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生物质是人类社会发展的重要物质资源,采用热化学方法将其转化为气、液、固体燃料,能够有效替代石油化工产品,从而减少化石能源消耗,降低CO2排放。生物质热解产物特性不仅与热解参数（终温、升温速率等）选择有关,亦与其自身结构组成密切相关。本文拟从生物质纤维结构、生物质灰分特性入手,着重研究生物质中低温热解下的气、液相产物释出规律以及焦炭结构演变过程;并引入二维相关红外光谱（2D-PCIS）分析方法,用于研究焦炭演变过程中的分子结构变化特性,以此为基础探索气、液、固相产物形成过程中的关联以及产物形成机理。采用上排气固定床反应器研究了生物质三组分模型化合物（微晶纤维素、木聚糖、碱木质素）的热解产物特性以及关键产物形成机理。研究结果发现纤维素中低温解聚反应机制不同,低温（≤350℃）解聚模式为链端脱离机制,主要化学反应发生于吡喃环C-OH、C-H分子结构,易于促进左旋葡萄糖酮（LGO）、1.4:3,6-双脱水-α-D吡喃葡萄糖（DAGP）产物生成;高温解聚模式为链中断键机制,糖苷键快速断裂、吡喃环C1-C6醚化生成大量左旋葡萄糖（LG）。2D-PCIS结果显示纤维素焦炭C=O变化早于脂肪醚C-O-C,表明吡喃环羟基脱水-酮醇异构化反应早于开环反应。纤维素低温焦炭主要由带脂肪链的苯环结构组成,同时含有脂环类基体结构;350℃后,转变为复杂取代位芳基结构,芳基之间相互取代形成无定形、空间化的三维网络大分子;450℃后,焦炭结构主要由2×24×4阶稠环分子组成。木聚糖200℃即可发生解聚、开环反应。2D-PCIS结果发现木聚糖脱支链、羟基脱水-酮醇异构化反应早于木糖单元开环反应;前者反应主要生成水、CO2、乙酸等小分子化合物,后者开环重构形成羟基丙酮、羟基丁酮等产物。225℃后,木聚糖完全降解,生成大量C=O、C=C、C-O-C类中间产物,该类中间体重组形成短链小分子、呋喃、环戊酮、芳环类等化合物。木聚糖低温焦炭构成与纤维素相似,但其芳构化温度更早,200℃即可形成苯环类化合物。300℃后,木聚糖焦炭由小分子稠环（24环）化合物组成,其稠环数量、稠环大小低于同温度纤维素热解焦炭。450℃后,木聚糖脱氢缩聚反应增加,气体产物中H2、CH4产量明显上升。碱木质素热稳定性好,250℃前热解失重量主要来源于苯环侧链中的不稳定结构脱离,2D-PCIS研究结果发现醇羟基结构断裂早于羰基结构。碱木质素解聚反应起始于250350℃之间,简单取代位芳基优先发生解聚反应;350℃后,焦炭分子结构重排反应增加,苯环侧链中羰基C=O、烯烃C=C等结构大量脱除,芳环重构为小分子稠环类化合物;450600℃,热解过程中脱甲氧基、脱甲基、脱氢反应增加,焦炭主体结构由2×24×4等稠环化合物组成,气体产物中CH4、H2产量大幅增加。碱木质素热解液体产物主要由苯环类化合物组成,其中愈创木酚含量高达30%以上,450℃后转化为烷基酚、苯酚以及少量稠环类化合物（萘、菲、惹烯）。采用固定床-挥发分在线分析方法研究了竹材（灰含量0.7%）中低温热解下的产物性变化和过程性变化。研究结果发现,天然生物质热解过程中纤维素裂解受抑制,300℃焦炭中依旧具有纤维素晶体结构特征;半纤维素-木质素连接键、半纤维素-纤维素氢键断裂反应可能早于组分自身裂解,由此引发的不稳定苯基结构脱离以及纤维素C6位缺失,导致液体产物中出现高相对含量的4-乙烯基苯酚,左旋葡萄糖产物减少。竹材350℃等温热解条件下,半纤维素反应速率快、降解程度大,挥发分中CO2、C=O类产物释出时间早于CO;550℃等温热解下,纤维素反应速率快,CO、C-O-C类产物释出时间早于CO2、C=O。采用11种常规碱、碱土金属盐/氧化物与纤维素、竹材混合热解,用于研究单项灰分构成对生物质的热解过程影响。研究结果发现,所有金属添加剂均能够促进纤维素发生开环反应。其中,碱金属碳酸盐、碱土金属氯盐促开环作用尤其明显,亦对竹材热解产物影响明显。Na2CO3、K2CO3添加能够促使纤维素、竹材裂解生成大量热解气,焦炭稠环化程度增加;促使纤维素液体产物中环戊酮、短链小分子产物相对含量增加,竹材液体产物中苯类化合物相对含量可达75%以上。MgCl2、CaCl2添加对纤维素、天然生物质的作用机制不同;促使纤维素脱水、开环反应增加,液体产物中吡喃类产物大量减少,呋喃类化合物大幅增加;促使天然生物质组分连接键弱化,液体产物中吡喃类、呋喃产物大幅增加。采用酸洗脱灰、灰分添加方法研究了玉米芯中低温热解下的产物变化特性,并从灰分影响、组分贡献等方面探讨了热解产物变化特性以及关键产物形成机制。研究结果发现,酸洗（5%HCl）脱灰能够去除生物质中大部分K、Ca金属元素,并同时改变了生物质纤维结构组成;玉米芯脱灰后,半纤维素含量由40.7%下降至22.8%,纤维素含量由36.1%增加至57.3%。对比玉米芯脱灰前后热失重过程以及裂解产物变化特性,发现玉米芯脱灰后呈现典型的纤维素裂解特征;灰分中K、Ca矿物质盐能够加速生物质大分子解聚,促进纤维素、半纤维素开环形成大量短链小分子类化合物,木质素解聚生成大量单苯类化合物;350℃后,生物质内在灰分进一步促进焦炭脱氧、脱氢,焦炭稠环化程度升高,气体产物中H2产量增加。