《Biomass and Bioenergy》：Synergistic effects of bamboo bio-char and coal co-combustion: Implications for clean energy transition
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竹炭与煤共燃特性研究：分析竹炭合成及混合燃料的燃烧效率、排放及经济性，锥形量热计评估显示竹炭燃烧效率91.13%、CO?排放63.06kg/ton，优于纯煤，最优配比B25C75平衡可持续性与可行性，多准则决策验证其环保优势。
普拉蒂克·乔杜里（Pratik Chaudhuri）| 罗汉·潘德（Rohan Pande）| 尼基尔·A·巴拉伊亚（Nikhil A. Baraiya）
印度苏拉特萨尔达尔·瓦拉布巴伊国立技术学院（Sardar Vallabhbhai National Institute of Technology）机械工程系
摘要
向可持续能源系统的转型需要研究替代燃料，以实现经济可行性、环境可持续性和运营效率之间的平衡。本研究考察了竹炭、煤炭及其混合物的燃烧特性。竹炭是通过在500°C下进行热解合成的，并通过物理化学分析、形态学分析和热重分析（TGA）对其进行了表征。燃烧性能通过锥形量热法进行评估，重点关注了热释放率（HRR）、总热释放量（THR）以及一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO?）的排放量等指标。研究结果表明，与煤炭相比，竹炭具有更高的燃烧效率（91.13%）和显著降低的CO?排放量（63.06千克/吨）。竹炭与煤炭的混合物能够改善燃烧特性并减少环境影响，其中B25C75（25%竹炭，75%煤炭）被认定为技术可行性和可持续性之间的最佳平衡组合。多标准决策分析（MCDM）表明，纯竹炭是最可持续的选择，同时也认识到其实施过程中存在的基础设施挑战。研究结果强调了竹炭-煤炭混合物在提高热能效率和减少环境影响方面的有效性。
引言
煤炭是印度主要的化石燃料，约占电力生产的60-65% [1]。印度的发电厂主要使用灰分含量在40%到55%之间的煤炭，而其他主要产煤国的煤炭灰分含量较低（5%-20% [2]）。高灰分煤炭的燃烧特性导致印度热电厂的污染水平较高，同时产生的灰烬中含有大量未燃尽的碳（35% [3]）。许多研究人员建议将煤炭与适当的生物质混合使用，以减轻环境污染并减少灰烬中的未燃尽碳 [4],[5],[6],[7]。然而，生物质的燃烧效率常常受到其高水分含量、较低的热值和挥发物含量的限制 [8]。已有大量研究关注与各种农业废弃物相关的燃烧问题，包括排放物和灰分成分 [9],[10],[11],[12]。从这些农业废弃物中制备的竹炭通常表现出更好的燃烧特性，如更高的热值和较低的挥发物含量 [13],[14],[15]。迄今为止，已经研究了来自不同废弃物来源的竹炭的燃烧特性 [16],[17],[18],[19],[20]。此外，还有许多研究人员研究了竹炭与煤炭的共燃特性，相关内容总结在表1中。
竹炭与煤炭的共燃是一种有效的方法，可以提高生物质资源的利用率并减少与煤炭使用相关的环境影响 [29]。然而，如表1所示，大多数研究仅使用TGA来评估燃烧特性。虽然活化能和热值是燃烧过程中的关键参数，但它们并不是定义燃烧过程的唯一因素。在研究燃烧特性时，还需要考虑热释放速率以及CO和CO?的排放量，这一领域至今仍较少被探索。此外，向可持续能源系统的转型需要全面评估替代燃料，以实现经济可行性、环境影响和运营性能之间的平衡，而这一话题也鲜有研究。
本研究考察了竹炭、煤炭及其混合物的燃烧特性。选择竹炭的原因在于其丰富的资源、快速的生长速度和较高的强度 [30]。通过热解制备的竹炭可以直接使用，无需进一步处理，因此是一种成本效益高的选择，有助于有机碳的稳定和温室气体的减少，从而促进可持续发展目标 [31]。竹炭既具有环境可持续性，又具有经济优势 [32]。
本研究首先概述了竹炭的制备过程、进行的特性测试、获取活化能的技术、燃烧测试以及能源成本和排放量的估算。讨论首先涉及竹生物质、竹炭和煤炭的物理化学和形态学分析，随后展示了TGA的结果，并计算了活化能。接下来的讨论集中在竹炭、煤炭及其混合物的燃烧测试结果上，重点讨论了热释放率、总热释放量、有效燃烧热以及CO和CO?的排放量。这些结果用于确定关键性能指标，如燃烧效率、平准化能源成本（LCOE）、CO?排放量和灰分产生量。通过应用多标准决策（MCDM）技术，这些关键性能指标被用来评估最佳的共燃方案。
部分内容摘录
煤炭采集
所使用的非焦煤（G-12）来自印度马哈拉施特拉邦的Paras热电厂。这些煤炭为粉末形式。
竹炭制备
从印度喀拉拉邦获得的竹子（Bambusa Bambos）样本首先在105°C的热烘箱中干燥2小时。干燥后，将样本研磨至0.2–0.5毫米的颗粒大小。将50克粉末样本放入反应器中，并用氮气（N?）在0.05 MPa的压力下进行热解。
元素分析和高发热值
2显示了竹生物质、BB500和煤炭的元素分析和高发热值。从竹生物质到竹炭（即BB500）的碳含量增加了60%，高发热值增加了51%，这需要进一步研究竹炭的燃烧行为。尽管如此，煤炭的氧含量显著高于BB500。
结论
本研究证明了竹炭作为热能生产中煤炭的可持续替代品的可行性。与煤炭相比，竹炭具有更好的燃烧特性，表现出更高的热释放率和显著降低的CO?排放量。研究强调了共燃的优势，认为B25C75（25%竹炭，75%煤炭）是有效平衡环境、经济和运营因素的最佳混合物。纯竹炭（B100）
CRediT作者贡献声明
普拉蒂克·乔杜里（Pratik Chaudhuri）：撰写初稿、数据整理、概念构思。罗汉·潘德（Rohan Pande）：撰写、审稿与编辑、监督。尼基尔·A·巴拉伊亚（Nikhil A. Baraiya）：撰写、审稿与编辑、监督。
资金来源
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。
利益冲突
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
感谢马哈拉施特拉邦的Paras热电厂提供非焦煤（G-12）。感谢苏拉特Sardar Vallabhbhai国立技术学院（SVNIT）提供TGA和FTIR数据。感谢印度马德拉斯IIT的NCCRD提供锥形量热法数据。感谢PR Testing Services India提供CHNSO和FESEM数据。
