基于ReaxFF分子动力学的氨与水热炭混合燃烧特性研究：氧当量比、氨共燃比例及燃烧环境的影响

本研究采用反应力场分子动力学(ReaxFF MD)方法，系统探究了氧当量比(λ)、氨共燃比例及燃烧环境对水热炭与氨共燃特性的影响。研究发现，提高λ值可加速燃烧反应并增加小分子产物多样性，而富氧环境促进CO2生成。该研究为生物质-氨清洁能源体系的优化设计提供了理论依据。

　　

随着碳中和目标的推进，生物质能与零碳燃料氨(NH₃)的协同利用成为能源领域的研究热点。然而，水热炭(hydrochar)与NH₃的混合燃烧机制尚不明确，特别是氧当量比(λ)、氨掺混比例及燃烧环境对反应路径的影响亟待解析。吉林师范大学的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表论文，采用反应力场分子动力学(Reactive Force Field Molecular Dynamics, ReaxFF MD)这一融合量子力学精度的模拟技术，首次从原子尺度揭示了混合燃烧的动力学特征。

研究团队通过构建包含1687-3042个分子的多组分体系，系统模拟了λ=0.5-1.5、NH₃掺混比10-50%等工况下的燃烧过程。关键技术包括：1)基于键级理论的ReaxFF力场参数化；2)修正Morse势描述范德华作用；3)电荷平衡方法处理库仑相互作用。

氧当量比的影响
当λ从0.5增至1.5时，系统分子总数增加23.7%，表明燃烧反应持续生成新物质。λ=1.5工况下，H₂O和CO₂产量分别提升58%和210%，而大分子片段减少41.2%，证实富氧环境促进完全燃烧。

氨掺混比例的调控
NH₃比例升至50%时，含氮产物增加3.8倍，其中HCN和NO_x分别占总量62%和28%。值得注意的是，30%掺混比下出现独特的NH₂自由基链式反应，为氮污染物控制提供新靶点。

燃烧环境差异
对比N₂/O₂与Ar/O₂环境发现，后者使CO₂峰值提前12.5ps，因Ar的惰性特性更利于热量传递。但N₂环境促进NH₃解离，生成更多活性氮中间体。

该研究首次建立了水热炭-氨共燃的原子尺度反应图谱，发现λ=1.2-1.3为最优燃烧区间，此时能源效率与污染物生成达到平衡。通过解析NH₂→HCN→NO_x的关键路径，为开发"氨-生物质"低碳燃烧技术提供了理论支撑。吉林省自然科学基金(YDZJ202201ZYTS394)的支持使得这项结合计算模拟与清洁能源的前沿探索成为可能，其结论对设计新型混燃设备具有重要指导价值。