由于生物质普遍具有能量密度低、堆积密度低、水分含量高以及形状和尺寸不规则等缺点,使其不易存储和运输,严重限制了生物质利用技术的发展。而将生物质原料粉碎后压制成颗粒或团块产品的固化成型技术是解决上述问题的最有效方法之一。目前受限于生物质种类以及成型参数的影响,基于农业秸秆类生物质的成型燃料物理品质特性较差,而且对其改善效果不明显、研究不全面。因此为了获得高品质生物质固体成型燃料,本论文首先研究了成型关键参数对生物质成型颗粒物理特性的影响规律以及作用机制;并通过水热预处理手段,探究了水热条件对生物质成型炭的物理化学结构演变并揭示其粘结机理;另外,通过在生物质原料中加入不同添加剂以及生物质互混等方法,探索制备高品质、低能耗秸秆类生物质成型颗粒的新方法;在此基础上,考察了水热炭化条件和添加剂对其成型颗粒燃烧特性和动力学的影响,为生物质成型燃料的品质优化提供科学参考。首先利用万能材料实验机,考察不同原料种类以及成型工艺参数如原料粒径、含水率和成型温度对生物质成型颗粒品质特性的影响规律,总结并优化成型工艺参数,通过研究成型颗粒的微观物理结构变化,探索成型颗粒内部的粘结机制。研究发现,生物质原料含水率在10~15%时易于成型,在同等成型压力条件下,原料粒径越小(小于0.6mm),成型温度越高(170℃),成型效果越佳;另外,由于不同生物质种类化学组成以及结构差异较大,压制的成型燃料品质也不尽相同,木质素含量较高的棉杆压制的成型颗粒品质最好,富含提取物的油菜秆成型颗粒品质最差;此外,生物质常温固化成型制备的成型颗粒比热压成型制备的成型颗粒品质低。为减少生物质内脂肪烃类物质对成型特性的影响,利用水热反应釜对生物质原料进行炭化预处理,对在不同水热温度和水热保温时间条件下获得的水热炭制备的成型颗粒的物理机械性能进行评价,研究了水热预处理对生物质成型颗粒品质的影响规律以及粘结机理。研究发现水热处理降低了生物质内提取物的含量,提高了生物质的能量密度;此外,水热处理使得原样中亲水官能团减少,提高了其成型颗粒的疏水性,而粒子表面极性官能团数量的增加,使得粒子间形成液桥加强了粘结力,提升了成型颗粒的成型品质;结果表明当水热温度为240℃、水热保温时间为2h时,生物质成型炭品质特性最佳;而过高的水热温度和水热时间会导致炭粉空隙增多,孔容积增大,导致其成型颗粒机械特性下降。并且水热处理后生物质炭表面粗糙度升高,增加了颗粒之间的摩擦力,从而引起成型能耗增加。鉴于水热预处理会导致成型能耗增加,在常温固化成型条件下研究不同类型添加剂、添加剂含量以及生物质互混对成型颗粒粘结特性的影响,并通过主成分分析方法,建立生物质固化成型特性综合评价指标。研究发现,添加比例为2%的改性纤维素对棉杆成型颗粒机械性能的提升最高;膨润土对提升棉杆成型颗粒耐久性的作用不明显;而碱木素会增加棉杆成型颗粒的成型能耗。但碱木素对麦秆成型颗粒品质的影响最明显,特别是当其含量为2%时品质特性最好,膨润土次之,改性纤维素最低;但是,单一添加剂仅对秸秆成型颗粒的部分机械特性提升有效。归结于麦秆中的长链纤维与棉杆内部粒子之间相互吸引缠绕并形成机械嵌合和桥键,与木屑成型颗粒相比,麦秆含量为20%~30%时棉麦混成型颗粒呈现较高的物理特性。然后,通过在原料中加入复合添加剂,考察复合添加剂中各物质对成型颗粒物理特性的协同作用。研究发现,棉杆和麦秆成型颗粒会随着复合添加剂中改性纤维素和膨润土含量的增加呈现更高的机械特性,这是因为改性纤维素分子上的OH与生物质中的水分子以及OH相互作用形成氢键,同时膨润土与棉杆中水分子之间的离子交换作用加强了粘结力,而膨润土在空间结构上存在的弱结合阳离子又促使改性纤维素被吸附到膨润土表面,加强了两种物质之间的作用力;但是相比添加剂A2(改性纤维素,膨润土,氧化铝比例为2/3/4),麦秆成型颗粒在复合添加剂A3(3/3/4)添加下,机械特性提升不明显。另外,结合生物质固化成型特性综合评价指标,相比单一添加剂,复合添加剂可有效兼顾生物质成型颗粒各品质特性的提升,同时保证较低的成型能耗,达到甚至超过木质类成型颗粒。筛选物理机械特性较优的成型颗粒,研究了水热预处理以及添加剂对其燃烧特性的影响,并结合热动力学模型分析了生物质成型颗粒燃烧过程以及动力学机理。研究发现,水热炭的燃烧失重峰会随着水热温度和水热保温时间的增加而向高温区移动,低温段燃烧速率的降低以及燃尽温度的升高,都表明水热成型炭的燃烧更平稳,燃烧热效率更高,燃烧更完全,低温段的表观活化能也比未水热处理压制的成型颗粒低。燃烧动力学表明,生物质粉末燃烧时,在低温段为一级化学反应,高温段为二级化学反应模型;未经过预处理的生物质成型颗粒的动力学模型主要为扩散模型;经过水热炭化后压制的成型颗粒,在低温段为一级化学反应,高温段为扩散模型。生物质成型颗粒在低温段燃烧时,挥发分析出阶段与固定碳燃烧阶段发生重叠,反应活化能增大;而添加剂的加入降低了成型颗粒的着火温度和燃尽温度,燃烧更激烈,燃尽时间更短,可燃性指数、燃烧稳定性和燃烧特性综合指数大幅提高,降低了成型颗粒低温段的反应活化能,而复合添加剂相比单一添加剂会降低成型颗粒的燃烧特性;另外,当棉杆和麦秆互混比例为4/1时,棉麦互混成型颗粒的燃烧特性最好。