褐煤等低阶煤种在世界范围内的储藏量约占世界总储煤量的33%[1]，我国已探明的褐煤保有储量占全国煤炭总储量的13%左右[2]。但是褐煤的高含水量(20%～50%)[3]使得其运输、燃烧等利用方式的经济性大大降低。因此如何高效便捷的脱除褐煤中的水分，从而提高褐煤品质，是扩大褐煤应用范围，提高褐煤经济性需要重点解决的技术问题。

国内外褐煤提质技术主要有蒸发干燥和非蒸发脱水两类[3-6]，但目前还没有完善的技术实现大规模工业应用[7-11]。微波干燥技术属于蒸发干燥，在煤炭脱水干燥方面已有专家学者进行了一定的探索研究[12]，多集中于微波改性对煤的孔隙结构、比表面及成浆性方面，其中程军、王爱英等认为微波辐照提质褐煤最大成浆浓度提高10%左右，赵玲等认为微波干燥比对流干燥快1～2个数量级，吴海勇指出微波功率和加热时间是影响细粉煤微波除湿的主要因素，而粒径大小对除湿效果的影响不显著，崔平等认为随时间延长，粒度和煤种对微波脱水效果影响不大,M.S.SEEHRA认为微波脱水效率在80%左右，约有10%的水分在粉煤颗粒的毛细孔中没法脱除[13-19]。徐志强[20],王卫东[21]等研究了褐煤微波脱水过程中水分的迁移规律，从褐煤内水高、易氧化的特性研究，构建了褐煤微波脱水提质的技术原型，提出了微波提质褐煤界面稳定性的调控机制，并认为微波不仅能够使褐煤快速脱水，还能减少褐煤含氧官能团数量和孔隙，改善褐煤的界面稳定性，防止脱水褐煤的复吸和自燃。LIU J Z[22],ZHU J F[23]等研究了微波辐照下西蒙褐煤的孔隙结构和分形分析以及微波辐照下西蒙褐煤的薄层干燥特性及建模等方面的研究工作。

在查阅了相关文献后，笔者认为在褐煤微波辐照时，仅有煤中的水分和微量物组分对微波的吸收能力强，如果能在微波辐照过程中添加合适的添加剂比如具有独特物理结构，吸收微波能力强的微波吸收剂，改善微波辐照的效果，强化其优点，改善其弱点，可以加强褐煤提质技术基础理论和关键技术的研究，提高褐煤利用技术，为工业化提供基础。

本文主要通过实验探索不同微波吸收剂对褐煤微波脱水的影响规律及提质褐煤的特性进行研究。

1 试 验

1.1 试验原料

(1)煤样

本文主要研究褐煤微波提质，所用煤样来自内蒙古锡林郭勒，煤的工业分析与元素分析见表1。从工业分析和元素分析可知，该煤样水分含量较高，挥发分和硫分较高，灰分含量较低。同时碳含量低而氧含量高，发热量低(干燥无灰基的低位发热量Qnet,daf=19 182 kJ/kg)，是典型的高水分，高挥发分，低热值的低变质程度褐煤。

表1 原煤的工业分析和元素分析
Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of the raw coal %

由于本文主要研究微波吸收剂对褐煤微波提质的影响，褐煤本身含有的灰分中包括一部分无机盐类，为了排除这部分物质对微波过程的影响，用颚式破碎机将原煤破碎至3 mm以下，并通过筛分，将煤样分为-3，-1，-0.6，-0.3 mm四个粒度级，并与未筛分的原煤分别用密封袋装好备用。

将煤样在正常条件下放置，即温度20 ℃，相对湿度为60%的环境下直至质量不变，获得其空气干燥基作为实验用煤样。

(2)微波吸收剂

考察不同微波吸收剂在相同最佳条件下的相应变化，并综合考虑工艺可行性和生产成本等因素选定褐煤提质微波吸收剂。根据MENENDEZ J A等对炭材料的电介质损耗参数tan δ的研究，发现大多数碳材料的tan δ都比蒸馏水的tan δ(tan δ=0.118,2.45 GHz,298 K)大(焦炭:0.11～0.29，炭黑:0.35～0.83，活性炭:0.57～0.80)[24]。tan δ越大的物质吸收微波的能力越强，因此焦炭类物质是一种良好的微波吸收剂，比如半焦或者活性炭都是较好的选择。

由于焦炭类微波吸收剂在后续的产物处理中可以不考虑固体产物如何与煤样分离，具有较强的优势，如半焦(兰炭)吸波能力较强，同样容易获得，本试验选用性质类似的褐煤制成的半焦和活性炭作为试验用微波吸收剂。

试验所用的活性炭、褐煤半焦均使用的是-0.3 mm的粉末样品，其中活性炭使用的纯度级别为化学纯，即≥99.5%。褐煤半焦、活性炭的工业分析和元素分析见表2，两种吸收剂单独经微波辐照后，水分变化不大。

表2 试验所用微波吸收剂的工业分析与元素分析(空气干燥基)
Table 2 Proximate analysis and ultimate analysis of microwave absorbent used in experiment %

1.2 试验装置

(1)微波提质装置

褐煤微波提质试验装置主要是由微波炉，进气出气部分，循环水冷却部分，控制系统，在线自动称重和数据收集组成(图1，2)。微波从上方导入炉腔内，微波功率为1 800 W，微波频率为2 450±50 MHz。微波提质试验装置中使用的电子天平型号为HZK-JA1000S，最大量程为1 000 g，读数精确度为0.001 g(1 mg)。进气部分使用聚四氟乙烯管连接到氮气瓶的出气口，管道可承受压力为2 MPa，进气部分可通过旋钮调整进气，流量在0～4.0 L/min范围内可调，氮气使用的是工业氮，纯度为99.5%。循环水冷却部分使用的是民用的小型循环水泵，型号为HJ-1100，额定功率20 W，重量0.5 kg，扬程为1.5 m，最大流量为900 L/h。测温传感器6安装在石英管的顶部，石英管垂直插入到微波炉内样品的上方，并通入保护气体，以便能够准确测量样品的温度变化。

(2)其他实验设备

本实验主要涉及样品制备设备、褐煤微波提质设备、分析测试设备，各个设备的类型及作用见表3。

表3 其他实验设备及主要作用
Table 3 Other experimental equipments and main function

1.3 试验方法

(1)根据前期影响脱水速率的单因素的试验分析和正交试验优化，试验称取40 g(粒径小于0.3 mm)的煤样加入去皮后的石英容器中，180 ℃，微波功率1 800 W,2 min。试验过程中微波反应腔体尽可能保持封闭，开启出气口，调节氮气阀门，向反应腔内通入氮气，流量为0.2 m3/h，排出反应腔内的空气，并保持氮气通入。开启液体冷却装置，提前将冷却系统打开，同时按照预先设定的条件，开启微波功能。微波提质试验结束后继续通入氮气几分钟，待其中产物冷却后关闭氮气阀门，打开炉门，取出经过提质后的煤样，装入样品袋密封保存。样品的质量变化由在线称重天平测量并自动存储，测量天平位于微波炉外，炉体正下方，通过连接杆传递微波炉内托盘内样品的质量变化。

(2)利用热重分析法测定提质褐煤煤样的参数变化特性，送样细度在80～200目之间，送样量3～5 g。实验条件设定为氮气气氛，通气量50 mL/min;升温条件设定为室温至800 ℃，升温速率10 ℃/min。

(3)红外透射光谱仪器的扫描波数范围为4 500～400 cm-1，扫描次数32，分辨率4，数据间隔1.929 cm-1，大气背景自动扣除，使用DTGS检测器，通过比较各组样品的吸光度和透过率来互相比较。

(4)微波脱水过程脱水率和脱水速率来表达微波脱水的效果，计算方法为

式中，D0为脱水率，%/min;V为脱水速率，%/min;M0,Mt,Mt+Δt分别为样品煤样在零时刻，t时刻和t+Δt时刻的水分，%;Δt为时间间隔，s。

2 结果与分析

2.1 微波吸收剂对褐煤脱水提质的影响

由图3(c)可知，0～10 s脱水速率基本为0，10～60 s脱水速率快速上升，60 s以后维持一个较高的水平，结果表明:加入微波吸收剂后的褐煤脱水提质过程依然遵循微波脱水提质的预热，升速干燥和等速干燥过程[21]。加入微波吸收剂后褐煤微波提质后水分含量、脱水率和脱水速率的变化规律如图3所示。

试验煤样的含水量在2 min内从16.76%降到9.3%左右，脱水率可达44.75%。微波提质过程中加入吸收剂后煤样的水分含量总体低于没加吸收剂的煤样，最大差值可达1.6%。褐煤半焦或活性炭作为吸收剂时，随着褐煤半焦或活性炭添加比例的增加(1%，5%，10%)，煤样的含水率逐渐减小，添加褐煤半焦的煤样水分含量分别降为9.67%,9.84%,9.25%，添加活性炭的煤样分别降为11.08%,9.37%,9.4%。开始的预热阶段(10 s),加入吸收剂的煤样和没加吸收剂的煤样水分变化区别不明显，此阶段主要是褐煤中水分吸收微波能量，微波吸收剂的加入效果不显著。随着水分的脱除，脱水速度逐渐拉开差距，此时微波吸收剂吸收微波能量，保持煤样水分的蒸发，维持相对较快的干燥速度，才显现出微波吸收剂的作用。经过120 s的干燥，煤样水分含量进入相对稳定阶段，此时靠蒸发的方式很难降低煤样的水分。

干燥过程的前20 s,煤样的脱水速率基本一致，之后褐煤半焦作为吸收剂的煤样的脱水速率大于没有吸收剂煤样的脱水速率，并且持续上升，100 s后脱水速率趋于稳定(0.06%/s)。而活性炭作为吸收剂时，40 s后添加5%和10%活性炭的煤样的脱水速率才高于没添加吸收剂的煤样，最后也是稳定在0.06%/s。

2.2 提质褐煤的理化特征变化规律

(1)工业分析、元素分析及发热量

添加活性炭与褐煤半焦作为微波吸收剂的褐煤煤样经过微波提质后可以明显增强脱水效果(表4)。与不添加微波吸收剂煤样相比，添加褐煤半焦和活性炭煤样的挥发分分别多降低1.15%和1.06%，而固定碳成分的比例分别提高1.15%和3.06%，但由于外加的活性炭与褐煤半焦中的灰分略高(活性炭为31.39%，褐煤半焦为24.92%)，会导致褐煤煤样的灰分也有部分增加(添加褐煤半焦煤样灰分增加0.58%，添加活性炭煤样灰分增加1.58%)。

表4 微波提质后煤样的工业分析与元素分析(空气干燥基)
Table 4 Proximate analysis and ultimate analysis of dehydrated lignite

通过微波辐照，不仅仅脱除了褐煤孔隙中赋存的水分，同时实现了脱氧，富碳的变化过程，碳元素含量的上升较为明显。未加微波吸收剂时碳元素提高9.33%;加入1%，5%，10%的褐煤半焦时，碳元素分别提高了7.6%，8.91%和9.73%;加入1%，5%，10%的活性炭时，碳元素分别提高了7.46%，9.8%，11.81%。同等条件下，未加微波吸收剂时，氧元素降低了7.3%;添加褐煤半焦时，氧含量分别降低了7.73%，8.21%，9.53%;添加活性炭时，氧含量分别降低了7.31%，9.28%，9.88%。与不添加微波吸收剂提质煤样相比，添加微波吸收剂(褐煤半焦)的提质煤样的碳元素含量提高2%，氧含量降低2.23%。提高了褐煤的利用价值，氧元素含量的下降也十分明显，大多以水蒸气的形式被脱除出来，氧含量的减少，直接降低了褐煤的吸水能力，同时也大幅度减少了褐煤在堆放、运输过程中自燃的风险。

因此，增加微波吸收剂的微波提质过程能够强化褐煤微波提质过程，达到一定程度上的煤质改善，提高煤样变质程度的目的。活性炭作微波吸收剂对微波提质褐煤的煤质改善效果比褐煤半焦作微波吸收剂的改善效果略好，但二者相差不大。

经微波处理后，与未添加微波吸收剂煤样相比，添加褐煤半焦和活性炭煤样的干燥无灰基低位发热量和干燥无灰基高位发热量分别增加了1 059.318,1 281.95和1 059.99,1 466.07 kJ/kg(表5)。发热量的增加，一方面是添加的微波吸收剂本身的发热量高，另一方面也印证了加入微波吸收剂后能够强化褐煤的微波提质过程。

表5 微波提质后褐煤发热量
Table 5 Calorific value of the dehydrated lignite

(2)含氧官能团变化规律

对照煤的红外光谱主要吸收峰的归属，可以看到与a曲线相比，b,c,d三条曲线在3 300 cm-1处的吸收峰均有不同程度的下降，并且随着褐煤半焦或活性炭添加量的增加下降幅度变大，发生同样变化的还有2 700 cm-1处与1 600 cm-1处左右的吸收峰(图4)。这3处分别对应了氢键缔合的羟基、酚类和羰基。含氧官能团的减少源自两方面的原因:一方面是煤孔隙中的水分蒸发和与CO形成的氢键断裂;另一方面试验温度条件下含有CO的小分子化合物挥发所致[25]。同时随着微波添加剂的增加，单位时间内煤样吸收的热量增加，加速了孔隙中水分的蒸发和含有羰基的化合物的挥发，导致了微波提质褐煤含氧官能团的减少，并随着微波吸收剂的增加而加速减少。这说明了添加褐煤半焦或活性炭作为微波吸收剂可以加强微波提质褐煤中多种含氧官能团有效降低。

由此得知，在微波提质过程中，发生了类似于褐煤煤化程度加深的规律性变化，碳含量不断增加，氧含量总体呈降低趋势，而氢含量减小的幅度较小，符合工业分析与元素分析的数据变化规律。添加微波吸收剂可以加强这种变化，褐煤半焦和活性炭作为微波吸收剂均能起到提高褐煤煤样的发热量的作用，且随着吸收剂添加量的增加，效果更加明显，添加活性炭对整体褐煤微波提质的效果优于添加褐煤半焦的煤样。

2.3 提质褐煤的自燃特性研究

本文采用TG-DTG曲线相结合切线法测定煤样着火点的方法来测定着火温度[26],即在其DTG曲线上的峰值作垂线与TG曲线交于一点，过该点作TG曲线的切线与煤样热重失重开始时的平行线交于一点，这个点对应的温度可以认为是这组煤样的着火点。

图5～7的TG-DTG曲线表明:褐煤的自燃过程满足物理吸附、水分蒸发失重、吸氧增重、煤受热分解、燃烧阶段和燃尽阶段6个阶段[26]。未加微波吸收剂的煤样的着火点为278 ℃，温度为30～140 ℃之间时为脱水失重阶段，煤样本身的水分和气体在这一阶段逐步脱除，样品的失重速率逐渐增大，对该组煤样而言，在87 ℃左右时达到最大失重速率，这个温度为临界温度，临界温度能够反映出一定的褐煤自燃的倾向。添加1%，5%，10%褐煤半焦和添加1%，5%，10%活性炭的微波提质褐煤煤样的着火点分别为287，284，301 ℃和298，288，286 ℃，而在脱水失重阶段的最大失重速率的临界温度分别是93，95，96 ℃和91，95，96 ℃，表明添加褐煤半焦或活性炭作为微波吸收剂有利于强化褐煤微波提质过程，提高褐煤的着火点，降低其自燃倾向。

大量反应性较强的官能团使褐煤较易与空气中的氧作用，放出反应热，自然倾向性强[25]。微波提质后褐煤反应性较强的含氧官能团减少，降低了褐煤与空气中氧反应的活性，因此能够提高褐煤的着火点。

3 结 论

(1)褐煤半焦、活性炭作为微波吸收剂能够强化褐煤的微波提质过程，添加吸收剂煤样水分比不添加吸收剂煤样水分低1.58%，脱水率最大提高9.46%，脱水速率更快(0.06%/s)，比未添加微波吸收剂煤样的脱水速率高0.014%/s。褐煤半焦的性能优于活性炭，且随着添加的增加，脱水提质效果的改善更好。

(2)与未添加微波吸收剂的微波提质褐煤煤样相比，添加微波吸收剂(褐煤半焦)的提质煤样的碳元素含量提高2%，氧含量降低2.23%，热值提高1 281.95 kJ/kg。同时红外分析结果也表明添加褐煤半焦、活性炭作为微波吸收剂整体上均能起到降低煤样中羧基、酚类、羟基以及羰基等含氧官能团数量，降低煤样吸水锁水能力，改善褐煤微波提质的效果，提高煤样利用价值，大幅度减少了褐煤在堆放、运输过程中自燃的风险。

(3)添加吸收剂煤样的着火点都比不添加吸收剂煤样高，最高可提高23 ℃。而添加褐煤半焦的煤样的着火点随着添加量的增加(1%，5%，10%)而增大(287，284，301 ℃)。

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