微波辐射的研究

微波辐射的研究

采矿资源和石膏能源在促进世界经济方面发挥着重要作用。目前,世界对于矿物和石油能源的需求巨大。矿物加工和矿石开采的传统方式是机械、爆破破碎岩石利用微波辐射处理和开采岩石不是一个新的概念,近几年已经有一些学者在此领域进行了研究1能量消耗和成本岩石破碎是一种用于采矿工程、隧道工程、挖掘工程必要的手段和过程。传统的机械破碎是一种高能量消耗的方法,但是大多数的能量都以热量和噪声的形式消散了。降低能量消耗和成本都需要一种更有效的采矿工艺。在机械破碎之前,采用高功率的微波辐射,以此种方式加热岩石,可以在岩心内部建立较高的温度梯度,从而产生热诱导应力,达到预先破坏岩石的作用。这种方法的目的是降低岩石的机械性能,从而降低机械破碎所需的能量消耗,弥补传统破岩作业中存在的不足1.1微波辐射岩石强度测量微波辐射岩石能在岩石内部引起热机械的应力,这是因为组成岩石的矿物在微波场中的反应不同造成的。微波在介质中的传播分为穿透、吸收和反射,而材料吸收微波的能力取决于材料介电性质。矿物的多样性和差异性使得吸收微波的程度不同,从而加热膨胀的速率也不同,这就导致了矿石内部产生热应力,最终这个热应力超过岩石的强度,岩石内就会产生裂缝(图1)Kingman等微波辐射后,岩石中诱发产生晶间裂缝,从而降低岩石强度,能降低机械破碎所需的能量。为了更好地理解微波与矿物之间的相互作用,精确测量岩石中单个矿物在不同温度下介电常数和介电损耗是非常必要的,但是由于岩石的非均质性,给测量带来了困难,因此可以从均质岩石开始研究,再逐步深入。除此之外,以上的研究都仅停留在室内实验阶段,为了克服此技术无法进行商业化应用和现场大规模施工的缺点,许多学者对微波辐射岩石的过程进行了数值模拟。1.2微波辐射岩石数值模拟研究的问题第一个数值模拟是2005年Jones等由于Jones的二维模型认为岩石是均匀的,Meisels等为了更加细致地了解微波的破岩机理,Toifl等从二维均质模型,到三维非均质模型,关于微波辐射岩石的数值模拟研究不断改进和完善。对于今后的研究,在三维非均质模型的基础上,考虑真实晶粒结构和尺寸,能深入理解微波的传播、温度的分布以及应力的产生。另外,模拟不能仅仅局限于裂缝的产生,还要研究裂缝的延伸、微波场与温度场、岩石力学场的多场耦合等问题。无论是室内实验还是计算机数值模拟,微波辐射在破碎岩石方面的作用都体现出了巨大的应用潜力。除了要解决如何现场应用的问题,还需要设计一个综合的大功率微波测量装置,以便定量地将数值模拟的结果与实验结果相关联。2煤岩体积式辐射加热法中国目前经济发展依然依赖煤炭资源。在对煤炭进行有效利用之前,需要对煤进行破碎。微波加热不同于其他的常规加热方式,它可以有效穿透煤样的深部,从而对煤岩进行体积式的辐射,达到提高煤样研磨性的目的。另一方面,煤炭的粗放型开发会导致严重的矿难灾害、资源浪费和环境破坏等问题,同时中国煤层气资源量巨大,为了实现煤炭和煤层气的绿色开采,需要在现有开采技术的基础上创新2.1岩石机理介绍微波提高煤岩研磨性的机理与微波辐射破碎的岩石机理基本一致。Lester等为了更精细化、无损化得对煤的孔隙类型、裂缝空间分布进行定量地描述,还需要寻找更有效的表征方法2.2硫气候效应因微波辐射除了热效应以外,还有一种由微波本身特性所引起的非热效应。微波对于煤岩的脱硫便是因为这种效应。大多数研究学者认为是在辐射过程中,微波导致了煤分子中某些含硫化学键的断裂,且微波加快了分子的碰撞,从而加剧了反应的进行Jorjani等硫在煤岩中的赋存状态有有机硫、硫铁矿硫、硫酸盐硫、元素硫四种形式,其中前两种占主要部分2.3微波辐射开采煤气煤层中赋存的天然气,是一种非常规的清洁资源,但如果处理不当,容易引起爆炸。同时为了缓解世界能源压力,越来越多的国家和公司致力于开发煤层气。煤层气中的甲烷大多以吸附的形式赋存其中,煤对甲烷的吸附能力取决于压力、温度和煤本身的特性Kumar等目前关于微波辐射开采煤层气的研究还在不断进行。针对数值模拟,今后可以加入由于温度引起的水蒸气蒸发以及化学反应的影响,可使得煤岩模型更加完善。微波的加热效应能诱导引起煤岩的裂缝,提高煤岩的研磨性,进一步还可以开采煤层气。微波的非热效应能有效脱硫,改善由煤岩燃烧使用所带来的环境问题。相信随着对微波辐射煤岩研究的深入,微波处理煤的相关技术必定能进一步地发展与成熟。3微波加热开采油页岩油页岩属于非常规油气资源,需要通过加热的方式将油页岩中与基质矿物紧密结合在一起的固态有机质(即干酪根)转换成页岩油后产出。由于地面开采会导致严重的环境问题,因此很多国家和公司都在寻找一种安全环保的地下原位加热方法Chanaa等在中国,王擎等中外实验研究已经证明微波加热技术对于原位开采油页岩有广阔的应用前景。但是进一步限制微波辐射应用与现场的技术瓶颈在于,如何将大功率的微波发生装置下入井下,以及如何让微波穿过套管,发射入地层。另外油页岩岩心中的裂缝数量和宽度在常规加热后会就有大幅度的增加4微波工程研究世界对矿物、金属、石化能源的需要在不断上升。为了未来可持续发展的需求,需要一种新兴技术来减少矿物加工和资源开采所带来的效率低下、能源消耗、环境污染等问题。在中外学者的不断探索和研究下,已经证明微波辐射技术在预破碎岩石、研磨煤岩、开采煤层气和油页岩中拥有巨大的应用前景。但是随着微波辐射在处理和开采岩石中应用的不断完善和进步,需要解决的问题和今后的研究方向主要是以下几个方面。(1)微波辐射后的岩石会发生晶间与晶内断裂,这是因为不同矿物的热膨胀不同而引起的热应力,以及岩石中的水分蒸发产生的压力进一步扩大了裂缝的延伸。目前室内研究还需要解决精确描述不同岩石的介电特性、优化微波辐射使用的功率和辐射时间等问题。除此之外,为了实现微波破碎岩石从有效开发,小规模试点到工业化的应用,研究者们需要详细地了解微波工程。(2)微波辐射岩石的数值模拟研究一直在不断进步,目前已经形成了三维非均质的模型。下一步的研究方向主要是在模型中考虑由于辐射导致的岩石结构改变和化学反应的生成、考虑晶粒的真实空间分布和排列。另外模型不仅要研究裂缝的产生,还可以研究裂缝的延伸。(3)煤岩不同于一般的岩石,它有复杂的孔隙结构和裂缝空间分布。寻找更加准确和有效的表征煤岩孔隙的方法,是进一步理解微波辐射提高煤研磨性机理的先决条件。煤的另一个不同是燃烧会产生二氧化硫,对环境造成污染。目前微波脱硫效果虽然良好,但还是缺少对脱硫原理的理解。(4)微波加热开采煤层气和油页岩的方法类似,都是把微波发生器下入井下,原位辐射产层,达到高效环保的开发目的。目前需要克服的难题是如何将大功率的微波发生装置下入井下,以及如何让微波穿过套管,发射入地层。另外对于室内实验,可研发综合的大功率微波