油砂热解特性及其产物生成机理研究

【摘要】本文采用先进测试技术和实验手段,探索了化学结构特征与热解反应性之间的关系。基于油砂热解过程中微观变化规律,从理论和试验两个方面系统地开展油砂热解特性的研究,从本质上揭示了油砂热解特性及其产物生成机理。本文主要从以下几方面开展研究工作：采用热失重分析技术系统研究了油砂的热分析特性,获得了油砂热解过程中ThermalGravityAnalysis-Differentialthermalgravity(TG-DTG)、ThermalGravityAnalysis-DifferentialScanningCalorimetry(TG-DSC)及ThermalGravityAnalysis-FourierTransformInfrared(TG-FTIR)曲线变化规律,结果分析表明,油砂热解过程包括脱水阶段、油砂沥青的低温裂解、碳氢化合物的分解及高温段的矿物质裂解四个阶段。详细研究了升温速率、反应气氛、终温等重要因素对油砂热解特性的影响。理论上,采用Coats-Redfern(C-R)法、Flynn-Wall-Ozawa(F-W-O)法、分布活化能模型(DAEM)、非传统Arrhenius法及多峰拟合法等理论模型对油砂热解动力学特性进行了广泛的研究,建立了油砂热解反应动力学模型,获得了活化能、频率因子等热解动力学参数,探究了油砂在整个热解过程中活化能随着热解转化率的变化规律。用非对称高斯(bi-Gauss)多峰拟合法来分离重叠峰,确定了油砂热解反应机理函数,结果表明,bi-Gauss法在拟合效果上优于经典的高斯法,子峰近似遵循单一反应机理,主产油阶段不遵循单一反应机理,主产油阶段与子峰机理函数高度吻合等结论,验证了双组分叠加反应模型的适用性。本文进一步研究了油砂的燃烧特性,获得了模拟空气气氛下油砂的着火温度、燃烧稳定性判别指数和燃烧反应性能参数。在此基础上,运用“非对称高斯多峰拟合法”对油砂燃烧放热峰进行分离拟合,将实验DSC曲线复杂峰有效分离为多个高斯函数峰,探讨了不同伪组分的燃烧反应热对油砂燃烧总的热效应的贡献,结合Malek法确定了油砂燃烧时其伪组分的最概然机理函数,结果表明,每种伪组分反应机理函数不同。利用TG-FTIR联用技术对油砂热解过程中气相产物析出规律进行了实验研究,考察了升温速率等因素对气相产物CO2、CO、H2和CH4等气体组分析出的影响,揭示了可燃气组分的析出机理。在自行设计搭建的固定床反应器上进行了油砂热解的实验研究,系统地研究了升温速率、终温等操作条件对其热解特性的影响,优化了油砂热解的关键参数。结果表明,当热解温度相同时,气体和液体产率随着升温速率的增加而增加；热解半焦产率随着升温速率的增加而减少。利用气相色谱仪对油砂热解的气体产物组分进行分析,结果表明,热解气体产物中主要含有CO、CO2、H2、CH4、C2H4、C2H6等可燃气体。油砂热解得到的气体热值均在33MJ/m3左右,随着热解温度的提高,热解气体的热值均呈现先升高后降低的趋势。详细研究了油砂干馏过程中固体产物半焦孔隙结构变化,结果表明,干馏终温对油砂半焦吸附量影响较大。利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)研究了官能团随反应终温的演化规律,进一步从微观角度揭示油砂热解反应机理。通过对红外光谱谱图的分析,研究了油砂半焦中的芳香烃、脂肪烃、羟基官能团及含氧官能团,并对各个官能团谱图进行了高斯峰分峰拟合,确定了有机组分特征吸收峰,同时获得了富氢程度、脂肪结构、芳香度等参数,以利于油砂结构研究。利用核磁共振技术对不同干馏终温下的油砂油样品进行了’H与13CNMR实验研究。根据谱峰归属对每个谱图积分,采用改进的Brown-Ladner计算方法计算其平均结构参数。通过分析结构参数随干馏终温的变化,研究了干馏终温对油砂油化学结构的影响。结果显示,随着干馏终温的升高,油砂干馏生成油化学结构有明显变化。
【作者】贾春霞；
【导师】王擎；
【作者基本信息】华北电力大学，热能工程，2014，博士
【关键词】油砂；热解；反应机理；红外光谱；比表面积；核磁共振；

【参考文献】
[1]单长飞.单浮子式波浪能发电装置的水动力性能研究[D].江苏科技大学,船舶与海洋结构物设计制造,2013,硕士.
[2]方晓丽.国际特许经营企业进入中国市场模式比较研究[D].对外经济贸易大学,国际贸易,2004,硕士.
[3]姬飞腾,李楠,邓馨.喀斯特地区植物钙含量特征与高钙适应方式分析[J].植物生态学报,2009,05:926-935.
[4]王丽菊.面向属性归纳的特征规则挖掘方法的改进[J].鞍山科技大学学报,2004,06:443-445+448.
[5]闫西章.近红外无创血糖检测的随机森林模型及实验系统的设计[D].吉林大学,光学,2014,硕士.
[6]张遂安.选区煤层气开发利用规划编制方法探讨[J].中国煤层气.1996(01)
[7]王立.南水北调中线方案研究[D].河海大学,水利水电工程,2003,硕士.
[8]曹磊.欠发达地区小城镇建设问题研究[D].山东大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[9]曹倩倩.WTO体制下我国进口电影审查制度研究[D].外交学院,国际法学,2014,硕士.
[10]张佳硕.吉林省灾备产业投融资问题研究[D].吉林大学,会计学,2014,硕士.
[11]贾春华.数字图书馆的个性化信息服务[J].现代图书情报技术,2004,12:88-90.
[12]何浩敏.中国物联网典型应用领域发展策略研究[D].北京交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[13]羿如姮.蒙古语肃北土语中的词法形式体系[D].西北民族大学,中国少数民族语言文学,2012,硕士.
[14]宫雪.信用评级机构利益冲突分析[D].山西财经大学,金融学,2014,硕士.
[15]吕意飞.基于FPGA的车牌号识别技术研究与实现[D].兰州理工大学,电气工程,2014,硕士.
[16]左丽君.帕金森病患者伴发疲劳的临床特点及潜在机制的研究[D].首都医科大学,神经病学,2014,硕士.
[17]李丹颖.经济社会下我国住房保障制度研究[J].生产力研究,2013,12:81-84.
[18]谢恩禄.金朝上京区域文化研究[D].东北师范大学,历史地理学,2012,硕士.
[19]尹杰.恩施土家族“女儿会”传承研究[D].中南民族大学,民族学,2013,硕士.
[20]金毅晶.非英语专业大一学生自主学习调查研究[D].华中师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[21]张建华.车辆轮对综合参数光电检测系统的研究[D].华南师范大学,光学,2004,硕士.
[22]彭春晓.一类非线性脉冲系统的输入状态稳定性分析[D].中南民族大学,应用数学,2013,硕士.
[23]罗江.拟目乌贼生殖系统结构和精卵发生的研究[D].宁波大学,水产养殖,2014,硕士.
[24]王媚.我国清算会计准则构建研究[D].长安大学,会计学,2013,硕士.
[25]张瑾.芮城县城镇职工养老金水平研究[D].山西财经大学,社会保障,2013,硕士.
[26]张蕾.CT重建颌面部的影像学解剖研究[D].泰山医学院,影像医学与核医学,2012,硕士.
[27]彭赫力.柔性夹钳拉形过程及其数值模拟研究[D].吉林大学,2013.
[28]张启涛.几种多频带共面波导馈电印刷天线设计[D].西安电子科技大学,电磁场与微波技术,2012,硕士.
[29]张学洋.基于适配体和抗体功能化纳米材料的疾病标记蛋白质分离分析新方法研究[D].复旦大学,分析化学,2013,博士.
[30]刘持军.丙烯酸改性水性醇酸树脂的制备[D].湖南大学,化学工程,2012,硕士.
[31]郑向东.滑坡遥感信息提取及危险性评价研究[D].成都理工大学,摄影测量与遥感,2013,硕士.
[32]陈川.操作感知一体化假手构型优化设计及虚拟训练系统的研究[D].哈尔滨工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[33]王洪吉.纳米尺度的极化磁化理论[J].湖北大学学报(自然科学版),2014,01:56-59.
[34]杜晓宇.社会保障基金监督主体资格认定研究[D].辽宁大学,社会保障,2012,硕士.
[35]顾晓光,马义中,汪建均,吴锋.多元质量特性的满意参数设计[J].控制与决策,2014,06:1064-1070.
[36]张继东.纳米氧化物紫外屏蔽性能评价方法和仪器的研究[D].华东师范大学,分析化学,2004,硕士.
[37]何凤亿.Mg-8Al-1.5Ca-0.2Sr镁合金热变形组织演变行为研究[D].湖南大学,材料加工工程,2012,硕士.
[38]蒋宜睿.反向凹形垫对髋臼假体安放准确性的影响[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[39]胥君.工程建设领域商业贿赂犯罪研究[D].大连海事大学,法律,2012,硕士.
[40]蔡其新,何佩军,秦广胜,秦亚玲,计平,孟凡冰,王锡文.有限差分数值模拟的最小频散算法及其应用[J].石油地球物理勘探,2003,03:247-251+262-216+340.
[41]张璐璐.形成性评价在高中英语过程写作法中的应用研究[D].山东师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[42]顾宁.国际离岸金融市场理论研究及对我国的启示[D].吉林大学,金融学,2004,硕士.
[43]谢秀枝,王欣,刘丽华,董世雷,皮雄娥,刘伟.iTRAQ技术及其在蛋白质组学中的应用[J].中国生物化学与分子生物学报,2011,07:616-621.
[44]李维维.《歧路灯》中的城市文化研究[D].湖南师范大学,中国古代文学,2013,硕士.
[45]黄子惠.成功教育与物理教育的成功[D].湖南师范大学,教育,2004,硕士.
[46]彭俏奇.我国扶贫政策执行中存在的问题及对策研究[D].湘潭大学,公共管理,2011,硕士.
[47]李佳.成膜添加剂对石墨电极性能改善的研究[D].中国矿业大学,材料加工工程,2014,硕士.
[48]宋军.新型清创设备的机械结构设计与分析[D].天津理工大学,机械电子工程,2013,硕士.
[49]梁奇锋,余勇,王强华,董锦明.Zigzag边纳米石墨带超导结中的可控0-π相变[J].物理,2009,02:100-104.
[50]齐跃红,刘利,梁英华,胡金山,崔文权.类石墨相C_3N_4复合光催化剂[J].化学进展,2015,01:38-46.