油页岩油母质分子结构及热解机理的分子模拟

Exploring the molecular structure of the material to reveal more accurately the evolution mechanism of complex material in the thermal process has become a vital research topic. Based on statistical structure analytical method and energy optimization theory，the construction method of kerogen molecular model will be proposed. And then, the reactivity of kerogen molecule will be evaluated from the point of view of thermodynamics, kinetics and bond dissociation energy. Based on three-dimensional structure of kerogen and combined with molecular simulation methods such as quantum chemistry, molecular mechanics, density functional theory, etc., the bonding regularity of three-dimensional structure of kerogen will be mainly studied to obtain molecular model of kerogen pyrolysis. The theory prediction model of non-condensable gas products will be presented to elucidate the devolatilization mechanism of kerogen molecule in pyrolysis according to the possible reaction pathways. Based on the Monte Carlo method, the influence of minerals on the reaction characteristics of kerogen pyrolysis will also be investigated. Applied in advanced testing techniques, kerogen pyrolysis evolution mechanism model will be optimized and verified to ensure the validity of the model. .Innovations:.(1) To build up three-dimensional molecular structure of oil shale kerogen systematically, and to put forward the construction method of kerogen molecular model eventually..(2) To study on the evolution mechanism of molecular structure of oil shale kerogen in the pyrolysis process based on molecular simulation technology. .(3) To establish the theory prediction model of non-condensable gas in kerogen pyrolysis process.. We plan to publish 16-20 papers and 2-3 patents according to this project.

探索物质分子结构以更精确地揭示复杂物质热转化过程演化机理已成为重要研究课题。基于统计结构解析法及能量最优化理论，从热力学、动力学、键解离能等角度评价分子结构反应性，提出油页岩油母质分子结构模型构建方法。基于油母质三维结构模型，结合量子化学、分子力学、密度泛函等分子模拟方法，重点研究油母质分子的成、断键规律，获得油母质分子热解反应过程模型。针对不可凝气体产物设计反应路径，揭示油母质热解脱挥发分机理并建构不可凝气体析出的理论预测模型。基于蒙特卡罗方法研究矿物质对油母质分子热解反应特性的影响。结合先进的测试技术，验证与优化油母质分子结构热解演化机理模型的正确性。.创新点：.（1）系统构建油母质三维分子结构模型，提出油母质分子结构模型构建方法。.（2）基于分子模拟技术的油页岩油母质分子结构热解演化机理研究。.（3）建立油母质热解过程不可凝气体析出的分子理论预测模型。.论文16-20篇,专利2-3项

传统的热分析手段可以在宏观上给出油母质的热转化特性或规律，但仅通过热解曲线来揭示热解机理和过程仍十分困难。利用分子模拟技术对油页岩油母质分子结构进行研究并与其热解反应性进行关联，将大大加深对热转化过程中油母质大分子结构演变的认识，对于深入揭示油页岩油母质分子结构与其反应性的关系是非常必要的。. 应用实验测试手段，结合分子模拟技术，构建了我国多地油页岩油母质三维分子结构模型，进一步阐明了油母质分子结构与反应性之间的关联，率先提出并形成了一套系统地构建油母质分子结构模型的新方法。该方法可合理有效地处理油母质分子结构的同分异构问题。提出“网格数目”的思想，构建了不同成熟度的油母质分子结构模型，合理有效地处理了同分异构现象对能量优化过程的干扰。该方法可显著地提高分子建模的准确度。. 通过电子分布特性的研究，进一步阐明了分子模型中不同化学结构的热解反应性，进而构建了油母质分子热解反应过程模型。本项目以电子密度和分子轨道为切入点为研究油母质分子结构热解机理提供了新思路。基于分子模型，深入系统地开展了油母质分子结构的量化和动力学模拟研究，阐明了模型结构的成断键规律，实现了产物分布的预测，揭示了热解过程中的微观化学演化机理，获得了分子结构的电子密度分布以及其前线轨道特性，进而预测了油母质的化学反应活性。基于Mayer键级，提出了油母质热分解机理模型，该模型可实现对油母质化学结构的热解断键行为快速、准确地预测。. 应用过渡态搜索理论，结合GC-SCD技术，首次针对油页岩油母质中含硫化合物结构的热解反应路径进行了全面的设计和完整的比较，为油页岩中硫原子化学演化的研究提供了丰富的理论依据。基于构建的6个油母质分子结构模型，筛选出19个含硫化合物模型，设计了34条化学反应路径，阐明了硫化物在转化过程中反应物、中间体等产物之间的演化机制，提出并优化了各硫化物在热解过程中的反应路径，得到了实验手段无法获得的含硫化合物化学反应细节。