油页岩的热解特性试验研究

J. SHANXI AGRIC UNIV (Natural Science Edition)西東大學学报(自然科学版)201314002814油页岩的热解特性试验研究薛晋霞,刘中华(1.山西农业大学工学院,山西太谷030801;2.太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原030024)摘要:通过实验测试与分析,揭示了油页岩的热解特性。对抚顺油頁岩进行了高温热解失重实验,并且得到了油页岩在20~1000℃范围内的TG和DTG曲线,揭示了抚順油页岩在330~480℃范国内具有集中热解的特性,失重约占总质量的15%。从而为油頁岩的地下原位开采技术提供可靠的理论依据。关键词:油页岩;热解;原位;热破裂中图分类号:P618.12文献标识码:A文章编号:1671-8151(2011)040381-04The Experimental Research on the Characteristics of Oil Shale PyrolysisXUE Jin-Xia, LIU Zhong-Hua(1. College of Engineering, Shanzi Agricultural University, Taigu Shanzi 030801, China+ 2. Institute of MiningTechnology, ToAbstract: By experimental test and analysis, the pyrobysis characteristics of the oil shale were illustrated. Based on thethermogravimetry tests of the Fushun oil shale, TG and DTG curves within the range of 20-1000C were obtainedThe curves showed that Fushun oil shale has the characteristics of centralized pyrolysis within the range of 330-480the wsness accounts for 15% of total quality. The results provided the reliable theoretical basis for oil shaleinsitu pyrolysisKey words: Oil shale; Pyrolysis: Insitu: Thermal cracking油页岩是一种有机矿物(亦称油母)的矿石,因目前国内外的油页岩利用技术主要是地面干含油量高称油页岩,是国际公认的传统石油资源的馏制取页岩油技术和地下原位干馏技术两种但就重要替代资源之一。在已知的所有化石燃料中油未来发展趋势而言应是地下原位干馏技术10更页岩的储量折算为发热量仅次于煤,列第二位。若具有广阔前景。而地下原位干馏开采页岩油能否是折算成页岩油,世界上的油页岩储量约为4750成功的关键在于是否可以有效地加热岩石产生页亿吨,相当于目前世界天然原油探明可釆储量的岩油。那么加热后的油页岩会具有什么重要的物5.4倍。我国已探明的油页岩储量为315.67亿理力学特性就需要深入研究。故本文就这方面做吨,储量仅次于美国、巴西和原苏联,居世界第四了如下研究。位[~5。虽然经过多年不懈的努力,国内的石油工业得到了快速的发展。然而受资源因素的限制,石1油页岩热解特性试验概逑油开采的增长量远远低于我国石油消费的增长量。1.1试验材料与装置特别是当今世界国际油价急剧动荡,以及中东和利试验的油页岩样品采自中国辽宁抚顺西露天比亚局势恶化等等不利因素的影响都绐我国的石矿,在现场样品用沥青进行封裹,再运回室内进行油供给敲响了警钟。因此,在这种形势下寻求油页试验。先利用太原理工大学自己研制的高温高压岩的高效大规模开采利用技术,具有极为重要的战干馏试验装置对油页岩进行高温干馏试验,以了解略意义。油页岩的物理性质,然后再采用热分析仪来测试油收稿日期:2011-0419修回日期:2011-07-18作者简介:薛晋霞(1979-),女(汉),山西太谷人,讲师,硕士,主要从事工程力学方面的研究基金项目:山西农业大学青年科技创新基金(2009010)山西农业大学学报(自然科学版)2011页岩的化学性质。具体试验及分析过程如下:1.2油页岩的物理性质试验及分析油页岩是一种含有固体可燃有机质的沉积岩,其可燃有机质一般称为油母或干酪根,表面常常呈现灰棕色或黑色色泽,如图1所示。再利用太原理工大学自己研制的高温高压干馏釜进行干馏试验,可以发现自然状态下,天然的油页岩是一种渗透性和孔隙率极低的泥质页岩。其中的干酪根以固态图2油页岩250倍原始片子的形式赋存于油页岩中并与其融为一体,而油页岩Fig. 2 25000% original films of the oil shale内部的微小层理,在地下原位情况下完全处于闭合状态。但同时油页岩又是一种热破裂特征非常显1.3油页岩的化学性质试验及分析著的岩石,它闭合的层理会在热作用下张开,如图为了了解油页岩热解过程的化学性质变化,采2所示,油页岩的干酪根热解后,在油页岩内会形用热分析方法对油页岩的热解特性进行了研究,同成很多孔隙而这些孔隙的形成和连通会继续提高时也可以对油页岩的热解产油和直接燃烧利用提油页岩的渗透性。供一定的参考作用。实验样品采用抚顺西露天矿的油页岩,外观为深褐色,有油脂光泽,裂缝不发育。实验试样经磨煤机研磨后,再经过玛瑙研钵研磨而成。此外特别需要保证在实验期间不对样品进行任何筛分处理,以确保实验数据能真实准确地反映油页岩的特性实验过程采用热分析仪,取不同的升温速率,对油页岩的热解特性进行实验研究。初步假定热解条件为0~1000℃,升温速率为20℃·s-1,可图1热解前的油页岩测出油页岩中的主要成分,如图3所示。从图中可ig. 1 Oil shale before pyrolysis看出油页岩中脂肪烃占了其绝大部分。脂肪烃3500300020001500Wavenumber)图3油页岩的主要成分Fig 3 The main-components of the oil shale31(4)薛晋霞等:油页岩的热解特性试验研究383随后又假定热解条件为25~950℃,升温速率随着温度的不断升高特别是超过600℃以后,油为60℃·min-l,并且处于氮气气氛条件下,再对页岩的热分解逐渐变慢,热解速率发生明显下降油页岩进行热重实验。又可以作出油页岩的热重另外再从被热解掉的重量来看,其中低温段的热解曲线(TG曲线)和微商热重曲线(DTG曲线),如是主要的,这一阶段中基本上热解掉了油页岩重量图4和5所示的15%~27%,而到了高温段却仅仅热解掉油页岩重量的10%左右。故总的来说,油页岩高温段的热解速率相对较缓慢的主要原因是因为在这110阶段主要是油页岩中的一些难于分解的有机物、矿105物质和灰分等固态物质以及固定碳的热解过程,它100们发生热解以及热解产物的析出大都是在多相反应中进行的,而这个过程受到了热解产物从固态页妻2岩中向外扩散的传质特性的限制。此外,为了进一步说明油页岩的热解特性,我们还可以做出TG曲线和DTG曲线的对比图,如图6所示,从图中可以看出,两组曲线非常相似,对比油页岩的TG曲线,DTG曲线也有两个明显的下降阶段,这一现象说明在整个热解过程油页岩具1000有非常稳定的形态特性。但由于热解过程中灰分温度/℃Temperature/c很高,所以随着实验的进行,岩石的灰层会不断地增厚,从而使油页岩整体的传质能力产生下降,导图4油页岩的热重曲线致热解产物不易析出,最终表现为高温区热解反应Fig 4 TG curve of the oil shale进行缓慢。这也验证了油页岩热解DTG曲线上,高温段的热解速度明显小于低温段。另外从油页岩的DTG曲线上还可以看出,它的半峰宽很狭窄,同时TG曲线也在挥发份析出区发生骤降,所有这些现象都充分的说明了油页岩是一种挥发份含量很高并且具有集中析出的特性的岩石,同时也表明了低温段的油页岩随着挥发分的析出热解失重非常迅速。82结论与讨论总之,通过对油页岩热解过程的初步研究,发现油页岩具有低温段热解反应强烈、高温段热解反应能力相对较差以及挥发份析出比较集中等明显1000的不同于煤的热解特性,故油页岩是一种高挥发温度/Temperature/℃分、高灰分、易于热解、热值很低的劣质燃料。所图5油页岩的微高热重曲线以,由此可以得出直接燃烧利用油页岩是一种低效Fig5 dtg curve of the oil shale而且污染大的不合理的利用方法。通过热解特性研究,还发现天然的油页岩是一种渗透性和孔隙率首先从TG曲线可以看出油页岩热解后产生极低的泥质页岩,其中的干酪根以固态的形式赋存失重的主要温度区间为400~600℃,约占总失重于油页岩中并融为一体,而岩石内部的微小层理,的90%,又从DTG曲线图上可以确定油页岩热解处于地下原位时完全处于闭合状态。但是油页岩的最大失重温度大约是484C;并且还可以观察到又是一种热破裂特征非常显著的岩石,其闭合的层理会在热作用下张开,显著地提高油页岩的渗透384山西农业大学学报(自然科学版)2011DTA/uVPeak:433.1℃Peak6643℃030F0-10-354836℃100300900温度/℃rature/℃图6TG曲线和DTG曲线的对比图ig. 6 Contrast the diagram of TG curve and dtG curve性,降低油页岩的强度。故油页岩的干酪根热解流形式的加热介质来加热,有利于其中热解流体的后,在油页岩内会形成很多孔隙,随着这些孔隙的传输和排出。与之相反,油页岩热解过程中的热胀形成和连通会使油页岩的渗透性得到进一步的提变形又会增加岩石自身的应力,从而降低油页岩的高。因此,作为油页岩的更髙效的原位开发利用技孔隙率,最终导致油页岩整体渗透特性的降低。所术应该充分地利用油页岩自身的这些特征,降低能以整个油页岩的热解过程都是在这两种相反的过耗减少环境污染。程共同作用下进行的,是一种非常复杂的问题。所综合而言,随着油页岩的热解反应,岩石中的以油页岩的热解过程还需要我们继续进行更深入裂缝和孔隙的形成和产生有利于对油页岩进行对更具体的研究。參考文献[1]赵文智胡永乐,罗凯.边际油田开发技术现状、挑战与对策[门].石油勘探与开发,2006,33(4):393398[2JU S. department of energy, Strategic significance of Americas oil shale resource, volume I[M]. Washinton, D. C, 2004:3.[3]D. K. Brendow, Globe oil shale issues and perspectives, Synthesis of symposium on oil shale[M], Tallinn( Estonia),2002,18-19L4JOffice of Naval Petroleum and Oil Shale Reserves. American's Oil Shale- A roadmap for federal decision making[M], 2004.[5]高健世界各国油页岩干馏技术简介[刀.煤炭加工与综合利用,2003(2):4446[6]国际壳牌研究有限公司.加热油页岩的采油方法:中国,1016001BP].199203-25[7]Greg G. Peters, Spring: Robert C. West, Huston, both of Tex. ASSIGNEE: Exxon Production Research Co, In-situ retorting of oilshale,4.483, 398[P]. Huston, Tex, Nov. 20, 1984.[8]万志军赵阳升,康建荣高温岩体地热开发的技术经济评价[能源工程,2004(4),3034.[9]万志军赵阳升,康建荣高温岩体地热资源模拟与预测方法[J.岩石力学与工程学报2005,24(6):945949[10宋岩,石岩阀锋影响油页岩低温干馏因素的考察[J精细石油化工进展,2004,5(7):45-47编辑:武英耀