中科院山西煤化所&过程所：低阶煤和聚乙烯共热解机理研究新进展

钢铁侠 1年前 (2023-08-10) 1830浏览

研究背景：

我国低阶煤资源丰富，但普遍存在焦油重质组分高，油尘分离困难等问题。相对低阶煤，废塑料富氢，且两者热失重温度区间重叠，存在一定协同效应。将低阶煤与塑料进行共热解不仅可以解决环境危机，还可以实现低阶煤的清洁利用。目前，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，利用基于高性能计算和化学信息学反应分析的ReaxFF MD模拟方法，可实现对大规模塑煤共热模型的直接模拟，系统揭示煤与塑料的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30,000~50,000，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

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