煤炭低温干馏微波加热技术的研究进展_赵闯

第42卷第12期 当 代 化 工 Vol.42，No.12 2013年12月 Contemporary Chemical Industry December，2013煤炭低温干馏微波加热技术的研究进展赵 闯1，蒋立敬2（1．辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁 抚顺 113001； 2．中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001） 摘 要：随着石油能源储量的日趋减少，清洁煤转化技术得到越来越多的重视。

如何将现有的低阶煤炭资源进行高效转化及利用，对缓解我国能源危机和带动当地经济迅速发展具有重要作用。

论述了国内外传统煤加热技术现状及微波热解煤的技术进展，微波热解的工艺特点和反应机理，最后对微波热解应用于煤炭低温干馏的前景进行了展望，为煤热解技术日后的研究提供有效的参考。

关 键 词：煤炭；低温干馏；微波热解技术中图分类号：TQ 531 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2013）12-1706-05Research Progress in Microwave Pyrolysis for Coalin the Low-temperature CarbonizationZHAO Chuang1，JIANG Li-jing2（1．School of Petrochemical Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；2．Sinopec Fushun Research Insitute of Petroleum and Petrochemicals，Liaoning Fushun 113001，China）Abstract: As the oil energy reserves is decreasing，the clean coal conversion technology is paid more and moreattention. How to converse and use the existing low efficient coal resource plays an important role for relieving theenergy crisis in our country and driving the rapid development of the local economy. In this paper, present status of thetraditional coal heating technology at home and abroad was discussed as well as technical progress of microwavepyrolysis for coal，process characteristics and reaction mechanism of the microwave pyrolysis were analyzed，application prospect of the microwave pyrolysis for coal in the low-temperature carbonization was discussed，whichcan provide effective references for the research on the coal pyrolysis technology in the future.Key words: coal；low temperature carbonization；microwave pyrolysis根据2011年度世界能源统计报告，我国次烟煤、褐煤等低阶煤种储量占我国煤炭资源总储量的45.66%，而我国2010年煤炭的消费总量占我国能源总消费量的72.5%。

因此，如何充分利用低阶煤炭资源，对我国能源可持续发展起到至关重要的作用。

煤炭低温热解技术作为一种处理低阶年轻煤如褐煤、长焰煤的典型方法，应该得到高度的重视。

近些年来，国内外传统煤炭低温热解技术已经得到了深入的发展，但仍存在许多问题，微波热解技术作为一种新型加热方式，能够有效解决传统煤热解技术的不足。

该技术是一种环境友好型技术，热解过程不需要热载体，能够大大降低能耗，简化工艺过程，降低投资成本。

因此，微波热解技术具有良好的发展前景，应该加大其研究力度。

1 煤炭传统低温干馏热解技术煤是由碳、氢、氧为主的元素组成的天然有机矿物燃料，按煤化程度由高到低分为无烟煤、烟煤、褐煤和泥煤，用于低温干馏的原料以低煤化度煤为主。

煤的低温干馏是指煤在低温（500～600 ℃）条件下，受热分解转化为固态的半焦、液态的焦油和水、气态的煤气3种状态的产物。

目前传统煤低温干馏按照反应加热方式的差异，分为内热式和外热式两种。

干馏炉的内热式供热是借助气体热载体或固体热载体，把热量传递给煤料。

外热式炉利用燃烧室中的煤气燃烧产生的热量，对干馏室内煤料进行加热。

国外煤热解技术的发展与研究已经经历了很长时间，该技术日臻成熟。

其中具有代表性的有美国食品机械公司（FMC）和煤炭研究所（OCR）联合开发的COED多段流化床干馏工艺[1,2]，美国Garrett研发公司开发的以高温半焦为热载体的气流床热解（Garrett）工艺[3,4]，美国油页岩公司开发的TOSCOAL低温热解工艺[5-7]，德国Lurqi Gmbh公司和美国Ruhurgas AG公司联合开发的固体热载体固定床低温干馏（LR）工艺[8-10]等。

近些年来，我国第42卷第12期 赵 闯，等：煤炭低温干馏微波加热技术的研究进展 1707煤热解技术也在不断的发展，比较具有代表性的技术有大连理工大学开发的褐煤固体热载体干馏多联产工艺[11,12]，北京煤化所开发的MRF热解工艺[13]，浙江大学[14,15]和清华大学开发的以流化床热解为基础的循环流化床热电多联产工艺[16]，北京动力经济研究所和中国科学院工程热物理研究所的以移动床为基础的热电气多联产工艺，济南锅炉厂的多联供工艺[17,18]，中国科学院山西煤化所和中国科学院过程工程研究所的“煤拔头工艺”[19-22]等。

上述工艺都是以生产高质量煤焦油为主要目的，且大多采用低温干馏快速热解技术。

表1对内热式与外热式加热的优缺点进行了全面的比较。

表1 内热式与外热式比较Table 1 Comparison of internal heating type and externalheating type加热方式 内热式 外热式传热速率 快 慢效率 高 低煤层厚度 厚 薄生产能力 高 低炉型 简单 复杂挥发物 易被稀释 不易被稀释焦油产率 高 低外热式传热慢、效率低、不均匀、煤层薄、生产能力低、焦油产率低，但煤气发热量高且挥发物不易被稀释。

与外热式相比，内热式通过借助气体热载体或固体热载体，达到装置简化，反应传热速率、效率、生产能力和焦油产率等方面均得到提高。

近些年来，由于内热式的不断发展且较外热式具有很多优势，国内外煤低温干馏工艺大多采用内热式进行加热。

但是内热式仍然存在一些问题，这些问题主要集中在三个方面，一是能耗大，由于借助热载体对煤料进行传热，这使得反应能耗增大。

二是加热不均匀，导致焦油产率降低，煤气中高热值组分含量降低。

三是环保问题，内热式加热反应排放出大量有害气体，如CO2、SO x和NO x等，对环境造成影响。

煤炭微波低温干馏技术能够有效地克服内热式的上述问题，该技术不需要外加热载体，其通过微波辐射对煤进行加热，大大降低能耗，简化工艺过程。

微波加热是一种“体加热”方式，热量从煤内部向煤外表面传热，从而使煤料受热均匀，低温干馏液体产率得到提高。

微波热解安全、洁净、环保无污染。

内热式加热以煤做燃料，其燃烧产生大量有害气体，但微波以电能作为能源，对环境无污染。

基于上述优势，煤炭微波低温干馏技术拥有无限的发展潜力，应该得到国内外研究学者们高度的关注。

2 煤炭微波低温干馏热解技术微波是一种波长范围在0.1～100 cm，频率为0.3～300 GHz范围的电磁波，其在电磁波谱中位于无线电波和红外线频率之间。

微波辐射加热作为一种全新的加热方法，已经在很多领域得到了广泛的应用[23-28]，如信息通信，食品，污水处理，材料干燥等领域。

近些年来，也开始被应用于热解过程。

2.1 微波热解煤的反应机理煤由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成，其结构为三维交联的大分子网状，通过非共价键（离子键、氢键）联结、陷在大分子网状结构中的小分子“可移动”高阶煤中，p-p相互作用和电荷转移力起重要作用。

下面从两方面对微波热解煤的反应机理进行分析，一是微波热解的作用机理，二是煤分子内部结构。

微波辐射作用是通过改变化学反应热力学和动力学，从而降低反应活化能、加快反应速率，实现对化学反应的促进作用。

微波渗入物质内部，使电离子移动或缺陷偶极子的极化而被吸收，从而转变为热量。

将煤料置于全密闭的微波场中，进行微波辐射，微波以接近光速渗透入煤料内部，煤料内部组分中含有极性物质（其中水分是强极性分子），当微波接触到这些极性物质时，由于分子中的电荷分布不均，微波会有选择性的辐射其中的极性物质，使其迅速吸收电磁波能量，吸收热量后的极性分子会被瞬间从静止状态，通过分子偶极矩以十几亿次的高速旋转，变为动态而产生热效应，形成煤料内外部整体都被加热的效果，使得煤料内部组分受热均匀，大规模热分解产生小分子烃类，产生高热值煤气与焦油，实现煤部分气化与液化。

煤炭低温微波快速加热技术具有能耗和热损失低、反应加热时间短等特点。

当反应温度<350 ℃时，H2O、CO、CO2、H2S、烷基苯、甲酸、草酸等含氧物质大量产生。

导致这一现象的原因是，煤中含有水分，其形态分为游离水和结合水两种。

水分子是极强的极性分子，由于水的介电损耗因子是煤的100倍，所以煤中水分子会首先大量吸收微波能量，产生剧烈的热量，使煤中含氧化物及其它组分迅速升温，发生裂解断键作用。

煤中非烃化合物主要是含氧化物，以酚氧、醚氧、醌氧、杂环氧等稳定的形态存在，无论是C-01708 当 代 化 工 2013年12月单键或双键都是具有极性的，极易被微波辐射所极化，温度瞬间达到温度质点，导致C-O单双键断裂。

煤大分子由结构单元组成，核心为3～5个芳环/氢化芳环，环状结构以短的脂肪链或者醚桥相连。

当微波加热温度在500～600 ℃时，微波辐射煤中大分子芳烃，会增加芳烃分子的内能，导致煤分子内部大规模热解断键，氢化芳香部分发生脱氢反应，-CH2- 桥键断裂，脂肪环断裂，形成氢键的酚羟基脱除，脂肪 C-H 键减少，从而产生小分子烃类，液体焦油产物大量析出。