无烟煤与生物质衍生生物炭共燃：反应动力学与燃烧性能指标研究

为解决工业过程中化石燃料替代问题，研究人员开展无烟煤(anthracite)与生物质衍生生物炭(WBC)共燃研究。通过热重分析(TGA-DSC)评估燃料热稳定性，结合差示扫描量热(DSC)模型解析点火动力学。结果表明低挥发分生物炭(WBC2)热稳定性接近无烟煤，50/50混合比例可协同提升点火温度并降低反应性，为工业减碳提供新策略。

　　

在全球工业领域，无烟煤(anthracite)作为高品位化石燃料长期占据主导地位，但其燃烧产生全球75%的CO₂排放（2022年达38.8 Gt）。随着无烟煤价格攀升（约140美元/吨）与资源枯竭危机，寻找可再生替代燃料迫在眉睫。生物质衍生生物炭(biocarbon)因其环保性和经济性（圆木约30美元/吨）成为研究热点，但其高挥发分(VM)导致的低点火温度(T_i)与高反应性制约工业应用。

针对这一难题，研究人员系统研究了两种木质生物炭(WBC1/WBC2)、生物焦(biocoke)与无烟煤的共燃特性。通过元素分析发现，生物炭碳含量(81.8-90.1 wt%)显著高于无烟煤(51.8 wt%)，而灰分(A₅₅₀)仅为无烟煤的1/15。热重分析(TGA)显示，低挥发分生物炭(WBC2, VM=4.7 wt%)热稳定性接近无烟煤，质量损失仅4.7 wt%，而高挥发分样品(WBC1, VM=18.5 wt%)损失达18 wt%。差示扫描量热(DSC)揭示生物炭呈现非对称峰型，对应"均相-异相"混合点火机制，其热流峰值是无烟煤的2-3倍。

研究创新性提出三组性能指标：燃烧指数(S)、反应性(R)和点火指数(D)。生物炭的S指数(80.0×10^-8 wt%/min°C³)远超无烟煤(6.95×10^-8)，但50/50混合比例使S值下降至17.0×10^-8。动力学分析采用FWO和KAS模型，发现WBC2活化能(E_a)达119 kJ/mol，氧化速率(k)5.27/min，混合后降至0.11/min。AAEMs(碱/碱土金属)的催化作用与Si/Al的抑制效应形成协同，使25/75混合物的点火温度提升8%。

研究结论指出，50/50生物炭/无烟煤混合既能保持较高点火温度(351-411°C)，又将爆炸指数(EI)控制在安全阈值(12%)以下。该成果发表于《Biomass and Bioenergy》，为工业燃烧过程提供可调控的生物质替代方案，推动高耗能行业低碳转型。通过精确调控挥发分与金属含量，生物炭可部分替代化石燃料，兼顾能源效率与环境效益，对实现碳中和目标具有重要意义。

（注：作者单位信息未在文中明确体现，故未标注；所有数据均源自原文，专业术语保留原文格式）