全球化石能源的日益消耗及其使用造成了严重的环境污染、能源短缺以及气候变暖问题,引起了人们的密切关注。对可再生能源尤其是废弃生物质能资源化技术的开发与优化成为了研究热点,其中热解技术能够将废弃生物质转化为生物燃料、化工产品以及多功能碳材料,操作简单、过程可控且绿色经济,应用前景广阔。然而,废弃生物质热解过程中的化学行为非常复杂,目前有关生物质热解涉及的多重精细化学反应、不同组分内的反应途径和组分间相互作用的研究仍然存在不足,限制了其规模化应用。因此,深入研究生物质热解过程,阐明其热解机理,对热解污染控制、产物的靶向制备及其工业化应用意义深远。本论文以典型废弃生物质（花生壳、稻壳、核桃壳、小麦秸秆和城市生活污泥）为研究对象,制备了不同热解条件下的多种生物炭材料。运用环境化学、矿物学、热化学、热动力学、光谱学、统计学、碳排放管理和工程经济学等理论知识,采用热重分析（TG）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重-红外-质谱（TG-FTIR-MS）、原位热解傅里叶变换红外光谱（in-situ FTIR）、X射线衍射（XRD）、X射线荧光光谱（XRF）和孔隙分析等技术手段,从宏观热解条件到微观分子水平系统研究了典型废弃生物质热解制备生物炭材料全过程的化学行为与机理,并基于生命周期评估和成本效益分析模型进一步分析了废弃生物质热解系统的环境经济效益。具体内容和取得的主要研究结果如下:（1）通过花生壳多变量热解实验,制备了不同热解温度、保留时间、升温速率、气体流速和颗粒粒径下的生物炭样品,研究了不同热解条件下的热解产物分布和生物炭理化特性,发现了热解温度是生物质热解的主要影响因素并以＞400 ℃为宜,同时,原料颗粒粒径和升温速率的变化会对产物产率及生物炭孔隙结构产生显著影响,阐明了生物质热解过程对热解条件尤其是极低升温速率与极细原料颗粒的响应机制。（2）基于花生壳原位热解红外光谱和热重-红外-质谱分析结果,从分子水平研究了生物质热解过程的固体基质与挥发性产物演化规律,发现了热解挥发物的浓度大小顺序为C=O＞CO2＞脂肪族C-O-（H）＞酯类C-O-（C）＞芳烃＞H2O＞酚羟基＞脂族烃＞CO,并在410-433℃左右达到峰值,定量解析了生物质固体基质中精细官能团的热解动力学,揭示了 OH（20-380℃）、脂肪族C-Hn官能团（20-500℃）、C=O 官能团（260-500℃）和 C-O 官能团（300-500℃）的热反应机理为二维/三维扩散和二级/三级化学反应。阐明了废弃生物质中精细官能团演化机理,提出了生物质热解过程中分子水平热解机理原位研究新方法。（3）对比研究了四种矿物组分差异显著的废弃生物质（小麦秸秆、稻壳、核桃壳和城市生活污泥）脱矿物前后的理化特性及其热解行为和挥发分分布,发现脱矿物化增加了生物质中碳氢含量和纤维素强度,但对官能团类型不产生明显影响;分析了生物质内源矿物组分对其热解行为和热动力学机理与参数的影响,结果表明生物质内源矿物降低了热反应活化能,对生物质热解过程具有催化作用,且会显著影响高附加值短链烃类和氮硫污染物等挥发分组成和产率,揭示了不同类型生物质热解过程中内源矿物组分的作用机制。（4）基于上述废弃生物质热解系统,以典型热解条件下制备的花生壳生物炭系统为对象,结合最新模型参数,对比分析了生物炭还田与燃烧发电这两种应用场景下的生物质热解为生物炭整个系统生命周期内碳足迹、碳减排潜力以及技术经济效益,结果表明生物炭还田场景下单位生物质的年均碳减排潜力为燃烧发电场景的3.73倍,但其年均净效益与25年净现值（NPV）均为负值,而生物炭抵消燃煤发电在中国现有能源和碳交易模式下更具工业化优势;结合多因素敏感性分析,探讨了生物质热解系统固碳与经济效益的敏感性因素并据此提出了系统优化建议。