进步的催化热解油页岩

文摘

本文简要描述了油页岩热解技术的研究现状和影响油页岩热解的主要因素,强调四种常用的催化剂:天然矿物质的影响,金属化合物,分子6,并支持催化剂对油页岩的热解进行了讨论。的变化油页岩的热解机理和产品组成的不同的催化剂进行了讨论。最后,准备新的催化剂的发展方向进行了讨论,为了提供一个开发利用非常规的前景和战略替代能源资源在世界各地。

1。介绍

石油供应的持续下降和石油产品成本的增加,如何解决能源问题已经成为一个大问题的紧迫性。页岩油,油页岩的热解产物,被认为是替代原油,利用这个资源可以缓解原油供应短缺。油页岩是一种非传统的石油和天然气资源,这是一种不可再生能源如石油、天然气和煤炭。这是丰富的储备和巨大的工业应用潜力(1]。世界是丰富的油页岩资源,页岩油6890亿吨。美国最大的石油页岩储量为5305亿吨。中国的外汇储备是476亿吨2]。

因为在油页岩干酪根完全固体在其自然状态,它不能被直接开采。在油页岩干酪根只能通过热解转化成液体页岩油(2]。然而,在油页岩干酪根转换效率较低,影响页岩油的质量,导致不稳定和高粘度油。因此,为了促进干酪根大分子的转换,研究人员使用不同类型的催化剂进行催化裂解,从而提高干酪根的转换效率。

2。油页岩热解技术的研究现状

2.1。油页岩热解技术的应用程序

油页岩热解技术主要包括异位和原位方法。异位的方法包括石油页岩提取、磨、筛选和热解。原位方法包括加热然后pyrolyzing油页岩地质结构(1,2]。因此,许多类型的蒸馏器已经衍生产业。在中国抚顺蒸馏器,在爱沙尼亚少橄白榴碧玄岩蒸馏器,在巴西Petrosix蒸馏器已成功实现和广泛使用3]。

采取Fushun-type干馏技术作为一个例子,油页岩干馏过程(OSR-GHC)与气体热载体有一些缺点,如低油产量和能源效率低,导致低经济效益(4]。因此,越来越多的人注意这项技术的固体热载体干馏。

不同于油页岩干馏过程中,油页岩干馏过程使用固体热载体技术(OSR-SHC)使用一个热循环提供热量的油页岩干馏的反应。与气体热载体干馏技术,OSR-SHC过程有很多优点:它可以使干馏空气分布均匀,减少流动阻力。页岩油产量增加至90%。提高资源利用率,经济好,和减少环境污染5]。

2.2。油页岩热解影响因素

油页岩的热解是受到很多因素的影响,其中工艺条件(包括热解温度、停留时间、升温速率和压力)对其热解影响最显著的(6]。

2.2.1。热解温度的影响

最后的油页岩的热解温度对热解过程复杂的影响。页岩油的产量,页岩油的组成,热解半焦的组成,以及热解产物的二次裂化都与最后的热解温度有关。

王等人。7]研究了水蒸气的影响在油页岩的热解温度作为载热流体,发现382°C到555°C,磁导率随着温度的增加而显著增加,有利于热解。耿et al。8]研究孔隙演化的骨折使用x射线计算机断层扫描(数字1- - - - - -4)。结果表明,孔隙度增加,热解程度加剧随着温度的增加。从300°C到500°C,最显著的增加。

2.2.2。加热时间的影响

水热预处理影响油页岩热解产品的产量。油页岩半焦炭产量的增加,气体和水产量减少。页岩油产量可以达到的最大2 h水热预处理后,和石油从油页岩热解具有更高的能源(9]。杨et al。10]研究注热时间的影响在石油和天然气产品的质量。当注射温度控制在555°C,页岩油形成的油页岩开裂的质量达到最高3 h的注入。

2.2.3。升温速率的影响

升温速率对页岩油生产的影响很小,对应于石油生产10.4 - -11%的范围。升温速率的加速度,石油产量略有增加,而天然气生产减少(11]。陆et al。12和白等。13研究了油页岩的热解过程。升温速率的影响(5°C /分钟,10°C /分钟,20°C /分钟和50°C / min)被认为是。升温速率的增加可以转让的油页岩热解特征参数高温但对总质量损失没有影响。

2.2.4。压力的影响

越来越大的压力的影响在有机质的热解取决于数量的越来越大的压力。不同的越来越大的压力值会有不同的效果,甚至阻塞现象。油页岩热解的高压热重量分析表明,碳氢化合物的挥发温度热解压力的增加而增加。热解压力的增加,石油产量减少,和天然气产量增加(14,15]。

3所示。研究进展催化热解油页岩

不同的参数和条件的催化热解油页岩研究了通过使用不同的催化剂。目前,该催化剂用于催化热解油页岩主要包括以下四种类型:天然矿物质,金属化合物、分子筛、催化剂的支持。

3.1。天然矿物质

作为一种无机和有机沉积岩,油页岩本身含有多种天然矿物质成分。粘土矿物等天然矿物石英,长石,和黄铁矿是紧密结合在油页岩有机质,热解过程有很大的影响。

油页岩是由有机和无机矿物质组成的。无机矿物通常占50 - 85 wt %的油页岩,主要包括硅酸盐、碳酸盐、石英和黄铁矿。无机矿物对油页岩的热解有一定影响(16]。赵et al。16和张等。17酸)用于治疗油页岩分批为了更好地理解之间的交互在油页岩热解有机物和无机矿物质。盐酸有效地消除了碳酸盐矿物,浓硝酸和氢氟酸溶解硅酸盐矿物,删除黄铁矿。发现原来的页岩油生产速度,carbonate-free, carbonate-silicate油页岩样本50.4 wt。44.3 wt %。wt %, 50.3。%,分别表明了碳酸盐促进页岩油生产和作为催化剂从油页岩干酪根热解,因为他们的消除减少碳氢化合物生产(18]。页岩油产量的减少硅酸盐。这表明,碳酸盐催化、硫酸盐催化和干酪根的分解也随硅酸的增加而减小。此外,H₂所以₄治疗可以减少初始温度和提高油页岩的热解效率,这是经济(19]。

陆et al。20.HCL-HF)用于治疗华电油页岩更好地理解之间的交互有机质和矿物质在油页岩的热解过程。无机化合物对有机物的分解影响甚微但对挥发性物质反应产生影响。这是发现CaCO₃、高岭石和TiO₂对挥发物的反应几乎没有影响,而K₂有限公司₃,Na₂有限公司₃,MnCO₃促进了挥发物的反应。的过程中催化热解油页岩,碳酸盐的烷基侧链断开连接,生成更多的碳氢化合物和甲苯,苯和H₂由脱氢生成的长链脂肪族碳氢化合物。碳酸盐岩的动作序列 。

干酪根和蒙脱石的共裂解行为表明,蒙脱石显著提高干酪根热解特性。因此,蒙脱石可以被视为一个潜在的天然催化剂(21]。江et al。22]研究了催化热解油页岩与蒙脱石和CoCl混合的特征₂h·6₂o .发现蒙脱石和氯化钴促进脱羧反应和自由基反应酸产量和增加脂肪族烃产量下降。脂肪族碳氢化合物的相对含量从41.55%上升到51.27%。这表明蒙脱石和氯化钴相结合有利于提高油页岩的热解特性和低分子量碳氢燃料的形成。此外,随着蒙脱石比例的增加,页岩油产量增加,和氯化钴的存在进一步促进深油页岩的热解。当氯化钴/蒙脱石质量比1∶5,液体燃料的最高产量增长了约3.5 wt %。

施等。23]研究了页岩灰对油页岩热解过程的影响。发现页岩灰对产品产量的影响不大,但对天然气和石油组成一个伟大的影响。页岩灰的作用下,生产的H₂和CH₄增加,但公司₂显著降低。它减少了脂肪含量页岩油,脂肪族集团的链长缩短,但促进芳香族碳氢化合物的形成。这种效应随油页岩灰分含量的增加。页岩油产量上升。

3.2。金属化合物

金属化合物包括金属氧化物、金属硫化物和金属盐的优点简单和高活动做准备。因此,金属化合物对液体产品的产量和品质已经被广泛的研究。研究发现,铁、钙、锌、镍和其他金属氧化物和氯可以加速油页岩的热解和促进氢气的生成自由基,页岩油的闪电24]。

后,菲₂O₃催化剂添加CaCO₃催化剂添加,页岩油产量也增加了在热解过程中,但页岩油产量的1.02倍和1.01倍,分别。因此,菲₂O₃催化效应较强,在油页岩热解(24]。陆et al。12)选择CH₃COONa (CH₃首席运营官)₂Ca,分别以油页岩热解的催化剂来研究他们的热解行为和特征的产品。结果表明,三种催化剂可以提高页岩油和天然气产量。这些催化剂定向裂解过程,提高页岩油的产量和热解气。CH₃COONa和分别以使油页岩的沉淀温度低于原样品,因此,减少石油页岩热解活化能。康等。25和康等。26华电油页岩中提取和添加不同的铁化合物。添加FeCl之后₃从油页岩热解,页岩油的产量在20小时内增加了58.5%,和所需的时间对页岩油生产的最大石油下降了43%。这表明FeCl₃加速分解残留沥青的沥青质促进异位的乳沟债券和引发的干酪根热解反应。FeCl的存在₃抑制了干酪根的缩聚反应,促进了芳香结构的开环反应。在350°C, FeCl后20小时内₂添加,沥青的浓度为0.08 mol / L,纯水的高出50.5%。添加FeCl₂减少所需的时间达到沥青的最高产量43%。结果表明,FeCl₂溶液萃取是一种有效的方法,油页岩的原位开采。

江et al。27和张等。28]研究了一些过渡金属盐如FeCl的影响₂h·4₂O, CoCl₂h·6₂O, NiCl₂h·6₂O, MnSO₄·H₂O, ZnCl₂在油页岩热解热分解特性的基础上,产品产量,油页岩的成分。得出的结论是,这些金属盐能促进页岩油的二次裂纹,减少石油产量,增加热解气的生产。金属盐也可以促进脂肪族碳氢化合物的芳构化生产芳烃。当MnSO₄·H₂O和CoCl₂h·6₂O mnso含有0.1%₄·H₂O和CoCl₂h·6₂啊,最初的油页岩的沉淀温度低于原样品。在第二阶段的热解(430 ~ 520°C), 3.621的活化能降低焦每摩尔5.964焦每摩尔,分别和石油产量增加0.44%和0.53%,分别达到520°C。与此同时,NiCl₂h·6₂啊,还可以促进油页岩热解。FeCl₂h·4₂O和ZnCl₂对油页岩的分解行为影响甚微。金属盐也可以促进脂肪族碳氢化合物的芳构化生产芳烃。

3.3。分子筛

分子筛具有特殊的孔隙结构,广泛应用于化学过程工业作为一种新型催化剂。常用的分子筛主要SAPO-11分子筛,磷酸铝分子筛,ZSM-5分子筛,TS分子筛,MCM分子筛SBA分子筛等。

此外,分子筛可以输入根据订购数量的大小,但也有均匀的孔径结构的优势,大的比表面积,高的表面极性,而稳定的结构。如果金属离子掺杂在分子筛的酸性和氧化还原特征将受到影响。MCM-41油页岩的热解有催化作用,广泛用于碳氢化合物转换过程,包括芳烃脱烷基化作用、裂化、加氢裂化。MCM-41有独特的裂解选择性,可以提高页岩油产量(29日]。

ZSM-5沸石催化剂添加到反应堆处理油页岩的热解产生的蒸汽。沸石催化剂的影响派生的石油和天然气的产量和组成进行了研究。油页岩的主要热解产生的气体是二氧化碳,一氧化碳,氢气,甲烷,C₂H₄C₂H₆C₃H₆和少量的其他碳氢化合物气体。催化后,所有烃类气体的浓度增加。但石油产量减少,从而导致更高的天然气产量和焦炭形成的催化剂。油的总氮和硫的内容是显著降低67%,氮为56%,硫(30.]。Chang et al。31日)进行催化热解的华电油页岩使用ZSM-5 ( ,38岁,50)作为催化剂。热解实验进行ZSM-5石油页岩(10 wt %)。结果表明,ZSM-5催化剂降低了页岩油产量从9.33 wt % 6 wt %。页岩油的芳烃含量从2.88%上升到20%以上。芳烃的内容ZSM-5-25和ZSM-5-38 59.39%和56.46%,分别适合催化裂解的催化剂。少与ZSM-5-38相比,ZSM-5-25催化单环芳烃和多环芳烃。

公园(32]研究了热解和催化热解的黑色松(BPW)和库克油页岩(科斯)在酸性沸石由气相色谱分析-质谱法。气相色谱分析-质谱法(gc - ms)的结果表明,含氧化合物和碳氢化合物生成光从黑色松和库克在非催化热解油页岩。这些含氧化合物和碳氢化合物转化为芳烃在酸性沸石催化热解。BPW和科斯的催化热解效率HZSM-5高达56%。

3.4。支持催化剂

负载型催化剂的活性组分和载体两部分组成;载体上的负载分散后被提拔的活性成分,可以减少剂量;的载体通常是一个大的比表面积、热稳定性好的材料,如天然矿石和分子筛;他们不仅可以单独作为催化剂,但也可以是催化剂的载体。的活性成分主要是由一种或几种铁、有限公司钼、镍等。支持的催化剂载体和活性组分在一些特定的反应也表现出协同效应。

页岩灰催化影响油页岩热解和有很好的吸附能力。页岩灰的粒度从1.25毫米到0.20毫米,减少页岩焦炭产量略有下降和总挥发性产品产量增加。0.20毫米的页岩灰是最好的提高页岩油产量和干酪根转化为挥发性产品(33]。陆et al。34]研究了抚顺石油页岩和页岩灰的效果不同过渡金属盐(ZnCl加载₂,NiCl₂h·6₂O, CuCl₂h·2₂O)热解。支持的过渡金属盐催化剂页岩灰可以减少油页岩的初始热解温度,和催化效应是增强与过渡金属盐负荷的增加0.1 - -3.0 wt %的范围。不同的过渡金属盐有不同的催化效果。CuCl₂h·2₂O有最明显的催化效果在三个过度金属盐。过渡金属盐的加载页岩灰不仅含氧化合物的含量增加,也促进了脂肪族碳氢化合物的裂解和芳构化形成短链脂肪族烃和芳烃。过渡金属盐的催化序列 。刘等人。35]研究使用页岩灰(SA)的支持,Cu-Ni过渡金属盐与不同比例的铜/镍1:0,2:1,1:1和1:2,0:1调查不同比率的过渡金属盐的影响在抚顺油页岩的热解行为和特征。结果表明,最大失重速率对应的温度下降了12.9°C, 4.0°C,和3.6°C,分别和热解的表观活化能降低了35.2%,33.9%,和29.6%的铜₀倪₁/ SA催化剂,分别。铜的加入₀倪₁/ SA和铜₂倪₁/ SA进一步改善了页岩油产量的3.5%和3.1%,分别。

加氢脱硫后,页岩油的热值和粘度明显改善。催化剂用于修改总是被焦炭沉积、灭活空气中但原位高温治疗有效地消除了可口可乐从催化剂表面高活性脱硫后操作。Zhang et al。36和乔et al。37)使用钼镍/铝₂O₃对页岩油温和催化剂进行固定床加氢处理。结果表明,催化加氢脱硫条件下,页岩油的硫去除率为84.6%,和升级的收益率高质量的石油是高达96.2%。加氢脱硫后,页岩油的热值和粘度明显改善。

4所示。催化热解油页岩技术的前景

研究人员进行了大量的研究各种影响因素油页岩热解,取得了丰硕的成果。最优条件包括热解温度、升温速率、停留时间、压力已经确定。

油页岩热解的未来的研究方向将集中在催化剂:(1)进一步研究碱金属、碱土金属、和分子筛催化剂;(2)支持与分子筛催化剂设计,蒙脱石、氧化铝为载体;(3)相应的催化剂设计的深入理解油页岩的宏观和微观结构特性在不同的地区,和催化裂化机理进行了研究。目前,已经有研究二进制支持基于单一催化剂活性组分催化剂支持,但仍有一些类型的研究在这方面。在未来,通过进一步的研究,将会有更多的二进制甚至多个支持催化剂或更复杂的催化剂促进油页岩工业的发展和进步。

数据可用性

评论文章的数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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