烘焙预处理纤维素热解过程中初级与次级炭形成机制研究

为解决生物质能源转化过程中炭产率与品质调控难题，研究人员通过调控烘焙温度（200-320°C）与热解条件（压力0.1/1000 mbar、升温速率10-200°C/min），系统探究了烘焙纤维素热解过程中初级（结构解聚）与次级（挥发分二次反应）炭形成机制。研究发现烘焙通过抑制碳水化合物解聚和促进交联结构形成双重路径提升初级炭产率（1.6-57.8 wt%），而次级反应敏感性随烘焙程度增强而降低（炭产率增幅从3.9倍降至1.1倍）。该研究为优化生物质热化学转化工艺提供了关键理论支撑。

　　

在全球碳中和背景下，生物质能源结合碳捕获与封存（BECCS）技术被视为实现负排放的关键路径。然而，生物质原料的结构异质性、低能量密度等特性严重制约其规模化应用。烘焙（Torrefaction）作为一种温和热解预处理技术，能显著改善生物质燃料性能，但其对后续热解过程中炭形成机制的影响尚不明确。特别是烘焙后生物质结构变化如何影响初级（直接热解产物）与次级（挥发分二次反应产物）炭形成，这一科学问题直接关系到生物质热化学转化工艺的优化设计。

为揭示这一机制，华南理工大学的研究团队以纤维素（生物质主要组分）为模型化合物，在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表研究论文。该研究采用多尺度实验设计：通过元素分析、固体核磁（¹³
C NMR）、X射线衍射（XRD）表征烘焙纤维素的结构演变；利用热板反应器在0.1-1000 mbar压力、10-200°C/min升温速率下进行可控热解，结合拉曼光谱（Raman）和扫描电镜（SEM）解析炭产率与结构特征。

烘焙预处理表征
研究发现200°C烘焙纤维素（Cel-200）基本保留原始碳水化合物结构，260°C样品（Cel-260）出现解聚和结晶度下降，而320°C处理（Cel-320）则完全转化为交联结构。元素分析显示O/C和H/C原子比随烘焙温度升高持续下降，表明脱氧和脱水反应加剧。

初级炭形成机制
薄样品（抑制次级反应）实验表明，烘焙通过两种路径提升初级炭产率：一是抑制碳水化合物结构解聚（Cel-200至Cel-260阶段主导），二是促进交联结构形成（Cel-320阶段主导）。未烘焙纤维素初级炭产率仅1.6 wt%，而Cel-320高达24.3 wt%。

次级炭形成调控
厚样品（促进次级反应）实验显示，低压（0.1 mbar）和快速加热（200°C/min）条件下次级反应被显著抑制。次级炭产率增幅与烘焙程度呈负相关：未烘焙样品次级反应使炭产率提升3.9倍，而Cel-320仅提升1.1倍。拉曼光谱证实次级反应促进炭中芳香系统（Aromatic Systems）缩合，D带与G带强度比（I_D
/I_G
）降低表明石墨化程度提高。

该研究首次系统阐明了烘焙纤维素热解中初级与次级炭形成的协同作用机制。烘焙通过结构重构同时影响两类反应：初级阶段抑制解聚并促进交联，次级阶段则因挥发分组成改变而降低反应活性。这一发现为精准调控生物质热解炭产率提供了理论依据，对优化生物质能源转化工艺（如气化、燃烧）具有重要指导意义。特别是认识到烘焙程度与次级反应敏感性的负相关关系，可指导针对不同下游应用（如高炭产率燃料或高附加值化学品）选择最佳预处理条件。研究建立的"结构-反应-产物"关联模型，为发展生物质定向热转化技术奠定了科学基础。