研究背景：

我国低阶煤资源丰富，中科但普遍存在焦油重质组分高，院山乙烯油尘分离困难等问题。西煤相对低阶煤，化所和聚废塑料富氢，过程共热且两者热失重温度区间重叠，所低存在一定协同效应。阶煤解机究新进展将低阶煤与塑料进行共热解不仅可以解决环境危机，理研还可以实现低阶煤的材料清洁利用。目前，中科低阶煤和塑料共热解微观反应机理和相互作用机制尚不明确，院山乙烯利用基于高性能计算和化学信息学反应分析的西煤ReaxFF MD模拟方法，可实现对大规模塑煤共热模型的化所和聚直接模拟，系统揭示煤与塑料的过程共热共热机制和整体反应性。

研究内容：

中国科学院过程工程研究所郑默副研究员&山西煤炭化学研究所白进研究员团队构建了原子数为30,所低000~50,000，分子量约为250,000的煤-高密度聚乙烯（HDPE）混合模型。该模型同时满足煤结构的多样性和塑料高聚性的要求，是目前已知最大的塑煤模型之一。为了探究低阶煤与HDPE的综合共热解行为，采用ReaxFF MD模拟与实验相结合的方法，考察了协同作用对产物分布、主要产物演化和焦炭前驱体结构的影响。Py-TOF-MS实验发现低阶煤与HDPE的协同作用是通过产生交叉反应产物来体现的，HDPE会显著降低焦油中单环芳烃和正构烷基单酚的产率；而ReaxFF MD模拟结果表明HDPE会促进焦油产率、抑制焦化过程。RDF与XRD、FTIR等实验共同证实了共热解焦结构比煤焦具有更高的有序度。其中，分析共热解固体产物中C=C, C=O, C(sp²)-O, C(sp³)-O, C(sp²)-C(sp³)和C(sp³)-C(sp³)等化学键在二次恒温模拟过程中的演化，发现HDPE提供了丰富的C(sp³)位点，使焦炭片段更容易在C(sp²)-C(sp³)键连接；同时揭示了含氧官能团的断裂为焦的形成提供了初始重组位点，促进共热解焦结构的芳构化。

ReaxFF MD模拟结果与实验结果相辅相成，为全面了解煤与HDPE共热解过程中产物分布及化学结构动态特征提供了丰富的理论信息，以补充对煤与塑料之间相互作用的理解。这一研究还可推广到相关固体燃料的其他共热解应用。上述成果分别以“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”在能源化工领域期刊Fuel、Chemical Engineering Journal上发表。博士生冯炜为文章第一作者，白进研究员与郑默副研究员为共同通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金面上项目（22078353）和山西省重点研发项目（202102090301004）的资助。

要点概览：

图1. 煤与聚乙烯混合模型的三维构型

图2. 煤与聚乙烯混合热解过程中焦油产物随温度的变化趋势（左）烷基苯，（右）烷基酚

图3. 共热解焦和煤焦在二次ReaxFF MD模拟过程中不同时刻、不同温度下的径向分布函数

图4. 共热解焦中不同化学键在二次ReaxFF MD恒温模拟过程中随时间的演化

(a) C(sp²)-C(sp²)、(b) C(sp²)-C(sp³)、(c) C=O、(d) C-O

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.125802

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145100