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）

油页岩是一种有机矿物（亦称油母）的矿石，因含油量高称油页岩，是国际公认的传统石油资源的重要替代资源之一。在已知的所有化石燃料中油页岩的储量折算为发热量仅次于煤，列第二位。若是折算成页岩油，世界上的油页岩储量约为4750亿吨，相当于目前世界天然原油探明可采储量的5．4倍。我国已探明的油页岩储量为315．67亿吨，储量仅次于美国、巴西和原苏联，居世界第四位［1～5］。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，石油开采的增长量远远低于我国石油消费的增长量。特别是当今世界国际油价急剧动荡，以及中东和利比亚局势恶化等等不利因素的影响都给我国的石油供给敲响了警钟。因此，在这种形势下寻求油页岩的高效大规模开采利用技术，具有极为重要的战略意义。

目前国内外的油页岩利用技术主要是地面干馏制取页岩油技术和地下原位干馏技术两种，但就未来发展趋势而言应是地下原位干馏技术［6～10］更具有广阔前景。而地下原位干馏开采页岩油能否成功的关键在于是否可以有效地加热岩石产生页岩油。那么加热后的油页岩会具有什么重要的物理力学特性就需要深入研究。故本文就这方面做了如下研究。

1 油页岩热解特性试验概述

1．1 试验材料与装置

试验的油页岩样品采自中国辽宁抚顺西露天矿，在现场样品用沥青进行封裹，再运回室内进行试验。先利用太原理工大学自己研制的高温高压干馏试验装置对油页岩进行高温干馏试验，以了解油页岩的物理性质，然后再采用热分析仪来测试油页岩的化学性质。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的形式赋存于油页岩中并与其融为一体，而油页岩内部的微小层理，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著的岩石，它闭合的层理会在热作用下张开，如图2所示，油页岩的干酪根热解后，在油页岩内会形成很多孔隙，而这些孔隙的形成和连通会继续提高油页岩的渗透性。

图1 热解前的油页岩Fig．1 Oil shale before pyrolysis

图2 油页岩250倍原始片子Fig．2 25000%original films of the oil shale

1．3 油页岩的化学性质试验及分析

为了了解油页岩热解过程的化学性质变化，采用热分析方法对油页岩的热解特性进行了研究，同时也可以对油页岩的热解产油和直接燃烧利用提供一定的参考作用。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，可测出油页岩中的主要成分，如图3所示。从图中可看出油页岩中脂肪烃占了其绝大部分。

图3 油页岩的主要成分Fig．3 The main－components of the oil shale

随后又假定热解条件为25～950℃，升温速率为60℃·min－1，并且处于氮气气氛条件下，再对油页岩进行热重实验。又可以作出油页岩的热重曲线（TG曲线）和微商热重曲线（DTG曲线），如图4和5所示。

图4 油页岩的热重曲线Fig．4 TG curve of the oil shale

图5 油页岩的微高热重曲线Fig．5 DTG curve of the oil shale

首先从TG曲线可以看出油页岩热解后产生失重的主要温度区间为400～600℃，约占总失重的80%，又从DTG曲线图上可以确定油页岩热解的最大失重温度大约是484℃；并且还可以观察到随着温度的不断升高，特别是超过600℃以后，油页岩的热分解逐渐变慢，热解速率发生明显下降。另外再从被热解掉的重量来看，其中低温段的热解是主要的，这一阶段中基本上热解掉了油页岩重量的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一阶段主要是油页岩中的一些难于分解的有机物、矿物质和灰分等固态物质以及固定碳的热解过程，它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有非常稳定的形态特性。但由于热解过程中灰分很高，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，导致热解产物不易析出，最终表现为高温区热解反应进行缓慢。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。

2 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的不同于煤的热解特性，故油页岩是一种高挥发分、高灰分、易于热解、热值很低的劣质燃料。所以，由此可以得出直接燃烧利用油页岩是一种低效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极低的泥质页岩，其中的干酪根以固态的形式赋存于油页岩中并融为一体，而岩石内部的微小层理，处于地下原位时完全处于闭合状态。但是油页岩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性，降低油页岩的强度。故油页岩的干酪根热解后，在油页岩内会形成很多孔隙，随着这些孔隙的形成和连通会使油页岩的渗透性得到进一步的提高。因此，作为油页岩的更高效的原位开发利用技术应该充分地利用油页岩自身的这些特征，降低能耗，减少环境污染。

图6 TG曲线和DTG曲线的对比图Fig．6 Contrast the diagram of TG curve and DTG curve

综合而言，随着油页岩的热解反应，岩石中的裂缝和孔隙的形成和产生有利于对油页岩进行对流形式的加热介质来加热，有利于其中热解流体的传输和排出。与之相反，油页岩热解过程中的热胀变形又会增加岩石自身的应力，从而降低油页岩的孔隙率，最终导致油页岩整体渗透特性的降低。所以整个油页岩的热解过程都是在这两种相反的过程共同作用下进行的，是一种非常复杂的问题。所以油页岩的热解过程还需要我们继续进行更深入更具体的研究。

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