陕北富油煤分子模型构建及其热解提油分子动力学特性

【目的】富油煤结构复杂,热解反应过程与机理不明晰,需要进一步研究富油煤结构与其热解产物分布的构效关系,明晰富油煤热解提油机理。【方法】以陕北典型富油煤为研究对象,结合¹³C NMR、FTIR和XPS等表征方法,计算并构建富油煤分子模型,分子式为C₄₄₄H₃₈₀O₇₄N₈S。基于构建的富油煤分子模型,通过ReaxFF MD对陕北富油热解产物分布、热解特性以及焦油生成机理进行了深入分析。【结果和讨论】结果表明,陕北富油煤具有大量脂肪侧链和桥键等富氢结构,受热容易分解生成焦油和气体等挥发分。温度和升温速率对富油煤热解产物分布影响显著,模拟热解温度在1 500 K时富油煤没有完全反应,挥发性产物质量分数为7.8%;模拟热解温度升高至2 000～3 000 K时,分子及自由基碎片运动越剧烈,二次反应也更明显。随着升温速率的增加,气体产物降低,而焦油产物先增加后减少;升温速率在100～200 K/ps时,富油煤没有完全热解,导致挥发分产率低于36%。根据热解产物分布推测,陕北富油煤热解反应机理是富油煤大分子中富氢结构受热断裂形成自由基碎片,进一步发生热解生成轻质焦油、重质焦油和气体产物。