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餐厨垃圾富含有机质、含水率高，是一种典型的生物质废物。当前研究主要集中在厌氧消化和乙醇发酵等生物处理技术，用于产生生物气和生物乙醇等，不仅周期长，而且前期成本高。近年来，水热碳化技术已逐渐应用于餐厨垃圾的处理并用于制备固体燃料，已有研究证实水热碳化制备的生物炭燃料具有热值高、疏水性强等特点，但餐厨垃圾生物炭的碳结构组成、清洁性能（氮、硫、氯的分布和转化）以及燃料的成型方法目前还未展开深入的研究。针对这些研究方面的欠缺，本文在以下几个方面开展工作：
首先，确定了水热碳化餐厨垃圾制备的生物炭的组成和结构特点，通过研究生物炭表面官能团和主体碳结构，并结合液相产物的化学组分变化考察了餐厨垃圾的碳化机制。研究结果表明，生物炭的碳化程度介于褐煤和沥青煤之间，升高温度提高了餐厨垃圾的碳化程度，并使生物炭的热值升高至28.73～31.73MJ/kg。而在高温水热碳化条件下，餐厨垃圾中的-OH、-NH和C=O等官能团经脱水和脱羧反应后减少，生物炭的芳香程度增加，主要是以聚呋喃和芳香结构为主体的碳结构。此外，生物炭呈现交联的微球状，较高温度下碳化导致生物炭微球的尺寸和交联度增加。进一步研究水热碳化的液相产物，结果表明碳水化合物降解生成中间产物（5-HMF和糠醛）通过醇醛缩合、聚合等反应形成生物炭，结合原料中稳定组分非均相的热解过程，为水热碳化餐厨垃圾生物炭的主要碳化机制。
其次，针对在餐厨垃圾水热碳化制备清洁燃料的研究不足，探究了水热碳化过程中氮元素在生物炭、生物油、和水相产物中的分布规律和转化机制。研究表明升高水热碳化温度可使生物炭中的总氮含量由52.67%降低至35.01%，而生物油中总氮的含量逐渐增加至30%左右。液相产物中以有机氮为主，而蛋白质和氨基酸随着温度升高脱氨基作用增强转化为更多的氨氮。生物油的分析结果表明蛋白质（或氨基酸）裂解生成的胺类化合物、含氮杂环化合物以及Maillard反应生成的含氮杂环化合物为主要的含氮组分，而升高水热碳化温度可使生物油产生更多的胺类和吡啶类化合物。此外，研究表明水热碳化导致生物炭中的无机氮大幅度降低，Pyridine-N由于胺类的环化作用首次在生物炭中生成，然而高温水热碳化可以促进氮元素以更稳定的Pyridine-N和Quaternary-N化学形态嵌入到生物炭结构中。
再次，对水热碳化餐厨垃圾过程中另外两种关键元素硫和氯的脱除行为和机制进行研究，进一步分析了生物炭的燃烧特征和动力学，解析并探讨了污染物的释放形态。结果表明，水热碳化可以提高生物炭中的硫和氯的脱除效率，并在260℃达到最高脱除效率（分别为82.50%和95.80%）。生物碳中Thiophene-S含量相比餐厨垃圾降低了20～30%，而Sulfoxide-S增加了10～20%。提高水热碳化强度增加了生物炭中的Sulfate-S，并导致有机硫化为无机硫。然而餐厨垃圾和生物炭的氯均为无机形态。燃烧结果表明，生物炭碳化程度的提高导致挥发分的燃烧峰减弱，着火点升高，而HCl、SO2和NO的释放主要在挥发分的燃烧阶段，HCl和SO2的释放量最高可分别减少60%和55%左右，但水热碳化温度超过220℃制备的生物炭，由于氮含量的增加和稳定的氮化学形态，导致燃烧过程中NO的释放量增加。
再次，为了使生物炭燃料便于储存、运输以及应用，在以上基础上对生物炭进行成型以提高燃料的物化性能和燃烧性能，本研究选用在低压下以糖蜜辅助成型生物炭。结果表明，添加糖蜜成型后，生物炭燃料的H/C比例显著提高，而糖蜜/CaO成型的燃料的O/C比例得到提高。糖蜜的再结晶过程形成的“固桥”结构使生物炭形成稳定的结构，抗压强度比生物炭固体燃料高1MPa左右，而CaO/糖蜜的添加可使抗压强度提高1.5MPa。结果还表明，添加糖蜜的成型燃料不仅缩短了生物炭的燃烧区间，而且降低了燃料的着火点，而糖蜜/CaO添加制备的成型燃料则与单独的糖蜜辅助成型的固体燃料呈相反的趋势。
最后，为了研究生物炭在高压下成型制备高强度的固体燃料，水热碳化餐厨垃圾过程中混合锯末使其木质纤维素成分提供力学支持，并在高压下进行成型，对燃料的物化性能、成型能耗、储存性能、以及燃烧性能进行了系统的探究。研究结果表明，增加餐厨垃圾的混合比例可以提高生物炭的碳化程度，并使成型能耗降低约16J（当餐厨垃圾至添加75%）。在220℃水热碳化条件下制备的生物炭成型燃料的具有最优的抗压强度（1.32～6.80MPa），因锯末的木质纤维素形成稳定的“固桥“使燃料具有更加致密的结构。燃烧分析表明，餐厨垃圾在水热碳化混合比的增加使燃烧区间延长，并降低燃料的着火点。
综上，本课题着重研究了水热碳化餐厨垃圾制备清洁固体燃料，对于餐厨垃圾的化学成分组成、生物炭结构和碳化机制进行了探索，并对氮的转化机理、硫和硫的脱除机制、以及燃烧性能进行了深入的研究。同时提出了低压下糖蜜辅助成型以及高压下混合锯末进行水热碳化后成型的两种新途径用于制备固体燃料。该研究对于餐厨垃圾的资源化利用具有重要意义，并为其在生物质能源领域的应用提供一定的理论依据。
首先，确定了水热碳化餐厨垃圾制备的生物炭的组成和结构特点，通过研究生物炭表面官能团和主体碳结构，并结合液相产物的化学组分变化考察了餐厨垃圾的碳化机制。研究结果表明，生物炭的碳化程度介于褐煤和沥青煤之间，升高温度提高了餐厨垃圾的碳化程度，并使生物炭的热值升高至28.73～31.73MJ/kg。而在高温水热碳化条件下，餐厨垃圾中的-OH、-NH和C=O等官能团经脱水和脱羧反应后减少，生物炭的芳香程度增加，主要是以聚呋喃和芳香结构为主体的碳结构。此外，生物炭呈现交联的微球状，较高温度下碳化导致生物炭微球的尺寸和交联度增加。进一步研究水热碳化的液相产物，结果表明碳水化合物降解生成中间产物（5-HMF和糠醛）通过醇醛缩合、聚合等反应形成生物炭，结合原料中稳定组分非均相的热解过程，为水热碳化餐厨垃圾生物炭的主要碳化机制。
其次，针对在餐厨垃圾水热碳化制备清洁燃料的研究不足，探究了水热碳化过程中氮元素在生物炭、生物油、和水相产物中的分布规律和转化机制。研究表明升高水热碳化温度可使生物炭中的总氮含量由52.67%降低至35.01%，而生物油中总氮的含量逐渐增加至30%左右。液相产物中以有机氮为主，而蛋白质和氨基酸随着温度升高脱氨基作用增强转化为更多的氨氮。生物油的分析结果表明蛋白质（或氨基酸）裂解生成的胺类化合物、含氮杂环化合物以及Maillard反应生成的含氮杂环化合物为主要的含氮组分，而升高水热碳化温度可使生物油产生更多的胺类和吡啶类化合物。此外，研究表明水热碳化导致生物炭中的无机氮大幅度降低，Pyridine-N由于胺类的环化作用首次在生物炭中生成，然而高温水热碳化可以促进氮元素以更稳定的Pyridine-N和Quaternary-N化学形态嵌入到生物炭结构中。
再次，对水热碳化餐厨垃圾过程中另外两种关键元素硫和氯的脱除行为和机制进行研究，进一步分析了生物炭的燃烧特征和动力学，解析并探讨了污染物的释放形态。结果表明，水热碳化可以提高生物炭中的硫和氯的脱除效率，并在260℃达到最高脱除效率（分别为82.50%和95.80%）。生物碳中Thiophene-S含量相比餐厨垃圾降低了20～30%，而Sulfoxide-S增加了10～20%。提高水热碳化强度增加了生物炭中的Sulfate-S，并导致有机硫化为无机硫。然而餐厨垃圾和生物炭的氯均为无机形态。燃烧结果表明，生物炭碳化程度的提高导致挥发分的燃烧峰减弱，着火点升高，而HCl、SO2和NO的释放主要在挥发分的燃烧阶段，HCl和SO2的释放量最高可分别减少60%和55%左右，但水热碳化温度超过220℃制备的生物炭，由于氮含量的增加和稳定的氮化学形态，导致燃烧过程中NO的释放量增加。
再次，为了使生物炭燃料便于储存、运输以及应用，在以上基础上对生物炭进行成型以提高燃料的物化性能和燃烧性能，本研究选用在低压下以糖蜜辅助成型生物炭。结果表明，添加糖蜜成型后，生物炭燃料的H/C比例显著提高，而糖蜜/CaO成型的燃料的O/C比例得到提高。糖蜜的再结晶过程形成的“固桥”结构使生物炭形成稳定的结构，抗压强度比生物炭固体燃料高1MPa左右，而CaO/糖蜜的添加可使抗压强度提高1.5MPa。结果还表明，添加糖蜜的成型燃料不仅缩短了生物炭的燃烧区间，而且降低了燃料的着火点，而糖蜜/CaO添加制备的成型燃料则与单独的糖蜜辅助成型的固体燃料呈相反的趋势。
最后，为了研究生物炭在高压下成型制备高强度的固体燃料，水热碳化餐厨垃圾过程中混合锯末使其木质纤维素成分提供力学支持，并在高压下进行成型，对燃料的物化性能、成型能耗、储存性能、以及燃烧性能进行了系统的探究。研究结果表明，增加餐厨垃圾的混合比例可以提高生物炭的碳化程度，并使成型能耗降低约16J（当餐厨垃圾至添加75%）。在220℃水热碳化条件下制备的生物炭成型燃料的具有最优的抗压强度（1.32～6.80MPa），因锯末的木质纤维素形成稳定的“固桥“使燃料具有更加致密的结构。燃烧分析表明，餐厨垃圾在水热碳化混合比的增加使燃烧区间延长，并降低燃料的着火点。
综上，本课题着重研究了水热碳化餐厨垃圾制备清洁固体燃料，对于餐厨垃圾的化学成分组成、生物炭结构和碳化机制进行了探索，并对氮的转化机理、硫和硫的脱除机制、以及燃烧性能进行了深入的研究。同时提出了低压下糖蜜辅助成型以及高压下混合锯末进行水热碳化后成型的两种新途径用于制备固体燃料。该研究对于餐厨垃圾的资源化利用具有重要意义，并为其在生物质能源领域的应用提供一定的理论依据。