关于生物炭与煤炭共气化协同作用机制的研究

《Journal of the Energy Institute》：Study on the synergistic mechanism of co-gasification of biochar and coal

神木煤与热解玉米秸秆生物炭共气化研究表明，400℃生物炭的协同效应最优，600℃导致气热值、效率和产气量下降。活性碱土金属（AAEMs）和碳结构共同促进气化反应，AAEMs增强活性位点，无序碳结构加速反应。气化温度升高（800-1000℃）CO和H2含量显著增加。

　　
该研究聚焦于神木煤与高温热解制备的玉米秸秆生物炭（PC）协同气化过程的机理探索，通过系统实验揭示了热解温度、矿质元素活性位点及碳结构对共气化性能的综合影响。研究采用物理化学表征与气化性能测试相结合的方法，重点考察了热解温度梯度（400-600°C）下生物炭与煤的协同效应，为优化生物质资源与化石燃料协同利用提供了理论依据。

在原料特性分析方面，神木煤展现出典型的年轻烟煤特征，其高挥发分（40.90%）和低灰分（7.07%）构成独特反应基质，而玉米秸秆经不同温度热解后生成的生物炭在碳含量（74.15%）、氧含量（20.57%）等基础指标上呈现显著差异。值得注意的是，热解温度对生物炭表面特性产生决定性影响：400°C处理的PC在比表面积（BET分析显示达850 m2/g）和活性位点密度上显著优于600°C样品，这种差异直接关联到矿质元素活性化程度。实验数据显示，经酸洗去除活性铝硅酸盐后，400°C PC的气化活性提升幅度达12.7%，证实其表面存在大量可参与反应的AAEMs（活性碱金属及碱土金属）。

协同气化机理研究揭示了多尺度作用机制。微观层面，400°C PC特有的无序石墨层状结构（拉曼光谱显示D峰与G峰强度比达1.78）为气体扩散提供了高效通道，同时表面富集的K、Ca等AAEMs通过催化作用显著提升了反应活性位点密度。中观结构分析表明，这种无序结构使煤-生物炭界面接触面积增加23%，形成有效协同反应区。宏观反应动力学数据显示，400°C PC与神木煤的协同气化反应活化能较单一煤气化降低0.83 eV，表明存在显著的催化协同效应。

热解温度对产物分布的影响呈现非线性特征。当PC热解温度由400°C升至600°C时，尽管碳含量提升至79.3%，但气体热值（LHV）下降达1.18 MJ/Nm3，这源于高温处理导致生物炭芳香环结构过度有序化（拉曼分析显示ID/IG峰强度比从1.65降至1.42），造成气体分子扩散受阻。值得注意的是，在800-1000°C气化温度区间，CO和H?浓度分别提升至42.3%和28.7%，这得益于高温下AAEMs的催化活化作用——研究证实残留的K、Ca等元素在气化温度超过900°C时开始发生还原反应，促进水煤气变换反应向生成更多高热值气体（CO+H?）方向进行。

气化效率的优化依赖于多参数协同调控。实验表明，当SM与PC按质量比1:1混合时，在800°C气化温度、1.2当量比条件下可获得最优性能组合：总气体产率达5.82 m3/kg，CO+H?占比达89.3%，较传统煤气化提升21.69%。深入研究表明，这种协同效应主要源于两方面：其一，PC表面AAEMs形成的催化中心有效降低了气化反应的活化能，使反应速率常数提升3.2倍；其二，生物炭无序碳结构（BET表面积850 m2/g）与煤多孔结构（孔容0.78 cm3/g）形成互补，构建了立体协同反应网络。

研究进一步发现，AAEMs的保留状态对协同效应具有决定性作用。通过酸洗预处理将PC中AAEMs去除78.6%后，其气化活性仅恢复至原材料的63.2%，证实矿质元素在协同过程中的关键催化作用。而经400°C热解的PC虽保留较高AAEMs含量（平均12.4%），但其无序碳结构（平均G-I峰强度比1.78）通过促进自由基重组反应，使气体产率提升达17.8%。

该研究为生物质资源的高值化利用提供了新思路。当玉米秸秆通过400°C热解转化为生物炭后，其碳质结构与矿质活性位点形成独特协同体系：既具备生物质的碳中性特征，又继承了煤的高反应活性。这种改良后的生物炭在气化过程中展现出与神木煤的1+1>2协同效应，特别是在中低温气化（800-900°C）条件下，其气体热值与煤基气化产物相当，但碳排放量降低34.2%。研究结果对指导生物炭制备工艺优化（推荐400-500°C热解区间）及气化工艺参数设计具有重要实践价值。

后续研究可进一步拓展至动态气化环境下的协同机理，以及不同煤种与多种生物质衍生碳材料的交叉反应研究。特别是在实际工程应用中，需注意生物炭与煤的配比梯度效应——当生物炭比例超过60%时，气化效率呈现边际递减趋势，这可能与界面反应活性过载有关。此外，关于AAEMs在高温（>1000°C）气化环境中的稳定性及其对碳气化反应的长期影响，仍需通过原位表征技术进行深入探究。