CN104020125B - 一种基于光跟踪的油页岩热解气体检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光跟踪的油页岩热解气体检测装置及检测方法，该装置包括一气体密封结构，一物料投放机构，两反射镜组；每反射镜组都包括两个相互垂直的、通过转轴联动的镜子；一太赫兹入射窗和出射窗，太赫兹波由入射窗入射，经过两组反射镜组的反射之后，从出射窗出射。检测方法是设定了温度和压力环境，构造一条太赫兹光路，所述的光路是，太赫兹波在一次测量行程中，光波在气体反应物的空间中，在两个不同时刻，分别从正、反两方向分别穿过气体，然后射出。本发明将太赫兹波引入到热解跟踪中，探测密封结构中气体的光谱信息，利用太赫兹时域信号的强度及相位变化表征油页岩结构变化的动力学特征。

Description

一种基于光跟踪的油页岩热解气体检测装置及检测方法

技术领域：

本发明属于热解气体检测技术，尤其涉及一种利用太赫兹光谱技术对油页岩热解气体的检测装置及检测方法。

背景技术：

热解反应是一类重要的反应类型，是指物质在受热的条件下发生分解的反应，广泛存在于无机物和有机物中。有工业意义的有机物热解过程很多，常因具体工艺过程而有不同的名称，可用来获得各种石化基本原料。热解反应常有气体物质生成，气体的物理、化学性质对于判别反应过程所处的状态、理解反应物质的成分、组成方面都有重要意义。油页岩是由有机物和无机矿物质构成的可燃性有机岩石，其有机物以干酪根的形式存在，热解油页岩是获得页岩油和研究油页岩组成成分的重要手段。

目前对于气体成分的检测常采用各类气体检测器，即能够感知某种气体浓度的传感器。一种传感器对于一种特定的气体有较好的响应，对于其他的气体则灵敏度较低甚至无响应，若需要测量混合气体中各成分的气体浓度，则需要多个对应的气体传感器组合起来。特别是如果其中某一或某几个传感器对多种气体成分都具有响应时，需要有额外的传感器作为补充，才能有效地进行鉴别和分析。

太赫兹电磁波较低的光子能量(1THz对应的光子能量为4.14meV)，与X射线衍射技术相比较，THz不会因为电离而造成样品的损坏。THz脉冲具有皮秒级脉宽，可以利用它对各种有机生物分子进行时间分辨的研究。而油页岩官能团分子振动的时间量级为10^-9-10^-15秒，对应于太赫兹波段，因此可以捕捉油页岩热解时官能团化学键断裂生成自由基及其稳定聚合的特性。目前由于缺少相关装置将油页岩热解装备与太赫兹光谱分析技术有效结合起来，太赫兹光谱技术应用于研究油页岩热解气体时存在困难。

发明内容：

鉴于此种状况，本发明提出了一种基于光跟踪的油页岩热解气体检测装置及检测方法，能够利用THz脉冲的这种特性，在热解反应的同时允许太赫兹波透过产生的热解气体，以实现利用太赫兹光谱技术跟踪热解气体的目的，解决了长期以来在热解时无法同步测量的难题。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

第一技术方案：一种基于光跟踪的油页岩热解气体检测方法，其特征在于：它是在一个设定了温度和压力条件的热解环境中，构造一条太赫兹光路，利用太赫兹波沿此光路穿过热解反应物，然后为光谱仪所接收，用光谱时域信号所发生的变化对热解反应物进行跟踪分析；所述的热解环境中，温度条件指固定的温度或变化的温度条件之一，气压条件指固定的气压或变化的气压条件之一。

所述的光路是，太赫兹波在一次测量行程中，光波在气体反应物的空间中，在两个不同时刻，分别从正、反两方向分别穿过气体，然后射出。

所述的热解环境中，通入的气体是惰性气体N₂或Ar₂。

第二技术方案：

一种实现上述方法的装置，包括一气体密封结构，在气体密封结构内部设置一物料投放机构，在物料投放机构两侧各设置一反射镜组；每一所述反射镜组都包括两个相互垂直的、通过转轴联动的镜子，在其中一反射镜组中，两个镜子镜面都背离90度夹角，在另一反射镜组中，两个镜子镜面都朝向90度夹角；一太赫兹入射窗和出射窗，分别设置在镜面背离90度夹角的两个镜子所对的气体密封结构侧壁上，太赫兹波由入射窗入射，经过两组反射镜组的反射之后，从出射窗出射；所述装置还包括为气体密封结构内控制温度的温控装置，还包括为气体密封结构内控制气压的气体充放装置。

优选地，所述气体密封结构为一箱体，所述箱体由无盖长方体盒和矩形盖密封连接组成，在矩形盖上端面设置有各种安装孔，用于安装物料投放机构和反射镜组。

优选地，所述物料投放机构为一吊篮结构，包括一L形板，L形板的第一拐臂下端连接一吊篮，伸入在气体密封结构的内部，吊篮下半部分有一夹层结构，夹层中间放置待热解的固体样本，两个夹板的槽中放置电热丝；L形板的第二拐臂固定在气体密封结构的顶部。

优选地，每一所述反射镜组中，两个镜子都通过连接柱连接，连接柱上开设有长螺纹通孔，所述转轴连接在长螺纹通孔中，转轴上套设有定位螺母、密封圈，露在外面的部分设有旋钮。

进一步地，温控装置热电偶和电热丝，气体充放装置设置阀门和气压表，通入的是惰性气体。

进一步地，在所述气体密封结构内构造的光路系统是：太赫兹波由入射窗入射，经过第一反射镜组的第一反射面，反射到第二反射镜组的一个反射面，然后再反射到第二反射镜组的第二个反射面，再进一步反射到第一反射镜组的第二反射面，最后由这个反射面反射到出射窗，由出射窗发射出去。

本发明在采取上述方案的基础上，所具有的设计优点如下：

1、本发明可以将热解反应和太赫兹光谱技术紧密联系起来，可以在热解反应的过程中利用太赫兹光谱仪实时跟踪反应进程。以往的装置只能单独进行热解反应，无法与光路衔接实现光谱测量，或者可以进行太赫兹光谱测量但无法同时进行热解反应，本发明的设计克服了以往装置的缺陷。

2、本发明使用方便，结构简单。整体结构既考虑了气体密封的要求，又兼顾了放入、取出热解样品的便捷性，光路设计简洁，反射镜可调易于维持测量精度。

3、本发明在线观察各种反应条件(温度、压力、加热速率、类型、反应时间等)下油页岩热解反应过程，用太赫兹时域信号跟踪热解产物的变化，捕捉热解产物在皮秒量级的超快动态运动过程，通过太赫兹时域信号的强度及相位变化表征油页岩结构变化的动力学特征。

附图说明：

以下附图在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1为气体密封结构的结构示意图；

图2为矩形盖的示意图；

图3为物料投放机构的结构示意图；

图4为物料投放机构在矩形盖上的安装示意图；

图5为反射镜机构在矩形盖上的安装示意图；

图6为反射镜机构的俯视，以及光路系统的示意图。

1-气体密封结构，11-无盖长方体盒，12-矩形盖，13-矩形孔，14-螺纹孔，15、16-气路接口，2-物料投放机构，21-L形板，22-吊篮，23-通孔，24-螺柱，25-第一螺母，26-第二螺母，3-反射镜机构，31-第一反射镜组，32-第二反射镜组，33-连接柱，34-长螺纹通孔，A、B、C、D-四个反射面，35-转轴，36-入射窗，37-出射窗。

具体实施方式：

为了对本发明的技术方案、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图给予说明。

本发明的用途在于为太赫兹时域光谱仪提供配套的气体检测，能够利用太赫兹光谱技术对油页岩热解反应产生的气体进行跟踪。它的基本构思就是，在一个设定了温度和压力条件的热解环境中，设计一条太赫兹光路，使得太赫兹波透射过热解气体，然后为光谱仪所接收，根据热解环境条件，利用光谱的变化特性测量热解反应物的特征。光路形式是，让太赫兹波在一次测量行程中，光波在气体反应物的空间中，在两个不同时刻，分别从正、反两方向穿过气体。

上述构思可以通过以下方式实现：

一种装置，包括一气体密封结构1(即密封箱体)，气体密封结构是装置的主体结构，是其他结构和系统安装定位的基础。图1为气体密封结构的一实施例结构示意图。在这一实施例中，气体密封结构1由无盖长方体盒11与矩形盖12组成。矩形盖扣在长方体盒的上端面中，用螺栓和螺母、垫片实现密封。矩形盖12上端面设置有各种安装孔，包括矩形孔13、螺纹孔14，转轴孔15，图2所示，用于安装物料投放机构2和反射镜机构3。

在介绍如何安装物料投放机构2前，先讲一下物料投放机构2的结构。结合图3、图4，在一实施方式中，物料投放机构2为一吊篮结构，包括一L形板21，L形板的两个拐臂垂直，其中第一拐臂下端连接一吊篮22，吊篮22的下半部分有一夹层结构，夹层中间可放置待热解的固体样本，前后两个夹板的槽中可以放置电热丝。第一拐臂和矩形孔13是大小形状相同的，二者过盈配合(相互挤压抱死)，以实现密封。吊篮部分的截面小于第一拐臂的截面，方便从矩形孔中取出。第二拐臂平面上带有通孔23。在矩形盖12上，与L形板结构相对应的开设有一矩形孔13和一螺纹孔14，矩形孔13用于穿过吊篮，螺纹孔14与通孔23配合安装螺柱。安装物料投放机构2时，带有吊篮的一端，由矩形盖上的矩形孔13穿入到密封箱体中，带有通孔23的第二拐臂则露在矩形盖的外面；预先在螺纹孔14中穿设一螺柱24，螺柱上套设第一螺母25，第一螺母位于第二拐臂的下方，在通孔23穿过螺柱后，在螺柱上再套设一第二螺母26，第二螺母位于第二拐臂的上方。两个螺母和一个螺柱，就是为了在转动螺母时对吊篮产生很大的拉力或压力，以克服过盈配合产生的摩擦阻力。两个螺母的作用是提供压力、拉力(下面的提供向上的拉力，上面的提供向下的压力)，以移动吊篮。吊篮不会因为自重而下落，实际上也已经由过盈配合面保证了(相互大的挤压摩擦)。需要取出热解样品时须用扳手拧拐臂下方的螺母，使之向上移动，则带动吊篮整体上移。螺柱搭配螺母实现物料投送的上下移动，同时又保证了密封的要求。

至于样品吊起来放在中心，光路环绕，只是为了减少固体位置对太赫兹光线的影响。同时，吊起来加热改变了原来加热器置于底部的方法，底座只接受辐射热而不接受传到热，这样降低了隔热层的要求，同时减小了油页岩热解过程热量对光学平台造成的热变形，对提升测量精度、可靠性有益。

同样，在介绍如何安装反射镜机构3前，先讲一下反射镜机构3的结构。结合图4、图5，在一实施方式中，反射镜机构3包括两组同样结构的反射镜组，第一反射镜组31和第二反射镜组32，每组都包含相互垂直的两个镜子，通过连接柱33连接，连接柱上开设有长螺纹通孔34。在其中的一反射镜组中，两个镜子镜面都背离90度夹角，在另一反射镜组中，两个镜子镜面都朝向90度夹角，如图6中的A、B、C、D四个反射面。在矩形盖12上，位于物料投放机构2的两侧，各开设一转轴孔15，转轴孔中插一转轴35。安装时，两反射镜组分别通过长螺纹通孔34与转轴35连接。转轴35上套设有定位螺母、密封圈等配件，露在箱体外面。转轴35顶端可设旋钮便于调整镜面角度。

在长方体盒11的两个侧面，与反射镜组相配合设置两个太赫兹透射窗，一个为入射窗36，一个为出射窗37，结合反射镜机构3构造装置的光路系统。该光路系统是：如图5中箭头线所指，太赫兹波由入射窗36入射，经过第一反射镜组的A反射面，反射到第二反射镜组的C反射面，然后再反射到第二反射镜组的D反射面，再进一步反射到第一反射镜组的B反射面，最后由B反射面反射到出射窗37，由出射窗发射出去。在此过程中，太赫兹波在气体密封结构内部空间，围绕热解样品往返各一次。

为了模拟不同温度，不同压力条件下的热解环境，本装置还设置了温控装置和气体充放装置，对于在一密封容器内设置温控装置和气体充放装置，营造温度和气压环境，有多种常规技术可以实现，本发明中不一一介绍。比如在温控装置设置热电偶用于探测温度，设置电热丝用加热。气体充放装置包括进、出气路，如图1所示侧壁上的两个气路接口16、17。气体充放装置还包括阀门和气压表，阀门用于控制气体的进出量，气压表用于探测箱体内气压。上述充放气体为对热解反应物无影响的惰性气体。

该装置在气体阀关闭的情况下，矩形盖与长方形盒体密封连接的情况下，物料投放机构和反射镜机构密封设施都做好的情况下，气体密封结构是密封的，从而保证了内部气体的准确性。气体充放和气压探测结构能控制的气压，物料投送机构能够确保将待热解物质放入到气体密封结构内部，温度控制系统能够以一定温度加热待热解固体样品，光路系统能够保证太赫兹波以一定精度在整个装置内传播，透过热解气体的太赫兹波包含了气体的信息，能被外部的太赫兹光谱仪接收。

基于上述装置，一种太赫兹波跟踪气体的检测方法为：太赫兹波由入射窗入射，经过第一反射镜组的A反射面，反射到第二反射镜组的C反射面，然后再反射到第二反射镜组的D反射面，再进一步反射到第一反射镜组的B反射面，最后由B反射面反射到出射窗，由出射窗发射出去。在此过程中，太赫兹波在气体密封结构内部空间，围绕热解样品往返各一次。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于光跟踪的油页岩热解气体检测方法，其特征在于：它是在一个设定了温度和压力条件的热解环境中，构造一条太赫兹光路，利用太赫兹波沿此光路穿过热解反应物，然后为光谱仪所接收，用光谱时域信号所发生的变化对热解反应物进行跟踪分析；

所述的热解环境中，温度条件指固定的温度或变化的温度条件之一，气压条件指固定的气压或变化的气压条件之一；

所述的光路是，太赫兹波在一次测量行程中，光波在气体产物的空间中，在两个不同时刻，分别从正、反两方向分别穿过气体，然后射出；

实现所述的光路的方法是：设置一装置，包括一气体密封结构，在气体密封结构内部设置一吊篮，在所述吊篮两侧各设置一反射镜组；

所述气体密封结构为一箱体，所述箱体由无盖长方体盒和矩形盖密封连接组成，在矩形盖上端面设置有安装孔，用于安装所述吊篮和反射镜组；

所述装置包括一L形板，L形板的第一拐臂下端连接所述吊篮，伸入在气体密封结构的内部，吊篮下半部分有一夹层结构，夹层由两个夹板构成，夹层中间放置待热解的固体样本，两个夹板各自的槽中放置电热丝；L形板的第二拐臂固定在气体密封结构的顶部；

每一所述反射镜组都包括两个相互垂直的、通过转轴联动的镜子，在其中一反射镜组中，两个镜子镜面都背离90度夹角；在另一反射镜组中，两个镜子镜面都朝向90度夹角；

在镜面背离90度夹角的两个镜子所对的气体密封结构侧壁上，各自设置一太赫兹波入射窗和出射窗，太赫兹波由入射窗入射，经过两组反射镜组的反射之后，从出射窗出射；

所述装置还包括控制气体密封结构内温度的温控装置，还包括控制气体密封结构内气压的气体充放装置。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述的热解环境中，通入的气体是N₂或惰性气体Ar。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：每一所述反射镜组中，两个镜子都通过连接柱连接，连接柱上开设有长螺纹通孔，所述转轴连接在长螺纹通孔中，转轴上套设有定位螺母、密封圈，露在外面的部分设有旋钮。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：温控装置包括热电偶和电热丝，气体充放装置设置阀门和气压表，通入的是惰性气体。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：在所述气体密封结构内构造的光路系统是：太赫兹波由入射窗入射，经过第一反射镜组的第一反射面，反射到第二反射镜组的一个反射面，然后再反射到第二反射镜组的第二个反射面，再进一步反射到第一反射镜组的第二反射面，最后由这个反射面反射到出射窗，由出射窗发射出去。