煤焦微波介电性能的研究

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1、太原理工大学博士研究生学位论文煤焦微波介电性能的研究摘要利用微波技术对飞灰含碳量进行在线监测，可以为电厂锅炉的燃烧和稳定运行提供实时指导。然而测量的结果受锅炉运行工况、燃煤特性等因素的影响较大，限制了该项技术的广泛应用。微波测碳技术基于飞灰中未燃碳对微波能量具有衰减和吸收作用，且作用程度取决于碳的介电性能。因此，通过对加热过程中煤焦介电性能和结构变化进行研究，掌握各因素对介电性能的影响规律，揭示煤焦对微波损耗的作用机理，对于微波监测技术的实践应用及微波测碳仪精度的提高具有重要的指导意义。本文以晋城无烟煤、府谷烟煤、云南褐煤三种不同煤阶的煤为实验原料，在不同加热方式下制得850~1600°C

2、区间的煤焦试样。通过矢量网络分析仪对2~18GHz频率下煤焦介电性能进行研究；使用X射线衍射、拉曼光谱、透射电子显微镜、红外光谱、扫描电子显微镜等技术手段分析煤焦在加热过程中的结构演变，从微观角度揭示不同条件对介电性能的作用机理以及对微波衰减的影响。主要研究结果如下：（1）加热温度对煤焦介电性能具有显著的影响，介电性能参数（复介电常数实部、虚部、介质损耗角正切）随温度升高呈现增大趋势。加热温度还会引起煤焦结构的显著改变，温度升高导致煤焦中乱层状态碳逐渐平行定向，有序碳结构的比例增大。平行排列的碳原子层之间形成大π键，在微波场中以偶极子取向的方式对微波能量产生损耗和衰减作用。温度升高带来煤焦

3、结构的发展，引起偶极子极化强度的增大，从而导致煤焦介电性能增强。加热温度对介电性能的作用取决于煤焦内部碳结构的改变，而偶极子极化则是引起微波能量损耗的主要机制。（2）不同煤种所生成的煤焦具有明显不同的介电性能。研究结果表明，三种煤焦的介电性能参数顺序为晋城无烟煤煤焦>云南褐煤煤焦>府谷烟煤煤焦。晋城无烟煤生成的煤焦中芳香碳含量和碳层堆积高度较大，微波作I太原理工大学博士研究生学位论文用下的极化效应使得其介电性能强于其它两种煤焦。云南褐煤的碳原子层在加热过程中产生明显压缩，但生成的煤焦中较高含量脂肪碳削弱了芳香碳结构单元的微波响应，导致其介电性能低于晋城无烟煤煤焦。府谷烟煤煤焦含有一定量的脂

4、肪结构以及较大的碳层间距，在很大程度上限制了对微波的响应强度，因此其介电性能最低。煤种对介电性能的影响在于煤成焦后的结构差异，这种差异可以通过碳晶相的堆积状态以及不同类型碳组成所构建出的碳骨架模型表征，并用以揭示不同煤种的煤焦在微波场中的极化强弱以及介电性能的相对关系。（3）矿物质在加热过程中对煤焦结构和介电性能产生显著的影响。较高温度条件下（1300°C及以上），SiO2发生碳热还原反应生成新物相SiC，而SiC的形成‐分解过程对煤焦中碳层的发展产生明显催化效果，导致结构的有序性增强，从而对煤焦的介电性能起到促进作用。较低温度条件下（1150°C及以下），矿物质的迁移行为也促进了碳层的排

5、列结构，引起煤焦介电性能的增强。SiO2向SiC的物相变化对介电性能的作用还与矿物质含量相关，含量越高，引起煤焦结构和介电性能提高的程度就越大。（4）慢速加热条件下生成煤焦过程中，煤焦中矿物质以VLS（气‐液‐固）的方式生成SiC晶须（1300°C），部分氮原子同时发生固溶导致晶须以Si(N)C固溶体形式存在。SiC晶须对微波能量的吸收作用以及氮原子的固溶效应显著增强了煤焦的微波损耗性能，致使1300°C温度下生成的慢焦与1150°C温度时相比介电性能出现明显增大现象。因此，碳化硅生成的不同形态也在很大程度上影响煤焦的介电性能。（5）基于微波衰减的理论模型，对不同条件下微波衰减特性的研究结

6、果表明，加热温度、煤种、矿物质对微波传输的衰减系数、相位系数、功率的衰减量均有明显作用，矿物质的存在和转变对微波衰减特性的影响弱于加热温度和煤种的作用。关键词：煤焦，介电性能，晶相结构，矿物质，微波损耗IITaiyuanUniversityofTechnologyThesissubmittedforthedegreeofDoctorofPhilosophyRESEARCHONMICROWAVEDIELECTRICPROPERTIESOFCOALCHARSABSTRACTTheamountofresidualorunburnedcarboninflyashisamajorconcernfor

7、theperformanceandeconomyofpowerplants,andmicrowavetechniquesforon-linedeterminationofunburnedcarbonareeffectiveinguidingtheoperationofpulverizedcoalfiredboilers.However,ithasalsobeenfoundthatoperationconditionsan