高钠高钙准东煤热解的反应分子动力学研究

The pyrolysis is the initial step for any thermal conversion processes, and thus it is fundamentally important to explore the pyrolysis mechanism of newly-discovered Zhundong coal for its clean utilizations in future. In this project, the effects of different forms of sodium and calcium on Zhundong coal pyrolysis will be studied using reactive molecular dynamics (ReaxFF-MD) methods. First, the molecular structure models of typical Zhundong coal will be constructed by advanced measurement techniques. The ReaxFF force field for Ca/Na/C/H/O/N/S system will be developed based on the first principle calculations. Then, ReaxFF-MD simulations of Zhundong coal pyrolysis will be performed under different conditions. By detecting the evolution of intermediate products and radicals, the transformation mechanism of sodium and calcium will be obtained to establish their complete chemical reaction networks. The role of sodium and calcium in affecting the distribution of pyrolysis products will also be studied. Finally, experimental work using different types of reactors will be performed to associate the micro and macro effects of sodium and calcium during Zhundong coal pyrolysis. This work is expected to provide a new method for the deep understanding of Zhundong coal pyrolysis process.

对准东煤热解机理的深入理解是调控其热化学转化反应、实现该煤种清洁化利用的重要基础。本项目针对以往研究中存在的关键科学问题，基于反应分子动力学方法对不同赋存形态钠、钙在准东煤热解过程中的作用机理进行深入的研究。结合先进的实验检测技术获取准东煤的结构细节，构建准东煤的分子结构模型；建立Ca/Na/C/H/O/N/S体系的反应力场。考虑热解条件的影响，对准东煤模型进行系统的反应分子动力学研究。通过追踪热解中间产物、自由基随时间的动态演变，全面获得钠、钙在准东煤热解过程中的形态演化规律，建立钠、钙迁移转化的完整化学反应网络；阐明不同形态钠、钙对准东煤热解产物影响的规律，揭示其作用的微观机制。通过不同反应器上的实验研究建立不同形态钠、钙对准东煤热解作用的微观认识与宏观效果的关联。本项目通过多前沿学科的交叉研究，可望为深刻认识煤热解过程提供可资借鉴的途径和方法。具有较高的学术水平和宽广的应用前景。

对高钠高钙准东煤热解反应机理及反应过程的深入理解是调控准东煤热化学转化反应、实现该煤种清洁化利用的重要基础。由于煤热解涉及高温过程中复杂的物理化学过程，常规的实验手段和简单模型方法难以深入认识高钠高钙准东煤热解反应机理。本项目首先采用先进的实验表征技术获得了准东煤有机组分物理化学结构信息以及钠、钙在煤中的赋存形态，构建了高钠高钙准东煤分子结构模型；其次，考虑键能、键角能、二面角能、共轭能、库伦作用、范德华相互作用，基于第一性原理方法得到钠、钙与煤基质之间的化学信息，开发了能够准确描述含有Ca/Na/C/H/O/N/S元素体系的反应力场；最后，采用反应分子动力学模拟研究了高钠高钙准东煤热解反应机理：考虑不同热解条件的影响，阐明了不同赋存形态钠、钙对准东煤热解产物分布的影响规律，明晰了钠、钙在不同条件下的迁移转化规律，获得钠、钙迁移转化的完整化学反应网络，从分子层面上揭示了钠、钙对煤热解影响的微观机制，建立了其催化作用与自身形态演变的关联；通过分析准东煤热解过程中焦油碎片的演变，获得了焦油组分结构，构建了新生焦油体系模型，阐明了不同条件下钠、钙对焦油二次反应的影响规律，揭示了钠、钙在焦油二次反应过程中的迁移转化路径，建立了钠、钙催化焦油裂解和聚合反应的动力学模型。本项目的研究成果为实现准东煤高效清洁利用提供了理论依据。