化石燃料的使用带来了全球变化与环境污染问题,可再生清洁能源的开发利用成为现今最紧迫的问题,生物质是一种可再生能源,采用生物质热裂解技术可生产高热值的生物炭,使之替代化石燃料成为现实,然而,生物炭能量密度和燃烧过程中氮、硫、磷、碱金属及碱土金属的释放尚不完全清楚,这限制了生物炭的应用。本研究采用慢速热裂解方法,制备了不同裂解温度条件下稻壳、玉米秸秆、水稻秸秆、玉米芯、樟子松木屑、白松木屑、竹柳、银杏叶、梧桐叶和废菌菇棒等10种生物炭样品,重点研究了生物炭热值预测方程和燃烧过程中无机组分释放与转化机制,并探讨了生物炭替代化石燃料的可能性和优势。主要研究内容与结果如下:(1)采用国标方法对生物炭进行了工业分析,利用元素分析仪对生物炭元素组分进行了分析,基于工业分析数据评估了各类生物炭的质量产率、能量产率、固定碳产率等指标,基于元素分析数据对生物炭进行了 C、H、O等元素组成分析以及O/C和H/C原子比分析。结果表明,不同生物炭的灰分、固定碳和碳含量存在明显差异,热解温度对生物炭工业分析成分、含量及元素组成影响较大,高温下所产生的生物炭具备更优良的燃料特性。(2)采用国标方法测量了 10种类型生物炭的高位热值(HHV),利用逐步多元线性和非线性回归方法建立了基于元素分析的生物炭HHV预测方程:HHV=32.9C+162.7H-16.2O-954.4S+1.408,该方程的 R2 值为 0.997,平均绝对误差(AAE)和平均偏差误差(ABE)分别为实际测量值的1.12%和0.05%;建立了 基于 工 业分 析 的 生 物 炭 HHV 预 测 方 程:HHV=-30.3FC2+65.2Ash2+55.4FC-48.5Ash+9.591,方程的 R2 值为 0.982,AAE 和ABE分别为2.59%和0.08%。利用相关文献的数据验证了这两个方程的预测值,表明预测方程具有较高的预测准确度。(3)研究了五种生物炭燃烧过程中碱金属/碱土金属(AAEMs)的释放与转化。基于燃烧残余灰分的重量测量和电感耦合等离子体发射光谱法分析方法,采用元素质量平衡方法定量了生物炭燃烧过程中AAEMs的释放。使用X射线衍射和X射线荧光光谱分析方法对不同燃烧温度灰分中的AAEMs存在形式和灰分组成进行了定性分析。结果表明,五种生物炭在低于1000℃的燃烧过程中,有30-80 wt.%的AAEMs释放到气相中,不同元素和不同样品之间存在显著差异。AAEMs的释放在很大程度上取决于生物炭中AAEMs的含量和缔合形式以及燃烧温度。生物炭灰分中的SiO2可以有效捕获燃烧过程中释放的AAEMs,从而降低燃烧气中的碱负荷。AAEMs在低温下主要以氧化物、氯化物和其他盐类形式存在于生物炭灰分中,随着反应温度升高而分解,与SiO2和Al2O3反应生成不溶性硅酸盐或硅铝酸盐。采用氧弹-离子色谱方法分析了五种生物炭中N和P的转化率以及Cl和S的释放机理,并添加了两种煤标准物质作为对照,结果表明,生物炭中N转化为氮氧化物释放到气相的比率为35-60%,P的释放转化率为8-50%。