油页岩是重要的石油补充能源,油页岩微波热解(MPOS)是一种具有发展潜力的油页岩加工技术。本文对MPOS进行了详细研究,所取得的研究成果将有助于油页岩高效、清洁利用。主要研究成果包括以下几个方面:设计了一台新型装置用于MPOS,并对其生产优质页岩油和热解气的影响因素进行研究。探究了热解温度(T_p)、微波功率(P_m)和停留时间(t_r)对产物分布、页岩油性质以及热解气组成的影响。此外,还利用灰色关联分析对各个影响因素的相对重要程度进行了研究,结果表明,相较于P_m和t_r,T_p对热解产品分布、页岩油馏分分布以及热解气组成的影响最为显著。探讨了MPOS的加热性能以及动力学。MPOS所能达到的最高温度(T_m)和平均升温速率(γ)受油页岩有机质含量影响,这种影响在较高微波功率(400–700 W)下比在较低微波功率(200–400 W)下更加显著。T_m和γ与P_m呈线性或指数相关,均在400 W处出现折点。与油页岩传统热解(CPOS)相比,在相同输入功率下MPOS具有更高γ,在相同热解终温下MPOS具有更大失重率,在MPOS下油页岩有机质分解的活化能降低13–21%。从定性和定量两个角度对MPOS所得气、液、固相产物中的S/N化合物进行了分析,随着热解温度升高建立MPOS过程中的S/N平衡。由于微波加热的均匀性以及“热点”的形成,油页岩整体的实际平均温度高于所测温度,因此MPOS过程中的反应较之CPOS具有“超前性”。对于含硫化合物,当温度低于340℃时,半焦中芳香族硫化物大量裂解生成脂肪族硫化物,脂肪族硫化物主要与含氧官能团反应生成砜类化合物或者发生裂解反应生成含硫气体;在340–460℃间,半焦中芳香族硫化物分解主要生成页岩油中的噻吩类和苯并噻吩类化合物,半焦中砜类和脂肪族硫化物大量分解主要生成H₂S、CH₃SH和COS。对于含氮化合物,当温度低于340℃时,半焦中含氮化合物变化不大;在340–400℃间,半焦中吡啶氮显著减少主要转化为吡咯氮;在400–460℃间,微波主要促进半焦中吡咯氮分解生成页岩油中的吲哚类和咔唑类;在460–520℃间,半焦中吡咯氮和吡啶氮的分解反应在微波作用下得到促进,生成NH₃和少量HCN。采用电喷雾电离傅里叶变换离子回旋共振质谱(ESI FT-ICR MS),从分子水层面分析了页岩油中有机S/N/O化合物的组成特征,提出了它们在MPOS过程中的可能反应途径。MPOS促进了油页岩中S/N/O向半焦和热解气中迁移、C─S和C─N键的断裂以及S/N/O化合物的缩合反应。对于等效双键(DBE)较低的S/N化合物,C─S和C─N键较易断裂,生成H₂S和NH₃;对于DBE较高的S/N化合物,则更易发生缩合反应。对于酸性O2类化合物,芳香环上含有羧基的侧链容易断裂,导致MPOS所得页岩油中脂肪酸类化合物的相对含量较高。