由于碳中和目标的推动以及对空气污染物排放日益严格的限制，基于煤炭的能源系统面临着提供更清洁运行和更高效率的巨大压力[1]。在煤炭仍占重要比例的能源结构中，短期内同时改善燃料质量和有效控制污染物排放仍然是一个关键的研究课题[2]、[3]。由于其可再生性以及通常较低的硫和氮含量，生物质被视为与煤炭低碳共利用的有希望的原料[4]。然而，由于生物质能量密度低、含水量高、易生物降解以及相关的物流成本，其大规模直接利用受到限制[5]。
热解可以将生物质转化为更稳定、能量密度更高的碳质产品，从而改善储存、运输和共燃性能[6]、[7]。同时，低阶煤虽然丰富，但利用效率往往较低[8]；因此，通常通过温和至中等温度的热解将其升级为半焦，并产生副产品（焦油和热解气体），以实现燃料升级和分阶段利用[9]、[10]、[11]。因此，生物质与低阶煤的共热解不仅有可能缓解生物质资源时空分布带来的供应限制[12]，还可以通过协同作用改变所得固体产品的结构和反应性，从而为现有的煤热解系统提供可行的低碳途径[13]、[14]、[15]。
先前的研究表明，煤-生物质共燃可以降低点火温度、改善燃尽特性，并在一定程度上抑制SOx排放[16]、[17]。在共热解过程中，生物质类型、混合比例[18]和热解温度[19]显著影响产品产量和结构演变，从而改变所得半焦/炭的燃烧反应性[20]。此外，碱金属和碱土金属（AAEM），如钙（Ca）尤其是钾（K），长期以来被认为在热解[21]、[22]、气化[23]和燃烧[24]过程中具有显著的催化作用。然而，对于共热解半焦这一关键的固体中间产物，其燃烧行为和协同机制仍不够清楚。首先，关于协同作用的讨论通常仅限于TG/DTG曲线的定性差异，而将表面官能团、芳香排序、孔结构发展以及矿物迁移/富集联系起来的多尺度因果链尚未系统建立。其次，微观结构描述符与宏观燃烧反应性之间的定量关系仍然不足，阻碍了混合比例和操作条件的预测优化。第三，关于钾和其他矿物的催化作用的证据主要基于相关性推断，缺乏能够提供更强机制支持的干预实验。
为了解决这些不足，本研究选择了来自神木的低阶煤和栗壳作为代表性原料。分别在450–650°C下制备了单一原料的半焦/炭，并在650°C下以25–75%的栗壳质量比例制备了共热解半焦。采用多尺度表征（XPS、拉曼光谱、N₂吸附和SEM–EDS），结合TG–MS燃烧测试和在线监测NOx/SO₂释放量，阐明了官能团演变、碳结构排序、孔结构发展和钾富集对燃烧反应性的耦合效应。进一步使用重量损失差异法（ΔW）和复合协同指数（SF）量化了燃烧协同效应。此外，设计了脱矿和钾再浸渍实验作为干预测试，以验证钾催化在温度依赖性协同效应转变中的机制作用，从而为设计低排放固体燃料和选择共热解半焦的最佳混合比例提供了定量指导。
本研究的具体贡献有三个方面。首先，它建立了共热解半焦的温度依赖性相互作用图谱，显示了在低温下的拮抗作用在中高温下的促进作用。其次，它将燃烧反应性与表面化学、碳排序/无序、孔结构和矿物富集的多尺度描述符联系起来，提供了定量的结构-反应性关系，而不仅仅是定性的TG/DTG偏差分析。第三，通过脱矿和钾再浸渍加强了机制解释，为钾在高温促进机制中的催化作用提供了基于干预的证据。
