金属耦合微波场强化热解成型碳材料的研究

2020-03-11

应用能源技术 2020年2期

(山东科技大学，青岛 266590)

0 引言

石油和天然气燃料资源在社会经济发展中发挥着至关重要的作用，但其用量主要依靠进口，造成工业产生成本的提高。目前，石油和天然气行业面临的最大挑战是如何从生产领域维持清洁产出[1]。然而，煤炭、生物燃料和固体废弃物的巨大贡献可以在未来对世界能源起到至关重要的作用。

微波加热具有快速性、选择性和高效性等优点，通过材料的介电损耗可促进电磁能转化为热能，以空间性的形式诱导产生分子水平上的热量[2]。基于煤炭热解理论，微波加热技术有望改善煤炭热解过程以及热解产物的调控。在电磁场中，金属对微波的介电响应特性可显著促进介质材料对微波的吸收，进而降低介质材料在热处理过程中。基于多位学者对炭基材料和金属氧化物对微波热解褐煤的影响研究，线性金属耦合微波热解型煤特性的报道较少。文中以褐煤为原料，通过冷压成型制备得到型煤，研究线性金属的种类和长度对型煤热解的型焦进行物理特性和化学结构分析，借助FT-IR、SEM表征型焦的物化性质，为金属耦合微波热解型煤作用机理奠定基础。

1 实验部分

1.1 型煤的制备

本实验采用的褐煤来自于内蒙古东部地区，将褐煤分别用破碎机粉碎，使用标准筛进行筛分，取粒径小于80目的原料置于干燥箱中在105 ℃的环境下干燥24 h。褐煤的工业分析与元素分析见表1。

冷压成型制备型煤分为两步：混合与冷压成型。褐煤与粘结剂(羧甲基纤维素)按照10∶1比例混合均匀，将混合均匀的煤料放于模具中，利用压片机在6 MPa恒压下保持5 min后脱模。制备得到规格为φ60 mm×10 mm的型煤，室温下自然干燥24 h。

表1 褐煤的工业分析和元素分析

1.2 实验装置与方法

实验中选用铁、铝和铜三种金属。线性金属采用直径相同，高度不同的四种规格，分别为φ1×40 mm、φ1×60 mm、φ1×80 mm、φ1×100 mm。

型煤中部一次插入不同线性金属，然后放入自制密封性良好的石英微波反应器中，置于微波炉中进行热解。实验开始前，通入氮气形成惰性气体环境，调节氮气流量为200 Ml/min，设定微波功率为320 W，时间为15 min。成型炭热解工艺如图1所示。

图1 型煤热解装置示意图

1.3 样品表征与分析

1.3.1 型焦物理特性参数分析法

成型炭物理特性参考生物质成型燃料的计算方法，主要参数如下：

抗跌碎率(Dr)：将样品从1.5 m的高度跌落，一共跌落三次。称取剩余样品质量(Mr)，与其原成型燃料质量(Mt)比值即为抗跌碎率，计算公式如下式。

1.3.2 SEM分析

探究样品微观结构需使用扫描电子显微镜(SEM)检测方法，能观测到试剂在样品表面的分布状况、样品的表面形貌、成分分析和元素分析、裂纹和空隙产生的大小等信息。

1.3.3 FT-IR分析

文中采用Vertex70傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)表征产物表面的官能团。常见的化学基团在4 000～400 cm-1范围内有特征基团频率。

2 结果与讨论

2.1 金属耦合微波热解型煤随型焦物理特性的影响

一般情况下，体积密度越高其抗跌碎性能越好。型焦抗跌碎率如图2所示。随金属长度的增加更多空间中的微波能诱导在型煤，强化型煤热解，型焦抗跌碎率持续下降。

图2 不同线性金属耦合微波热解型煤型焦的抗跌速率图

2.2 金属耦合微波热解型煤对型焦孔隙结构的影响

图3为不同金属耦合微波热解型煤制备型焦的SEM图。从图中可以得知，引入不同金属种类，型焦呈现的孔隙结构和粗糙程度不同。线性金属铁丝制备的型焦，表面粗糙而且疏松多孔；插入铜丝制备的型焦，表面比较密制孔径较小；铝丝耦合微波制备的型焦表面的孔隙结构介于铁丝和铜丝之间。线性金属的加入，聚集立体空间微波能诱导到型煤，促进热解反应的发生。

图3 不同线性金属耦合微波热解型煤型焦的SEM图

2.3 金属耦合微波热解型煤对型焦官能团的影响

图4 不同线性金属耦合微波热解型煤型焦的FT-IR图

图4显示了型煤在线性金属长度为10 cm时铁丝、铝丝和铜丝强化微波热解条件下制备型焦的FT-TR图。可以看出，不同线性金属的谱图形态比较相似，在3 450 cm-1是褐煤中羟基的吸收峰，峰形宽且钝，说明在热解过程中羟基发生了分解，其分解程度为：铁丝>铜丝>铝丝。1 600 cm-1附近是芳烃及多环芳香层的C=C骨架振动，此吸收峰反应了煤的芳构化结构，随煤化程度的加深而逐渐减弱。