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Torrefaction is a promising pretreatment technology for valorizing biomass and upgrading pyrolysis products. This study sets out an original procedure consisting of subjecting the biomass to torrefaction before fast pyrolysis to increased value-added compounds based on agricultural waste biomasses production. This study uses a combined biomass treatment consisting of torrefaction (280–320 °C) and subsequent fast pyrolysis (500 °C) using the same reactor. Under different torrefaction temperatures and residence times, olive pomace (OP) and almond shell (AS) have been evaluated. The study demonstrated OP rather than AS was thermally unstable. The highest total yield of carboxylic acids (mainly acetic acid) was obtained by means of torrefaction at 280 °C with a residence time of 20 s for OP, and at 300 °C and 20 s for AS. Higher torrefaction temperature and residence time promoted phenolic compounds production for OP. However, OP had a higher lignin content and inherent metals that promoted a catalytic reaction during the procedure. The highest yield (47.7%) was obtained using torrefaction at 320 °C with a residence time of 240 s. Overall, the torrefaction of biomass combined with fast pyrolysis constituted a very simple and efficient strategy for valorizing the conversion of agricultural waste biomass into value-added chemicals, La torrefacción es una tecnología de pretratamiento prometedora para valorizar la biomasa y mejorar los productos de pirólisis. Este estudio plantea un procedimiento original consistente en someter la biomasa a torrefacción antes de pirólisis rápida a compuestos de mayor valor añadido a partir de la producción de biomasas residuales agrícolas. Este estudio utiliza un tratamiento de biomasa combinado que consiste en torrefacción (280-320 °C) y posterior pirólisis rápida (500 °C) utilizando el mismo reactor. Bajo diferentes temperaturas de torrefacción y tiempos de residencia se han evaluado orujo de aceituna (OP) y cáscara de almendra (AS). El estudio demostró que OP en lugar de AS era térmicamente inestable. El mayor rendimiento total de ácidos carboxílicos (principalmente ácido acético) se obtuvo mediante torrefacción a 280 °C con un tiempo de residencia de 20 s para OP, y a 300 °C y 20 s para AS. La mayor temperatura de torrefacción y el tiempo de residencia promovieron la producción de compuestos fenólicos para OP. Sin embargo, OP tenía un mayor contenido de lignina y metales inherentes que promovieron una reacción catalítica durante el procedimiento. El mayor rendimiento (47,7%) se obtuvo mediante torrefacción a 320 °C con un tiempo de residencia de 240 s. En general, la torrefacción de biomasa combinada con pirólisis rápida constituyó una estrategia muy simple y eficiente para valorizar la conversión de biomasa residual agrícola en productos químicos de valor agregado