封面文章|李金雨李懿欣纪和等|无烟煤聚集态分子模型的构建与验证

作者简介

李金雨，男，副教授，硕士生导师，主要从事非常规煤储层瓦斯渗流与煤层改良增透机理研究。主持国家自然科学基金1项，中央基本业务费1项，博士启动基金1项。参与国家级和省部级纵向科研项目10余项；主持并完成校企合作项目4项。参编国家级规划教材2部，发表SCI、EI学术论文30余篇，总被引153次。申请/授权发明专利4项，实用新型专利5项，软件著作权1项，科研成果获省部级二等奖1项，三等奖2项，教学成果获全国煤炭行业教学成果二等奖1项。

题目

无烟煤聚集态分子模型的构建与验证

作者

李金雨^1,2 李懿欣¹ 纪和¹

王永军^1,2 张河猛^1,2 王伟业¹

作者单位

辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，125105 辽宁葫芦岛；
矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室（辽宁工程技术大学），125105 辽宁葫芦岛接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红。

研究背景

煤炭作为全球能源结构中的重要组成部分，长期以来在能源供应和工业发展中扮演着关键角色。然而，随着能源结构的转型和环境保护要求的日益严格，煤炭的高效清洁利用成为行业发展的迫切需求。煤的化学性质与其分子结构密切相关，深入理解煤的聚集态分子结构特征，对于优化煤炭的转化工艺、提高能源利用效率以及减少污染物排放具有重要意义。近年来，随着分析技术的不断进步，如固体核磁共振碳谱（¹³C-NMR）、傅里叶红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等，研究者能够更精确地解析煤的分子结构，为煤炭的高值化利用提供科学依据。在此背景下，构建准确的煤分子结构模型，并结合实验与模拟手段验证其合理性，成为煤炭科学研究的重要方向。这不仅有助于揭示煤的热解、气化、液化等过程的机理，还能为煤炭清洁转化技术的开发提供理论支撑，从而推动煤炭行业向绿色、高效、可持续的方向发展。

摘要

深入探究煤聚集态分子的结构特征对于理解煤的化学性质具有重要意义。以贵州林华煤为研究对象，利用工业分析、元素分析、固体核磁共振碳谱（¹³C-NMR）分析、傅立叶红外光谱（FTIR）分析和X射线光电子能谱（XPS）分析等方法并结合ChemDraw绘图软件得出了煤聚集态分子模型，最终采用实验测试与数值模拟相结合的手段验证了分子结构的合理性。结果表明：该煤样中的碳元素主要以芳香碳为主，芳环桥碳与周碳含量之比为0.33；氧元素主要以醚、酚、羧基、羰基等形式存在，氮元素主要以吡啶和吡咯形式存在，硫元素主要以砜型硫、亚砜和噻吩形式存在。构建了林华煤大分子平面结构模型，其分子式为C212H156O9N2S3，其中芳香结构单元包括1个苯环、6个萘环、2个菲环、2个蒽环、1个四元芳香环、1个五元芳香环、1个吡啶、1个吡咯、1个噻吩。利用Material Studio软件对煤大分子结构模型进行分子力学及分子动力学优化，得到林华煤聚集态分子模型，对优化后的模型进行密度校验、孔隙特征校验和甲烷吸附测试，证明了该模型的合理性。

创新点

采用多尺度建模方法逐步构建煤聚集态分子模型，并揭示了煤的微观结构和宏观特性。利用分子动力学模拟技术，模拟煤分子的运动和相互作用，获得煤聚集态分子的最优构型。通过密度校验、孔隙特征校验和甲烷吸附测试，结合实验数据和模拟结果，证明了所提出的煤聚集态分子模型的可靠性和适用性，为后续的研究提供了更加可靠的模型基础。

结论

1）由工业分析和元素分析可知LH煤属于高硫、低中灰分无烟煤。由¹³C-NMR谱得出LH煤的XBP为0.33。XPS分析结果表明，LH煤的芳香结构中，苯环二取代占比最高，约为42.06%；LH煤大分子结构中芳香结构单元由1个苯环、6个萘环、2个菲环、2个蒽环、1个四元芳香环、1个五元芳香环、1个吡啶、1个吡咯、1个噻吩构成。

2）利用ChemDraw绘图软件绘制出LH煤大分子结构，且利用该软件计算其碳原子的化学位移并进行修正，直至模型¹³C-NMR谱与实验得到的¹³C-NMR谱相近，最终得出LH煤单分子结构，其分子式为C212H156O9N2S3。

3）利用MS软件构建三维复杂煤大分子结构模型，对其进行分子力学及分子动力学优化，构建含有10个煤大分子的周期性模型，得到3D立体复杂煤大分子模型。通过密度、孔隙特征和甲烷静态吸附多维度校验，证明所建立的模型具有合理性，可为后续相关煤化学计算模拟提供模型基础。

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