油页岩干馏有机碳的转化率较低,页岩油产率不高,且含有较多的杂质。油页岩加氢热解能够达到增量提质的效果,但需要氢气作为原料,制氢成本过高。而甲烷干重整具有明显的经济效益和环境效益,是油页岩加氢热解理想的替代氢源。但甲烷干重整需要高温高压的反应条件,其反应最佳温度区间高于油页岩热解反应的最佳温度区间,故两者的耦合效果不佳。因此,基于低温等离子体的非平衡特性,将其用于甲烷干重整反应,以实现甲烷干重整过程与油页岩干馏过程温度的匹配。本文选用吉林桦甸公合油页岩样品进行研究,首先利用热裂解气相色谱质谱仪(Py-GC/MS)探索了温度、气氛、催化剂以及油页岩和催化剂混合制样方法对公合油页岩干馏产物分布特性的影响。再采用Ansys CHEMKIN PRO模拟软件研究了不同气氛下的油页岩干馏过程,以及冷等离子体甲烷干重整与油页岩干馏耦合过程,得到的主要结论如下所示。首先,通过分析不同裂解温度下公合油页岩干馏产物中的C5-C35饱和烃、C6-C35不饱烃以及杂环化合物的分布情况,发现裂解温度520℃更有利于公合油页岩的快速裂解。在520℃的最佳裂解温度下,进一步研究了不同裂解气氛对公合油页岩干馏产物中C8-C31饱和烃、C6-C35不饱和烃和杂环化合物的影响,发现H₂气氛更有利于公合油页岩的热解,并在一定程度上有助于含氧杂环化合物的脱氧反应。其次,在520℃和氢气气氛下,通过分析不同金属盐催化剂对公合油页岩干馏产物中C8-C31饱和烃、C6-C35不饱烃以及杂环化合物的影响,发现添加过渡金属盐催化剂(Co Cl₂)的催化效果相较于其他几种金属盐催化剂而言更为显著。还进一步分析了催化剂与油页岩混合样品不同制样方法以及不同类型催化剂对公合油页岩干馏产物中C8-C35饱和烃、C6-C35不饱和烃和杂环化合物的影响,发现浸渍法制备的Co Cl₂催化剂催化效果更好,而分子筛HZSM-5催化剂的提质效果更优于Co Cl₂催化剂,但分子筛催化剂的干馏反应生成总产物含量不如过渡金属盐催化剂。最后,通过相关文献及数据库资料,构建了油页岩干馏过程以及冷等离子体甲烷干重整的反应机理文件,再采用CHEMKIN-PRO软件对不同气氛下的油页岩干馏过程以及冷等离子体甲烷干重整与油页岩干馏耦合过程进行了数值模拟。模拟结果表明,氢气气氛下油页岩发生的干馏反应比氦气气氛下发生的更彻底,而冷等离子体甲烷干重整对油页岩干馏的促进效果更好。综上所述,本文通过宏观实验研究了不同反应工况下油页岩的干馏过程及产物析出特性,基于实验研究结果进一步通过动力学模拟研究了冷等离子体甲烷干重整与油页岩干馏耦合过程的产物析出特性及机理,有助于为开发油页岩干馏新工艺提供理论指导。同时该耦合过程能同时利用甲烷与二氧化碳两种温室气体,而且能够有效提高页岩油的产率及品质,为温室气体的减排利用开辟新途径。此外,后续还可以进一步研究不同金属负载分子筛催化剂的催化效果,也可以优化模拟过程进一步分析冷等离子体甲烷干重整与油页岩干馏耦合过程的反应机理,从而实现该耦合过程的进一步利用。