油砂是一种储量巨大的非常规石油资源,随着常规石油资源的不断消耗,油砂资源的开发利用受到了越来越广泛的关注。油砂热解技术因其适用范围广,环保无污染,无尾矿问题,技术简单易行等优势,具有良好的工业化前景。油砂热解行为的基础研究对生产实践具有重要的指导意义。不同热解工艺的对比研究有助于工艺路线的确定,对油砂热解过程具有指导意义。本文提出了油砂热解基本单位油砂颗粒团的概念,对油砂热解的动态行为进行了拍照观察,发现在热解过程中,油砂沥青在油砂固体表面有两次成膜覆盖的过程。对油砂热解不同终温急冷得到的固体产物进行了表征,用扫描电镜对微观孔道进行了观察,通过比表面积和孔容的测试分析来分析油砂孔道内积液量的变化,同时定义了失重加速度曲线并将其与油砂颗粒团孔道内的积液量联合分析讨论。研究结果表明,油砂热解过程中固体颗粒的比表面积和孔容并非一直增大,而是随着孔道内液体的累积而波动变化。在10℃/min的升温速率条件下,热解过程中油砂孔道内的积液量分别在230℃和460℃达到极大值,第一次极大值是由于沥青的融化,第二次是由于沥青的加速热解。基于上述分析提出了油砂热解物理过程模型。本文同时对减压热解进行了研究,将减压热解、氮气吹扫热解和常压干馏三种热解工艺在产品收率、性质方面进行了对比研究,考察了热解终温、真空度和升温速率对其产品收率的影响,结果表明减压热解的油品收率高于氮气吹扫热解高于干馏。在升温速率低于50℃/min的区间内,升温速率的提升并不能明显降低焦炭产率,反而增强了有机蒸汽的二次反应,促使本该冷凝成液体油品的有机蒸汽进一步裂解成不凝的气相产物,降低了液体收率提高气体收率。在此基础上提出了常压干馏和减压耦合热解工艺,并对干馏向减压热解的转变温度进行了考察。在10℃/min的升温速率条件下,将500℃作为转化热解方式的温度临界点,并不影响液体油品收率。油砂沥青热解之后初馏点大幅降低,热解之前油砂沥青主要成分为重油,热解后主要成分为馏分油。基于上述实验,本文对油砂热解过程中有机蒸汽的传质行为进行了分析,指出了影响热解油品收率的主要的传质方面因素。