基于化学结构特征的油页岩热解机理及反应过程研究

With advanced testing techniques and experimantal methods, this project focuses on the pyrolysis kinetics and chemical structure features of oil shale, as well as its pyrolysis reaction characteristic, specially figures down the relationship between the chemical structre features and pyrolysis reaction characteristic. Theoretically, the pyrolysis mechanism model based on the chemical structure of oil shale will be presented with the combination of penetration theory, chemical reaction kinetics, thermodynamics and statistical analytic theory of chemecal structure, etc. On the one hand, the theory prediction model of light gas kinetics will be build in the devolatilization of oil shale based on the kinetics study of light gas during the oil shale pyrolysis process; on the other hand, the chemical structure of oil shale will be configured and optimized, and then the pyrolysis reaction characteristic based on the molecular dynamics and quantum chemical theory will be considered and to reveal the intrinsic pyrolysis kinetics of oil shale essentially..Innovations: First, the chemical structure features of oil shale will be revealed and the relationship between the chemical structure features and pyrolysis reaction characteristic will be explored. Second, the theoretical model of pyrolysis reaction based on the chemical structure features of oil shale, and the theory prediction model of light gas in the devolatilization of oil shale will be present. Moreover, the chemical structure of oil shale based on the molecular dynamics and quantum chemical theory will be configured and optimized, and the intrinsic pyrolysis kinetics of oil shale will essentially revealed..This project is a prospective and multi-interdisciplinary study.

采用先进测试技术和实验手段，重点研究油页岩热解反应动力学、化学结构特征与热解过程反应性，特别探索化学结构特征与热解反应性之间的关系。理论上，结合渗透、化学反应动力学、热力学及化学结构统计解析等理论方法，构建基于油页岩化学结构的热解反应机理模型。通过油页岩热解过程中轻质气体动力学研究，提出国内油页岩热解脱挥发份过程中轻质气体的理论预测模型；基于分子动力学与量子化学理论实现油页岩化学结构构型与优化并与反应性进行关联，从本质上揭示油页岩本征热解反应机理。.主要创新点：揭示油页岩化学结构特征，探索油页岩结构特征与热解反应性之间的关系；提出基于油页岩化学结构特性的热解反应(脱挥发份)理论模型，建立油页岩脱挥发份过程中轻质气体预测模型和理论。基于分子动力学与量子化学理论构建并优化油页岩分子结构，从本质上揭示油页岩热解反应性。.项目具有前瞻性及学科交叉性。发表论文16-20篇，专利或软件著作权1-2项。

油页岩油气作为一种重要的石油补充和替代能源，以其巨大的储量、丰富的综合利用层次，引起了全世界的关注。为追求更高效率、更低污染物排放目标，油页岩的大量利用以及新技术的发展必须基于基础研究。利用先进的测试技术，对五个不同地区油页岩及其干酪根（油母质）结构特征和理化特性进行了系统详尽的研究，获得了油页岩与干酪根的官能团特征及碳骨架特征参数，确定了干酪根以长程无序的聚合形态存在。讨论了干酪根的热解反应机理及其热解产物中组分的变化规律。求解出了表观活化能和频率因子，讨论了表观活化能与干酪根的化学结构、生烃转化率、频率因子及其热解产物的关系。.对油页岩进行了不同终温的干馏实验，并对干馏所生成的半焦和页岩油进行实验分析，对干馏过程中产物的元素组成进行了平衡计算，分析了油页岩主要含碳官能团的变化。对油页岩及不同酸洗程度页岩以及添加蒙脱石样品进行TG-FTIR实验和方法分析，获得了干酪根与蒙脱石的热解特性、内在矿物质和蒙脱石对油页岩及干酪根热解的影响。将页岩油的轻质油进行GC-MS分析，重质油馏分进行1H NMR、13C NMR和FT-IR实验分析，对页岩油的组成结构做了详细分析；进行了油页岩不同终温的干馏实验，考察了干馏终温对页岩油组成结构的影响情况。 .采用基于燃料化学结构的FG-DVC、CPD模型、改进后CPD模型及FLASHCHAIN模型对油页岩热解产物的析出进行了模拟，预测结果与实验曲线非常吻合。利用量子化学计算方法，预测了C-C、C-N、C-O、C-H、C-S和C=C键的解离能，分析了自由基稳定性、取代基数量和位置对不同化学键解离能的影响，构建了干酪根二维模型。通过比较多种化学键的解离能来分析干酪根的热解反应过程。讨论了碳骨架异构形式和官能团取代位置对干酪根模型稳定性的影响，提出了相对稳定的干酪根三维模型，并验证了模型的准确性和合理性。.本研究探索了油页岩化学结构特征与热解反应性之间的关系，揭示了油页岩本征热解反应机理。为油页岩干馏炼油、气化、燃烧等热加工过程奠定了重要的理论基础。