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结合TG-TDLAS与ReaxFF MD的烟煤热解CH₄生成机理研究OA

Study on the mechanism of CH₄ formation from bituminous coal pyrolysis combining TG-TDLAS and ReaxFF molecular dynamic

中文摘要英文摘要

为了从原子尺度揭示烟煤热解过程中甲烷(CH₄)的生成机理,以弥补传统实验手段难以捕捉其反应前驱体与微观路径的不足,本研究采用了热重-可调谐半导体激光吸收光谱(TG-TDLAS)实验与反应分子动力学模拟(ReaxFF MD)相结合的方法.首先,通过TG-TDLAS实验获取了CH₄生成的宏观温度依赖性与动力学行为.其次,基于对烟煤样品的元素分析、红外光谱和 13C核磁共振表征,构建了烟煤分子模型(C₃₀₉H₂₀₃N₃O₁₈),并利用ReaxFF MD模拟分析了不同温度下CH₃自由基的断裂、氢迁移及CH₄生成的动态反应过程.结果表明,实验测得CH₄生成主要集中于450~750 ℃,峰值约600 ℃;模拟则揭示了CH₄生成的微观机理,即侧链CH₃在约1 100 K断裂生成自由基,随后通过夺取邻近氢原子转化为CH₄,并在2 500 K达到峰值,两者在生成趋势上高度一致.结论认为,该方法从宏微观层面系统阐明了CH₄的生成源于前驱体断裂与氢夺取的平衡过程,验证了ReaxFF MD在揭示煤热解复杂反应网络中中间体行为的独特优势,为理解煤自燃、裂解路径及提高能源转化效率提供了理论依据.

To elucidate the mechanism of methane(CH₄)formation during bituminous coal pyrolysis at the atomic scale,addressing the limitations of traditional experimental methods in capturing reaction pre⁃cursors and microscopic pathways,this study employed a combined approach of thermogravimetric-tune⁃able diode laser absorption spectroscopy(TG-TDLAS)experiments and reaction molecular dynamics sim⁃ulations(ReaxFF MD).First,TG-TDLAS experiments were conducted to obtain the macroscopic tem⁃perature dependence and kinetic behavior of CH₄ generation.Second,based on elemental analysis,infra⁃red spectroscopy,and ¹³C NMR characterization of bituminous coal samples,a molecular model(C₃₀₉H₂₀₃N₃O₁₈)was constructed.ReaxFF MD simulations analyzed the dynamic reaction processes of CH₃ radical cleavage,hydrogen migration,and CH₄ formation at different temperatures.Results indicate that experi⁃mentally measured CH₄ production peaks around 600 ℃ within the 450–750 ℃ range.Simulations reveal the microscopic mechanism:side-chain CH₃ fragments at approximately 1 100 K to form radicals,which subsequently convert to CH₄ by abstracting adjacent hydrogen atoms,peaking at 2 500 K.Both measure⁃ments show high consistency in production trends.The conclusion asserts that this method systematically elucidates,from both macroscopic and microscopic perspectives,that CH₄ generation stems from the equi⁃librium process between precursor fragmentation and hydrogen abstraction.It validates the unique advan⁃tage of ReaxFF MD in revealing the behavior of intermediates within the complex reaction network of coal pyrolysis,providing a theoretical basis for understanding coal spontaneous combustion,pyrolysis path⁃ways,and enhancing energy conversion efficiency.

王庚乾;张君瑞;王远洋;李光跃;田亚莉;和小虎;邱选兵;李传亮;梁五洲;姚凯

太原科技大学 应用科学学院 山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心,山西 太原 030024苏晋保德煤电有限公司,山西 忻州 036604太原科技大学 化学工程与技术学院,山西 太原 030024华北理工大学 化学工程学院 河北 唐山 063210太原科技大学 应用科学学院 山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心,山西 太原 030024||山西大学 光量子技术与器件全国重点实验室,山西 太原 030006太原科技大学 应用科学学院 山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心,山西 太原 030024太原科技大学 应用科学学院 山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心,山西 太原 030024太原科技大学 应用科学学院 山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心,山西 太原 030024国网山西省电力公司电力科学研究院,山西 太原 030012苏晋保德煤电有限公司,山西 忻州 036604

数理科学

ReaxFF MD热解煤分子模型CH4

ReaxFF MDpyrolysiscoal molecule modelCH4

《光学精密工程》 2026 (6)

861-873,13

国家自然科学基金(No.52076145,No.62475182)山西省重点研发计划(No.202402150301012)山西省基础研究计划(No.202303021221147)山西省科技创新人才团队专项资助(No.202304051001034)中央引导地方科技发展资金项目(No.YDZJSX2025C026)太原科技大学科研启动基金(No.20222121,No.20232033)量子光学与光量子器件国家重点实验室开放课题(No.KF202305)

10.37188/OPE.20263406.0861

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