干货 | 基于reax力场的煤燃烧分子动力学模拟

在可预见的未来几十年内，煤燃烧仍然会是全球主要的能源之一，特别是在中国，煤燃烧在发电和取暖中占了很大的比重。为了能够更好的利用煤，对煤燃烧过程更深入的了解是非常的有必要的。

在超过半个世纪的时间里，对煤燃烧的研究主要分为在实验和数值模拟，其中数值模拟主要集中在CFD的研究。但是煤燃烧的CFD模型都对煤燃烧过程做了很多的简化，并不能得到煤燃烧的详细的过程。

在上世纪70年代，煤的分子模型逐渐被建立了出来，随后分子动力学模拟被应用于煤燃烧的研究中。分子动力学的方法可以得到全原子尺度的一个煤燃烧的详细过程。在2001年由vanduin等人提出的reax力场对高温条件下的碳水化合物的模拟有一个很好的描述，相比于DFT等传统的分子动力学计算方式，reax力场计算消耗的资源更少，适用于煤等大分子物质的模拟。

以分子动力学的角度对煤燃烧过程中内部结构变化的研究基本上是空白，本文就从分子动力学的角度，利用reax力场系统的描述了煤燃烧过程中煤分子结构的变化。

煤是一种非常复杂的化学物质，迄今为止，为了反映不同煤种和煤的不同性质，已经有了超过一百种煤的分子模型。在本文中采用公认的，对煤的化学性质描述较为准确的wiser（图1）煤模型。

图1

反应体系的建立：

在反应体系中放入一个煤分子和600个氧原子，并优化体系的结构（图2），让煤在富氧条件下燃烧以期更接近真实情况。

 图2

Reax力场简介：

结论分析：

（1） 在燃烧过程中，煤分子先裂解成小分子片段后再和氧气燃烧（图3）

（a）裂解前

（b）裂解后

图3 煤先裂解后燃烧

（2）在典型的煤分子结构中，煤分子在含氧原子处最先断裂

（a）断裂前

（b）断裂后

图4：在含氧处优先断裂

（3） 煤分子的环状芳香族化合物会先断裂成不饱和的链状化合物后再与氧气结合（图5）

图5

（4） 裂解出的大分子片段和小分子片段有着不同的反应模式