生物质废弃物是中国现阶段发展进程中可用于生物质能开发利用的资源主体，广泛分布于工业（4亿吨/年）、农业（9亿吨/年）及林业（2亿吨/年）等生产活动中。定位于“能源”与“环境”中交叉领域的应用优势，将生物质废弃物经由热化学手段转化为高附加值生物基产品或服务于工业/民用供热领域，不仅可实现其高效资源化利用，也可缓解当前传统化石能源短缺和环境污染带来的双重压力。然而，因自身积累和外部添加等双重因素，使生物质废弃物的普遍特性如高含水、高污染和低能量密度等成为制约其热化学利用的关键因素，基于减量化和无害化原则来寻求适宜的预处理方式显得尤其重要且具有现实意义。近年来，水热碳化技术作为针对高含水废弃物的预处理工艺逐渐发展成熟，能从源头上实现“废弃物-可替代燃料”的可控转化且具备多项额外优势，而在此基础上将水热碳化和后续热利用手段（即燃烧、热解和气化）耦合联用属于一种新兴且具有应用潜力的处理工艺，可为生物质废弃物的高效清洁能源化利用提供理论基础和技术参考。依据来源和组成上的差异，本研究主要选定三种典型的生物质废弃物（木质纤维类-中药凉茶渣、非木质纤维类-抗生素药渣和高灰分类-城市污泥），同时结合其他不同品阶煤（褐煤-低阶煤、烟煤-中阶煤和无烟煤-高阶煤）进行协助对比，系统地探究了生物质废弃物水热碳化耦合后端热转化的利用效果及机理研究。主要取得以下成果:
　　(1)明确了三种典型生物质废弃物在水热碳化过程中的提质效果，其中水热温度是决定性因素，在很大程度上影响着各种组分相关转化反应的交替进行。随着水热温度的上升，水热焦在燃料性能上的改善体现在大量含氧有机物经水解反应而溶于液相产物中，使得挥发分含量和氢氧元素迅速降低;另一方面，含碳中间产物通过缩聚、碳化及沉积等作用在固相产物中积累，使得水热焦的固定碳含量和碳元素逐渐增加。以上两种过程在水热碳化中同步进行，从而提高水热焦的能量密度和煤化程度，反映在其热值的增加和煤阶的演变上。此外，由于水热焦煤化程度的提高而改善了其燃烧行为，不仅体现为水热焦燃烧过程中的两个主峰（挥发分燃烧与焦炭燃烧）合并为单一的焦炭燃烧峰（含部分重质挥发分燃烧），还提高其燃烧过程中的特征温度点（着火温度点、燃尽温度点等），最终令水热焦的燃烧过程更加稳定且充分。
　　(2)定性定量地对比了不同原料中组分结构及含量的差异，确定了中药凉茶渣(Herbal Tea Waste，HTW)属于木质纤维类生物质，而抗生素药渣(Penicillin Mycelial Waste，PMW)以蛋白质和多糖为主，城市污泥(Sewage Sludge，SS)除灰分含量较高外其余组成与PMW类似。不考虑原料在组分上的差异，水热碳化均能提高水热焦的芳构化程度，引起碳晶相结构由“结晶相”向“非结晶相”转变。在此期间，各组分单元的连接键首先发生水解而断裂（如木质素和纤维素中的-C-O-C键、半纤维素分子内-O-H及蛋白质中的肽键），随后由可溶性中间产物环化缩聚进而导致芳香族-C-C/-C=C键的形成和积累，但转化路径根据组分异同而有所区别。总体而言，成核过程是HTW中木质纤维类组分形成芳烃结构的关键机制，而PMW中氨基酸的自重整以及其与还原糖之间的协同作用使其整体转化路径更加复杂。
　　(3)基于水热碳化机理及其过程中的结构变化，分别从宏观结构、微观特征及其灰分自催化作用等三方面建立起以水热焦为中间原料并应用于后端热化学利用过程中的结构-活性相互关系:1）从水热焦宏观结构的角度出发，水热碳化对后端热解反应性在整体上为负相关，可归因于水热焦芳构化程度的发展，但由于原料主体成分差异使得其影响程度彼此不同。另一方面，水热焦在气化过程中的平均反应性也随其芳构化程度的提高而减弱，可能是由于水热焦中活性反应位点的坍塌、催化金属的脱除（特别是K）、惰性无机组分的富集或残余碳元素的消耗引起的;2）从水热焦微观特征的角度出发，颗粒表面随水热反应的进行逐渐构成丰富的孔径结构和更小的颗粒粒径，这意味着微观特征的改善应对热解和气化过程应起积极作用，然而出乎意料的是水热焦在后续热利用过程中的反应性与微观特征的变化趋势呈现负相关，这可能是由于水热焦芳构化程度的提升而产生的竞争性负面影响，这也说明水热焦的微观特征只是影响其热化学活性的次要因素;3）从水热焦灰分自催化的角度出发，其部分碱金属和碱土金属经水热碳化后会逐渐积累在水热焦表面，并对后续热转化过程产生催化作用。通过比较酸洗前后水热焦的TG-DTG曲线，证明其酸洗后水热焦的气化反应活性要低于酸洗前，并且在对酸洗后水热焦重新负载催化金属后发现，碱金属（K和Na）对水热焦气化反应的催化效果要比碱土金属（Ca、Mg和Fe）更为明显。
　　(4)当探讨以热解技术为水热焦的后端热利用方式时，着重细化水热碳化对原料各组分在单独及整体层面上的热解行为和动力学特征，并定性定量地研究其热解过程中释出挥发分物质的组成及含量。从整体上而言，水热焦在热解程度和转化率上存在着在不同程度上降低，但从单独组分上而言，衍生中间产物的特征峰会逐渐取代原始组分的特征峰，并随着水热温度的增加向高温段偏移。此外，在水热焦的程序升温热解过程中，其失重峰通常伴随着其气相挥发分的释放，但随着水热碳化温度的上升均呈现下降趋势，并且挥发性酚醛类化合物在HTW及其水热焦的热解过程中占主导地位，而含氮化合物则在PMW和SS的挥发性气体中占较大比例。
　　(5)当探讨以气化技术为水热焦的后端热利用方式时，着重分析水热碳化对气化转化效率及其三相产物（尤其是气相产物）的具体影响，并同时探究水热焦在气化过程中的转化行为及特征参数。尽管各原料的成分有所不同，但其衍生水热焦在气化过程中具有一定的相似性，这可归因于水热碳化过程中生物质向类煤燃料的均质转化，这种“废弃物-可替代燃料”的煤化转变促进了随后气化应用中的相关化学反应，并引起以下相关变化:1）提高了气相产物的燃料品质，其中H2组分的相对含量显著提高而CO2等随之减少;2）虽然增加了焦油中芳烃化合物的相对含量，但却能在整体上抑制焦油产物的形成;3）虽然延长了气化过程所需的反应时间，但却能在整体上提高焦炭气化率，其促进程度随着水热焦芳构化程度的发展而逐渐增加。
　　综上所述，本文选取了具有组分差异的多种生物质废弃物，系统地阐述了其水热过程中基于各组分单元的反应路径及煤化进程，并对衍生水热焦的后续热利用手段从整体耦合层面进行了联用效果及作用机理分析，获得了较为完整统一的关联性结论，为生物质废弃物的减量化、无害化和资源化利用提供了可行思路和理论依据，对现阶段可再生能源的发展目标具有一定意义。