氮、硫元素在油页岩干馏/焚烧一体化综合利用系统中迁移过程的量子化学原理

氮、硫元素在油页岩干馏/焚烧一体化综合利用系统中热化学转化途径的研究与改良对于实现贮量巨大的油页岩资源高效清洁利用、提高产品的利用价值意义重大。已往研究工作主要是实验研究氮、硫元素在油页岩干馏或燃烧反应前后的赋存形态，缺乏对这些元素在中间转化过程中赋存形态的变化以及运行参数对其变化过程影响的研究，因此无法提出转化过程的技术改进措施以提高产品的利用价值和环境效益。本项目将通过实验研究与量子化学理论分析相接合的方法对氮、硫元素在油页岩综合利用系统中的热化学转化途径进行基于原子、分子层次的化学反应机理分析，探讨这些元素之间热化学转化的相互影响和协同效应，建立相应热化学转化机理模型，优化这些元素在综合利用系统各阶段的分配，最终提出最小危害转化的控制策略。本项目所取得的研究成果对于油页岩综合利用系统的设计与优化、提高产品的利用价值具有重要的指导意义。

本项目采用实验研究和量子化学理论分析与计算相结合的方法对有机氮、硫元素在油页岩热化学转化过程中的迁移规律进行了研究，执行内容包括：油母质分子结构的成键特性与微观机理模型，油页岩干馏特性与有机氮、硫元素热化学转化规律，油页岩半焦循环流化床燃烧特性与NOX和SO2排放机理，氮硫元素在油页岩干馏、半焦燃烧一体化系统中最小危害转化的控制策略。研究成果主要包括：依据大量实验与分析结果，确定了所研究的桦甸油页岩的油母质化学式C389H677O31N5S，其中有机氮以吡咯、吡啶、季氮和胺的形式存在，有机硫元素则以芳香硫、脂肪硫、砜和亚砜的形态存在于油母中，据此建立了油母质大分子结构初步模型，并采用分子力学MM+法对其进行了优化计算，得到结构更为紧凑的三维空间微观立体分子结构模型；经过干馏后，油页岩中一半以上的氮和硫以更加稳定的形式残留在半焦中，挥发出去的氮分布在页岩油和不凝气内，数量相当，而硫主要以H2S形式存在于不凝气内；通过采用半焦循环流化床低温燃烧技术和运行工况优化可以有效燃烧利用半焦，降低NOX和SO2的排放，从而实现油页岩中氮、硫元素以及芳香类有毒、有害物质的最小危害转化。本项目所取得的研究成果为指导油页岩干馏、半焦燃烧一体化综合利用系统的研究与设计以及国家油页岩综合利用示范基地的建设提供了理论依据。完成相关英文SCI论文11篇，申报国家发明专利3项，培养博士后2名、博士生6名、硕士生2名。