利用微波烘焙对褐煤进行选择性脱氧及其对热解过程的作用机制

《Fuel》：Selective deoxygenation of lignite with microwave torrefaction and its action mechanisms on pyrolysis process

微波热解技术可有效选择性去除木质素中的含氧官能团（如羰基、羧酸基团），保留烷基侧链并激活松散结构，使CH2/CH3比值升高，促进后续热解生成更多低碳氢烃类气体。与传统热解相比，微波热解在400℃以下显著降低含氧气体释放量，同时提升挥发分中酚类及芳烃含量，为木质素低碳高值化利用提供新途径。

　　在当前能源转型与可持续发展的背景下，煤作为一种重要的化石能源，其高效清洁利用成为研究热点。其中，褐煤因其高水分、高挥发分和高氧含量的特点，常被认为是一种低热值的煤炭资源，但其独特的化学结构也赋予了它在热化学转化过程中巨大的潜力。为了提升褐煤的利用价值，许多研究致力于探索其预处理技术，以改善其热化学性能，提高能源转化效率。然而，传统热解技术往往伴随着显著的烷基结构损失，这不仅影响了最终产物的质量，也限制了其在高附加值化学品生产中的应用。因此，寻找一种既能有效脱氧又不破坏烷基结构的预处理方法，成为当前研究的重要方向。

本文研究了微波热解技术在褐煤脱氧过程中的作用，重点探讨了微波热解对内蒙古准格尔煤样（ZTL）在热解过程中化学结构变化及产物形成机制的影响。研究发现，与传统的炉内热解相比，微波热解能够更有效地去除褐煤中的氧官能团，如羧基（C=O）和酯基（COO），同时保留并富集烷基结构。这一发现具有重要意义，因为微波热解技术能够在较低温度下（不超过300°C）实现对氧官能团的选择性去除，而不会对烷基侧链造成明显破坏。这种选择性脱氧不仅有助于提高褐煤的热值，还能够改善其热解产物的品质，使其更适用于高附加值化学品的生产。

在研究过程中，采用了多种分析手段，包括定量分析、热重-傅里叶变换红外光谱（TG-FTIR）和热解气相色谱-质谱联用（Py-GC/MS）等。这些技术能够全面地反映褐煤在热解过程中的质量损失行为、气体释放特征以及化学结构的变化。通过这些分析，研究者发现微波热解过程中，ZTL的CH?/CH?比值从3.390增加到4.167，表明烷基结构在热解过程中得到了一定程度的活化和松散化。这一变化使得热解后的褐煤更容易发生分解，从而释放出更多的碳氢化合物气体。此外，研究还表明，在400°C以下的热解过程中，所有含氧气体的体积分数均有所降低，而碳氢化合物气体的含量则显著增加。这些结果表明，微波热解能够有效改善褐煤的热解特性，提高其热化学转化效率。

褐煤的化学结构主要包括大量的氧官能团和烷基侧链。氧官能团的存在不仅降低了褐煤的热值，还使得热解过程中产生大量的含氧气体，如一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO?）。这些气体的高体积分数不仅影响了热解产物的品质，还增加了后续处理的难度。因此，脱氧成为提高褐煤利用价值的关键步骤。然而，传统的热解方法往往在脱氧的同时导致烷基结构的破坏，这限制了其在高附加值化学品生产中的应用。相比之下，微波热解技术能够通过选择性去除氧官能团，同时保留烷基结构，从而在不牺牲其化学特性的情况下提高其热值和热化学反应活性。

研究进一步揭示了微波热解对褐煤化学结构的具体影响。在热解过程中，ZTL的酚类化合物和碳氢化合物基团显著增加，而醚/醇类和酮/醛类官能团则有所减少。这一变化表明，微波热解不仅能够有效去除氧官能团，还能够促进烷基结构的活化和松散化，从而提高其热解产物的品质。此外，研究还发现，微波热解过程中，ZTL的活化能显著增加，这表明其内部的强键结构并未受到明显影响，反而可能得到了一定的增强。这一结果进一步支持了微波热解技术在褐煤脱氧和结构优化方面的有效性。

为了验证这些发现，研究者进行了系统的实验分析。通过定量分析，他们能够准确地测定褐煤在热解过程中氧官能团和碳氢化合物基团的变化情况。同时，TG-FTIR和Py-GC/MS等技术的应用，使得研究者能够深入探讨热解过程中质量损失行为、气体释放特征以及化学结构的演变过程。这些实验不仅揭示了微波热解技术对褐煤脱氧的优越性，还为理解其作用机制提供了重要依据。

在实际应用中，微波热解技术具有诸多优势。首先，它能够实现快速、均匀和精确的加热，这不仅提高了热解效率，还降低了能耗。其次，由于微波热解能够在较低温度下实现对氧官能团的选择性去除，因此相较于传统热解方法，它更有利于保留褐煤中的烷基结构，从而提高其热化学反应活性。此外，微波热解技术还具有良好的可扩展性，适用于大规模工业应用。然而，目前关于微波热解技术在褐煤脱氧过程中的研究仍较为有限，因此需要进一步的实验和理论分析，以明确其作用机制并优化工艺参数。

综上所述，微波热解技术为褐煤的脱氧和结构优化提供了一种新的解决方案。与传统热解方法相比，它不仅能够更有效地去除氧官能团，还能够保留并富集烷基结构，从而提高褐煤的热值和热化学反应活性。这一技术的推广和应用，将有助于提高褐煤的利用效率，推动其在高附加值化学品生产中的应用。未来的研究应进一步探索微波热解技术在不同褐煤样品中的适用性，并结合实际工业需求，优化其工艺参数，以实现更高效的资源转化和利用。