研究背景
褐煤作为一种低阶煤，有挥发分和水分含量高的特点，导致其热值较低且易发生自燃，严重影响着能演工业的储存、运输和利用。当前研究从宏观层面揭示了褐煤的燃烧机制，但其背后具体的分子级燃烧特性尚未被充分理解，特别是在不同高温条件下的反应路径与动力学行为仍缺乏系统研究。目前，对于褐煤在高温下燃烧行为的系统性数据匮乏，制约了其化学动力学机制的深入挖掘。因此，深入了解褐煤的燃烧特性与自燃特性，并在此基础上优化其燃烧过程，对于提高能源利用效率、减少环境污染具有重要的现实意义。
本文以神木褐煤为对象，基于表征实验构建并优化其大分子结构模型，采用Amsterdam Modeling Suite（AMS）软件与ReaxFF MD方法，对其在不同高温条件下的燃烧过程进行了系统模拟。重点分析了不同温度下神木褐煤的总势能变化、燃烧产物特征及其高温燃烧机制。模拟结果验证了自由基在煤燃烧反应链中的关键作用，尤其在高温条件下，通过自由基的持续生成与消耗维持复杂的燃烧过程。
目前该文于2025年4月6日以“Construction of macromolecular model of Shenmu lignite and study of its high-temperature combustion mechanism using ReaxFF MD simulation”为题在Fuel（中科院SCI二区 TOP）期刊上发表。第一作者为辽宁工程技术大学大学安全科学与工程学院贾进章教授，通讯作者为2022级硕士研究生田昊同学。本工作得到国家自然科学基金（No. 52174183，52374203）和辽宁省博士科研启动基金项目(No.2023-BS-203)的资助。
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结论
本研究建立并优化了SM褐煤的大分子结构模型。 利用AMS软件中的反应力场分子动力学（ReaxFF MD）模拟，系统地研究了SM褐煤在不同温度下的高温燃烧机理。得出以下结论：
- 温度对燃烧反应的影响显著：随着温度的升高，O2的消耗速度明显加快，CO2和H2O的生成量也显著增加，表明燃烧反应趋于完成。特别是在4000K时，氧气几乎消耗殆尽，燃烧达到最完全的状态，这表明高温有利于燃烧链反应的连续性和完整性。
- 自由基在燃烧连锁反应中的关键作用：模拟结果表明，在高温条件下，·OH、·O和·H等自由基的生成和参与显著增加，特别是在4000 K时，自由基浓度达到峰值。·OH在燃烧链式反应的传播过程中起着关键作用，突出表明了自由基在高温燃烧中的活性和重要性。
- 不完全氧化和CO生成的动态行为：在高温条件下，CO的生成呈现出明显的动态波动，这表明燃烧过程中的不完全氧化和自由基反应的复杂性。高温条件下CO生成和进一步氧化之间的动态平衡表明，CO的生成不仅仅是一个简单的氧化过程，还涉及复杂的自由基反应链。
- 燃烧效率与污染物生成之间的平衡： 对主要燃烧产物的分析表明，高温可促进燃烧的完全性，但也会增加某些中间产物（如CO和活性自由基）的形成，从而导致燃烧过程的复杂性和动态平衡。
参考文献
- Construction of macromolecular model of Shenmu lignite and study of its high-temperature combustion mechanism using ReaxFF MD simulation, Jinzhang Jia, Hao Tian, Peng Jia, Dan Zhao, Yumo Wu, Dongming Wang, Yinghuan Xing, Hailong Song, Fuel, 2025, Volume 395, 135215