美国绿河油页岩中沥青热解特征及动力学

沥青是油页岩中的重要有机质,也是油页岩中油母质热解产油和气过程的重要中间产物,对其热解研究有利于加深油页岩/油母质热解理解。通过索氏萃取提取出了绿河油页岩中的沥青,并对其进行了不同升温速率下热解实验。基于热重（TGA）数据,使用Friedman法计算了沥青热解的活化能,并通过活化能分布特征,推测沥青热解可能包含三个过程。接着,使用双高斯函数对含有交叠峰的DTG曲线进行反褶积处理,分解成三个峰,依次对应每一个过程。使用最小二乘法获得了这三个过程的活化能、指前因子和反应模型通式,并将获得的通式与四类固态物质热解模型中的11种理想模型进行对比,辨识出上述三个过程均遵循n级反应模型。     

饱和水介质条件下油页岩热解动力学

利用高压釜反应装置,对柳树河油页岩进行了热压模拟实验研究,考察了饱和水介质条件下油页岩的热解动力学。利用不同温度下热解产物的实验数据,建立了以沥青为中间产物的连串一级反应的动力学模型,得到了相关的动力学参数,结果表明,油母质热解生成热沥青的活化能约为110 kJ·mol^-1,低于热沥青进一步分解生成页岩油的活化能（约为190 kJ·mol^-1）,说明油母质热解生成热沥青的反应更容易进行。根据实验数据和动力学结果,对油页岩的热解机理和水介质的影响进行了初步探讨。结果表明,在饱和水介质条件下,油页岩的热解温度比无水条件时降低了约120℃。     

抚顺油页岩/聚乙烯热解动力学机理研究

利用热重分析(TGA)技术研究了抚顺油页岩、聚乙烯(PE)及其混合的热解反应过程。结果表明:油页岩和PE混合物共热解过程中,共热解残渣量比油页岩单独热解减少了1.17%,对最大速率热解温度,共热解温度比油页岩单独热解温度低5℃。采用Coats-Redfern和Criado法对油页岩、PE及其混合物热解数据进行处理,从15种常用的固相反应机制函数中遴选出最优解,建立动力学模型。结果表明:油页岩的热解遵循表观一、二级化学反应模型(F1、F2);PE热解过程为扩散模型(D4);而其混合物的热解机理遵循动力学模型F1。混合物共热解活化能均远远小于油页岩或PE单独热解的活化能,共热解期间存在较大的协同效应。     

地质体中沉积有机质的模拟生烃动力学研究

采用热解方法对地质体中沉积有机质——源岩干酪根和固体沥青进行了生烃动力学研究,建立了平行一级反应动力学模型,求取了动力学参数活化能E和指数前因子A,主要反应的活化能集中在170—210kJ／mol的范围内。反映了干酪根和沥青是一个大分子网络体系,其热解过程涉及不同能级化学键的断裂。实验所得到的沉积有机质热解动力学参数,可用于样品母质类型判别和成熟度确定。     

生物质与油页岩混合热解特性研究

为了充分利用油页岩和生物质,以生物质和油页岩按照不同质量比的混合试样作为研究对象,采用TG-DSC联用技术进行了热重实验,分析了热解过程特性曲线并计算热解特性参数,采用差减微分法计算了热解动力学参数。结果表明:混合试样DTG曲线分别在低温段及高温段出现2个峰,前者主要是生物质的纤维素及半纤维素挥发分的热解析出,后者主要为油页岩热解析出挥发分;随混合试样中油页岩含量逐渐增多,热解后期逐渐出现因油页岩无机盐热分解吸热过多而出现DSC曲线吸热峰;混合试样低温段挥发分析出量及挥发分综合释放特性指数均大于高温段的值;生物质含量最高的混合试样(生物质与油页岩的质量比为4∶1)的挥发分初始析出温度最低,其挥发分最大释放速度的峰值及挥发分综合释放特性指数均最大;生物质含量较多的混合试样低温段活化能大于高温段活化能的值,油页岩含量较多的混合试样低温段活化能低于高温段的值。     

压力条件对龙口油页岩热解特性的影响

采用法国Setaram公司Themys HP型高压热重仪对我国龙口油页岩进行不同压力条件下的热解实验,利用产物释放特性指数,并通过分布活化能模型DAEM对不同压力条件下的热解反应进行动力学分析。研究表明龙口油页岩的热解主要包括页岩的脱水阶段、有机质热解阶段以及碳酸盐及黏土矿物的分解阶段;压力的升高对于龙口油页岩的热解过程有明显的影响,改变热解产物的析出速率,产物释放特性指数能很好地表征龙口油页岩在压力改变的条件下热解过程中产物的析出特性,热解压力小范围的升高(5bar)有利于挥发分的析出,过高的压力不利于挥发分的快速析出。动力学分析表明,热解低温阶段反应所需活化能在压力升高的条件下呈现出先增大后减小的趋势,但明显高于高温段热解活化能。适当提高压力有利于热解反应的进行。     

五彩湾煤和吐鲁番煤热解动力学模型评估与应用

煤热解是煤热加工利用的基础反应,热解动力学模型有助于预测煤在热解过程中挥发分脱除规律,当前文献中已报道了多种热解动力学模型,厘清不同热解模型参数选择的差异,评估不同模型对煤种及热解反应适应性可为热解工艺设计提供参考。采用¹³C NMR核磁共振测量了五彩湾煤和吐鲁番煤的碳化学结构,并使用热重法测量了不同加热速率下的两种低阶煤失重曲线,结合分段式单一速率扫描法、等转化率法和3段式高斯分布活化能模型（3-DAEM）分析热重实验数据。结果表明单一速率扫描法得出的动力学参数难以准确揭示热解反应机理;等转化率法可以较好地得出热解活化能及指前因子分布图;将等转化率方法获得的指前因子赋值给分布活化能模型,可以避免分布活化能模型指前因子选择的盲目性;3-DAEM模型仅需要一条TGA曲线便可获得适用于整个加热速率的动力学参数,其预测结果与实验数据吻合最好,且模拟得出的活化能分布图很好地反映了煤热解三个阶段特征。     

油页岩热解特性及其甲烷释放规律研究

为研究油页岩热解特性及热解过程中甲烷的释放规律,采用热重-傅里叶变换红外光谱（TG-FTIR）对龙口（LK）、内蒙（NM）、汪清（WQ）三个地区的典型油页岩进行热解实验,并结合固相红外（FTIR）对油页岩的官能团结构进行分析。研究结果表明,油页岩热解过程可分为四个阶段,热解反应及挥发分释放主要发生在第二阶段（400～600℃）。甲烷的析出与油页岩结构中的脂肪烃（光谱范围3000～2800 cm^-1）密切相关,脂肪烃含量越多,热解过程中释放的甲烷越多。通过对甲烷析出曲线分峰拟合及结合动力学分析,得出甲烷的生成是由一个脱吸附过程和四个化学反应共同作用的结果。     

油页岩热解特性及其甲烷释放规律研究

为研究油页岩热解特性及热解过程中甲烷的释放规律,采用热重-傅里叶变换红外光谱(TG-FTIR)对龙口(LK)、内蒙(NM)、汪清(WQ)三个地区的典型油页岩进行热解实验,并结合固相红外(FTIR)对油页岩的官能团结构进行分析。研究结果表明,油页岩热解过程可分为四个阶段,热解反应及挥发分释放主要发生在第二阶段(400~600℃)。甲烷的析出与油页岩结构中的脂肪烃(光谱范围3000~2800 cm-1)密切相关,脂肪烃含量越多,热解过程中释放的甲烷越多。通过对甲烷析出曲线分峰拟合及结合动力学分析,得出甲烷的生成是由一个脱吸附过程和四个化学反应共同作用的结果。     

蒙脱石对油页岩干酪根热解特性的影响

选取中国桦甸、抚顺、窑街3个地区油页岩,酸洗得到各干酪根样品。应用TG-FTIR技术对不同升温速率下各干酪根与蒙脱石共热解行为进行了研究,并利用Coats-Redfem积分法对升温速率为10℃/min下的干酪根掺混样品进行热解反应动力学分析,获得了蒙脱石对干酪根热解产物析出规律的影响及热解过程的活化能(E)和指前因子(A).结果表明,随着蒙脱石掺混比例增大,桦甸和抚顺干酪根热解失重率先升高后降低;在热解过程中,440℃前干酪根与蒙脱石掺混样品的热解失重率较干酪根单独热解低,而440℃后其热解失重率较干酪根热解有所提高;蒙脱石掺混比例增大使得各干酪根热解产物中CH₃/CH₂值有所增加;有蒙脱石掺混的干酪根热解活化能相比干酪根热解活化能有所降低。表明蒙脱石对油页岩干酪根热解具有物理吸附和裂解催化两种作用,且随着热解过程的加深和蒙脱石配比的改变而不同。最后,对升温速率为10℃/min的样品进行了热解反应动力学分析,进一步探讨了蒙脱石对干酪根的热解影响机理。     

添加碳酸钙对油页岩热解和燃烧反应特性的影响

先将油页岩和Ca CO3以不同的比例进行掺混(油页岩:Ca CO3质量比从9:1到2:8之间),然后利用热重分析技术(TG)研究了Ca CO3的加入对油页岩热解和燃烧反应特征的影响规律。结果表明:在油页岩有机质热解和燃烧过程中其反应的转化率基本都随着Ca CO3添加比例的增加而增大;而其活化能基本都随着Ca CO3添加比例的增加而降低,在Ca CO3添加比例为2:8时,对于热解过程,活化能由纯油页岩反应时的120.69 k J/mol降至90.22 k J/mol,对于燃烧过程,活化能由纯油页岩下的58.69k J/mol降至54.83 k J/mol。     

油页岩颗粒的热解模型

以实验为依据,分析了油页岩的热解机理及特性,并充分考虑了油页岩中挥发分在整个热解过程的作用,在此基础上建立了与油页岩固有热解特性相适应的热解模型。在能量方程中考虑了油页岩挥发分的热解反应吸热量及其挥发分的释放对油页岩固体颗粒质量的影响,并根据油页岩的热解特性,采用分阶段模型来描述油页岩的热解过程,以减小一步本征动力学方程带来的较大误差,还对模型进行了实验验证。     

亚麻纤维热解动力学的“model free”法和Coats-Redfern模型拟合法研究

亚麻纤维是一种潜在的气化原料,本文对亚麻纤维的热解行为进行了热重分析研究。10 mg粒径为0.60～0.85 mm的亚麻纤维颗粒在高纯氮气的保护下分别以10、20、30、50 K·min^-1的升温速率线性升温到550℃。使用“model free”方法和Coats-Redfern模型拟合方法分析亚麻纤维的热解过程,并估算出热解反应的表观活化能。本文中“model free”方法包括Friedman、Flynn-wall-Ozawa、Vyazovkin and Wight三种等转化率方法及Kissinger法。三种等转化率方法均得到活化能随着转化率的升高而升高的规律。四种“model free”方法显示亚麻纤维的活化能主要在155～175 kJ·mol^-1之间,使用模型拟合方法所获得亚麻纤维热解反应的活化能值在175 kJ·mol^-1左右,使用模型拟合方法和“model free”方法所得的活化能值接近。这些活化能值可以为亚麻纤维高效的热化学利用提供基础数据。     

松辽盆地北部油页岩非等温热解动力学研究

通过岩石评价仪对松辽盆地北部油页岩进行5种非等温匀速升温热解实验,分别为10℃.min-1、15℃.min-1、20℃.min-1、25℃.min-1和30℃.min-1,得出转化率与温度的关系。利用积分法、微分法、Friedman法、最大反应速率法对实验数据进行数学处理,计算出油页岩热解动力学参数,并将结果进行对比。结果表明,当转化率为5%~95%时,Friedman法计算得到的活化能E为165kJ/mol~545kJ/mol;积分法与微分法计算得到的活化能与Friedman法转化率为5%时的结果接近;最大反应速率法计算得到的活化能,与Friedman法在转化率为50%时的结果基本一致。研究结果同时表明,开发小颗粒干馏工艺对油页岩工业化发展具有重大意义。     

窑街油页岩热解动力学研究

利用差热分析仪对窑街油页岩进行不同恒速升温速率的热解实验,考察升温速率对热解的影响,随着升温速率加快,失重曲线和最大热解速率向高温区。建立Friedman动力学模型对热解数据进行了数学处理,得到了活化能的变化范围为120～190kJ·mol^-1,而且活化能E与频率因子A的对数呈良好的线性关系,对认识油页岩干酪根的热解机理和化学结构提供重要信息。     

酚醛树脂改性沥青的流变性能及热解动力学研究

以酚醛树脂(PF)为改性剂,在对甲苯磺酸(PTS)的催化作用下,对C/C复合材料基体前驱体中温煤沥青进行了共炭化改性,并对其热解机理进行了研究。首先,对原料煤沥青及共炭化改性后煤沥青的流变性能进行了测试,并采用热重分析(TGDTG)对改性前后煤沥青热解行为进行了研究,计算出了热解动力学参数。结果表明,在催化剂PTS的催化作用下,煤沥青发生了脱甲基反应,并且当PF含量为9%时,共炭化改性的煤沥青其流变曲线与热固性树脂U型曲线相似;根据DTG曲线可以把PF共炭化改性煤沥青的主要热解过程分为两个阶段,由Kissinger法计算得到其活化能和反应级数分别为248.06,15.69kJ·mol~(-1)和1.11、1.14。     

油页岩有氧干馏过程中官能团结构演变研究

对龙口油页岩在干馏反应器中进行有氧干馏,从200至500℃范围内每隔50℃分别对油页岩进行有氧干馏,运用FTIR技术对氧化后的系列油页岩半焦的中各官能团组成分析;并采取峰拟合手段和红外差减光谱定量地分析了随着温度的升高油页岩中含氧官能团、脂肪族及芳香族主要基团的变化规律。结果表明,油页岩有氧干馏过程中主要活性基团均发生不同程度的变化,特别是羰基在油页岩中含量呈现先增后减和脂肪族基团的减少的变化趋势。同时也表明油页岩有氧干馏过程中氧气的参与不仅能与油页岩发生氧化反应,释放出热量,降低热载气温度,还能够促使油母质发生裂解,释放出脂肪烃,降低反应的活化能。     

升温速率对油页岩热解特性的影响

采用热分析方法,在非等温条件下对茂名和桦甸的油页岩进行了热解试验研究。研究了从常温到900℃之间不同升温速率(10,20,40,50,100℃/m in)对油页岩热分解反应的影响以及油页岩的H/C,O/C,Cdaf,Vdaf等因素与(dw/dt)m ax之间的关系。根据试验数据建立了热解动力学模型,利用积分法求得表观活化能和频率因子等动力学参数。试验结果表明,油页岩热解可分为3个阶段,其中第2阶段(200—600℃)是热解反应最激烈的区域,挥发份几乎全部析出。而第3阶段是碳酸盐热解阶段,茂名油页岩由于碳酸盐含量低,此阶段变化甚微。     

松木屑加压CaO催化热解动力学研究

研究了不同压力、升温速率以及添加CaO催化剂对松木屑热解过程的影响并进行了动力学分析。研究结果表明：1）增加系统的反应压力会降低热解过程的最终失重率,最终的剩余物质增加,并且提高反应压力,不利于挥发分析出。但是通过动力学分析发现,一定范围内增加压力能够降低热解过程中的活化能,从而有利于热解反应的发生,但是压力超过0.7 MPa以后,活化能开始增加。2）增加升温速率,挥发分释放的越强烈,有利于热解反应的进行,但挥发分大量析出的温度范围并没有很明显的浮动。通过动力学分析发现,随着升温速率增加,反应的活化能出现减少趋势,这说明随着升温速率增加,松木屑热解反应更加激烈。3）在松木屑热解反应中添加CaO对反应过程有较大的影响。随着CaO催化剂添加量增加,松木屑最终失重率逐渐减少,从72.81 %减少到59.61 %,降幅达到18.13 %。DTG曲线显示失重峰增加到4个,另外两个为Ca（OH）₂和CaCO₃分解所引起的失重峰。随着CaO添加量的增加,第1个失重峰的峰值和第2个失重峰的峰值逐渐减小,最大峰值对应的温度点变化不明显;第3、第4个失重峰的峰值逐渐增加,最大峰值对应的温度出现明显增加趋势。     

石长沟油页岩的热解特性及动力学

通过热重、元素和XRD分析,研究了新疆吉木萨尔县石长沟矿区油页岩在不同升温速率下的热解特性及热解机理. 结果表明,油页岩中有机质热解生成页岩油和热解煤气的反应主要集中在300~550℃;升温速率从3℃/min增至15℃/min,热解反应向高温区移动,有机质完全热解温度从530℃升至575℃. 油页岩有机质的热解动力学分析显示,升温速率从3℃/min增至15℃/min,直接Arrhenius法计算的有机质热解活化能从243.52 kJ/mol增至257.32 kJ/mol;反应转化率从0.02增至0.97,Friedman法计算的活化能从96.39 kJ/mol增至292.84 kJ/mol.