低阶煤对微波的介电响应研究

低阶煤对微波的介电响应能力决定了其使用微波加热的可行性及经济效益。根据微波在电介质中的传播规律,推导出了微波能利用效率与复相对介电常数的量化关系式,以及描述微波能利用效率的两个重要参数:微波吸收系数和介质损耗平均功率密度。以四种低阶煤为对象,研究了煤炭性质和煤种对微波介电响应的影响,探讨了介电响应参数与微波加热升温特性的关系。结果表明,在微波频率一定和温度变化不大的条件下,电介质的微波吸收系数和介质损耗平均功率密度只受其本身性质的影响;适量水分及硫铁矿有助于促进低阶煤对微波的介电响应,与渗透深度相当(或小于)的粒径对微波介电响应的影响不大。低阶煤对微波的介电响应参数可以合理解释对低温阶段的升温特性,并预测此阶段的升温趋势,介电响应参数对煤种、热解工艺、设备的选择具有重要指导意义。

低阶煤微波辅助热提质研究进展

微波热处理技术具有快速均匀、选择性加热和操作灵活、安全环保的优势,为实现低阶煤的清洁高效利用提供了新途径。从低阶煤的微波辅助干燥提质和热解提质出发,综述了低阶煤对微波的介电响应特性,梳理了影响低阶煤微波干燥提质过程的因素,阐述了微波干燥提质对低阶煤品质和理化性质的作用规律,不同工艺条件对低阶煤微波热解提质的影响以及引入吸波剂和催化剂对强化低阶煤微波热解提质的作用特性。结果表明:低阶煤中的水分和矿物含量是影响其介电损耗能力的主要因素,内在水分对微波的快速响应有利于实现微波对低阶煤的快速干燥提质。微波加热干燥有效提升了低阶煤固定碳含量和燃烧热值,内在水分被优先加热发生快速迁移可促进孔隙结构形成进而增强了其可磨性,极性含氧官能团在微波诱导下易发生分解有助于抑制低阶煤的自燃倾向。相比常规热解,微波辅助低阶煤热解提质表现出加热速率快、热解效率高、焦油轻质组分丰富以及合成气产量高的优势。微波功率、辐射时间、热解终温和反应气氛是影响低阶煤微波热解提质的主要因素,基于目标导向的热解工艺参数优化是实现低阶煤高效分级分质利用的核心。利用吸波剂和催化剂充分强化低阶煤微波热解提质,有利于提高微波能利用率、加深煤热解程度、定向调控产物分布以及改善热解产物品质。此外,微波辅助低阶煤和生物质、油页岩和废塑料等富氢物质进行共热解,能够增强焦油向轻质化的转变以及提升有效气体收率,是实现低阶煤清洁高效梯级利用的重要发展方向。

微波辅助铁催化华夏煤热解及煤焦结构演变特性

微波热处理技术以其独特的快速均匀、选择性加热方式为基于热解转化的煤炭清洁高效利用提供了新途径。为研究微波辅助兼具催化活性和介电响应的Fe基催化剂对低阶煤热解升温和热失重特性、气体析出规律以及煤焦介电性能和碳微晶结构演变行为的影响,在微波管式热解炉上对华夏低阶煤进行了不同辐射时间下的Fe催化热解实验。借助矢量网络分析仪,N_(2)-吸附,FTIR,XRD,Raman和同步热分析仪等表征了煤焦物化性质。结果表明:引入Fe催化剂能够充分强化热解挥发分在5~15 min内的深度释放使得煤样呈现出更为明显的热失重。微波优先被Fe催化剂损耗可有效促进活性位点的生成,进而高效诱发了煤大分子官能团热裂解反应的发生,连续辐射5 min即可明显促进H_(2)和CO的快速生成,最终使得合成气产量由煤单独热解的198 mL/g显著提高至370 mL/g。煤微波辅助热解过程中Fe催化剂的引入有效抑制了煤焦芳香碳层的横向内部生长和纵向堆垛,进而显著提升了碳微晶不规整度以及丰富了碳骨架中的缺陷结构,有助于大幅提升煤焦气化反应速率使其气化反应指数增加4~5倍。Fe催化作用下挥发分的快速释放以及金属氧化物的生成充分强化了煤焦以热能形式耗散微波能的能力,进而使其介电损耗因子ε″_(r)在辐射10~20 min内呈现出大幅增加的突变。此外,微波辅助活性组分Fe能够侵蚀煤基质表面发挥造孔和扩孔作用,从而有利于煤焦高比表面积的形成以及发达孔隙结构的构筑。

低阶煤微波辅助催化热解焦油特性研究

为提升低阶煤热解焦油产品的品质,在微波管式热解炉内,考察了K、Ca和Fe对煤热解焦油生成特性的影响,研究了不同焦油产品的族组分分布和芳香烃组成结构的变化规律。结果表明:负载K、Ca和Fe的煤样会快速响应微波产生极化损耗和电导损耗,使得活性组分周围被选择性加热因而诱发焦油催化裂解反应进行。微波辅助金属组分可催化调节焦油族组分分布,K、Fe使苯及其衍生物含量分别增加了12.8%和25.15%,Ca使脂肪烃含量显著增加了212%。K、Ca和Fe显著促进了三环、四环芳烃的开环裂解并使得四环以上芳烃几乎消失,其中Fe可将三环芳烃芴、苊和菲及其衍生物含量分别降低62.68%,67.25%和58.33%,表明微波辅助金属组分改变了重质芳烃的裂解途径,促进了焦油产品的轻质化。

微波辅助铁催化低阶煤热解特性

微波加热技术具有快速均匀、选择性加热和安全环保的优势,为煤炭高效分级转化利用提供了新途径。为研究微波辅助兼具介电响应和催化性能的金属组分Fe对低阶煤热解产品分布、气相组成及半焦碳微晶结构和介电性能的影响,在微波管式炉上对酸洗后负载不同量Fe的华夏低阶煤进行了催化热解实验。借助向量网络分析仪、XRD、FT-IR、Raman和SEM表征了不同Fe负载量煤样微波热解半焦的物化性质。结果表明:Fe催化剂有效强化了煤样对微波的介电损耗,能够显著提高升温速率使得煤样在短时间内即可达到热解终温。微波优先与Fe催化剂作用可高效诱发煤大分子有机质催化裂解反应的发生,使得合成气(CO+H2)产量由酸洗煤样的221 mL/g明显提高至负载1%,3%和5%Fe煤样的273,394和457 mL/g。金属组分Fe的引入明显增大了热解半焦的介电损耗因子ε″r和损耗角正切值tanδ,进而充分增强了半焦以热能形式耗散微波能的能力。微波辅助Fe催化剂抑制了半焦基本结构单元横向的内部生长和纵向的结合缩聚,增大了芳香碳网的不规整度,促进了碳骨架结构中小芳香环体系和无定形碳含量的提升,将有利于增强半焦的气化反应活性。此外,微波辐照下Fe催化剂的引入有助于半焦孔隙结构的构筑,促进了半焦表面形态由平滑致密层状向疏松多孔状的发展。

煤矿地下水库水岩作用机理研究——以大柳塔煤矿为例

煤矿地下水库运行中发现顶板垮落岩石对矿井水具有净化作用,而水岩作用机理尚不明确。为揭示大柳塔煤矿地下水库水岩作用机理,选取水库顶板岩样和矿井水为研究对象,采用X射线衍射仪(XRD)、X射线荧光光谱仪(XRF)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)对顶板岩样进行了化学组成分析以及结构分析表征,开展了岩样中5种典型矿物与矿井水的静态作用试验研究,基于矿井水电导率以及其中K^(+)、Na^(+)、Mg^(2+)、Ca^(2+)四种阳离子的浓度变化,探讨了可能的水岩作用机理,并研究了Ca^(2+)在绿泥石上的吸附等温线行为及其影响因素。研究结果表明,该水库中的水岩作用包括顶板岩样中可溶矿物的溶解作用,钠长石、钾长石、高岭石、伊利石、绿泥石的水解作用;其中矿井水中增加的K+主要来自钾长石、伊利石的水解作用。顶板岩样对矿井水中的金属离子具有吸附作用,顶板岩样对Mg^(2+)的吸附作用大于顶板岩样中绿泥石的水解作用所释放的Mg^(2+),而矿井水中Ca^(2+)的减少主要是顶板岩样中绿泥石的吸附作用所致,矿井水中生成CaCO_(3)的沉淀作用也能引起Ca^(2+)的减少。此外,水岩作用可能包括Ca-Mg、K-Mg的阳离子交换。绿泥石对Ca^(2+)的吸附过程存在多分子层的非均匀吸附,且绿泥石表面的吸附位点是不规则的,吸附位点之间的吸附并非相互独立。