作为主要的可再生洁净能源,生物质的高效气化技术是国内外学者研究关注的热点。对比传统的固体化石能源,生物质在热解/气化过程中会产生更多的水蒸气和焦油,容易对气化系统下游设备造成损害。生物质化学链气化技术(CLG),是由化学链燃烧技术发展而来的一项新型气化技术,利用金属氧化物中的晶格氧为燃料的气化提供氧气,从而取代气化介质,提高产气品质;同时,金属氧化物本身对生物质气化存在一定的催化作用。基于国内外的研究现状以及各项先进气化技术,提出两步反应的生物质气化系统,以抑制焦油的产率,同时提高整体气化效率。本文主要研究在化学链气化过程中铁基氧载体的载氧特性、再生能力、在反应过程中水蒸气与氧载体之间的相互作用,以及氧载体对生物质气化过程焦油生成的影响,综合分析探讨铁基氧载体在生物质化学链气化过程中的可行性。首先对Fe-,Cu-、Ni-、Ca-四种单一的氧载体进行了以单一CO作为燃料的化学链反应实验,确定在本文后续研究中具有开发潜力的氧载体。结果表明,Fe2O3在反应中具有最大的再生能力(74.39%);单次反应载氧量CaSO4>Fe2O3>CuO>NiO(依次为2.59、0.82、0.76和0.43 mol/mol),与氧载体自身的氧摩尔比例基本一致;由于氧传递方式的不同,氧氧解耦载体CuO在反应中具有最高的还原反应速率。尽管单一的Fe2O3在900℃的反应过程中发生严重的烧结,考虑到价格及环境因素,结合其反应特性,确定选用Fe2O3作为对象进行深入研究。针对不同改性方式(制备方法、负载比例、掺混其他活性物质等)得到的铁基氧载体,通过在热重分析仪上的化学链反应气化循环实验分析了不同铁基氧载体在单一CO还原气氛下的反应特性及循环特性,并通过SEM、EDX、BET、XRD等测试手段分析了铁基氧载体物理/化学结构的变化。结果表明,利用溶胶凝胶法制备的Fe2O3/Al2O3氧载体的最佳Fe:Al2O3比例在1.3:1和2:1之间,可以有效提高氧载体的反应速率(还原段和氧化段的最大反应速率分别增加3.2和0.5倍),但其形成的Al3Fe5O12结构在900℃温度下很难被完全转化。掺混少量的NiO可以进一步提高铁基氧载体的反应速率(分别为单一Fe2O3的5.4和2.4倍),并促进铁氧化物的进一步还原。在反应过程中发生的同晶替换作用会导致其载氧能力的进一步降低。综合确定溶胶凝胶法制备的NiO-Fe2O3/Al2O3氧载体具有最佳的反应特性和机械强度。对改性前后的铁基氧载体进行了H2O/CO气氛下的化学链反应,探讨水蒸气对铁基氧载体载氧过程以及气体产物的影响。基于穆斯堡尔谱图及气体释放特性的分析发现添加水蒸气对单一Fe2O3向Fe3O4的还原具有一定的促进作用,但会阻碍铁氧化物的进一步还原,从而降低单一的Fe2O3氧载体的载氧能力。进一步对溶胶凝胶法制备的Fe2O3/Al2O3及NiO-Fe2O3/Al2O3的研究表明,通过改性可以有效改善铁基氧载体的载氧能力。虽然水蒸气的添加会降低改性铁基氧载体进一步还原的速率,但对最终的载氧量没有明显的影响。另一方面,铁基氧载体在反应过程中生成的Fe3O4与FeO对CO与H2O之间发生的WGS反应具有促进作用,有利于富氢合成气的产生。针对几种改性氧载体,根据以上实验确定的最佳反应温度,在固定床上开展了不同生物质燃料的单次化学链气化反应。研究发现,添加铁基氧载体有利于生物质燃料的进一步氧化,并且促进了大分子焦油的裂解。但生物质燃料中的灰分会对生物质的气化产生影响,排除灰分的影响,在纤维素样品中,添加了不同NiO掺混浓度的NFA、NFA0.5和NFA2的三种样品相对未添加氧载体的样品H2产量分别提升了57.41%、151.30%和59.50%;而且对纤维素产生的焦油组分分析表明铁基氧载体的添加对大分子焦油(M3-M4)裂解有较好的促进作用,同时增加了小分子焦油比例(M2对应NFA、NFA0.5和NFA2分别提高了约31%、36%和59%)。木屑和稻草自身含有的碱金属/碱土金属对生物质热解/气化和焦油的裂解本身具有一定的促进作用,因此添加铁基氧载体对WGS反应和焦油裂解的影响较小。最后,通过在流化床上对NiO-Fe2O3/Al2O3铁基氧载体进行了多次循环的纤维素化学链气化反应,模拟在实际流化床上的生物质化学链气化反应过程。发现溶胶凝胶法制备的铁基氧载体表面的氧化保护层在反应初始阶段对焦油的裂解具有一定的选择性。另外,通过对与纤维素进行循环反应后氧载体的XRD分析发现,Fe与Ni之间的强相互作用使氧载体在反应中形成更多的Fe-Ni系晶体,同时限制并减少了Fe-Al系晶体的形成。