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根据我国“十三五”生物质能发展规划,生物质转化为生物油和天然气是重点研发技术之一。目前生物质快速热解是制备粗生物油的主流工艺,由此生成的粗生物油再经过催化加氢进行精制制备动力燃料和化工产品,设备较为繁多,尤其是粗生物油品质过低,导致在储存和运输过程变质,重新形成流动性差的沉积物,问题严重。催化加氢热解技术优势是可以一步制得较高品质生物油,近十年来备受研究者的关注。其中原位加氢热解研究占绝大多数,但该工艺所得生物油产率和品质远不够理想;非原位催化加氢可能由于需要使用较为复杂的两级反应器,研究较少,而且大多采用微反应器,不能获得生物油和气体产物的精确定量,且这一工艺也存在生物质加氢热解段没有通过催化剂进行优化的不足。最近美国气化技术研究所提出两段催化加氢热解工艺（IH2）,该工艺的特点是利用两级反应器进行生物质催化加氢热解,并在线进行生物油催化加氢提质,大幅度提高了生物油产率和品质,但没有公开催化剂,至今相关的研究报道很少。因此有必要独立研究IH2工艺,开发新型高效的催化剂。本文利用自制两段式固定床反应器就IH2工艺展开了系统研究,选定了 Fe（NO3）3作为生物质加氢热解的催化剂,并开发了一种铁/炭复合催化剂（Fe/CC-s）用于挥发分加氢裂解,由此工艺获得了产率较高、品质较好的生物油和气态烃,并研究和探讨了生物质催化加氢热解过程和挥发分催化加氢热解过程的催化作用机理。该研究对生物质生产液体燃料和天然气提供新的工艺思路和基础实验数据。本文的主要研究内容如下:（1）非催化两段加氢热解。考察了无催化剂条件下两段式固定床反应器上松木加氢热解过程中主要工艺参数包括气氛（氮气、氢气）、单段或两段式床层、挥发分加氢裂解温度（600-750℃）和压力（1-5 MPa）等对挥发分加氢脱氧的影响,发现两段式床层中挥发分随氢压、加氢裂解温度的升高,加氢脱氧效果提升,远胜过单段式床层。在5 MPa H2和750℃加氢裂解温度的条件下,两段加氢热解产出33.2%（生物质干燥无灰基,下同）气态烃（C1-C3）、5.3%BTXEN（苯、甲苯、二甲苯、乙苯和萘）,但生物油总产率仅为12.4%。同时探究了松木中三种主要纤维组分（半纤维素+中性抽提物、纤维素和木质素）对主要产物的影响,发现氢气气氛下各纤维成分对目标产物均发挥显著贡献。还讨论了松木两段非催化加氢热解工艺涉及的氢耗问题。总体而言,在无催化剂条件下,挥发分加氢裂解虽能提升生物油品质,产生较多轻质芳烃,但会导致生物油产率较大幅度下降,难以两全齐美。（2）非原位催化加氢热解（即挥发分催化裂解）。自制了两种铁/炭催化剂（Fe/CC-s和Fe/CC-n）,考察了两种催化剂对挥发分裂解的催化作用,发现Fe/CC-s能够抑制生物油过度分解为气体,在550-600℃获得生物油产率与脱氧之间的优化,产出21.0-24.6%生物油,比之无催化剂高约6%,600℃时生物油中氧含量仅1.9%（生物质氧为基准）;而Fe/CC-n催化剂具有生产甲烷的高度选择性,在600℃产出30.0%气态烃（主要为甲烷）,但生物油产率较低,两种催化剂显示出截然不同的效果。催化机理研究表明,挥发分与炭产生交联作用形成中间体,Fe/CC-n催化剂形成的细密且分散的α-Fe,强力促使中间体分解成小分子碎片加氢而形成甲烷;Fe/CC-s催化剂中的α-Fe呈团聚状,不足以使中间体碎裂成气态小分子,形成氢化程度较高的生物油。（3）原位催化加氢热解（即生物质催化加氢热解）。考察了两种铁盐（硝酸铁和硫酸亚铁）对生物质催化加氢裂解的能力,发现硝酸铁在终温为600-700℃时具有较强的催化加氢能力,在700℃、氢压5.0 MPa时生物质碳转化率达97.4%（生物质碳为基准）,甲烷产率21.2%,生物油产率达31.5%,生物油中轻质芳烃增加、氧含量小幅降低。硫酸亚铁则抑制了生物油和气态烃的生成。通过催化剂表征揭示了两种铁盐其热解过程中的形态变化:Fe（N03）3在400℃前分解还原成Fe304,随后与生物炭反应形成α-Fe,释放出CO,并导致炭结构破碎,利于炭甲烷化,也同样促进BTX形成;FeS04在高温时形成活性不足的Fe2S3可能抑制了气态烃和轻质芳烃的生成。（4）整合催化加氢热解（IH2工艺）。综合以上研究结果,确定了新型两段催化加氢热解工艺条件,即在生物质加氢热解选用Fe（NO3）3助剂,终温为700℃,生物质挥发分裂解采用Fe/CC-s,温度为600℃,两段反应器的氢压均为5MPa。考察了该工艺生产生物油和气态烃的结果,发现松木能够产出27.4%生物油、34.1%气态烃和5.9%BTXEN。进一步研究了该工艺用于多种农业废弃物（花生秸秆、高粱秸秆、棉杆、玉米杆）的转化效果,得到38.1-45.8%生物油、18.1-18.8%气态烃和2.3-3.8%BTXEN,其中气态烃和轻质芳烃产率均比松木的结果要低,观察到农作物秸秆的内在矿物质中均含有KC1,可能影响了外加催化剂对生物炭甲烷化的催化作用。