利用模型化合物研究气化过程中氮的迁移机理

褐煤中主要的含氮化合物为季氮、吡咯、吡啶,气化过程中产生对环境有害的含氮气体,了解褐煤中含氮化合物在气化过程中发生的变化,有利于进行防治工作。本文中采用Reax FF动力学模拟方法模拟了季氮、吡咯、吡啶与氧气下在3000 K下发生气化反应的过程,通过分析反应过程中氮原子的迁移,找出了各体系中氮原子的迁移规律。反应过程中会生成中间产物-NH和HCN,随着反应的进行,各体系中氮原子最终以NO、NO2的形式存在。     

煤化学结构模型研究进展及应用

为了解煤结构与反应性之间的关系,论述了褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤的典型化学结构模型,分析了煤的化学结构模型在煤热解、煤气化、煤液化、煤自燃及煤的溶剂溶胀性中的应用。煤的化学结构模型有助于在分子水平上研究煤反应过程中的反应路径和反应机理。煤结构模拟的方法能够有效捕获煤热解过程中化学键的生成和断裂行为,解释煤气化反应机理,有效检测或捕获煤液化时生成的不稳定自由基,从微观方面分析影响煤自燃的因素,达到预防煤炭自燃的目的。     

超临界水氛围下萘开环机理

超临界水气化技术是一种煤炭高效清洁低碳利用的新型技术，可以将煤直接转化为氢气、二氧化碳等产物，并将煤中的氮、硫、重金属等污染物以固体无机盐的形式沉淀。芳香烃开环反应是超临界水煤炭气化过程的关键速控步之一，运用分子动力学模拟软件LAMMPS对最简单的多环芳香烃萘，在超临界水氛围、不同温度和当量比下对开环反应过程进行模拟，结合自编程分析了原子键级变化并提取了基元反应，实现了定量化的反应动力学分析。模拟结果表明，萘分子数在高温下呈指数下降，反应速率与当量比呈弱相关。反应路径分析显示，萘的开环路径主要包括热解反应、脱氢反应和OH自由基加成反应，脱氢反应和OH自由基加成反应的通道分支比随着温度降低线性增加。物种通量分析结果表明，氢原子和水分子生成OH自由基和氢气分子反应是OH自由基的主要生成通道，萘分子的热解是氢原子生成的主要通道；水分子热解生成氢原子和OH自由基反应接近平衡，对OH自由基贡献有限。开环反应的定量分析结果可以在超临界水氛围芳香烃详细反应动力学机理上提供参考。     

超临界水处理造纸废水的分子动力学研究

利用Reax FF分子动力学研究了超临界水处理造纸废水的反应机理,以邻苯二甲酸二丁酯为模型化合物,通过构建6种体系,探究了温度、氧过量率及反应物初始浓度对反应的影响,分析了体系中自由基的产生过程,并追踪了模型化合物的超临界氧化及超临界气化降解机理。结果表明,提高温度、增加氧气量以及减小反应物浓度可增加污染物降解程度,同时氧气量和反应物浓度对产物分布有重要影响。体系中存在·OH,HO_2·,H·,O_2和H_2O2等,它们在污染物降解过程中具有重要作用。在超临界氧化体系中,HO_2·,O2及·OH是模型化合物开环和降解的关键,在超临界气化反应中,与模型化合物发生作用的是·OH及H_2O,攻击位点在苯环侧链。模拟结果对实验研究及该技术的工业化均有指导意义。     

神府低阶煤热解脱挥发分行为预测及热解机理研究

煤热解反应过程发生复杂的物理和化学变化，仅凭实验方法难以深入理解其热解反应机理和产物释放规律。以陕北神府矿区不同煤层的三种低阶煤为原料，结合元素分析、¹³C-NMR波谱分析和吡啶抽提实验，使用FLASHCHAIN竞争协调模型模拟预测不同煤种快速热解的脱挥发分规律，并与升温速率50 K/min,终温1 200 K的热解实验进行对比，验证该模型在不同热解条件、对不同煤种的适用性，研究了热解过程中的反应机理和不同结构的变化规律。结果表明：FLASHCHAIN竞争协调模型可以较好地模拟分析低阶煤的快速热解机理。不稳定桥键作为反应的核心，通过其断裂和自发冷凝控制热解产物的释放，并且温度在950 K时不稳定桥键反应速率最大；各碎片在不稳定桥键的作用下控制焦油的逸出，碎片末端的外围基团自发脱除产生非冷凝气体，主要集中在732 K～1 050 K进行，而且不受碎片类型的影响；焦油分子的分布受聚合度和温度的影响，轻质焦油分子优先逸出，温度升高导致重质焦油分子的积累。     

异丁烷热裂解反应机理的分子模拟

用分子模拟方法对异丁烷的热裂解反应机理进行了研究,建立了可能的反应路径,为了确定每个反应发生的可能性和难易程度,对各个基元反应做了热力学和动力学的计算。结果表明,其热裂解反应的速率控制步骤为异丁烷分子中C-C键断裂生成CH₃自由基和em-C₃H₇自由基的反应,动力学上最支持生成丙烯的反应路径,目的产物中丙烯与异丁烯的比例为1.40:1,与实验值较接近。     

用密度泛函理论研究煤中甲基苯生成甲烷的反应机理

低煤级煤大分子芳香结构单元以1～2个环的芳香体系为主,为了理解煤热解甲烷的生成机制,利用量子化学密度泛函理论方法(DFT)对甲基苯热解甲烷的生成机理进行了热力学和动力学计算,计算结果表明,在生成甲烷的所有反应路径中,其控速步骤是甲基苯的脱氢或脱甲基的过程;氢自由基的参与可以显著的降低甲基苯脱甲基的能垒。在温度低于675K时,生成甲烷的主反应路径为:甲基苯上甲基脱氢,然后由氢通过本位(ipso)加成到甲基苯然后脱甲基,最后由甲基夺取甲基苯侧链上的氢生成甲烷。当温度高于975K时,生成甲烷的主反应路径为:甲基苯脱甲基,然后由甲基夺取甲基苯侧链上的氢生成甲烷。在675～975K之间则为这两条反应路径的竞争反应。     

聚碳硅烷的热裂解动力学行为研究

利用综合热分析和Coats-Redfem动力学模型研究了聚碳硅烷(PCS)的热裂解动力学行为。用X射线衍射、红外光谱分析、扫描电子显微镜等分析技术研究了PCS热裂解过程特点和化学反应机理。结果表明,PCS的热解反应过程以一级热分解化学反应为主。热解过程中升温速率对PCS热解过程和热解产物的显微结构有较大影响,以较低升温速率(2℃/min)热解时,热分解反应的活化能较高,达到16.819kJ/mol,热解后固相残余率小,热解产物的显微结构均匀,表明较低的热解速率有利于PCS充分热解,可以获得结构优良的热解产物。     

ReaxFF MD模拟揭示的煤热解挥发分自由基反应的竞争与协调

挥发分自由基的行为对调控煤热解焦油产物十分重要,但实验方法直接获得其化学反应存在困难。利用化学反应分子动力学 ReaxFF MD 模拟方法,结合基于GPU高性能计算和化学信息学分析,研究了煤基体中挥发分自由基（基本单元）及其涉及的分子群（系统）在热解过程中的演化规律,着重考察了挥发分自由基参与的被稳定反应和缩聚反应在煤热解过程中的竞争协调关系。大规模ReaxFF MD模拟结果表明,随温度升高,煤热解过程可分成三个区域：被稳定反应占主导的区域、被稳定和缩聚反应竞争区域和缩聚反应占主导的区域。其中被稳定反应占主导的区域主要发生在较低温或反应前期,使得焦油收率升高;缩聚反应占主导的区域出现在高温阶段或反应后期,使得煤热解结焦加剧。当热解体系处于从被稳定反应占主导到被稳定和缩聚反应竞争激烈的转折点时,焦油收率出现最大值;当处于从两类反应竞争激烈到缩聚反应占主导的转折点时,焦炭产物开始大量生成。煤热解中挥发分自由基参与的两类相互竞争的化学反应控制着煤热解过程中焦油收率的演化,可为调控焦油生成,以进一步获得高品质化学品提供理论指导。     

Pyrolysis Kinetic Behaviours of Polycarbosilane by Thermal Analysis Method

利用综合热分析和 Coats–Redfem 动力学模型研究了聚碳硅烷（PCS）的热裂解动力学行为。用 X 射线衍射、红外光谱分析、扫描电子显微镜等分析技术研究了 PCS 热裂解过程特点和化学反应机理。结果表明,PCS 的热解反应过程以一级热分解化学反应为主。热解过程中升温速率对 PCS 热解过程和热解产物的显微结构有较大影响,以较低升温速率（2 ℃ /min）热解时,热分解反应的活化能较高,达到 16.819kJ/mol,热解后固相残余率小,热解产物的显微结构均匀,表明较低的热解速率有利于 PCS 充分热解,可以获得结构优良的热解产物。     

典型宁东煤热解阶段硫迁移路径的分子动力学模拟

以典型宁东煤为研究对象,采用工业分析、元素分析、X射线光电子能谱(XPS)分析和¹³C固体核磁共振(¹³C-NMR)等手段研究了煤样的元素组成、原子比、官能团类型及含量等分子结构特征,构建了含硫原子的宁东煤有机化学结构。通过反应力场分子动力学(ReaxFF MD)模拟,考察了热解温度和升温速率对典型宁东煤热解产物的影响,结果表明:热解温度低于1500 K时,热解产物中气体组分较少,重质焦油较多;随着热解温度升高(1500 K~2500 K),大分子化合物和活性自由基均会发生二次反应产生小分子碎片,气体产物快速增加;增大升温速率会减少C1~C4有机气体的生成,促进重质焦油的产生;16 K/ps和2500 K分别是合适的模拟升温速率和热解温度。污染性元素S的迁移路径分析结果表明:宁东煤热解过程中S原子容易迁移到相对分子质量小的有机碎片中,最终将以硫氢根的形式与H自由基结合生成H₂S参与后续燃烧反应。     

基于分子反应动力学模拟的六甲基二硅氧烷热解机理研究

六甲基二硅氧烷是燃烧合成高纯二氧化硅纳米颗粒的重要前体,采用ReaxFF分子动力学模拟方法研究其高温热解过程,讨论了三种不同反应力场对模拟的影响并分析其可靠性,选择其中最合适的力场开展不同温度与压力下的热解产物分析,结合气相色谱实验,揭示六甲基二硅氧烷的热解路径和机理。结果表明,反应力场对ReaxFF分子动力学模拟有重要影响,通过比较分析获得了最佳反应力场,六甲基二硅氧烷的初始热解反应为Si—C键断裂导致的CH₃脱离,温度升高会加剧解热反应的发生且使产物趋向于碎片化,热解的主要产物为CH₃、CH₄、C₂烃、H₂、CH₂O等小分子以及SiH₄、SiH₂、CH₄Si等含硅化合物。压力的改变会造成热解体系浓度的改变,从而影响分子间相互碰撞概率和反应的发生,压力越大则越容易形成稳定的热解产物。     

基于分子反应动力学模拟的六甲基二硅氧烷热解机理研究

六甲基二硅氧烷是燃烧合成高纯二氧化硅纳米颗粒的重要前体,采用ReaxFF分子动力学模拟方法研究其高温热解过程,讨论了三种不同反应力场对模拟的影响并分析其可靠性,选择其中最合适的力场开展不同温度与压力下的热解产物分析,结合气相色谱实验,揭示六甲基二硅氧烷的热解路径和机理。结果表明,反应力场对ReaxFF分子动力学模拟有重要影响,通过比较分析获得了最佳反应力场,六甲基二硅氧烷的初始热解反应为Si—C键断裂导致的CH₃脱离,温度升高会加剧解热反应的发生且使产物趋向于碎片化,热解的主要产物为CH₃、CH₄、C₂烃、H₂、CH₂O等小分子以及SiH₄、SiH₂、CH₄Si等含硅化合物。压力的改变会造成热解体系浓度的改变,从而影响分子间相互碰撞概率和反应的发生,压力越大则越容易形成稳定的热解产物。     

枣泉煤分子模型构建及热解的分子模拟

以宁东枣泉煤为研究对象，使用工业分析、元素分析、X射线光电子能谱、¹³C固体核磁等表征手段和计算机辅助，构建获得枣泉煤大分子结构模型。经过分子动力学退火动力学模拟和几何结构全优化，与初始结构相比键长、键角发生明显改变，立体构型显著，芳香层片之间近似平行的排列方式明显。获得的傅里叶变换红外和¹³C固体核磁的实验与计算谱图总体吻合较好，进一步证明了构建模型的合理性。使用反应分子动力学方法模拟枣泉煤的热解过程，考察不同热解终温和升温速率对热解行为的影响。结果发现，随着温度的升高，反应速率逐渐加快。不同升温速率对枣泉煤热解过程中气体的产生有显著影响。在动力学模拟中大多产生C₁₅以下的碎片，大分子的种类则并不多。随着升温速率的增加，气、液、固三相产物整体上都呈现下降的趋势。此外，还根据反应分子动力学模拟结果追踪了热解过程中CO₂的形成机理，获得了三种不同的CO₂形成路径。     

Pyrolysis of vulcanized styrene-butadiene rubber via ReaxFF molecular dynamics simulation

Styrene-butadiene rubber (SBR) is widely used in tires in the automotive segment and vulcanization using sulfur is a common process to enhance its mechanical properties. However, the addition of sulfur as the cross-linking agent usually results in impurities in pyrolysis products during rubber recycling, and thus the desulfurization during tire pyrolysis attracts much attention. In this work, the pyrolysis of vulcanized SBR is studied in detail with the help of ReaxFF molecular dynamics simulation. A series of crosslinked SBR models were built with different sulfur contents and densities. The following ReaxFF MD simulations were performed to show products distributions at different pyrolysis conditions. The simulation results show that sulfur products distribution is mainly controlled by sulfur contents and temperatures. The reaction mechanism is proposed based on the analysis of sulfur products conversion pathway, where most sulfur atoms are bonded with hydrocarbon radicals and the rest transfer to H₂S. High sulfur contents tend to the formation of elemental sulfur intermediate, and temperature increase facilitates the release of H₂S.     

丙炔基双酚A醚硼聚合物热解过程的ReaxFF分子动力学模拟

聚合物的热解过程涉及的化学反应较为复杂,难以通过测试表征的手段深入探究其机理。本研究在实验表征的基础上,结合ReaxFF分子动力学(ReaxFF-MD)模拟方法,研究了丙炔基双酚A醚硼聚合物(PB)的热解过程。通过观察升温过程中PB的结构变化,可得到其热解过程中的断键顺序。此外,采用ReaxFF-MD模拟,其研究结果不仅验证了实验中热重-红外光谱联用(TG-FTIR)分析所得的PB热解生成小分子的主要组成为CH₄、H₂O、H₂ 和 CO,并且通过追踪上述小分子的生成过程可得到其主要的生成途径。以上研究结果表明,ReaxFF-MD模拟方法不仅有助于理解PB聚合物的热解机理,直观地反映出其热解产物生成途径,而且对聚合物耐热性能的研究有所借鉴。     

基于反应分子动力学的1-丁基-3-甲基咪唑硝酸盐与煤反应机理研究

使用FTT锥形量热仪对烟煤和烟煤-[Bmim][NO₃](1-丁基-3-甲基咪唑硝酸盐)混合物进行燃烧性能测试,并结合分子反应动力学方法(ReaxFF)分析1200K,1600K,1800K和2200K四个温度条件下[Bmim][NO₃]与煤的化学反应过程。实验结果表明:[Bmim][NO₃]的添加会使体系达到热释放速率(HRR)峰值的时间提前,即促进烟煤的氧化燃烧反应。模拟结果表明:当模拟温度为1200K时,仅产生了少量H₂O和NO₂;当模拟温度升高至1600K时,开始产生小分子烷烃、CO和CO₂,但数目较少且产生时间延后;当模拟温度继续升高至1800K时,开始产生少量的H₂等气体无机物,CO与CO₂的数目较1600K时增加一倍,且初次出现时间提前约100ps;当模拟温度为2200K时,反应物中的N元素转化为NH₃和HCN,CO数目继续增加,CO₂数目逐渐降低。总体来看,温度较低时反应过程主要受[NO₃]-影响,[NO₃]-通过与煤分子中羧基反应使煤分子脱氢形成得电子结构,从而易于发生分解反应;当温度继续升高,[Bmim]+开始显著参与反应过程,[Bmim]+热解产生的自由基与煤分子发生反应,生成大量NH₃和HCN,从而会对人体和环境造成危害。     

CaO催化PE热解及H2O对催化过程影响的ReaxFF MD研究与机理分析

结合反应分子动力学（ReaxFF MD）模拟方法和自行开发的全自动ReaxFF反应机理分析软件（automatic reaction mechanism analyzer, AutoRMA）深入探究了CaO催化聚乙烯（PE）热解及H₂O对催化过程的影响,通过热解产物分析、热解过程反应路径追踪和C―C键及C―H键时序变化分析来揭示反应机理。结果显示,CaO作为催化剂提高了PE的热解反应速率,有效降低了PE热解过程中C―C键和C―H键断裂的活化能,使其分别从316.88 kJ/mol和430.13 kJ/mol降低到22.24 kJ/mol和30.87 kJ/mol,并促进了PE向轻质油和气体分子的转化;CaO对自由基和碳链上的非饱和碳原子的吸附及解离可以有效促进PE的热解;但H₂O存在时由于其自身与CaO结合会抑制CaO的催化作用,同时H₂O主要通过取代反应以羟基的形式存在于烃类产品中,水分含量（质量分数）为PE的50%时导致10%的油品中含有氧元素,降低产品质量,也会导致液相产品中存在大量的水分, 因此应避免热解的废PE携带水分。研究表明,ReaxFF MD结合AutoRMA有助于对PE等聚合物催化热解机理的深入理解,进而优化反应体系。     

煤热解产物的组成及其影响因素分析

介绍了煤热解产物的组成,分析和总结了温度、压力、气体停留时间和热解气氛等因素对煤热解产物(尤其具有较高热值的热解气体)的影响,归纳出可以通过控制实验条件,调节热解产物的最终组成,有效地提高煤炭利用效率。