利用大规模ReaxFF MD初步探索孔道对煤热解过程的影响

深入了解煤热解反应机理对实现煤的高效和清洁利用至关重要。影响煤热解化学反应的主要影响因素包括温度、颗粒内的孔道、煤颗粒表面结构、反应气氛、升温速率等等。其中,煤结构中的微孔道(0.4-1.2 nm)对煤分子及其热解产物,特别是焦油产物的生成至关重要。由于煤结构本身的复杂和不均一性,并且热解为高温自由基过程,对煤热解自由基和中间产物的演化仍缺乏原位测定技术。这几年,化学反应分子动力学ReaxFF MD被广泛应用于热解、爆炸、金属催化和新材料设计中,为从分子角度探索孔道对煤热解反应过程的影响提供了新的视角。本文首先基于原煤的实验测定数据(元素和工业分析,12个核磁共振数据),构建了两个所含原子数相同(99,544个原子,国际上目前为止模拟的最大煤模型)、组成相同,但具有不一样孔道分布的大规模海拉尔褐煤模型,其中一个为密实体系,另一个则人为地添加了10?的孔道。采用GPU高性能计算的GMD-Reax,对两个褐煤模型在相同条件下分别进行ReaxFF MD模拟,并利用基于化学信息学的VARxMD对模拟结果的产物和化学反应进行分析,初步探索了煤孔道对煤热解的影响。模拟结果得到了海拉尔褐煤的主要热解产物(焦炭、焦油和气体)的生成趋势(Fig.1)、主要小分子气体的演化、桥键的裂解行为、自由基的生成和消耗规律等在两个模型热解过程中的相似与不同;并表明孔道会促进煤结构中C-C键的断裂,有利于轻质焦油(C5-C13物质)的生成。