预计到2040年，全球经济社会的发展将导致能源需求增加三分之一。然而，大量的化石燃料使用仍在推动温室气体排放量的上升。以中国的钢铁行业为例，该行业占二氧化碳排放总量的16%，其中高炉炼铁占整个行业二氧化碳排放量的70%，成为主要的排放源[[1], [2], [3]]。尽管高炉喷吹煤可以降低成本并提高效率，但每年仍消耗约1.5亿吨煤炭，导致化石资源的枯竭。为解决这一环境和能源问题，完善激励机制至关重要[4], [5], [6], [7]。面对过度依赖化石燃料所带来的生态危机，科研界和政策制定者面临着寻找清洁和可持续能源替代品的巨大压力。生物质作为一种储量丰富、可再生、具有独特化学性质且低碳环保的新能源，显示出巨大的潜力，在可持续燃料和化学品生产中具有关键作用[[8], [9], [10], [11]]。
生物质包括植物、动物和微生物，通过光合作用产生。其碳中和特性意味着生长过程中吸收的二氧化碳与气化或降解过程中释放的二氧化碳相平衡，这对于缓解温室效应具有重要意义[[12], [13], [14]]。根据“全球生物质资源潜力评估”报告，全球生物质的年可持续利用潜力约为3.5 × 1010吨标准煤。当用作高炉喷吹燃料时，生物质具有明显优势：它可以部分替代化石燃料，减少煤炭消耗和SO2等污染物排放，符合环保理念；同时还能多样化高炉燃料来源，提高钢铁行业的资源灵活性，稳定生产，并降低煤炭价格波动风险[[15], [16], [17]]。然而，生物质能量密度低、可磨性差且碱金属含量高，这些因素阻碍了其在高炉生产系统中的应用。因此，探索生物质升级工艺对于实现高炉喷吹燃料的高效稳定运行以及充分发挥生物质在钢铁行业中的节能减排潜力至关重要。
蒸汽爆炸是一种预处理技术，将生物质原料置于密封的高压容器中并暴露在过热蒸汽中。在该过程中，生物质在高温高压下软化，随后压力突然释放，导致内部气体迅速膨胀，产生爆炸效应，破坏生物质结构。蒸汽爆炸提高了生物质的可加工性，去除了杂质，提升了生物质质量，并实现了高处理效率、低能耗、最小化污染以及增加的生物质热值。目前有多个实验和示范工厂采用这项技术，包括美国国家可再生能源实验室在科罗拉多州金色的试点工厂、瑞典的SEKAB试点工厂、加拿大渥太华的Igogen示范工厂以及意大利南部的TerraSala研究中心[[18], [19], [20]]。Rajarshi Roy等人[21]比较了蒸汽爆炸处理后的木屑与煤炭的性质，发现蒸汽爆炸处理的生物质具有更好的可磨性，其孔隙率接近煤炭。在燃烧性方面，虽然蒸汽爆炸处理的生物质表现出更高的反应性，但仍需进一步研究以改善其气化性能。Alizadeh等人[22]对蒸汽爆炸处理的木屑进行了研究，发现随着R0值的增加，木屑的质量产量降至最低60%，而高位发热值最高达到18.0 MJ/kg，表明原始生物质的质量有所改善。Priyanto等人[23]开发的自蒸汽爆炸技术利用生物质中的水分生成蒸汽，实现了高效的预处理和颗粒细化，同时显著降低了能耗和产品含水量。Cavalaglio等人的研究[24]表明，酸催化的蒸汽爆炸可以提高糖的回收率并抑制副产物的形成，降低工艺温度并减少环境影响。尽管关于生物质作为高炉燃料的研究已取得了一些进展，但目前的研究仍存在以下局限性：首先，大多数研究集中在生物质的热值和燃烧特性上，而其在蒸汽爆炸过程中的物理化学性质变化及其对气化性能的影响尚未得到充分探讨；其次，现有蒸汽爆炸技术的参数范围相对狭窄，限制了生物质的有效升级；第三，缺乏对实际高炉喷吹中生物炭的系统评估，特别是在碱金属去除和可磨性改进方面。
本研究开发了一种新的生物质蒸汽爆炸（NSE）工艺，并验证了通过该工艺将生物质转化为高炉喷吹燃料的可行性。工艺参数被调整至300–500°C的温度范围和2.5–4.0 MPa的压力范围，超过了传统的160–260°C和0.69–4.83 MPa条件（图1）。实验中选择芦苇作为原料，在不同温度和压力下制备样品。研究重点关注了化学组成、官能团、微观结构和石墨化程度在温度和压力变化过程中的变化规律。采用非等温热重分析研究了不同样品的气化特性，并建立了体积动力学模型来描述其气化过程。此外，还利用密度泛函理论预测了NSE过程中纤维素模型的键解离顺序和反应位点。本研究的目的是找到一种高效的生产高质量高炉喷吹燃料的方法，为钢铁行业的绿色转型提供指导。
