煤层气和煤矸石是采煤过程产生的两种废弃物,煤层气的主要成分为甲烷,是一种潜在的非常规天然气资源。由于在井下抽采作业时混入空气,直接使用容易发生爆炸,因此必须首先进行脱氧处理;煤矸石是一种热值低、灰分高、难于燃烧的固体废弃物,大量堆放会占用土地并且带来严峻的环境污染问题。本课题组在前期研究中提出加热煤矸石进行煤层气脱氧的工艺,可有效脱除煤层气中的O2和煤矸石中的碳,同时实现两种废弃物的资源化利用。但传统电炉加热时间长、能量利用效率低,在大规模工业应用中经济性较差。而微波辐射是一种快速高效的加热方式,目前已成功应用于选矿和冶金工业中。本文以微波加热煤矸石脱除煤层气中的O2为主要内容,针对煤矸石的微波加热特性、不同工艺参数对脱氧效果的影响规律及其背后的机理性原因进行了研究与讨论,并得到了最优的工艺参数,具体研究内容和结果如下:(1)通过常规与微波加热对比,发现煤矸石在微波加热下可快速升温。经过对煤矸石组分微波加热性能的研究,发现其中非炭质的矿物组分微波吸收较弱对材料升温作用不大,炭质组分的存在是煤矸石快速升温的主要原因。另外炭质组分的石墨化则进一步提高了材料的微波加热性能。(2)针对煤矸石炭质组分石墨化的现象,采用TEM、XRD、Raman等进行了研究。结果表明,随着温度的升高,煤矸石结构变得规整,石墨化程度加大,煤矸石的微波加热性能提高。该过程可能是微波作用使得碳迁移更加有序,从而实现了炭质组分在较低温度下的石墨化,焦炭在微波加热下的石墨化转变进一步强化了该认识。(3)本文讨论了微波加热前后煤矸石织构性质变化对脱氧效果的影响,结果表明微波加热提高了煤矸石的比表面积,促进了其与煤层气的接触,增强了脱氧效果。(4)针对脱氧过程中甲烷损失现象,结合实验结果与文献相关研究进行了深入讨论,结果表明甲烷裂解可能是导致甲烷损失的主要原因。反应温度升高和煤矸石中炭质组分含量增加都会促进甲烷的裂解。(5)研究了微波加热温度,煤矸石种类、用量、粒径以及煤层气氧含量对脱氧效果和甲烷损失的影响。结果显示,微波加热温度通过改变氧化反应速率和甲烷裂解量影响煤层气的脱氧效果;不同煤矸石因炭质组分含量不同,导致脱氧效果不同;煤矸石用量影响与煤层气的接触面积和接触时间,而粒径的变化影响堆积孔隙率,从而影响O2脱除效果;煤层气中的氧含量越高越有利于甲烷裂解反应。优化后最佳工艺条件:温度650 oC,煤矸石粒径124μm,用量100 g,流速300 mL/min,对氧含量小于16.8%的煤层气脱氧,可实现O2含量低于1%,CH4损失低于2.2%的结果。