生物质能源作为可再生能源,是目前世界能源消耗总量仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。生物质炭化是高效利用生物质资源的重要技术之一,炭化是在隔绝或有少许空气的情况下加热至高温使生物质材料发生物理化学变化的过程。生物质炭化工艺对原料要求低,简单且能耗低。生物质炭与原始生物质相比能量密度大幅度提高,储运方便,用途广泛。与煤相比,生物质炭灰分、氮硫元素含量少,燃烧污染物排放低,CO2减排显著,是一种较好的替代燃料。本文研究了典型生物质炭化性能、生物质炭燃料特性、燃烧及污染物排放特性,以及添加剂对生物质炭化过程碱金属迁移、污染物排放的影响。(1)采用管式炉实验台上模拟三段式炭化炉的炭化工艺,考察温度对玉米秸秆、棉杆和杨木的炭产率、炭发热量、能源得率的影响,并分析了燃料特性。结果表明：炭产率和能源得率随炭化温度的升高而减小,300℃时玉米秸秆、棉杆和杨木的炭产率分别为64.5%、66.4%、60.4%,能源得率分别为74.7%、82.9%和81.3%。超过400℃,其炭产率和能源得率都明显降低,800℃三种样品的能源得率均在40%～50%之间。另外,微量添加剂对炭产率影响较小。棉杆在230℃烘焙与300℃炭化的能源得率近似,烘焙炭产率高于炭化的,而发热量成相反的趋势。(2)随着炭化温度升高,所得生物质炭发热量增大,固定碳和灰分含量不断增加,而挥发分含量不断减小,碳元素含量随温度的升高而升高,氢和氧元素含量则随炭化温度的升高而减小。炭化温度300℃时得到的三种生物质炭干基高位发热量分别为21.5MJ/kg、21.9MJ/kg和22.4MJ/kg。炭化温度800℃时,高位发热量为24.1MJ/kg～29.8MJ/kg。根据生物质炭的工业分析与元素分析结果采用最小二乘法拟合得出了生物质炭的干基高位发热量的线性公式,并对生物质炭的干基高位发热量预测值进行了误差分析,计算得到预测值的平均绝对误差仅为0.36MJ/kg,平均相对误差为1.5769%,平均偏移误差为0.0289%,能够较好的预测生物质炭的干基高位发热量。考察了添加剂CaO、(NH4)H2PO4和CaCO3对玉米秸秆随炭化温度变化碱金属的变迁特性。随着炭化温度的升高,所得炭的钾和钠含量先增大后减小,炭化温度为600℃时所得炭的钾和钠含量最高,钾和钠在炭中的残留率随炭化温度的升高持续减小。(NH4)H2PP4和CaCO3对炭化过程中钾和钠的析出影响不大,CaO能够促进钾和钠的析出。另外,采用灰熔融性测定仪分析棉杆及其炭化燃料的灰熔点,发现棉秆炭的灰熔点随炭化温度的升高先降低后增大,炭化温度为60℃获得的棉秆炭灰熔点最低,温度为1100℃。(3)采用热重法分别考察了生物质炭在空气和O2/CO2气氛下的燃烧特性与生物质燃烧过程相似,生物质炭的燃烧过程分为脱水、失重和燃尽三个阶段。但不同炭化温度下获得的炭的燃烧模式不同,较低炭化温度得到的炭燃烧模式为先热解析出挥发分,然后挥发分和固定碳同时燃烧；较高炭化温度下得到的炭燃烧模式为挥发分和固定碳同时进行燃烧。随着炭化温度的升高,生物质炭的综合燃烧特性指数S减小,说明生物质炭的燃烧特性越来越差。利用Coats-Redfern积分法计算了玉米秆和棉秆在不同气氛下燃烧的燃烧动力学参数,发现随着炭化温度的升高,生物质炭在燃烧时的活化能逐渐升高,频率因子A也是逐渐增大的。(4)采用管式炉实验系统考察了玉米秸秆及其炭燃烧硫氮污染物排放特性,以及CaO、(NH4)H2PO4和CaC03对硫氮污染物排放的影响。玉米秸秆炭燃烧时SO2析出过程呈现单峰,与原始玉米秸秆燃烧硫析出过程类似,主要为有机硫转化释放。随着炭化温度升高,所得炭燃烧时S02的生成量和转化率呈现出先增大后减小的趋势。炭化温度约500℃时,所得炭的SO2的生成量和转化率最大,分别为0.98mg/g和18.91%；炭化温度为400℃、700℃和800℃时,所得炭的SO2的生成量和转化率较小,分别为0.25mg/g-0.33mg/g、5.174%-5.854%。添加剂CaO、(NH4)H2PO4和CaCO3能够减少玉米秆及其炭燃烧时的SO2排放,排放量和转化率分别为0.0028mg/g-0.01mg/g、0.05%-1.97%.玉米秸秆燃烧NO释放集中,伴随挥发分燃烧大量释放；而玉米秸秆炭经过炭化后挥发分明显减少,伴随着挥发分和固定碳同时燃烧,氮析出较为平缓,析出持续时间较长。添加剂CaO和CaCO3寸NO排放影响不大,添加剂(NH4)H2PO4会导致玉米秆和玉米秆炭燃烧过程中NO的生成量增加。研究结果丰富了生物质炭化工艺、生物质炭燃料特性、生物质炭燃烧及污染物排放特性等基础理论,对生物质炭化工艺、生物质炭燃烧技术的发展具有参考价值和现实意义。