徐 攀 關(guān)一寧 吳 雷，2 周 軍，2 周晶晶

(1.西安建筑科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，710055 西安；2.陜西省有色資源綠色開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，710055 西安)

0 引 言

煤炭作為我國(guó)的主體能源，具有儲(chǔ)量豐富、種類齊全和分布廣泛等優(yōu)勢(shì)，是社會(huì)民生最為穩(wěn)定的基石資源[1]。但劣勢(shì)在于優(yōu)質(zhì)煤炭資源儲(chǔ)量低，低階煤(褐煤和次煙煤)儲(chǔ)量占煤炭已探明儲(chǔ)量的60%左右[2-3]。除優(yōu)質(zhì)煤炭資源稟賦差外，我國(guó)對(duì)煤炭資源的利用主要以直接燃燒為主，熱解、液化和氣化等清潔、高效利用方式為輔，煤炭資源的總體利用效率偏低[4]。低階煤的低氫碳比導(dǎo)致焦油收率低，重油含量高，在大規(guī)模熱解過(guò)程中存在管道容易堵塞和腐蝕等問(wèn)題，極大地制約了煤炭熱解技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。生物質(zhì)能源具有氫碳比高、總量豐富、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)，其熱解產(chǎn)物生物質(zhì)氣和油可部分替代化石能源，減少化石能源生產(chǎn)過(guò)程中超量的碳排放，有利于助力我國(guó)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的實(shí)現(xiàn)[5]。將低階煤和生物質(zhì)共熱解能夠提高煤的利用效率，可實(shí)現(xiàn)煤炭資源的清潔、高效和低碳利用。因此，低階煤和生物質(zhì)共熱解受到了國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注[6-9]。

在低階煤與生物質(zhì)的共熱解過(guò)程中，由于二者有機(jī)質(zhì)成分差異較大，不同低階煤和生物質(zhì)的化學(xué)組成和組分含量不同，因此，熱解反應(yīng)特性、產(chǎn)品組成和含量也存在差異[10]。GUO et al[11]研究了準(zhǔn)東褐煤和松木屑的共熱解特性，AKINWALE et al[12]研究了低階煤與生物質(zhì)(玉米秸稈和甘蔗渣)配比、熱解溫度和熱解壓力對(duì)共熱解產(chǎn)物分布的影響，WU et al[13]研究了低階煤與綠藻和小球藻共熱解的產(chǎn)物收率變化規(guī)律，HU et al[14]研究了低階煤和生物質(zhì)共熱解過(guò)程中熱解揮發(fā)分與半焦之間的相互影響。以上關(guān)于低階煤與生物質(zhì)共熱解的研究主要集中在常規(guī)熱解和熱解產(chǎn)物特性變化規(guī)律等方面，而對(duì)微波快速共熱解過(guò)程中熱解產(chǎn)物的定量和定性研究相對(duì)較少。

微波加熱技術(shù)因其具有非接觸加熱、加熱速度快、選擇性加熱、均勻加熱等優(yōu)點(diǎn)，較為廣泛地用來(lái)進(jìn)行干燥、熱解[15-17]。ZHANG et al[18]報(bào)道了在微波場(chǎng)效應(yīng)下褐煤與玉米秸稈混合比和熱解溫度對(duì)共熱解焦油收率的影響，研究表明，秸稈添加量和熱解溫度直接影響共熱解焦油收率，隨著秸桿添加量和熱解溫度的增加，共熱解焦油的收率增大。RAJASEKHAR et al[19]研究了微波功率、低階煤與稻殼質(zhì)量比、原料與吸波劑質(zhì)量比對(duì)共熱解產(chǎn)物收率和焦油組成的影響，結(jié)果表明，隨稻殼添加量的增加，焦油的收率呈線性增加，增加的稻殼促進(jìn)了焦油中酚類和甲氧基酚及煤氣中H2和CO氣體的生成。

低階煤與生物質(zhì)的常規(guī)共熱解提質(zhì)研究主要集中在產(chǎn)物特性變化規(guī)律、協(xié)同效應(yīng)和共熱解機(jī)理等方面，而常規(guī)熱解技術(shù)由于熱解加熱速率較慢和熱解效率偏低等問(wèn)題，很難突破其技術(shù)限制，難以顛覆性地解決慢速熱解中焦油收率低或快速熱解中焦油質(zhì)量差等瓶頸。微波獨(dú)特的加熱方式可能會(huì)導(dǎo)致低階煤微波熱解反應(yīng)異于常規(guī)熱解反應(yīng)，其熱解產(chǎn)物特性也極有可能不同于常規(guī)熱解的產(chǎn)物特性。本研究采用正交實(shí)驗(yàn)法探討了微波功率、熱解時(shí)間、玉米芯粒徑和玉米芯添加量對(duì)低階粉煤與玉米芯微波共熱解中焦油收率的影響，對(duì)比分析了低階粉煤、玉米芯單獨(dú)微波熱解和微波共熱解的熱解升溫特性和產(chǎn)物特性，為低階煤和生物質(zhì)微波共熱解技術(shù)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用的低階煤和玉米芯分別采自陜西北部地區(qū)某煤礦和山東德州地區(qū)某農(nóng)田。低階煤和玉米芯分別經(jīng)過(guò)破碎、篩分和干燥后備用，其中，玉米芯粒徑分別為0.177 mm～0.250 mm、0.250 mm～0.420 mm、0.420 mm～0.841 mm和0.841 mm～1.680 mm，低階粉煤粒徑為0.595 mm～0.841 mm。低階粉煤和玉米芯的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

表1 樣品的工業(yè)分析與元素分析

1.2 微波熱解實(shí)驗(yàn)

以焦油收率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用L16(44)(四因素四水平)正交表，研究微波功率(因素A)、熱解時(shí)間(因素B)、玉米芯粒徑(因素C)及玉米芯添加量(因素D)對(duì)低階粉煤與玉米芯微波共熱解的影響。正交實(shí)驗(yàn)的因素水平見(jiàn)表2。

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案的四因素四水平

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)確稱量并記錄液體收集瓶質(zhì)量m1，然后稱取低階粉煤和玉米芯總量為50 g的樣品，混合均勻后裝入內(nèi)徑60 mm、長(zhǎng)600 mm的石英管反應(yīng)器中。連接好循環(huán)冷凝器、液體產(chǎn)物收集瓶、集氣袋以及K型鎧裝熱電偶裝置(如圖1所示)。按照正交實(shí)驗(yàn)表，分別改變微波功率、熱解時(shí)間、玉米芯粒徑和玉米芯添加量等進(jìn)行微波熱解實(shí)驗(yàn)。熱解反應(yīng)結(jié)束后，準(zhǔn)確稱量液體產(chǎn)物收集瓶總質(zhì)量m2，用二氯甲烷沖洗冷凝管，然后用無(wú)水硫酸鈉除去液體產(chǎn)物中的水分，過(guò)濾后低溫蒸餾除去焦油中的二氯甲烷，最后對(duì)熱解產(chǎn)生的焦油和半焦進(jìn)行收集和稱重，并利用式(1)～式(5)計(jì)算產(chǎn)物收率。每組熱解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩次，并以平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以減少實(shí)驗(yàn)誤差。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

(1)

(2)

(3)

w水=w液體產(chǎn)物-w焦油

(4)

w氣體產(chǎn)物=1-w液體產(chǎn)物-w半焦

(5)

式中：w為相應(yīng)右下標(biāo)熱解產(chǎn)物的收率；m為相應(yīng)右下標(biāo)熱解產(chǎn)物的質(zhì)量；m1為實(shí)驗(yàn)前空液體產(chǎn)物收集瓶的質(zhì)量；m2為實(shí)驗(yàn)前空石英管的質(zhì)量。

1.3 產(chǎn)物表征與分析

采用傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)對(duì)焦油和半焦的有機(jī)官能團(tuán)進(jìn)行分析，掃描范圍為500 cm-1～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1。焦油的餾分分布通過(guò)美國(guó)Agilent公司的GC 7890B型氣相色譜模擬蒸餾儀獲得，采用的方法是ASTM D2887。熱解焦油的組分分析采用美國(guó)Agilent公司的GC 7890B-5977B型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)未進(jìn)行。氣相色譜柱為毛細(xì)管柱HP-5 ms(30 mm×0.25 mm×0.25 μm)，載氣為氦氣。將測(cè)試結(jié)果中化合物與數(shù)據(jù)庫(kù)(NIST 2017)比對(duì)進(jìn)行定性分析，其相對(duì)含量由面積歸一化法計(jì)算得到。利用工業(yè)分析儀，參照GB/T 2001-2013和GB/T 28731-2012對(duì)半焦進(jìn)行工業(yè)分析，采用元素分析儀對(duì)半焦元素(C，H，N，S)進(jìn)行了測(cè)試，并用差值計(jì)算了O元素的百分比。在1.6 nm分辨率和5 kV的加速電壓下，采用掃描電子顯微鏡對(duì)半焦的微觀形貌進(jìn)行了表征。原煤樣和三種半焦產(chǎn)品的比表面積和孔徑分布采用北京精微高博科技有限公司JW-BK222型氮吸附儀進(jìn)行測(cè)定。以高純氮?dú)鉃槲浇橘|(zhì)，在溫度-196 ℃下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。氣體產(chǎn)物中主要組分(CO2，CH4，H2，CO和CnHm)含量和熱值由武漢四方科技有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)的Gasboard-3100P型便攜式六組分煤氣分析儀測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)表2中低階粉煤與玉米芯微波共熱解實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，所得的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差分析見(jiàn)表3。從極差R值分析結(jié)果來(lái)看，在所選因素水平范圍內(nèi)，各因素對(duì)熱解焦油收率的影響順序由主到次依次為玉米芯添加量、微波功率、玉米芯粒徑和熱解時(shí)間，其中玉米芯粒徑和熱解時(shí)間對(duì)焦油收率的影響十分接近。結(jié)合K或k值分析可知，隨著玉米芯添加量的增加，焦油收率不斷增加。在玉米芯添加量為40%時(shí)，獲得焦油收率平均值(K2)的最大值。這是因?yàn)橛衩仔竞懈叩膎(H)/n(C)和揮發(fā)分含量，在熱解過(guò)程中產(chǎn)生更多的氫自由基、烷基自由基和羥基自由基等，這些自由基與低階粉煤熱解產(chǎn)生的大分子化合物相結(jié)合，產(chǎn)生更多的焦油[20]。此外，玉米芯灰分中的堿金屬和堿土金屬元素不僅會(huì)促進(jìn)這些自由基的生成，并且還能催化低階粉煤的熱分解反應(yīng)。在本研究范圍內(nèi)，生物質(zhì)對(duì)低階粉煤熱解反應(yīng)的促進(jìn)作用以揮發(fā)分的供氫作用和灰分的催化作用為主。隨著生物質(zhì)添加量的增大，這種促進(jìn)作用也越來(lái)越明顯[21]。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

微波功率作為第二主要影響因素，影響微波共熱解反應(yīng)的加熱速率和熱解終溫[22]。高加熱速率能顯著抑制揮發(fā)物的二次反應(yīng)，有助于氣體產(chǎn)物和焦油的生成[23]；而高熱解終溫則加劇了焦油的二次裂解反應(yīng)，將部分焦油和半焦轉(zhuǎn)化為煤氣，導(dǎo)致焦油收率降低。玉米芯粒徑和熱解時(shí)間對(duì)焦油收率也會(huì)產(chǎn)生影響，但弱于玉米芯添加量和微波功率產(chǎn)生的影響。玉米芯粒徑影響玉米芯熱解時(shí)熱量傳遞速率和揮發(fā)分逸出速率，當(dāng)大粒徑的玉米芯與小粒徑的低階粉煤共熱解時(shí)，原本優(yōu)先于低階粉煤進(jìn)行熱解反應(yīng)的玉米芯，由于粒徑偏大，傳熱和傳質(zhì)受到限制，使得其熱解溫度向高溫區(qū)移動(dòng)，與低階粉煤的熱解溫度區(qū)間重合增大[24]。這樣就導(dǎo)致低階粉煤和生物質(zhì)間的相互作用增強(qiáng)，有利于焦油的生成。焦油收率隨熱解時(shí)間的延長(zhǎng)基本呈上升趨勢(shì)，盡管低階粉煤和玉米芯微波共熱解可在短時(shí)間內(nèi)迅速提高到所需的熱解溫度，但仍需要有足夠的時(shí)間來(lái)完成熱解反應(yīng)。

2.2 微波共熱解特性分析

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，低階粉煤與玉米芯微波共熱解的最優(yōu)工藝條件為：玉米芯添加量40%、微波功率700 W、玉米芯粒徑0.841 mm～1.680 mm和熱解時(shí)間40 min。在此實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)比分析低階粉煤、玉米芯單獨(dú)微波熱解和微波共熱解的熱解溫度特性、熱解產(chǎn)物分布和熱解產(chǎn)物特性。

2.2.1 熱解溫度特性

低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解的溫度變化如圖2所示，三種熱解溫度存在顯著的差異，尤其是在熱解前10 min的變化。低階粉煤微波熱解的溫度先短時(shí)間內(nèi)急速升高到1 000 ℃左右，又逐漸回落，在10 min左右時(shí)，熱解溫度維持在680 ℃左右；玉米芯微波熱解和低階粉煤與玉米芯微波共熱解的溫度變化在升溫前期較為相似，升溫速率均顯著低于低階粉煤微波熱解的升溫速率。在熱解時(shí)間為10 min時(shí)，微波共熱解的溫度達(dá)到最高，約為840 ℃，而此時(shí)玉米芯微波熱解的溫度為720 ℃。三種微波熱解反應(yīng)的熱解終溫由高到低依次為微波共熱解終溫、玉米芯微波熱解終溫和低階粉煤微波熱解終溫。由表1可知，低階粉煤的灰分含量高于玉米芯的灰分含量，而灰分在微波場(chǎng)中受到“熱點(diǎn)效應(yīng)”的作用，迅速升溫，使得低階粉煤整體升溫速率顯著提高[22]。隨著熱解溫度的升高，灰分的介電性能降低，微波能轉(zhuǎn)化為熱能也隨之減少，此時(shí)，低階粉煤微波熱解反應(yīng)體系與環(huán)境之間的吸放熱達(dá)到平衡，從而保持較為穩(wěn)定的熱解終溫[25]。此外，焦油的形成主要集中在400 ℃～600 ℃區(qū)間，而低階粉煤微波熱解在此階段停留時(shí)間最短，這也預(yù)示著玉米芯微波熱解和微波共熱解的焦油收率要高于低階粉煤熱解的焦油收率[26]。

圖2 低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解的升溫變化

2.2.2 熱解產(chǎn)物分布

低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解的產(chǎn)物分布如圖3所示。由圖3可知，玉米芯微波熱解產(chǎn)生的焦油、熱解水和氣體產(chǎn)物的收率均高于低階粉煤微波熱解和微波共熱解反應(yīng)的相應(yīng)產(chǎn)物的收率，而玉米芯微波熱解的半焦收率低于其他微波熱解反應(yīng)的半焦收率。由于玉米芯中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是含有豐富側(cè)鏈的復(fù)雜聚合物，包含有多種含氧官能團(tuán)，如甲氧基、羧基、羰基、醛基和醚基等[27]。這些官能團(tuán)會(huì)隨著熱解溫度的升高而發(fā)生斷裂，形成較多的氣、液體產(chǎn)物。低階粉煤中鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組結(jié)構(gòu)含有較少的含氧官能團(tuán)，揮發(fā)分含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于玉米芯的揮發(fā)分含量。因此，在低階粉煤熱分解時(shí)，氣、液體產(chǎn)物收率較低，而固體產(chǎn)物收率較高。微波共熱解產(chǎn)生的焦油、熱解水、半焦和氣體產(chǎn)物收率分別為8.85%，7.76%，51.22%和32.17%，其中焦油和氣體產(chǎn)物收率較低階粉煤微波熱解產(chǎn)生的焦油和氣體產(chǎn)物收率分別提高了4.7%和8.46%。這是由于在微波共熱解反應(yīng)中，玉米芯中大量的含氧官能團(tuán)在高溫?cái)嗔褧r(shí)為低階粉煤熱解反應(yīng)提供了大量的自由基，這些自由基與煤分子結(jié)合，從而提高了微波共熱解氣體產(chǎn)物和液體產(chǎn)物的收率。

圖3 低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解的產(chǎn)物分布

2.3 熱解產(chǎn)物特性

2.3.1 焦油

圖4 低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解生成的焦油的FTIR譜

低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解生成的焦油的餾分分布和有機(jī)物分布如圖5所示。根據(jù)各焦油組分的沸點(diǎn)，可將焦油劃分為輕油(<170 ℃)、酚油(170 ℃～210 ℃)、洗油(210 ℃～230 ℃)、萘油(230 ℃～300 ℃)、蒽油(300 ℃～360 ℃)及瀝青(>360 ℃)六個(gè)餾分。由圖5a可知，低階粉煤微波熱解生成的焦油組分中萘油、蒽油和瀝青含量較高，其中瀝青含量達(dá)到46.36%，而輕油含量最低，僅為2.3%；玉米芯微波熱解生成的焦油中各組分含量相對(duì)較為均衡，瀝青、輕油和萘油含量相對(duì)較高；微波共熱解生成的焦油中瀝青、萘油和輕油含量相對(duì)較高，分別為30.22%，19.85%和14.19%。與低階粉煤微波熱解的焦油組分相比，玉米芯微波熱解和微波共熱解的焦油組分中輕油含量顯著增高，而瀝青含量顯著降低，這間接證明了玉米芯能促進(jìn)低階粉煤熱解過(guò)程中重質(zhì)油的裂解反應(yīng)，促使更多的輕質(zhì)油組分生成，提高了焦油質(zhì)量[30]。

對(duì)低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解和微波共熱解生成的焦油進(jìn)行GC-MS分析，并對(duì)焦油組分進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5b所示。焦油組分中有機(jī)物組分主要為脂肪烴、芳烴(包括苯類和萘、蒽、菲、茚、芴等的其他芳香類)、酚類、醇類和其他含O、N、S等雜原子化合物(包括吡啶、喹啉、噻吩、呋喃、吲哚、酮、醚)等。由圖5b可知，三種微波熱解體系的焦油中芳烴組分含量最高，均超過(guò)了42%，其次是酚類和其他化合物。與單獨(dú)微波熱解相比，微波共熱解生成的焦油的脂肪烴含量達(dá)到最高(12.62%)，比低階粉煤微波熱解生成的焦油提高了70.77%。這可能是由于玉米芯熱分解時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的揮發(fā)分，這些揮發(fā)分會(huì)不斷沖擊低階粉煤中芳環(huán)側(cè)鏈和橋鍵，從而形成穩(wěn)定的烷烴類脂肪族化合物[31]。微波共熱解的焦油中醇類和其他雜原子化合物的含量均低于低階粉煤和玉米芯微波熱解的焦油中相應(yīng)物質(zhì)的含量，尤其是雜原子化合物較低階粉煤微波熱解的焦油中雜原子化合物含量降低了7.09%。這進(jìn)一步說(shuō)明玉米芯可促使微波共熱解焦油中高附加值化工產(chǎn)品的生成，有利于焦油中雜原子的分離和高品質(zhì)焦油的生成，從而實(shí)現(xiàn)了微波共熱解的焦油的輕質(zhì)化和高品質(zhì)化。

圖5 低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解生成的焦油的餾分分布和有機(jī)物分布

2.3.2 半焦

低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解生成的半焦的工業(yè)分析和元素分析如表4所示。由工業(yè)分析可知，玉米芯微波熱解生成的半焦的水分和揮發(fā)分含量最高，灰分和固定碳含量最低，而微波共熱解有效地降低了玉米芯熱解半焦的水分和揮發(fā)分含量，玉米芯中的揮發(fā)分更多地參與到低階粉煤熱分解反應(yīng)中，使得氣、液體產(chǎn)物收率顯著提高。由元素分析可知，微波共熱解生成的半焦的氫元素含量最低，玉米芯微波熱解生成的半焦的氫元素含量最高，同時(shí)，微波共熱解生成的半焦的氧元素含量明顯降低，說(shuō)明了玉米芯為微波共熱解反應(yīng)提供了更多的氫，使得裂解反應(yīng)、焦油二次裂解反應(yīng)和半焦二次反應(yīng)更加充分，從而生成了較多的熱解水和焦油，焦油品質(zhì)也得到了提升。

表4 低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解生成的半焦的工業(yè)分析和元素分析

圖6 低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解生成的半焦的FT-IR譜

低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解生成的半焦的微觀形貌如圖7所示。由圖7可知，與原煤微觀形貌相比，低階粉煤微波熱解生成的半焦表面產(chǎn)生了較多的裂紋，并且有許多小顆粒負(fù)載在半焦表面。玉米芯微波熱解生成的半焦呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)，孔壁粗糙，部分孔與孔之間相互交聯(lián)。微波共熱解生成的半焦表面粗糙，呈現(xiàn)出溝壑形貌，也存在較多的孔結(jié)構(gòu)。在玉米芯熱分解過(guò)程中，大量的揮發(fā)分逸出，在玉米芯表面形成豐富的孔結(jié)構(gòu)，而在共熱解過(guò)程中，低階粉煤中膠質(zhì)體的縮聚導(dǎo)致孔洞的塌陷，從而使得孔洞結(jié)構(gòu)變成了溝壑結(jié)構(gòu)。其次，玉米芯的揮發(fā)分與低階粉煤進(jìn)行反應(yīng)，會(huì)“侵蝕”孔洞結(jié)構(gòu)，造成微波共熱解生成的半焦表面形貌多樣且粗糙[34-35]。

圖7 低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解生成的半焦的SEM照片

2.3.3 氣體產(chǎn)物

低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解氣體產(chǎn)物的主要組分含量如表5所示。由表5可知，三種微波熱解體系的氣體產(chǎn)物中，低階粉煤微波熱解生成的H2和CH4含量最高，分別為36.83%和17.24%，玉米芯微波熱解的氣體產(chǎn)物中CO含量最高，為32.41%。當(dāng)在低階粉煤微波熱解中加入40%的玉米芯，微波共熱解反應(yīng)沒(méi)有顯著影響氣體產(chǎn)物的質(zhì)量，熱值略低于低階粉煤微波熱解的熱值，氣體產(chǎn)物中有價(jià)氣體組分總量不降反升，略高于低階粉煤微波熱解的有氣體組分總量[36]。微波共熱解的氣體產(chǎn)物中，CO2含量的增加是由共熱解過(guò)程中玉米芯灰分中的大量堿金屬和堿土金屬對(duì)焦油中羧基的催化分解作用引起的。低階粉煤和玉米芯分解產(chǎn)生的揮發(fā)分與半焦的交聯(lián)反應(yīng)也可能促成CO2的形成，說(shuō)明微波共熱解過(guò)程促進(jìn)了半焦的脫氧反應(yīng)(脫羧反應(yīng)、脫羰反應(yīng))，這也解釋了微波共熱解的半焦中氧含量減少的原因。CH4和CO含量降低可能是共熱解過(guò)程中半焦促進(jìn)了CH4的催化重整反應(yīng)和CO氧化反應(yīng)造成的，微波共熱解的熱解水含量增加也間接證明了這一推測(cè)。

表5 低階粉煤和玉米芯單獨(dú)微波熱解及微波共熱解氣體產(chǎn)物的主要組分含量

3 結(jié) 論

1) 本實(shí)驗(yàn)研究條件下，正交實(shí)驗(yàn)因素對(duì)焦油收率的影響順序從主到次依次為玉米芯添加量、微波功率、玉米芯粒徑和熱解時(shí)間。當(dāng)功率為700 W、熱解時(shí)間為40 min、玉米芯粒度為0.841 mm～1.680 mm，玉米芯添加量為40%時(shí)，低階粉煤和玉米芯微波共熱解產(chǎn)生的焦油收率達(dá)到最大，為8.85%。

2) 與低階粉煤微波熱解相比，微波共熱解的焦油收率提高了4.7%。焦油中輕油、酚油和洗油組分含量有所提高，分別提高了11.89%，5.43%和4.08%，焦油中醇類和雜原子化合物均有所降低，實(shí)現(xiàn)了微波共熱解的焦油的輕質(zhì)化和高品質(zhì)化。

3) 與低階粉煤微波熱解相比，微波共熱解氣體產(chǎn)物收率提高了8.46%。氣體產(chǎn)物中有價(jià)氣體組分總量和氣體熱值分別為75.44%和14.18 MJ/m3，與低階粉煤微波熱解的相應(yīng)值相差不大。微波共熱解在保證了氣體產(chǎn)物質(zhì)量的同時(shí)又提高了氣體產(chǎn)物收率。