综述：低阶煤与微藻生物质共热解制取燃料的研究进展

这篇综述系统探讨了低阶煤（low-rank coal）与微藻生物质（microalgae biomass）共热解（co-pyrolysis）技术在燃料生产中的研究进展，重点分析了原料特性、反应机制（如协同效应synergistic effects）、关键参数（温度、升温速率、催化剂）对生物油（bio-oil）、生物炭（biochar）及气体产物（H2/CO/CH4）分布的影响，为清洁能源开发提供理论支撑。

　　

低阶煤与微藻生物质共热解制取燃料的研究进展

引言

煤炭作为全球第二大一次能源，占初级能源消费的27%，但低阶煤（如褐煤、次烟煤）因高水分、低热值等缺陷利用率低下。微藻生物质因其高光合效率（达陆地生物10-20倍）、无木质素结构及富含挥发分（43-77 wt.%），成为理想的共热解原料。两者共处理可提升煤转化效率，同时减少硫氧化物（SO_x）、氮氧化物（NO_x）等污染物排放，实现碳减排。

原料特性

低阶煤典型特征为高挥发分（30-50 wt.%）但氢碳比（H/C）低（0.3-0.7），而微藻（如小球藻Chlorella、栅藻Scenedesmus）富含氢（3-8 wt.%）且硫含量低（0.3-2.4 wt.%）。如表2所示，煤藻混合物的元素组成显著影响热解产物分布，例如微藻的高氧含量（26-65 wt.%）可促进煤大分子裂解。

热解机制

煤热解：分三个阶段——弱键断裂（200-400°C）、初级热解（生成焦油和气体）及缩聚成炭（>600°C）。低阶煤因低H/C比，焦油产率受限。

微藻热解：蛋白质/碳水化合物在200-400°C分解，脂质在>400°C裂解，生成脂肪酸等油相组分。无木质素特性使其更易热转化。

共热解协同效应

共热解中，微藻作为氢供体，通过自由基稳定机制提升煤裂解效率。例如，50:50的煤藻混合比可使生物油产率提高至33.8 wt.%（微波热解，500°C）。动力学分析显示，400-610°C阶段活化能（E_a）随藻比例增加而降低，证实协同作用（如20:80混合比E_a最低）。

关键影响因素

1. 混合比：藻比例>60 wt.%时挥发分产率显著提升，但过高比例（如80 wt.%）可能抑制焦油生成。

2. 温度：中低温（450-550°C）利于生物油生成，而>700°C促进气体（H₂/CO）产率。

3. 催化剂：Cu-Cr ZSM-5（1:1催化剂/原料比）使生物油氮含量降低4.16%，氧含量减少3.13%。

4. 升温速率：快速升温（200°C/min）缩短反应时间，但可能导致二次裂解。

产物特性

• 生物油：含多环芳烃（PAHs）和脂肪族化合物，热值达38.6 MJ/kg（催化热解），沸点分布宽于煤焦油（图8）。

• 生物炭：燃料比（固定碳/挥发分）随温度升高而增加，920°C时碳含量达峰值，适于清洁燃烧。

• 气体：H₂产率在藻比例50-75 wt.%时最高，CO₂在低温段（<600°C）主导。

挑战与展望

规模化需解决微藻养殖成本、混合燃料成型工艺等问题。未来研究应聚焦生命周期评价（LCA）和反应器优化（如流化床），以推动工业化应用。共热解技术为低阶煤资源化及碳中和目标提供了可行路径。