预处理技术是生物质能源化利用必经的工艺过程,研究化学预处理对生物质内在结构和热解产物特性的影响具有重要的现实意义和商业价值。本课题选取杨木、竹子等生物质作为原料,采用稀盐酸、氢氧化钠溶液为化学预处理试剂,经正交试验和极差分析得到最佳预处理条件。通过研究酸、碱预处理后生物质的微结构和化学成分变化,分析化学预处理对生物质热化学特性的影响,并分析计算生物质预处理前后的反应动力学参数,着重分析了热解产物焦炭的物化特性。通过正交试验设计考察化学预处理条件:时间、温度以及化学品用量对原料固减量的影响,以原料绝干质量的减少量作为预处理条件的择优标准,得到的竹子最佳酸预处理条件为:80℃、1 h、5%(体积比),碱预处理条件为:80℃、3 h、3%(质量比);杨木的最佳酸预处理条件是:80℃、3h、5%(体积比),碱预处理条件为:80℃、3 h、3%(质量比)。研究表明,由于木素在化学预处理过程中大量降解,经酸、碱预处理后,竹子的纤维素和半纤维的含量均有所增加;杨木的纤维素含量基本保持不变,半纤维素的含量略微减少,木素含量则略有增加。经预处理后,原料的灰分含量下降。此外,经酸处理后竹子的提取液中,葡萄糖和木糖含量高于碱处理提取液。经酸预处理后的原料中,C元素含量增加,H/C摩尔比值减少,原料经碱预处理后,C元素含量减少,H/C摩尔比值增大。采用扫描电镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)技术对生物质预处理前后进行化学结构的表征。研究发现,经酸预处理后,竹子原料的纤维表面结构出现更多的孔洞和裂痕,经碱预处理后的纤维表面发生明显的剥皮现象。经酸、碱预处理后竹子的相对结晶度提高,并且酸处理效果显著。将预处理后的原料进行热失重特性分析。热重分析法(TGA)研究结果表明:竹子经酸、碱处理后的热解残余量减少,杨木经酸处理后的热解残余量减少,而经碱处理后的热解残余量增大。在主要热解阶段,原料的种类对热解特性具有显著影响,竹子经酸、碱预处理后的失重量增加,杨木经酸处理后的失重量增加,而经碱处理后的失重量却减少。经酸、碱预处理后,竹子和杨木的最大失重速率均呈增加趋势,竹子的最大失重速率峰向高温区移动,而杨木则向低温区移动。此外,采用Coats-Redfern法进行生物质热解反应的动力学分析,结果表明经酸、碱处理后,竹子热解反应过程中的表观活化能增加,频率因子增大;而杨木在低温区,经酸处理后的表观活化能和频率因子变小,经碱处理后的表观活化能和频率因子都增大,而在高温区,经酸处理后的表观活化能和频率因子增大,经碱处理后的表观活化能和频率因子都减小。热重-红外分析联用(TG-FTIR)和热重-气质色谱联用技术(TG-GC/MS)分析表明,竹子和杨木的热解反应的气体产物中CO2的产量最大,其次是水、酚类、醛类和碳氢化合物等。竹子经酸、碱预处理后的CO2产量比未处理前要少,经酸处理后的产量最少;然而,杨木经碱处理后的CO2产量最多,经酸处理后的CO2产量最少。未处理、酸处理和碱处理后的竹子热裂解所产生的最强质子丰度分别在保留时间为18.29、20.31和20.32min处。竹子未处理的样品的热解产物有15种,其中甲氨基丙胺的相对含量最高,其次是吡啶;竹子酸处理后的样品的热解产物有15种,相对含量最高的是喹啉,其次是2,3-二氢苯并呋喃和己炔酸;竹子经碱处理后的样品的热解产物有13种,苯并恶嗪的相对含量最高,其次是正丁醇和乙醇。通过在实验室管式热解炉试验,竹子热解后获得焦炭的最佳条件是:400℃,5min。经酸、碱预处理后,竹子热解焦炭的产率下降,由原来的33.41%分别减少至28.30%和26.71%,并且碱处理后的热解焦炭中C元素含量最高,H/C摩尔比值最小。研究发现,酸、碱预处理使焦炭的比表面积、孔容积和平均孔径均显著增大,尤其是酸处理对的竹子热解焦炭的孔隙特性提高的效果最为明显,比表面积、孔容积和平均孔径增大约10倍。此外,酸、碱预处理也提高了热解焦炭的结晶度,尤其是酸处理效果更为显著。