Abstract Soot particles from biomass incomplete combustion, as a major source of particulate matter, arouse significant concerns due to its harmful impacts on environment and human health. In this paper, the effects of pyrolysis temperature, volatile residence time and water-leaching of biomass on soot formation during biomass pyrolysis were studied in a lab-scale furnace. The physicochemical characteristics of soot particles were comprehensively analyzed. Results show that soot is formed by the secondary reactions of volatiles from biomass thermal-cracking requiring a certain high temperature and long volatile residence time. With a short volatile residence time of 0.2 s, no soot is formed at 900–1200 °C. When the residence time increases to 2 s, soot is significantly formed at >1000 °C, when onion-like shell/core structures is observed. With pyrolysis temperature increasing, the soot particle size decreases and becomes uniform, the carbon content in soot increases, and the ordered structure of carbonization is enhanced, which leads to the degradation of soot oxidation reactivity. The water-leaching pretreatment for biomass leads to the increases of soot yield, particle size, and carbon content, as well as the KCl absence in soot and significantly lowered oxidation reactivity of soot. This indicates strong catalysis of potassium on soot production and consumption. Both gas and tar analyses support soot formation mechanism: (1) H2 yield increases due to formation of soot, but C2H2 yield reaches peak at 1000–1100 °C; (2) tar is dominated by PAHs, which molecules grow with the increase of temperature and residence time.

中文翻译：

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生物质热解过程中的烟灰形成：温度、水浸出和气相停留时间的影响

摘要 生物质不完全燃烧产生的烟尘颗粒作为颗粒物的主要来源，因其对环境和人类健康的有害影响而备受关注。在本文中，在实验室规模的炉中研究了生物质热解过程中热解温度、挥发物停留时间和水浸出对生物质热解过程中烟尘形成的影响。综合分析了烟尘颗粒的理化特性。结果表明，烟尘是由生物质热裂解挥发物二次反应形成的，需要一定的高温和较长的挥发物停留时间。挥发物停留时间短（0.2 秒），在 900–1200 °C 下不会形成烟灰。当停留时间增加到 2 秒时，当观察到洋葱状壳/核结构时，在 >1000 °C 时会显着形成烟灰。随着热解温度的升高，烟尘粒径减小并趋于均匀，烟尘中碳含量增加，炭化有序结构增强，导致烟尘氧化反应性降低。生物质的水浸预处理导致烟灰产率、粒径和碳含量的增加，以及烟灰中不含 KCl 并显着降低烟灰的氧化反应性。这表明钾对烟尘的产生和消耗有很强的催化作用。气体和焦油分析都支持烟尘形成机制：(1) 由于烟尘的形成，H2 产率增加，但 C2H2 产率在 1000-1100 °C 时达到峰值；(2)焦油以多环芳烃为主，其分子随着温度和停留时间的增加而增长。烟尘粒径减小并趋于均匀，烟尘中碳含量增加，炭化有序结构增强，导致烟尘氧化反应性下降。生物质的水浸预处理导致烟灰产率、粒径和碳含量的增加，以及烟灰中不含 KCl 并显着降低烟灰的氧化反应性。这表明钾对烟尘的产生和消耗有很强的催化作用。气体和焦油分析都支持烟尘形成机制：(1) 由于烟尘的形成，H2 产率增加，但 C2H2 产率在 1000-1100 °C 时达到峰值；(2)焦油以多环芳烃为主，其分子随着温度和停留时间的增加而增长。烟尘粒径减小并趋于均匀，烟尘中碳含量增加，炭化有序结构增强，导致烟尘氧化反应性下降。生物质的水浸预处理导致烟灰产率、粒径和碳含量的增加，以及烟灰中不含 KCl 并显着降低烟灰的氧化反应性。这表明钾对烟尘的产生和消耗有很强的催化作用。气体和焦油分析都支持烟尘形成机制：(1) 由于烟尘的形成，H2 产率增加，但 C2H2 产率在 1000-1100 °C 时达到峰值；(2)焦油以多环芳烃为主，其分子随着温度和停留时间的增加而增长。并且碳化的有序结构增强，导致烟尘氧化反应性降低。生物质的水浸预处理导致烟灰产率、粒径和碳含量的增加，以及烟灰中不含 KCl 并显着降低烟灰的氧化反应性。这表明钾对烟尘的产生和消耗有很强的催化作用。气体和焦油分析都支持烟尘形成机制：(1) 由于烟尘的形成，H2 产率增加，但 C2H2 产率在 1000-1100 °C 时达到峰值；(2)焦油以多环芳烃为主，其分子随着温度和停留时间的增加而增长。并且碳化的有序结构增强，导致烟尘氧化反应性降低。生物质的水浸预处理导致烟灰产率、粒径和碳含量的增加，以及烟灰中不含 KCl 并显着降低烟灰的氧化反应性。这表明钾对烟尘的产生和消耗有很强的催化作用。气体和焦油分析都支持烟尘形成机制：(1) 由于烟尘的形成，H2 产率增加，但 C2H2 产率在 1000-1100 °C 时达到峰值；(2)焦油以多环芳烃为主，其分子随着温度和停留时间的增加而增长。以及烟灰中不存在 KCl 并显着降低了烟灰的氧化反应性。这表明钾对烟尘的产生和消耗有很强的催化作用。气体和焦油分析都支持烟尘形成机制：(1) 由于烟尘的形成，H2 产率增加，但 C2H2 产率在 1000-1100 °C 时达到峰值；(2)焦油以多环芳烃为主，其分子随着温度和停留时间的增加而增长。以及烟灰中不存在 KCl 并显着降低了烟灰的氧化反应性。这表明钾对烟尘的产生和消耗有很强的催化作用。气体和焦油分析都支持烟尘形成机制：(1) 由于烟尘的形成，H2 产率增加，但 C2H2 产率在 1000-1100 °C 时达到峰值；(2)焦油以多环芳烃为主，其分子随着温度和停留时间的增加而增长。