布也較為均勻。前文已經(jīng)介紹了煤樣處在中心(0 cm)位置的微波爐腔體的電場分布和煤樣溫度分布變化規(guī)律和原因，此處不再重復(fù)介紹。當煤樣處在+3 cm位置時，煤樣溫度分布主要在煤樣的底部，此處煤樣的最高溫度只有約530 ℃。對照此處電場分布可知，煤樣處在+3 cm位置時，沒有處于任何強電場區(qū)域，此處的煤樣吸波轉(zhuǎn)化熱較低。當煤樣處于+6 cm位置時，煤樣溫度分布主要集中在煤樣上半部，分布較為均勻，最高溫度到達940 ℃。當煤樣處于+9 cm位置時，煤樣分布在左上部區(qū)域，但由于所處位置遠離強電場分布區(qū)域，煤樣整體溫度較低。由以上分析可知，煤樣作為弱吸波介質(zhì)，會使微波爐腔體內(nèi)的電場分布發(fā)生改變，當煤樣處于強電場分布區(qū)域時，煤樣的溫度分布均勻，最高溫度較高。因此，選擇煤樣處于-3 cm位置為低變質(zhì)煤的最優(yōu)熱解反應(yīng)位置。

圖6 不同煤樣位置下電場和溫度場分布Fig.6 Distribution of electric field and temperature field at different coal sample locationsa—Electric field；b—Temperature field

2.4 實驗驗證及產(chǎn)物分析

為了保證模擬的準確性，在微波功率700 W，加熱時間30 min，煤樣位置處于-3 cm位置的條件下，對低變質(zhì)煤微波熱解的模擬熱解溫度進行了驗證實驗，實驗采用與模擬模型相同尺寸的實驗裝置，結(jié)果見圖7。如圖7所示，模擬熱解溫度曲線較實際測得熱解溫度曲線平滑，沒有出現(xiàn)溫度波動，在熱解升溫階段，模擬熱解溫度曲線與實際熱解溫度曲線吻合度較高，但熱解終溫存在差異，模擬終溫均高于實際監(jiān)測終溫。在煤樣熱解溫度的升高過程中，煤樣放出的熱量主要由煤樣熱解的化學熱和煤樣吸波的轉(zhuǎn)化熱構(gòu)成，在熱解升溫過程中，煤樣熱解的化學熱起主要作用，但隨著化學反應(yīng)的完成，煤樣吸波的轉(zhuǎn)化熱逐漸發(fā)揮作用。然而，隨著熱解溫度的增高，煤樣的介電損耗正切值呈現(xiàn)先增大后減小的變化，而本模型主要考慮了化學反應(yīng)熱，假定煤樣的介電損耗是一個常數(shù)，因此，出現(xiàn)了升溫階段實驗和模擬吻合度較高，而熱解終溫存在差異。在接下來的研究中將進一步修正模型，考慮煤樣介電損耗與熱解溫度的關(guān)系，以進一步優(yōu)化模型。

圖7 實驗升溫曲線和模擬升溫曲線Fig.7 Experimental and simulated heating curves

對低變質(zhì)煤微波熱解最優(yōu)條件(模擬所得)產(chǎn)物進行了較為詳細的表征與分析。利用差量法計算微波熱解四種產(chǎn)物的收率，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，低變質(zhì)煤在微波場中吸收微波能，轉(zhuǎn)化為熱能，發(fā)生了熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生了蘭炭、熱解水、焦油和煤氣等產(chǎn)物，其收率分別為70.25%，5.31%，3.99%和20.45%。在微波熱解過程中，熱解水是由結(jié)合水、吸附水和反應(yīng)生成水三部分組成，其中反應(yīng)生成水占主要部分。表3所示為蘭炭的工業(yè)分析和元素分析，與表2中數(shù)據(jù)對比可知，蘭炭中灰分增大，而揮發(fā)分顯著降低，這是由于煤中灰分在高溫熱解過程后，依然存在于固體產(chǎn)物蘭炭中，而揮發(fā)分由于高溫作用從煤中逸出，造成了蘭炭中灰分占比增大，而揮發(fā)分占比減少。蘭炭的SEM照片(見圖9)也能證明這一說法。由圖9可以看出，蘭炭表面存在大小不一的孔洞和裂紋，這些孔洞和裂紋就是揮發(fā)分、煤氣和煤焦油氣在逸出過程造成的。蘭炭中氫元素和氧元素顯著降低，是由于在微波熱解過程中，煤中的氫元素由于高溫和微波作用，產(chǎn)生了大量的自由氫，自由氫在熱解過程中發(fā)生加氫熱解反應(yīng)，使得煤中的羥基、羰基等含氧官能團斷裂，生成了焦油、熱解水和煤氣。

圖8 低變質(zhì)煤微波熱解產(chǎn)物分布Fig.8 Distribution of microwave pyrolysis products of low-rank coal

表3 蘭炭的工業(yè)分析與元素分析(%1))Table 3 Proximate and ultimate analysis of bluecoke(%1))

1) Mass fraction; 2) By difference.

圖9 固體產(chǎn)物蘭炭的SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM image of solid product bluecoke

按照焦油中單個成分的碳原子數(shù)，將焦油成分劃分為三類：碳原子數(shù)小于10的成分稱為輕質(zhì)油，碳原子數(shù)在10～20之間的成分稱為中質(zhì)油，碳原子數(shù)大于20的成分稱為重油。微波熱解所得焦油的組成見圖10。由圖10a可知，低變質(zhì)煤微波熱解的焦油成分組成十分復(fù)雜，焦油中大部分成分在15 min～38 min被檢測出來，也就是說焦油中的主要組分是輕質(zhì)油和中質(zhì)油。對GC-MS分析的焦油組分進行統(tǒng)計分類，如圖10b所示。焦油中輕質(zhì)油、中質(zhì)油和重油成分分別占37.43%，59.58%和2.99%，輕質(zhì)油和中質(zhì)油的質(zhì)量分數(shù)占焦油總量的97.01%，統(tǒng)計結(jié)果與GC-MS光譜一致。低變質(zhì)煤微波熱解煤氣組分如表4所示，煤氣中氫氣體積分數(shù)達到35.65%，甲烷體積分數(shù)達到17.37%，這兩種“富氫”氣體體積分數(shù)占煤氣總體積的53.02%，高價值氣體總量超過了70%，煤氣的熱值約為14.70 MJ/m3。

圖10 微波熱解所得焦油組成Fig.10 Composition of tar from microwave pyrolysisa—GC-MS spectra；b—Classification of tar components

表4 微波熱解所得煤氣的主要成分Table 4 Main components in gas from microwave pyrolysis

3 結(jié) 論

1) 在構(gòu)建模型時考慮了煤樣熱容和煤樣化學反應(yīng)熱的影響，模擬結(jié)果與實驗吻合度較高。

2) 微波功率和煤樣位置對腔體內(nèi)電場和煤樣溫度場分布影響十分明顯，而熱解時間對電場分布影響較小，對煤樣溫度分布影響較大。微波腔體中電場強度、煤樣的升溫速率和熱解終溫都隨微波功率的增大而增大。當煤樣處于-3 cm位置時，微波爐腔體內(nèi)電場分布較為均勻，電場強度較高，煤樣的溫度分布較為均勻，處于高溫區(qū)的面積最大。

3) 模擬的最優(yōu)低變質(zhì)煤微波熱解條件為：微波功率700 W、熱解時間1 800 s和煤樣處于-3 cm位置。在此條件下進行煤的熱解實驗，其產(chǎn)物蘭炭、焦油、熱解水和煤氣的收率分別為70.25%，3.99%，5.31%和20.45%，其中，焦油中輕質(zhì)油含量為37.43%，煤氣中“富氫”氣體組分含量為53.02%。