生物质资源是人类赖以生存的重要能源,极有可能成为未来可持续能源系统的重要组成部分。长期以来,生物质利用水平不高,多以直接燃烧为主。在当前能源供求形势日益严峻的背景下,大规模利用生物质资源转化替代燃料,成为缓解能源危机的有效措施。热解是生物质热化学转化方式的一种,可以将生物质能转化为气、液、固三相产物。但是生物质热解气中携带较多的CO2、CH4、水蒸汽及焦油等,如何把上述产物进一步转化为合成气不仅对生物质定向转化合成气技术本身具有重要意义,而且对于减排温室气体有积极影响。基于微波加热即时性、整体性、选择性和高效性的特点,通过微波热解生物质制取合成气等替代能源的技术受到了高度重视,而且研究表明生物质微波热解的气体产物中合成气含量高于常规热解。由于微波场中进行的催化反应表现出反应温度降低、反应物转化率提高以及产物选择性改善等优势,因此本文将开展微波辐照下CO2重整CH4和焦油催化转化试验研究。另外,为了考察水蒸汽对CO2重整CH4反应的作用特性,本文将水蒸汽引入到CO2重整CH4反应体系中,开展CO2/H2O联合重整CH4试验研究。本文以生物质热解产物—生物质焦为催化剂,不仅大大降低了常规转化所需的金属催化剂成本,而且提高了生物质热解产物的综合价值。基于上述分析,本文首先对CO2/H2O重整CH4反应进行模拟研究,然后通过开展CO2重整CH4、CO2/H2O联合重整CH4和焦油催化转化试验研究,探索微波辐照下生物质热解气定向转化合成气的反应特性,最后考察生物质微波转化合成气的经济性。为了指导重整反应操作参数的选取,本文使用Aspen Plus软件对CO2/H2O重整CH4反应进行了模拟研究。研究表明：提高反应温度增强了CH4和CO2的转化；增大CO2/CH4比值利于CH4转化,但会抑制CO2转化；增加压力则制约了CH4和CO2转化。升高温度导致H2/CO比值明显降低,达到一定温度,继续升温对其影响很小；同一温度下,CO2/CH4比值越高,H2/CO比值越低；H2/CO比值随压力的增加而降低。温度低于973K,提高温度减少了蒸汽产量。温度高于973K,当CO2/CH4比值≤1,继续升温会减少蒸汽产量,而CO2/CH4比值>1,继续升温则缓慢增加了蒸汽产量。提高压力则会降低蒸汽产量。当CO2/CH4比值<1,在小于1173K的温度段内升高温度可降低积炭量,此后积炭量基本保持稳定。当CO2/CH4比值≥1,升高温度导致积炭量迅速降低,达到一定温度后可实现零积炭,并且CO2/CH4比值越高,实现零积炭所需的温度越低。增加压力则不利于积炭的消除。反应温度较低,增加H2O/CH4比值,CH4转化率先降后升；反应温度较高,增加H2O/CH4比值则导致CH4转化率小幅升高。增加H2O/CH4比值显著降低了CO2转化率,同时减少了积炭量。H2O/CH4比值增至一定数值,继续提高该比例可促使H2/CO比值升高。基于重整反应的模拟结果,开展了CO2重整CH4转化合成气热态试验,考察了不同生物质焦和几个重要参数对反应的影响,同时对CO2微波重整CH4反应进行了动力学分析。结果表明：玉米秸秆制备的生物质焦催化性能相对较好,这与其吸波性能好、比表面积高以及灰分中金属含量高等方面有直接关系。对制焦原材料酸洗比水洗更容易降低所制生物质焦的催化活性。添加Na2CO3和K2CO3制备的改性生物质焦强化了C02转化,但会抑制CH4转化；利用MgO CaO和NiO改性的生物质焦,催化性能优于未改性生物质焦。粒径控制在0.25-0.83mm对重整反应较为有利。增加微波功率、加大CO2与CH4摩尔比以及降低空速均利于反应气向合成气转化。H2与CO比值随微波功率的增加而升高,而提高C02与CH4摩尔比和降低空速均可导致H2与CO比值的下降。重整反应中CO2和CH4的初始转化率较高,然后两者均有不同程度的降低,90min反应结束时两者分别下降了10.4%和23.8%。裂解反应中CH4转化率的降低趋势比重整反应更为明显。气化反应前期CO2转化率高出重整反应,后期则低于重整反应。选择与试验数据吻合较好的动力学模型,获得CO2微波重整CH4反应的活化能和指前因子分别为29172.2J/mol和2.37×104。活化能的数值较小,表明微波加热有效降低了重整反应的活化能。为了研究水蒸汽对CO2重整CH4反应的影响,开展了CO2/H2O联合重整CH4试验研究。研究发现：添加一定比例的水蒸汽增强了CH4和CO2的转化,同时提高了气体产物中H2与CO比值。增加微波功率、加大C02与CH4摩尔比以及降低空速均促进了反应气转化,而且改变上述参数更容易引起CH4转化率的变化。增加微波功率提高了H2与CO比值,而加大CO2与CH4摩尔比和降低空速均降低了H2与CO比值。与C02重整CH4反应有所不同,联合重整反应中加大CO2与CH4摩尔比降低了出口气体中合成气含量。联合重整反应初期,CH4和C02表现出良好的转化行为,然后两者转化率随时间持续降低,90min反应结束时两者分别有15.6%和12.7%的下降,同时H2与CO比值降至0.88。联合重整反应中CH4转化率明显高于重整反应,两者的差值随反应时间渐增,90min时达到12.4%。联合重整反应前期CO2转化率高于重整反应,后期两者较为接近。90min内联合重整反应生成的H2与CO比值为0.93,高于重整反应。以甲苯和苯为焦油模型化合物,开展了微波辐照下焦油催化转化试验研究。研究表明：增加微波功率可促进甲苯和苯的裂解,而且甲苯裂解更容易受此影响。甲苯裂解的主要气体产物为H2和CH4,增加微波功率可导致H2含量升高,微波功率为640W时,H2含量达到91.3vol%,此后继续增加微波功率对H2含量的影响并不明显。苯裂解气中富含96.0vol%左右的H2,并且改变微波功率对其影响极小。提高空速降低了甲苯和苯的裂解转化率以及两者裂解的H2收率,同时导致甲苯裂解气中H2含量略有降低,但难以改变苯裂解气的组分含量。随着CO2通入比例的提高,甲苯和苯的转化率以及出口气体中合成气含量均先升后降,甲苯和苯分别在φCO2/φcarrier gas为0.4和0.1时实现最佳转化。增大φCO2/φcarrier gas导致重整产物中H2与CH4含量降低,CO含量升高,最终造成H2与CO比值降低。90min反应过程中,甲苯裂解转化率不断降低,而重整反应前期甲苯转化率明显降低,40min后甲苯转化率相对稳定。反应结束时,裂解和重整反应中甲苯转化率分别下降了47.2%和38.3%。甲苯裂解气中合成气比例随反应时间持续降低,从86.0vol%最终降至65.3vol%,而甲苯重整反应中合成气比例维持在94.0vol%附近。裂解初期苯转化率显著降低,40min后稳定在42.5%左右。重整反应中苯转化率随时间不断降低,但始终高于苯裂解反应。最后对中试规模的生物质微波转化合成气工艺进行了经济性分析,并提出了一条生物质资源化利用的技术路线,获得如下结论：以玉米秸秆为原料,在电耗为2.3度/(千克秸秆)条件下,生物质微波转化合成气的能量转化效率为52.76%。在合成气收率为52.5wt%、原料收购价格为300元/吨和系统处理量为2吨/小时等条件下,估算出合成气制备成本为2805元/吨。原料收购价格和电耗是影响合成气成本的最重要变量,其次为系统处理量与年运行天数。在生物质微波转化合成气的基础上,充分利用合成气和生物质焦的高附加值,提出了一条生物质多联产综合利用的技术路线。