木质纤维素生物质是地球上最大的可再生有机碳储存库[1]，是生产生物燃料[2]、平台化学品[3]和先进功能材料[4]的极具前景和可持续的原料。此外，它在全球碳减排策略中也起着关键作用[5],[6]。木质纤维素生物质的热化学转化是实现可持续能源生产和碳中性燃料系统的关键技术途径[7]。在各种热化学途径中，热解通过可控的挥发过程以及生成焦油、合成气和固体炭中间体[8]而发挥核心作用，这些中间体是生物燃料和碳材料的前体[9]。由于桉树生长迅速且全球种植面积广[10],[11]，它已成为最具经济价值的生物质资源之一。
目前的研究主要集中在桉树热解特性的实验分析上。Sharma等人[12]系统研究了惰性条件下桉树木屑的物理化学特性、热解动力学和反应机理，并将其与杨木生物质进行了比较。Fernandes等人[13]系统研究了热解温度对桉树木炭物理化学性质的影响。他们的研究结果表明，随着热解温度的升高，pH值、电导率、灰分含量和元素碳含量显著增加，而产率、挥发性物质、元素氧和氢含量、表面积以及H/C和O/C比值则降低。Wang M等人[14]使用固定床热解反应器系统研究了热解温度对桉树芯木屑热物理性质的影响。他们的结果显示，随着热解温度的升高，固体炭产率逐渐降低，而低位热值（LHV）则持续增强。
尽管桉树有广泛的应用，但关于其热解过程中孔隙尺度传输和反应机理的研究仍然相对不足。当前的研究主要集中在枫木[15]和山毛榉[16]等常见硬木上。与这些硬木相比[15],[16]，桉树具有独特的材料特性：较低的体积密度以及热导率和热容量的强温度依赖性。这些特性加剧了内部温度梯度，使得桉树的热解过程比密度更大的硬木更难以建模。因此，理解其热解行为需要一个能够捕捉热传递、质量传输和多路径反应动力学细尺度变化的建模框架。
目前，传统的连续介质尺度方法（如Di Blasi[17]的方法）采用一维瞬态导热模型，将整个生物质颗粒视为具有体积反应的均匀介质。这种近似方法现在被广泛用于流动床热解器的连续介质尺度Euler–Euler或Euler–Lagrangian CFD模拟中，以及颗粒集合的Euler–DEM描述中。在相关工作中，Liu A等人[18]开发了一种Eulerian–Discrete Element Method (E-DEM)数值模型来研究流动床中单个颗粒的热传递特性。这些模型可以再现整体转化趋势，但无法解释关键的孔隙尺度物理现象。具体来说，这些模型无法捕捉局部颗粒内流动通道、孔隙度的演变、气固界面附近的传输瓶颈，或结构演变与多步骤反应路径之间的反馈[19]。对于桉树而言，这些限制尤为明显，因为其异质微观结构显著影响了焦油和气体前体的释放和二次转化。
格子玻尔兹曼方法（LBM）由于其动力学公式、局部相互作用规则以及适用于模拟复杂多孔介质中的耦合热质传输而提供了一种强大的替代方案。最近的LBM研究推进了热解和气固反应系统的模拟[20],[21]，尽管大多数实现仍受到简化反应动力学、恒定热物理性质或有限的孔隙尺度传输表示的限制。Pan等人[22],[23]通过模拟具有固定热物理性质的枫木颗粒的快速热解，进一步展示了颗粒尺度LBM的潜力，能够详细预测颗粒内部温度演变、挥发性物质释放行为以及热解路径对操作条件的敏感性。然而，他们的模型仍然假设在整个热解过程中材料性质保持不变。
不同生物质的热解机制表现出不同的特征，产物分布也因生物质的微观组成差异而有所不同。Stefanidis S D等人[24]通过对纤维素、半纤维素和木质素的针对性实验，阐明了木质纤维素生物质的热解特性。具体来说，他们系统地进行了热解试验，比较分析了它们的热降解模式、产物演变轮廓和反应网络拓扑结构。Meng A等人[25]通过同时使用热重分析（TGA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究了玉米芯、树根和甘蔗渣的热解特性。实验结果表明，这些原料的热解行为存在显著差异，这主要归因于它们不同的化学组成。Bassilakis R等人[26]使用热重分析结合傅里叶变换红外光谱（TG-FTIR）对七种不同生物质的热解过程中挥发性产物的演变进行了全面分析。结果揭示了不同生物质原料之间挥发性产物释放轮廓的显著差异，这直接与其木质纤维素组成的异质性相关。
生物质颗粒大小是影响热解过程中产物分布的关键参数。Shen J等人[27]研究了澳大利亚mallee木质生物质在500 °C下的热解行为，颗粒尺寸范围为0.18–5.6毫米，并分析了其产物产率和组成。研究发现，将平均生物质颗粒尺寸从0.3毫米增加到约1.5毫米会导致生物油产率降低。然而，进一步增加颗粒尺寸并未导致生物油产率进一步减少。Asadullah M等人[28]研究了在新型流动床反应器中热解的不同尺寸mallee木颗粒所得炭的结构特性。他们的研究表明，在快速加热速率（>1000 °C/s）下，生物质颗粒尺寸对炭的形态有显著影响，而在缓慢热解条件（0.17 °C/s）下则影响不大。
为了实现对桉树热解的高保真度机制理解，需要进行涵盖多个温度范围的系统模拟。Septien S等人[29]研究了在三种温度条件（1000、1200和1400 °C）下木质生物质的热解行为，发现这些温度范围内热解产物的组成和功能存在显著差异。Demirbas A等人[30]在高温（950–1250 K）下对农业残渣进行了慢速热解。他们的研究表明，较高的温度和较小的颗粒尺寸提高了加热速率，从而导致生物炭产率降低。
在这项研究中，开发了一个扩展的格子玻尔兹曼框架，同时耦合了热传递、多组分质量传输、演变的孔隙度以及由三个主要分解路径和两个炭转化过程组成的详细反应网络。该框架结合了桉树的温度依赖性热物理性质，以捕捉超出传统恒定性质假设的物种特异性热响应。进一步利用该框架系统研究了生物质类型、颗粒尺寸和热条件的影响，通过与枫木的直接比较，实现了对物种依赖性的挥发行为和传输-反应相互作用的定量表征。此外，通过扰动关键物理和热物理参数进行了敏感性分析，以确定控制转化动态的主导因素。这种综合方法能够机制性地解析异质温度演变、挥发性物质释放和颗粒内部传输限制，为阐明生物质特定的热解行为和转化路径提供了预测性的颗粒尺度框架。
