基于ReaxFF分子动力学模拟研究宁夏高阶烟煤复合显微组分热解特性

摘要

以西部地区典型高阶烟煤为研究对象,从微观角度探究煤化学结构中化学键信息与热化学转化行为之间的内在联系。利用ReaxFF-MD在1000~3000 K温度内进行了一系列恒温模拟。研究了一种含有5765个原子的高阶烟煤复合显微组分分子模型的主要热分解机理,并探讨了不同终温和不同升温速率下的热解反应产物分布。模拟结果显示,当温度为1000 K时,体系势能和分子数目随着反应时间无明显变化。随着热解反应温度的升高,体系势能和分子数目随反应时间的增加而增加,热解生成的C_(40+)组分含量降低,气体组分和C_(5)~C_(15)组分的含量增加。C_(16)~C_(4)0组分的含量先增加后减小,在2500 K时上升到最大值为13.68%。结果说明热解反应是一个吸热反应过程。在1500 K时热解反应开始发生,热解反应的温度越高,热解反应的速率越大。在热解反应初期主要发生非化学键、弱桥键和侧链结构的断裂,包括氢键、π…π堆积、C_(al)―O、C_(al)―C_(al)等化学键。结果导致镜质组和惰质组分子之间相互缠绕形成的聚集状态开始发生解聚和分解;随后由热解初始阶段产生的自由基和小分子碎片引发的桥键断裂反应和侧链的脱落,包括C_(al)―O,C_(al)―C_(al),C_(ar)―O,C_(al)―H等键。模拟温度为2500和3000 K时,模型以分解和缩聚反应为主,主要表现为焦油的二次反应。不同升温速率下热解反应生成的产物含量不同,C_(40+)组分的含量随着升温速率的增加而显著增加。C_(1)~C_(4)组分和非烃类气体的含量随着升温速率的增加呈现减小的趋势。升温速率越小达到相同热解温度所需要的时间越长,样品在热解温度下的停留时间也就越长,样品有足够的时间吸收热量,使热解反应更充分。样品中挥发分析出量越多,剩余的质量越少。然而,升温速率大,样品在热解温度下的停留时间越短,样品吸收的热量越少,热解反应不充分,热解效率低。因此,升温速率越大越不利于热解反应的发生。