中科院山西煤化所&過程所：低階煤和聚乙烯共熱解機理研究新進展

鋼鐵俠 2個月前 (08-10) 825瀏覽

研究背景：

我國低階煤資源豐富，但普遍存在焦油重質組分高，油塵分離困難等問題。相對低階煤，廢塑料富氫，且兩者熱失重溫度區間重疊，存在一定協同效應。將低階煤與塑料進行共熱解不僅可以解決環境危機，還可以實現低階煤的清潔利用。目前，低階煤和塑料共熱解微觀反應機理和相互作用機制尚不明確，利用基于高性能計算和化學信息學反應分析的ReaxFF MD模擬方法，可實現對大規模塑煤共熱模型的直接模擬，系統揭示煤與塑料的共熱機制和整體反應性。

研究內容：

中國科學院過程工程研究所鄭默副研究員&山西煤炭化學研究所白進研究員團隊構建了原子數為30,000~50,000，分子量約為250,000的煤-高密度聚乙烯（HDPE）混合模型。該模型同時滿足煤結構的多樣性和塑料高聚性的要求，是目前已知最大的塑煤模型之一。為了探究低階煤與HDPE的綜合共熱解行為，采用ReaxFF MD模擬與實驗相結合的方法，考察了協同作用對產物分布、主要產物演化和焦炭前驅體結構的影響。Py-TOF-MS實驗發現低階煤與HDPE的協同作用是通過產生交叉反應產物來體現的，HDPE會顯著降低焦油中單環芳烴和正構烷基單酚的產率；而ReaxFF MD模擬結果表明HDPE會促進焦油產率、抑制焦化過程。RDF與XRD、FTIR等實驗共同證實了共熱解焦結構比煤焦具有更高的有序度。其中，分析共熱解固體產物中C=C, C=O, C(sp²)-O, C(sp³)-O, C(sp²)-C(sp³)和C(sp³)-C(sp³)等化學鍵在二次恒溫模擬過程中的演化，發現HDPE提供了豐富的C(sp³)位點，使焦炭片段更容易在C(sp²)-C(sp³)鍵連接；同時揭示了含氧官能團的斷裂為焦的形成提供了初始重組位點，促進共熱解焦結構的芳構化。

ReaxFF MD模擬結果與實驗結果相輔相成，為全面了解煤與HDPE共熱解過程中產物分布及化學結構動態特征提供了豐富的理論信息，以補充對煤與塑料之間相互作用的理解。這一研究還可推廣到相關固體燃料的其他共熱解應用。上述成果分別以“Co-pyrolysis behaviors of coal and polyethylene by combining in-situ Py-TOF-MS and reactive molecular dynamics”和“Dynamic structure transformation of char precursors during co-pyrolysis of coal and HDPE by using ReaxFF MD simulation and experiments”在能源化工領域期刊Fuel、Chemical Engineering Journal上發表。博士生馮煒為文章第一作者，白進研究員與鄭默副研究員為共同通訊作者。

該研究得到了國家自然科學基金面上項目（22078353）和山西省重點研發項目（202102090301004）的資助。

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