分子动力学模拟在燃烧和热解领域的应用研究

分子动力学模拟在燃烧和热解领域的应用研究

分子动力学模拟在燃烧和热解领域的应用越来越广泛。本文将介绍几个相关的研究案例，包括基于ReaxFF分子动力学的不同阶煤分子指标气体生成规律、矿物油热解过程中多环芳烃形成机理、化学循环燃烧过程中有机芳烃氮转化机理以及焦炭在混合气氛气化中的相互作用等。

基于ReaxFF分子动力学的不同阶煤分子指标气体生成规律

为了获得不同煤阶煤在自然氧化过程中的指标气体生成特征和差异，研究人员选择了代表四个煤阶的五个煤样进行研究。通过建立煤的分子模型并使用ReaxFF力场进行分子动力学模拟，结合煤样的加热实验，得出了指标气体C2H4、C2H2、CO和CO2的宏观和微观生成规律。

研究表明，在煤的自燃过程中，C2H4和C2H2主要取决于脂肪族侧链的数量，而CO和CO2主要取决于煤分子中的碳原子。当氧化自燃达到后期阶段时，C2H4、C2H2和CO会转化为CO2，即燃烧的完全产物。指示气体的初始温度和峰值按煤阶顺序排列。不同指数气体的出现顺序为CO2、CO、C2H4和C2H2。该研究在确定采空区内适当的氧化诱导自燃指标气体方面起着关键作用，从而为后续制定全面的矿井防火和灭火策略提供了理论依据。

矿物油热解过程中多环芳烃形成机理的ReaxFF分子动力学研究

通过热解回收废矿物油是一种灵活有效的方法。然而，在此过程中可能会产生具有高毒性的多环芳烃（PAHs）。本研究试图通过ReaxFF分子动力学（MD）模拟揭示矿物油热解过程中矿物油的演化过程和多环芳烃的形成机制。此外，还探讨了加热速率（10 K/ps、100 K/ps和1000 K/ps）、温度（2200～3200 K）、矿物油成分（环烷烃和芳烃含量）和大气（CO2）影响多环芳烃形成的原理。

观察到矿物油的两阶段热解演化，第一阶段分解，随后发生聚合反应。高温可以使热分解快速转化为聚合反应阶段。通过跟踪关键中间体/产物和芳香结构的演变，发现氢提取乙烯基自由基加成（HAVA）反应在矿物油热解过程中主导了多环芳烃的形成。此外，碳簇上支链基团的缩聚环化对大分子多环芳烃的形成做出了相当大的贡献。乙烯基自由基加成和缩聚脱氢是矿物油热解过程中多环芳烃形成的两个标志性反应。矿物油中芳烃组分对多环芳烃形成的贡献约为环烷烃组分的6.5倍。CO2可以通过中间体/产物的氧化以及随后乙烯基/乙炔加成反应对脱氢的抑制来减少多环芳烃的形成。

基于化学键合环境分析的化学循环燃烧过程中有机芳烃氮转化机理及复杂反应网络

煤炭和生物质等碳基燃料的清洁燃烧和污染物排放控制是高质量发展的重要问题，特别是氮氧化物排放的影响和调节机制。然而，不同燃料中氮化合物的存在相当复杂。迄今为止，在化学循环燃烧（CLC）过程中，燃料中具有不同化学键合环境的氮化合物的氮氧化物生成机制还没有统一的认识。有机芳烃氮转化的复杂反应网络尚未构建。本研究通过使用反应力场分子动力学（ReaxFF MD）计算，探索了CLC过程中N-5、N-6和N-Q燃料分子与CuO氧载体（OC）的氮转化行为和复杂反应网络。详细揭示了CLC中燃料反应、OC氧解耦的特点，以及典型产物（NOx、H2O、COx）和几种重要含氮物种的形成机理。此外，这项工作建立了CLC中N-5、N-6和N-Q分子的复杂反应网络。通过对CLC过程中四阶段反应的分析，发现燃料的早期开环反应涉及热解和氧化之间的竞争。此外，还总结了CuO-OCs参与CLC反应的三种释氧模型。本文还对CLC过程中CuO-OCs和含氮燃料的反应评估进行了评估。目前的工作有利于CLC的清洁燃料燃烧和氮氧化物排放控制。

利用反应力场模拟和同位素示踪法探究焦炭在混合气氛气化中H2O-Char与O2-Char的相互作用

本文通过同位素实验对混合气氛气化中的氧进行溯源，发现在混合气氛下，水蒸气的存在抑制了O2-Char气化，而氧气对H2O-Char气化起到明显的促进作用。在H2O/O2气氛中，混合气氛整体气化反应性是由O2对H2O-Char的作用与H2O对O2-Char的作用叠加共同决定的。通过原位DRIFTS实验和反应路径观测从微观角度来探究H2O-Char反应和O2-Char反应之间的相互作用机理。最后通过分子动力学模拟对实验所得到的结论进行验证，得出其协同作用机理可能存在两个方面的原因：

1. 焦炭结构的改变。在混合气氛下，水蒸气与焦炭反应更容易促进焦炭结构的卷曲、缩合，使得焦炭表面活性位点的数量减少，更难参与反应，从而削弱了焦炭-O2的气化反应性。而氧气可以抑制由水造成焦炭结构的卷曲，促进焦炭中的芳香环的裂解，使得芳香族碳向脂肪族碳转变，增加了焦炭边缘活性位点的数量，从而增强了焦炭-H2O的气化反应性。

2. 焦炭边缘基团的相互作用。在混合气氛下，H2O分子分解的H自由基会占据焦炭边缘的活性位点，减少了煤焦与O2反应区域活性位点的数量，抑制了焦炭-O2的气化反应性。而O2促进了OH自由基的形成，OH自由基又可以与颗粒表面的活性位点反应形成C(O)，从而促进大芳环结构的分解，增加了煤焦与H2O反应区域活性位点的数量，提高焦炭-H2O的气化反应性。并且O2的添加使得含氧中间体更容易向C-O含氧中间体转变，而链状结构的C-O物质也更容易脱离出CO，有利于气化过程。

利用分子动力学模拟研究微波辐射对焦炭气化机理的非热效应

本文通过AMS软件的ReaxFF模块对焦炭微波气化总体过程进行了等温模拟研究，并对气化过程进行分解，分别对吸附过程、脱附过程和水煤气反应进行了单独模拟研究来分析微波在各个反应中的作用。通过DFT的方法研究了电场对焦炭分子的影响。研究发现：

1. 焦炭的微波气化过程要比非微波气化过程快8～10倍，电场的场强大小变化和方向变化对气化过程有明显的促进作用，且两者的作用可以叠加，相同场强下正弦电场对气化过程的促进效果最佳；电场强度对微波气化过程的影响成指数变化。

2. 电场主要通过两方面促进气化吸附过程，一方面促进O自由基和OH自由基的生成，进而促进了气化过程的吸附过程，另一方面电场使Char发生极化进一步促进吸附过程。

3. 电场可以显著加速脱附过程的进行，电场的方向变化对脱附过程也有可观的促进作用，电场的引入会使焦炭边缘的芳香性与多中心键级发生变化，达到一定的场强后芳香性被破坏，多中线键级突变，这解释了气化反应速率与场强的指数关系，此外电场对碳氧复合物有一个动力学的拉扯作用，这进一步促进了脱附过程的进行。

4. 电场的引入对于水煤气反应具有明显促进作用，且电场场强变化与场强大小变化都有明显作用，并且发现恒强电场对水的解离过程促进效果更佳。

外加电场波形示意图(a)恒强(b)方波(c)正弦

这些研究展示了分子动力学模拟在燃烧和热解领域的广泛应用，为相关领域的科学研究提供了重要的参考和借鉴。