油页岩是一种储量丰富、分布广的非常规能源,充分开发利用可以缓解当前石油资源短缺的局面。将油页岩在一定温度下进行热加工处理可以生产出性质与天然石油类似的页岩油产品,但含有较多的不饱和烃以及氮、硫、氧等非烃类化合物。本论文研究以提高页岩油的产率和提升页岩油的品质为出发点,提出油页岩加氢热解与页岩油加氢精制耦合的新工艺,在高压固定床反应器上进行研究;考察了煤气替代氢气进行加氢热解提高页岩油产率的可行性;开展油页岩热解机理研究,分析矿物质对油页岩热解行为产生的影响。利用热重(TG)和固定床反应器研究了无机矿物质对油页岩热解特性的影响。TG分析结果表明:柳树河油页岩中粘土类矿物质对有机质热解影响突出表现在热分解初期,使有机质热稳定性得以提高。进入热分解主要阶段后,柳树河油页岩和有机质单独热解活化能无明显差异。爱沙尼亚油页岩中的碳酸盐类矿物质使油页岩初始热分解阶段反应活性降低,但对主要热分解阶段有催化作用。固定床热解实验结果表明:矿物质的存在改变了油页岩热解和加氢热解产物的分布。油页岩热解得到的页岩油的馏分组成以及族组成分析结果表明,两种页岩油重油馏分和极性组分含量较高,特别是酸性组分含量高达20%左右。页岩油各组分GC/MS分析结果表明,页岩油的脂肪分主要是C10-C33的正构烷烃、异构烷烃以及烯烃,并以正构烷烃为主;芳香分主要是2-4环的芳烃,也含有少量的环数更高的芳烃;含氧化合物主要以酚和烷基酮的形式存在;含氮化合物组成比较复杂,主要存在于碱性组分中,包括碱性含氮杂环(吡啶类、喹啉类以及吖啶类)、弱碱性的苯胺、中性的含氮杂环(毗咯类、吲哚类以及咔唑类)等,还有少部分含氮化合物以直链腈的形式存在。与柳树河页岩油不同,爱沙尼亚页岩油中未检测到弱碱性苯胺类物质以及直链腈。对比两种页岩油发现,柳树河页岩油比爱沙尼亚页岩油组成更复杂,芳构化程度更高。在高压固定床上,将油页岩加氢热解与页岩油加氢精制过程耦合为一体,以达到提高页岩油产率和提升页岩油品质的双重目的。压力为15MPa时,柳树河油页岩加氢热解油产率为25%,与铝甑油产率相比,油产率提高130%;压力为15MPa时,爱沙尼亚油页岩加氢热解油产率为50%,比铝甑油产率提高20%。可见,加氢热解更有利于氢碳比较低的柳树河油页岩的油产率提升。考察各工艺参数对油页岩高压热解和加氢热解影响,结果发现,工艺参数对油页岩高压热解和加氢热解产生不同于常压条件下的影响。油页岩加氢热解与页岩油加氢精制耦合过程的结果表明,经过耦合过程,页岩油的硫含量、氮含量大幅降低;汽油馏分和柴油馏分含量增加,重油馏分含量降低;脂肪烃和芳烃含量增加,非烃化合物含量降低;芳烃中3环以上的化合物减少,单环和双环的化合物含量上升。对比NiMo、CoMo和NiW三种催化剂的催化加氢性能,发现NiMo加氢精制活性最佳。实验结果显示,经过耦合过程处理,爱沙尼亚页岩油品质提升的效果较柳树河页岩油更加显著。在模拟煤气气氛下进行油页岩固定床热解研究。结果表明,柳树河油页岩在煤气气氛下热解可以得到和氢气气氛下热解相当的油产率,因此可以用合成煤气替代氢气进行加氢热解。其中,煤气中的氢气是热解油产率得以提高的主要贡献者;甲烷是惰性气体,在热解中起的作用甚微;二氧化碳通过和氢气发生逆水煤气变换反应,提高了热解水产率;一氧化碳的存在抑制了逆水煤气变换反应,进而抑制水的生成。