能源是經(jīng)濟增長和社會發(fā)展的根本驅(qū)動力，而環(huán)境為人類生存和活動提供了基本條件。隨著社會的快速發(fā)展，全球能源需求以前所未有的速度增長（Hazra等人，2023年）。然而，能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)加劇等問題已成為實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展的主要障礙（Suman，2018年）。鑒于能源需求的增長和環(huán)境保護的緊迫性，高效且環(huán)保的可再生能源受到了越來越多的關(guān)注（Benedek等人，2018年）。在各種可再生能源技術(shù)中，生物能源相比太陽能、水能、風(fēng)能、潮汐能、海洋熱能和地?zé)崮艿雀�具吸引力（Manzano-Agugliaro等人，2013年；Zhang和Yan，2022年）。

生物質(zhì)是地球上最豐富的可再生資源之一，主要來源于農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物（Ryu等人，2020年；Wang等人，2021a）。通過光合作用，綠色植物將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能以支持其生長和發(fā)展（De Carvalho Silvello等人，2022年；Tumuluru，2023年）。在此過程中，二氧化碳被還原為碳水化合物，這些碳水化合物最終成為植物組織的結(jié)構(gòu)成分。當(dāng)需要能量時，這些化合物可以轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品，并通過各種途徑重新釋放到大氣中，這一過程通常被認(rèn)為是碳中性的（Mishra和Mohanty，2018年）。由于其高有機含量，生物質(zhì)在資源回收和可持續(xù)能源生產(chǎn)方面具有巨大潛力（Guo等人，2024年）。然而，其實際利用面臨諸多挑戰(zhàn)，包括高水分和氧含量、低能量密度、強親水性以及組成和性質(zhì)的顯著變化（Cahyanti等人，2020年）。這些特性在燃燒、熱解和氣化等熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中帶來了技術(shù)難題（Cahyanti等人，2020年；Vassilev等人，2015年）。因此，對生物質(zhì)原料進行有效的預(yù)處理至關(guān)重要。

熱解是在無氧或限氧環(huán)境中對生物質(zhì)進行的熱分解，產(chǎn)生固體、液體和氣體產(chǎn)物（Guo等人，2023年）。這一過程通常在300至900℃的溫度范圍內(nèi)進行，主要產(chǎn)生三種產(chǎn)物：生物炭、生物油和不可凝氣體（例如一氧化碳、二氧化碳、甲烷）（Wang等人，2019年）。然而，原始生物質(zhì)通常含有較高的初始水分含量、大量的揮發(fā)性化合物和各種無機雜質(zhì)（例如鉀、鈣、硅和鋁等礦物質(zhì)元素（Wang等人，2024a））。這些因素可能對熱解的效率和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，特別是降低生物油的能量含量和穩(wěn)定性（Wang等人，2024b）。因此，提高熱解產(chǎn)物（尤其是生物油）的質(zhì)量已成為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究的關(guān)鍵焦點（Klaas等人，2020年）。

熱解作為一種簡單而有效的生物質(zhì)預(yù)處理方法，近年來受到了越來越多的關(guān)注（Xin等人，2019年；Xu等人，2018年）。這種熱化學(xué)過程通常在相對較低的溫度（200-300℃）和惰性氣氛下進行，與一般的熱解（300–900℃）不同。它改變了生物質(zhì)的元素組成和微觀結(jié)構(gòu)，而不會導(dǎo)致主要成分（纖維素、半纖維素、木質(zhì)素）的完全熱分解，顯著提高了其可研磨性（Ibitoye等人，2025年；Niu等人，2019年）。在熱解過程中，水分和某些揮發(fā)性有機成分被釋放，從而降低了生物質(zhì)的水分含量和揮發(fā)物比例（Ibrahim等人，2013年；Szufa等人，2023年）。因此，生物質(zhì)的能量含量和能量密度得到有效提高，使其更適合后續(xù)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程（Olugbade和Ojo，2020年）。

近年來，熱解已成為熱解前生物質(zhì)的有效預(yù)處理方法，并已廣泛應(yīng)用于生物油的生產(chǎn)（Chen等人，2015年）。與原始生物質(zhì)相比，熱解生物質(zhì)產(chǎn)生的生物油質(zhì)量顯著提高，主要是由于水分含量和酸度的降低以及碳含量的增加。這些變化增強了生物油作為可再生燃料或化學(xué)合成原料的潛力（Wang等人，2018年；Xu等人，2022年）。因此，熱解與熱解的結(jié)合在高質(zhì)量生物油和生物炭的聯(lián)合生產(chǎn)方面顯示出巨大潛力，為可持續(xù)能源系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力支持。

研究表明，熱解預(yù)處理有助于酚類和酮類化合物的形成，同時抑制了酸性物質(zhì)的生成。這種化學(xué)組成的變化在提高生物油質(zhì)量方面起著關(guān)鍵作用，尤其是通過增加其熱值（Sun等人，2019年；Wang等人，2021b）。例如，Xu等人（2018年）發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)的熱解使生物油的酸含量降低了21.3%，同時酚類化合物的含量增加了32.82%。這些發(fā)現(xiàn)表明熱解有效改變了熱解產(chǎn)物的分布。類似地，Wu等人（2023年）觀察到，甘蔗渣的熱解降低了熱解產(chǎn)物的水分和酸含量，同時增加了酚類化合物的比例，進一步驗證了熱解預(yù)處理在提高生物油質(zhì)量方面的有效性。Chen等人（2023年）研究了生物質(zhì)熱解預(yù)處理的影響，發(fā)現(xiàn)雖然熱解促進了熱解過程中氣態(tài)產(chǎn)物的釋放，但可能導(dǎo)致生物油產(chǎn)率的顯著降低。相比之下，Louwes等人（2017年）指出，盡管熱解會降低生物油產(chǎn)率，但它顯著提高了生物油的熱值，從而增強了其作為可行能源的潛力。這些發(fā)現(xiàn)表明，熱解預(yù)處理在優(yōu)化熱解產(chǎn)物分布和提高生物油質(zhì)量方面具有巨大潛力。進一步研究熱解對生物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)的影響及其對熱解行為相應(yīng)變化的影響是必要的。此類研究將為高效的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能源過程提供重要的理論理解和技術(shù)指導(dǎo)。

據(jù)我們所知，國際文獻(xiàn)中尚未有專門研究中國大規(guī)模生物質(zhì)熱解的案例。為填補這一空白，本研究采用了一種定制設(shè)計的連續(xù)固定床碳化反應(yīng)器，并進行了創(chuàng)新設(shè)計。該反應(yīng)器配備了高精度可編程邏輯控制器（PLC）控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)溫度、氣體流量和停留時間的實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)，確保在大規(guī)模條件下的穩(wěn)定運行；采用逆流結(jié)構(gòu)以提高生物質(zhì)與惰性氣體之間的質(zhì)量和熱量傳遞效率。此外，本研究創(chuàng)新性地結(jié)合了傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、熱重分析（TGA）和熱解-氣相色譜/質(zhì)譜法（Py-GC/MS）進行系統(tǒng)表征，實現(xiàn)了從化學(xué)組成、功能基團、熱行為到產(chǎn)物分布的全面分析。