煤炭的微波干餾技術(shù)研究進(jìn)展

方向晨，張忠清，翁延博，張慶軍

（中國(guó)石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

中國(guó)的煤炭作為一次能源的主要資源將會(huì)延續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，但在CO2減排等目標(biāo)越來(lái)越緊迫和石油資源戰(zhàn)略化操控越來(lái)越嚴(yán)重的條件下，煤的轉(zhuǎn)化和煤化工將會(huì)成為中國(guó)解決戰(zhàn)略資源匱乏困境的有效途徑。

煤的利用中迫切需要解決的問(wèn)題按其急迫程度可分為3 類(lèi)：一是SOx、NOx、PM2.5 等環(huán)保問(wèn)題；二是CO2溫室氣體、水資源問(wèn)題；三是化工利用問(wèn)題。潔凈化梯級(jí)利用是解決這些問(wèn)題的一條可循序漸進(jìn)的利用和技術(shù)發(fā)展途徑。煤的梯級(jí)化利用[1-2]的基本路線(xiàn)是：煤層氣的開(kāi)采和利用、煤的干餾提油、干餾油加工和利用、低成本的煤焦富氧燃燒及多聯(lián)產(chǎn)利用。

自19 世紀(jì)初，煤的低溫干餾工業(yè)開(kāi)始形成并得到發(fā)展。1805年，英國(guó)用低溫干餾方法以煙煤制造半焦。1830年以后用褐煤制造燈油和石蠟。1860年德國(guó)開(kāi)始建立較大型的褐煤低溫干餾工廠(chǎng)，制取燈油和石蠟。煤干餾提油與煤的直接和間接液化[3]相比，雖然煤的液化程度低，但裝置的投資和操作費(fèi)用低，在CO2減排和水資源利用上具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。在煤作為主要一次能源的條件下，梯級(jí)利用具有更大的競(jìng)爭(zhēng)力。煤的干餾可以從煤中得到約10%～20%的煤焦油，如果80%的煤（無(wú)煙煤等低揮發(fā)分煤種除外）在出礦前都經(jīng)過(guò)干餾，以平均得油10%計(jì)算，每年可為社會(huì)提供3億噸以上的液體燃料，能對(duì)我國(guó)石油資源的匱乏形成重要補(bǔ)充[4]。

煤干餾的效率和環(huán)境等問(wèn)題均產(chǎn)自于要處理的固體物料，傳統(tǒng)的傳熱方式都難以解決這兩個(gè)問(wèn)題，微波等新型加熱方式將有望徹底解決這兩方面的問(wèn)題。微波熱解的原理是通過(guò)微波對(duì)極性分子的微波振蕩使物料得以加熱，因此其對(duì)固體物料的加熱既不需要熱載體，又不需要對(duì)固體顆粒進(jìn)行深度破碎，且在相同干餾油收率的條件下干餾溫度較傳統(tǒng)的方式可以低100～200 ℃，這些特點(diǎn)使其具有能耗低、物耗低、環(huán)境友好等特點(diǎn)，值得加大研究開(kāi)發(fā)的力度。

1 煤干餾技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介

煤的組成以有機(jī)質(zhì)為主體，主要是碳、氫、氧等元素，占95%以上。有機(jī)質(zhì)在一定溫度和條件下形成揮發(fā)分，煤化程度低的褐煤可達(dá)40%以上，而成煤年代最長(zhǎng)的無(wú)煙煤則低至10%以下。煤在隔絕空氣及氧氣的條件下受熱分解生成煤氣、焦油、粗苯和焦炭的過(guò)程，通稱(chēng)為煤干餾（或稱(chēng)煉焦、焦化）。根據(jù)煤加熱終溫的不同，可分為低溫（450～650℃）、低溫和中溫（600～800 ℃）、中溫（ 900～1000℃）、高溫（1000 ℃） 幾種干餾模式。低溫干餾以煤焦油為主產(chǎn)品，干餾產(chǎn)品質(zhì)量主要受原料煤種類(lèi)、品質(zhì)、加熱終溫，加熱速度、熱解氣氛、壓力等因素影響。

煤的干餾是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括了許多物理和化學(xué)變化，大致可以分為3 個(gè)階段：第一階段為室溫～300 ℃的干燥脫氣階段，析出吸附在煤中的水、二氧化碳和甲烷等；第二階段為300～600 ℃，這一階段以解聚和分解反應(yīng)為主，形成半焦，生成和排出大量揮發(fā)物（煤氣和焦油）；第三階段為600～1000 ℃，以縮聚反應(yīng)為主，半焦變成焦炭，該階段析出焦油量極少，揮發(fā)分主要是煤氣，又稱(chēng)為二次脫氣階段。典型的傳統(tǒng)煤干餾工藝見(jiàn)圖1。

圖1 氣體熱載體干餾工藝

煤干餾工業(yè)發(fā)展的百余年中，出現(xiàn)過(guò)百余種的干餾方法和干餾設(shè)備。干餾爐是低溫干餾生產(chǎn)工藝中的主要設(shè)備，它應(yīng)保證過(guò)程效率高，操作方便可靠。主要要求干餾物料加熱均勻，干餾過(guò)程易控制，可用的原料煤類(lèi)別寬，原料煤粒尺寸范圍大，導(dǎo)出的揮發(fā)物二次熱解作用小等。近年來(lái)，隨著石油價(jià)格的不斷攀升，煤干餾技術(shù)也相應(yīng)得到了快速發(fā)展。表1 和表2 分別給出了國(guó)內(nèi)外幾種典型的煤干餾新技術(shù)[5-7]。這些技術(shù)按照干餾爐的供熱方式可分為外熱式（干餾所需熱量由加熱爐墻傳給煤料）和內(nèi)熱式（借助熱載體把熱量傳給煤料）。表3 比較了這兩種供熱方式的主要優(yōu)缺點(diǎn)。

目前，最先進(jìn)的低溫煤干餾技術(shù)多采用內(nèi)熱式干餾爐，典型的技術(shù)如澳大利亞的流化床快速熱解工藝，由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院（CSIRO）自20 世紀(jì)70年代開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)。對(duì)多種煙煤、褐煤進(jìn)行了流化床快速熱解研究，并著重對(duì)熱解焦油的組成、性質(zhì)、再加工特性進(jìn)行研究試驗(yàn)。該工藝過(guò)程為低溫或中溫?zé)峤狻W裂解（反應(yīng)時(shí)間小于1s）—內(nèi)熱式固-氣熱載體（砂子流化床）。浙江大學(xué)的煤熱解干餾技術(shù)利用800 ℃的熱爐渣作為載體將煤先進(jìn)行干餾，產(chǎn)生的半焦送進(jìn)鍋爐燃燒，生產(chǎn)的蒸汽去發(fā)電。該工業(yè)示范裝置的標(biāo)定結(jié)果為：焦油產(chǎn)率12%，煤氣產(chǎn)率180 m3/t，半焦產(chǎn)率65%～75%（淮南弱黏煤揮發(fā)分為26%～28%）。該技術(shù)的特點(diǎn)是：與流化床鍋爐結(jié)合，充分利用鍋爐熱渣作為熱載體將煤干餾，熱半焦直接進(jìn)鍋爐燃燒，熱利用非常合理，節(jié)能效果明顯。

上述煤干餾工藝多采用固體熱載體、半焦或循環(huán)熱灰提供熱量，所需反應(yīng)及循環(huán)系統(tǒng)較大，能量利用效率還存在較大提升空間，存在油氣多次裂解問(wèn)題，回收油品的潔凈度和質(zhì)量也有待提高。近代正在興起的電磁加熱理念可解決上述問(wèn)題，為開(kāi)發(fā)新的煤干餾技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ)。

表1 國(guó)內(nèi)煤低溫干餾技術(shù)比較

表2 國(guó)外煤低溫干餾技術(shù)比較

表3 煤炭低溫干餾加熱方式比較

2 微波法煤干餾新技術(shù)

2.1 微波加熱機(jī)理

微波是介于紅外和無(wú)線(xiàn)電波之間的一種電磁波，其波長(zhǎng)范圍為100～0.1 cm，相應(yīng)的頻率范圍為300～300 000 MHz。與傳統(tǒng)加熱相比，由于微波加熱直接作用于物質(zhì)的分子或離子、引起分子或離子的振動(dòng)產(chǎn)生熱量，而不是通過(guò)傳統(tǒng)方式（熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射）傳熱，因此它具有更快的加熱效率[8]。與常規(guī)電加熱方式相比，它一般可以節(jié)電30%～50%[9]。

在微波加熱的過(guò)程中，微波能轉(zhuǎn)化為熱能的機(jī)理主要是偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理。偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理是由微波輻射引起物體內(nèi)部的分子相互摩擦而產(chǎn)生熱能。自然界的介質(zhì)都是由一端帶正電荷、另一端帶負(fù)電荷的分子（或偶極子）組成，在自然狀態(tài)下，介質(zhì)內(nèi)的偶極子作雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng)和排列，當(dāng)介質(zhì)處于電場(chǎng)中時(shí)，其內(nèi)部重新進(jìn)行排列，變成了有一定取向、有規(guī)則排列的極化分子。當(dāng)電場(chǎng)方向以一定頻率交替變化時(shí)，介質(zhì)中偶極子的極化取向也以同樣頻率轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，因分子間相互摩擦、碰撞而產(chǎn)生熱能。電場(chǎng)變化頻率越快，偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率也就越快，產(chǎn)生的熱效應(yīng)越強(qiáng)，而微波波段電磁場(chǎng)頻率高達(dá)108數(shù)量級(jí)，所以在微波輻射下，偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)可觀，從而使體系在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度。偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的加熱效率取決于介質(zhì)的弛豫時(shí)間、溫度和黏度。

微波發(fā)生器的磁控管接受電源功率而產(chǎn)生微波，通過(guò)波導(dǎo)輸送到微波加熱器，需要加熱的物料在微波場(chǎng)的作用下被加熱。理論分析表明，微波場(chǎng)的存在不但可以提高分子碰撞的概率和增加分子的碰撞能量，還可以改變分子能量的類(lèi)型和分子碰撞的方位。人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)微波不僅可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，還可以改變化學(xué)反應(yīng)的途徑。

微波加熱和常規(guī)加熱的傳熱傳質(zhì)機(jī)理不同。常規(guī)加熱是通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射原理由表及里對(duì)物料進(jìn)行加熱，物料中不可避免地存在溫度梯度（物料表面溫度高于中心溫度），氣相產(chǎn)物則從內(nèi)向外擴(kuò)散，其傳熱傳質(zhì)方向相反，內(nèi)部熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分必須穿過(guò)外部的高溫區(qū)，易引起產(chǎn)物的二次裂解。微波加熱是通過(guò)電磁場(chǎng)與物質(zhì)分子之間的相互作用引發(fā)分子內(nèi)部的摩擦而產(chǎn)生的熱量，物質(zhì)內(nèi)部與外部同時(shí)被加熱，由于表面的散熱作用，熱量不斷在物料內(nèi)部累積并向外傳遞，導(dǎo)致物體中心溫度高于表面溫度，其傳熱和傳質(zhì)方向相同，均是從里向外傳遞，揮發(fā)分穿過(guò)低溫區(qū)，可以減少不期望的二次反應(yīng)。

2.2 微波加熱特點(diǎn)

微波加熱作為一種獨(dú)特的加熱方式用于有機(jī)質(zhì)的熱解具有明顯的優(yōu)越性[10-11]。

（1）加熱速度快 常規(guī)加熱均為外部加熱，是利用熱傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射將熱量首先傳遞給被加熱物料的表面，再通過(guò)熱傳導(dǎo)逐步使中心溫度升高，需要一定的熱傳導(dǎo)時(shí)間才能使中心部位達(dá)到所需溫度。微波加熱則屬于內(nèi)部加熱。電磁能直接作用于介質(zhì)分子轉(zhuǎn)換成熱能，且透射使介質(zhì)內(nèi)外同時(shí)受熱，不需要熱傳導(dǎo)，故可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到均勻加熱。

（2）加熱均勻 用外部加熱方式加熱時(shí)，為提高加熱速度，需升高外部溫度，加大溫差梯度，容易產(chǎn)生外焦內(nèi)生現(xiàn)象。微波加熱是電磁場(chǎng)中由介質(zhì)損耗引起的體積加熱，在電磁場(chǎng)作用下，分子運(yùn)動(dòng)由原來(lái)雜亂無(wú)章的狀態(tài)變成有序的高頻振動(dòng)，分子動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能，達(dá)到均勻加熱的目的，因此微波加熱又稱(chēng)為無(wú)溫度梯度的“體加熱”。

（3）穿透能力強(qiáng)，能量利用效率高 穿透能力就是電磁波穿透到介質(zhì)內(nèi)部的本領(lǐng)。電磁波的穿透深度和波長(zhǎng)是同一數(shù)量級(jí)，除了較大的物體外，微波可以直接穿透進(jìn)入物料內(nèi)部，對(duì)物料內(nèi)外均衡加熱。微波加熱能量利用效率很高，物質(zhì)升溫非?？?。

（4）選擇性加熱 由于物質(zhì)吸收微波能的能力取決于自身的介電特性，因此可對(duì)混合物料中的各個(gè)組分進(jìn)行選擇性加熱。一般說(shuō)介電常數(shù)大的介質(zhì)很容易用微波加熱，介電常數(shù)太小的介質(zhì)就很難用微波加熱。

（5）節(jié)能高效 微波加熱時(shí)，被加熱物料一般都是放在用金屬制成的加熱室內(nèi)，電磁波不能外泄，只能被加熱物體吸收，加熱室內(nèi)的空氣與相應(yīng)的容器都不會(huì)被加熱，所以熱效率高，生產(chǎn)環(huán)境也明顯改善。

（6）清潔衛(wèi)生環(huán)保 一般工業(yè)加熱設(shè)備比較大，占地多，周?chē)h(huán)境溫度也比較高，操作工人勞動(dòng)條件差，強(qiáng)度大。而微波加熱設(shè)備占地面積小，避免了環(huán)境高溫，工人的勞動(dòng)環(huán)境得到了大大的改善。微波本身不產(chǎn)生任何污染物，有利于環(huán)境保護(hù)。

（7）易于控制 微波功率的控制是由開(kāi)關(guān)、旋鈕調(diào)節(jié)，即開(kāi)即用，熱慣性極小，可以實(shí)現(xiàn)溫度升降的快速控制，控制精度高，有利于連續(xù)生產(chǎn)、自動(dòng)化控制。

綜上所述，微波加熱技術(shù)具有加熱速度快、有選擇性、加熱源與加熱材料不直接接觸，易于自動(dòng)控制、節(jié)約能源等特點(diǎn)。但是，目前微波加熱機(jī)理的研究還很欠缺，即微波在熱解有機(jī)質(zhì)過(guò)程中，微波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的機(jī)理尚不清楚，需要做更深入的研究。微波加熱裝備仍處于試驗(yàn)、示范生產(chǎn)階段，規(guī)模較小，工業(yè)化程度偏低。

2.3 國(guó)內(nèi)外微波加熱技術(shù)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外對(duì)于微波熱解的研究及應(yīng)用已有幾十年的時(shí)間，主要集中在熱解煤及油頁(yè)巖等礦物燃料以及處理污泥、生物質(zhì)等有機(jī)廢棄物領(lǐng)域。

Parisa Monsef-Mirzai 等[12]采用CuO、Fe3O4和冶金焦炭作為微波吸收劑對(duì)煤粉進(jìn)行微波熱解試驗(yàn)，結(jié)果表明試樣可在3 min 內(nèi)從室溫升至1200～1300 ℃；焦炭作為吸收劑時(shí)，可凝焦油產(chǎn)量達(dá)到20%；Fe3O4作吸收劑時(shí)產(chǎn)量達(dá)到27%；某些實(shí)驗(yàn)中用CuO 作為吸收劑甚至高達(dá)49%。焦炭呈一定石墨化形態(tài)，自身即是很好的微波吸收劑。Lester 等[13]初步研究了采用微波能加熱揮發(fā)分煙煤制取焦炭的工藝，主要分析了停留時(shí)間對(duì)焦炭性能的影響規(guī)律，認(rèn)為采用微波進(jìn)行煤的干餾是一種有效的方法。馬紅周等[14]采用微波加熱的方式對(duì)褐煤進(jìn)行了熱解實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明用微波可以對(duì)煤進(jìn)行中低溫?zé)峤猓且环N中低溫?zé)峤饷旱挠行Х椒?，熱解速度較常規(guī)方法快，熱解煤氣有效成分濃度高，可進(jìn)一步作為化工原料進(jìn)行處理。蘭新哲等[15]在低變質(zhì)煤微波熱解方面進(jìn)行了一些初步工作，前期研究結(jié)果表明，微波加熱低變質(zhì)煤在10 min 左右就可達(dá)到750 ℃，熱解速度快，焦油收率比常規(guī)熱解工藝提高4%，熱解煤氣中氫氣、一氧化碳、甲烷含量高，半焦產(chǎn)品質(zhì)量與商品半焦相同。Peng等[16]在超高純氬的氣氛下，測(cè)試了高揮發(fā)分的煙煤對(duì)微波的吸收能力。結(jié)果表明，當(dāng)熱解溫度高于500 ℃后，隨著溫度的增加，揮發(fā)物持續(xù)釋放，煤對(duì)微波的吸收能力增加。與此同時(shí)，對(duì)微波穿透深度的計(jì)算也表明，熱解過(guò)程大大提高了煤在高溫下的微波吸收能力。另外，在微波頻率915 MHz 和2450 MHz，煤的厚度為0.14 m 和0.20 m時(shí)，煤對(duì)微波的最大吸收，即最大的微波反射損失為-41.25 dB 和?32.54 dB。這說(shuō)明煤的尺寸對(duì)煤在熱解過(guò)程中對(duì)微波的吸收有重要影響。Zahid 等[17]采用一種新的方法，以銅作為微波吸收劑，將聚苯乙烯和煤快速共熱解，得到的產(chǎn)品中包括66%焦和油的混合油性液體、10%的硫化物、6%的氣體和18%的殘留物，通過(guò)GC-MS 分析了油性液體產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)它的主要成分是芳香族化合物。

Elharfi 等[18]利用碳顆粒作為吸收劑熱解油頁(yè)巖。結(jié)果顯示微波熱解所需時(shí)間小于常規(guī)熱解，熱解產(chǎn)生的焦油比常規(guī)加熱獲得的焦油質(zhì)量更好。王擎等[19]和折建梅等[20]都對(duì)油頁(yè)巖在微波場(chǎng)中的升溫特性及功率對(duì)頁(yè)巖油、半焦、干餾氣產(chǎn)率和組成的影響進(jìn)行了考察。結(jié)果都表明，不同微波功率下干餾氣組成不同，在一定的時(shí)間內(nèi)，隨著功率的增加，油產(chǎn)率增加，半焦產(chǎn)率減小，氣體產(chǎn)率增加。

Menéndez 等[21-22]對(duì)微波熱解污泥進(jìn)行了系統(tǒng)研究。與常規(guī)熱解相比，微波熱解油產(chǎn)率高，氣體產(chǎn)率低。熱解油中多環(huán)芳香烴含量遠(yuǎn)少于常規(guī)熱解，熱值與常規(guī)熱解相當(dāng)；氣體中合成氣（CO+H2）含量高。方琳[23]進(jìn)行了微波作用下污泥脫水與高溫?zé)峤獾难芯?，分別以SiC、Fe2O3、活性炭、炭化污泥為微波能吸收物質(zhì)。結(jié)果表明，將污泥與吸波介質(zhì)均勻混合，能夠使污泥在微波場(chǎng)中快速升溫至800 ℃的高溫階段，實(shí)現(xiàn)污泥在微波場(chǎng)中的高溫?zé)峤狻埥〉萚24]采用微波加熱技術(shù)對(duì)深度干化含聚油泥的熱處理過(guò)程進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用微波熱解可提高油的回收率，800 ℃時(shí)得到的熱解殘?jiān)耆吓欧艠?biāo)準(zhǔn)，不會(huì)造成二次污染，熱解氣中含有可燃性烷烴和烯烴類(lèi)物質(zhì)，可以作為焚燒熱源。

Masakatsu 等[25]使用微波熱解木塊和纖維素材料以制取左旋葡聚糖；萬(wàn)益琴等[26-27]使用微波裂解海藻制取生物燃油的技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，微波加熱可以實(shí)現(xiàn)纖維素、玉米秸稈等生物質(zhì)材料的快速熱解。Wang 等[28]采用單模微波熱解裝置熱解稻殼，考察了不同微波功率下稻殼的升溫特性，指出微波功率提高有助于提高物料的升溫速率和最終的熱解溫度；熱解得到的焦炭是很好的微波吸收劑，能夠強(qiáng)烈吸收微波并成為“熱點(diǎn)”，促進(jìn)熱解反應(yīng)的進(jìn)行。Yu 等[29]研究了微波功率及添加劑等對(duì)玉米秸稈微波熱解產(chǎn)物及產(chǎn)率的影響，結(jié)果表明，玉米秸稈的分解隨微波功率的增大而增強(qiáng)，大功率更易于熱解氣的生成；添加1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的熱解木炭可以提高液體成分的產(chǎn)率，添加NaOH 作為催化劑可以大幅提高熱解氣的產(chǎn)率。羅愛(ài)香等[30]對(duì)竹廢料的微波裂解進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，裂解溫度對(duì)竹廢料微波裂解的產(chǎn)物組成有著顯著的影響，制取生物油的最佳反應(yīng)溫度發(fā)生在450～550℃，較快的升溫速率可以加快裂解的反應(yīng)速度，減少氣相生物油在反應(yīng)容器內(nèi)的滯留時(shí)間，制備得到較多的生物油。

譚瑞淀等[31]進(jìn)行了微波輻照熱解廢電路板回收利用研究。研究表明，微波輻射熱解處理廢電路板在技術(shù)上可行；微波熱解得到的氣體產(chǎn)物是可燃性氣體占70%（體積分?jǐn)?shù)）左右的高熱值燃料氣；酚類(lèi)化合物中苯酚、甲基苯酚和鄰甲基苯酚高達(dá)70%以上；同時(shí)，通過(guò)微波熱解還可以使固體產(chǎn)物中的金屬元素得到回收利用。英國(guó)的一些工廠(chǎng)利用微波加熱技術(shù)，將廢舊輪胎橡膠進(jìn)行軟化處理，使橡膠分子結(jié)構(gòu)中的C—C 鍵和C—S 鍵斷裂，從而回收了36%的C（包括高質(zhì)量的活性炭和石油烴等其它碳化產(chǎn)品），殘余的甲烷、氫氣等還可用于系統(tǒng)的加熱[32]。據(jù)報(bào)道，微波技術(shù)是回收再利用建筑垃圾的有效方法[33]，美國(guó)CYCLEAN 公司采用微波技術(shù)可100%地回收利用建筑垃圾，使舊瀝青路面料再生，再生后的瀝青路面料的質(zhì)量與新拌瀝青路面料相同，而成本降低了1/3，同時(shí)節(jié)約了垃圾清運(yùn)和處理等費(fèi)用。

目前，在微波熱解生物質(zhì)和處理有機(jī)廢物方面已經(jīng)取得了一定的成果，而微波加熱用于煤干餾領(lǐng)域的技術(shù)研究尚屬起步階段。物料的特性、微波的功率、加熱時(shí)間、熱解溫度等因素都能對(duì)微波熱解過(guò)程有很大的影響，如生物質(zhì)和污泥吸收微波的能力都比礦物燃料弱，若要實(shí)現(xiàn)微波熱解，就需要添加微波吸收劑。所以，不同領(lǐng)域、運(yùn)行條件下的微波熱解過(guò)程也不相同。但是，微波加熱的特殊機(jī)理使得物料具有獨(dú)特的傳熱傳質(zhì)規(guī)律，因此與常規(guī)加熱方式相比，微波加熱能實(shí)現(xiàn)均勻、快速地?zé)峤?，?duì)有機(jī)質(zhì)熱解過(guò)程具有明顯的優(yōu)越性。大量研究表明，微波加熱方式能夠普遍提高目標(biāo)產(chǎn)品的收率。例如，對(duì)于生物質(zhì)熱解來(lái)說(shuō)，就是提高了氣體和液體產(chǎn)品的產(chǎn)率；而微波熱解煤更有利于提高優(yōu)質(zhì)油品的產(chǎn)率，使氣相產(chǎn)物中的有效成分增加，同時(shí)能降低能耗。因此可以預(yù)計(jì)在煤的熱解領(lǐng)域，微波快速加熱技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，值得進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究。

2.4 微波加熱煤干餾技術(shù)的典型數(shù)據(jù)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有微波技術(shù)在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的研究，撫順石油化工研究院進(jìn)行了微波法煤干餾新技術(shù)的探索試驗(yàn)，獲得了肯定結(jié)果，已申報(bào)相應(yīng)專(zhuān)利。在小試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建設(shè)了一套每小時(shí)處理50 kg 煤的干餾中試裝置（圖2）。主要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4～表6。

從表4～表6 的數(shù)據(jù)可以看出，采用微波干餾技術(shù)，煤焦油和干餾煤氣的收率更高；煤焦油的性質(zhì)更好（如脂肪烴含量高和輕油收率高、瀝青含量低，但氧含量高）；微波干餾所產(chǎn)煤氣中氫氣含量超過(guò)50%，甲烷氣含量超過(guò)10%，CO2含量明顯低于常規(guī)干餾方法所得的煤氣。這些都預(yù)示著微波干餾產(chǎn)品的利用價(jià)值要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的干餾產(chǎn)品，同時(shí)微波干餾煤焦油的可加工性也要優(yōu)于傳統(tǒng)干餾技術(shù)所得的煤焦油。煤炭的微波干餾技術(shù)具有很好的發(fā)展前景。

圖2 煤炭微波干餾中試裝置（30～50 kg/h）

表4 微波干餾產(chǎn)品收率典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 撫順煙煤不同干餾方式所產(chǎn)煤焦油主要性質(zhì)

表6 撫順煙煤微波熱解與常規(guī)干餾煤氣成分對(duì)比

3 煤的清潔化梯級(jí)利用的方式探討

在對(duì)煤炭資源綜合利用的同時(shí)，貫穿了對(duì)能量的綜合利用，通過(guò)原料、工藝、裝備、過(guò)程組合與優(yōu)化，達(dá)到物質(zhì)與能量的集成利用，實(shí)現(xiàn)熱能平衡、余熱梯級(jí)利用，不僅降低了投資，還可以提高煤炭利用率，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的和諧可持續(xù)發(fā)展。

從最大量獲取優(yōu)質(zhì)油品角度提出煤分級(jí)加工及清潔化利用建議方案，見(jiàn)圖3。高揮發(fā)分的褐煤等原料經(jīng)微波快速或分級(jí)加熱到脫水或干餾溫度，首先獲得干餾氣體、煤焦油和半焦等物流；半焦進(jìn)一步燃燒或氣化用來(lái)發(fā)電或生產(chǎn)合成氣，所產(chǎn)電力用于微波干餾過(guò)程所需或外供，合成氣也可經(jīng)F-T合成生產(chǎn)合成油，與干餾油品分別加工成輕質(zhì)運(yùn)輸燃料，形成產(chǎn)品特性互補(bǔ)；加氫過(guò)程所需氫氣可由干餾等過(guò)程的副產(chǎn)氣體中廉價(jià)獲得，從而實(shí)現(xiàn)煤分級(jí)加工及清潔化利用。

3.1 微波法煤干餾的主要優(yōu)勢(shì)

將微波加熱技術(shù)應(yīng)用到有機(jī)質(zhì)熱解中能夠有效解決常規(guī)加熱方式加熱速率慢、換熱效率低、加熱不均勻等不足，并且由于微波加熱的特殊機(jī)理，使得物料具有獨(dú)特的傳熱傳質(zhì)規(guī)律，熱解機(jī)理與傳統(tǒng)熱解相比有很大不同，熱解產(chǎn)物具有更好的利用前景。

微波法煤干餾新技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)有以下方面。

①微波加熱速率快，加熱均勻，所產(chǎn)油氣快速離開(kāi)干餾系統(tǒng)，快速冷凝，有效防止多次裂解，從而提高焦油收率，提高產(chǎn)物品質(zhì)。

②微波穿透能力強(qiáng)，對(duì)原料煤尺寸大小無(wú)特殊要求，可以是粉煤，也可以是塊煤，提高了粉煤的利用效率。

③微波加熱能量利用率高，易于控制，有利于節(jié)能降耗。

圖3 煤炭分級(jí)加工及清潔利用建議方案

④微波加熱屬于非接觸選擇性加熱，與常規(guī)干餾技術(shù)相比，不需要?dú)夤谭蛛x、半焦燃燒、熱載體與煤混合、熱載體提升等復(fù)雜設(shè)備，工藝流程大大簡(jiǎn)化，容易工業(yè)放大。

⑤微波加熱煤氣熱值高，氫氣、一氧化碳和甲烷含量高，有利于進(jìn)一步綜合利用。

3.2 微波法煤干餾新技術(shù)半焦的利用

干餾后半焦得以?xún)艋?，熱值提升，其利用途徑可根?jù)總體流程需要作多種選擇，如燃燒發(fā)電、氣化生產(chǎn)合成油、制備冶金焦等。

半焦燃燒發(fā)電技術(shù)早已成熟[34]，可結(jié)合現(xiàn)有發(fā)電廠(chǎng)選用。合成油生產(chǎn)技術(shù)也已成熟，可以獲得更多的石油替代品。本文作者正在探索半焦高溫氣化工藝技術(shù)，見(jiàn)圖4。將半焦加入氣化反應(yīng)器中，與水蒸氣和氧氣在高溫下發(fā)生氣化反應(yīng)生產(chǎn)合成氣，合成氣經(jīng)除塵凈化后可以制清潔燃料、化工產(chǎn)品或氫氣，氫氣可用于燃料電池發(fā)電；凈化后的合成氣也可直接進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。

半焦高溫氣化工藝技術(shù)路線(xiàn)充分利用半焦的顯熱，實(shí)現(xiàn)了熱解-氣化熱量耦合，能量利用率高；該技術(shù)路線(xiàn)有利于集合半焦氣化、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、蒸汽輪機(jī)發(fā)電以及合成氣合成化學(xué)品等單元過(guò)程，能夠使能量得到循環(huán)利用，還能夠?qū)崿F(xiàn)燃煤污染物的近零排放，代表了21 世紀(jì)煤化工的發(fā)展方向，是解決能源供應(yīng)不足、液體燃料短缺、環(huán)境污染以及溫室氣體排放的重要途徑。

4 微波法煤干餾新技術(shù)工業(yè)應(yīng)用前景

文獻(xiàn)[35]也對(duì)各種煤轉(zhuǎn)化路線(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見(jiàn)表7。能源利用效率依次為煤熱解加氫制油＞煤制甲醇＞煤直接液化制油＞煤間接液化制油。熱效率是評(píng)價(jià)原料能量利用率的一項(xiàng)重要指標(biāo)，目前較為成熟熱解技術(shù)的熱效率一般在80%以上。微波法煤干餾新技術(shù)對(duì)煤質(zhì)的要求比較低，對(duì)泥炭、褐煤和煙煤均可實(shí)現(xiàn)有效利用，且粉煤和塊煤均可作為原料直接加入反應(yīng)爐。此外，微波法煤干餾新技術(shù)的反應(yīng)溫度可控，可在常壓或微負(fù)壓下操作，省去了大量的熱能和動(dòng)力消耗。

圖4 FRIPP 半焦高溫氣化工藝技術(shù)路線(xiàn)

表7 各種煤代油路線(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

煤炭最高效的利用途徑就是以物質(zhì)和能量消耗最少的方式，實(shí)現(xiàn)氣-液-固態(tài)清潔能源和有機(jī)化工原料的同步獲取。微波法煤干餾新技術(shù)首先實(shí)現(xiàn)煤的氣-液-固組分的分級(jí)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而對(duì)氣-液-固三相物質(zhì)進(jìn)一步分級(jí)利用，屬目前煤利用效率較高的途徑之一。

在煤轉(zhuǎn)化過(guò)程中，熱解制油用水最少，約3.5 t水/t 油。而微波法煤干餾可采用分級(jí)加熱方式將煤中所含水等脫出，經(jīng)簡(jiǎn)易處理后即可回用，相對(duì)于常規(guī)干餾油氣冷卻等過(guò)程耗費(fèi)大量水資源而言，對(duì)解決煤化工的水制約因素有重要貢獻(xiàn)。

微波法煤干餾新技術(shù)易與現(xiàn)有電廠(chǎng)、鋼廠(chǎng)等用煤大戶(hù)企業(yè)結(jié)合，形成煤分級(jí)加工及清潔利用組合體，有利于資源的高效利用。與現(xiàn)有石油加工企業(yè)組合，更能優(yōu)化產(chǎn)品的加工利用方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

開(kāi)發(fā)高效低成本的煤分級(jí)加工及梯級(jí)利用新技術(shù)，獲取大量高品質(zhì)的煤焦油，會(huì)對(duì)快速增長(zhǎng)的石油和輕質(zhì)運(yùn)輸燃料需求形成重要補(bǔ)充，而采用或開(kāi)發(fā)適宜的半焦等相關(guān)產(chǎn)物的清潔化利用技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)煤的多級(jí)聯(lián)產(chǎn)，近零排放。

與其它的煤干餾技術(shù)相比，微波干餾煤焦油的性質(zhì)更好，更適合于加工生產(chǎn)化工產(chǎn)品和汽、柴油產(chǎn)品。所產(chǎn)煤氣中氫、甲烷等高價(jià)值組分含量高，利于綜合利用。微波干餾技術(shù)具有能耗水耗低、CO2等溫室氣體和污染物排放低等優(yōu)勢(shì)，值得對(duì)其科學(xué)理論、工藝流程及方案選擇、操作參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備開(kāi)發(fā)及放大等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究。

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