随着化石燃料的逐渐匮乏及其燃烧过程中排放大量污染物所致环境问题的日益严峻,人类亟须寻找一种廉价的、清洁的、可再生的替代能源资源,特别是对环境污染小的再生能源资源。在再生能源中,生物质能是唯一含碳且能有效储备太阳能的再生能源,可为全球提供大约15%的能源。在生物质的不同利用技术中,热解和气化技术占生物质能利用的95%以上,且热解是生物质转化(气化、液化、炭化和燃烧)的第一阶段,气化是最佳选择；但焦油的产生是生物质气化面临的主要技术问题之一。另外,就全球而言,铜冶金行业每年约产生0.246亿吨废渣。Fe2SiO4、Fe3O4和Ca(Fe, Mg)(SiO3)2是铜渣的主要矿相,而橄榄石是生物质处理过程中较常见的矿物催化剂,且其廉价易得并具有较强的抗磨损能力。鉴于此,本课题提出了利用高温铜渣催化性能和余热定向催化气化生物质制取合成气的新工艺。围绕该工艺的构建,本论文开展了铜渣催化热解气化生物质的实验研究,主要展开下述基础研究工作：首先,对生物质的热解和气化机理进行了研究。基于热重与傅里叶红外光谱联用技术(TGA-FTIR),对生物质热解逸出气体进行实时在线分析,进而探索气体产物的形成机理。结果表明,生物质热解过程分为由游离水析出引起微量失重的初始阶段、由纤维素交联缩聚形成低聚合度活性纤维从而析出大量挥发分引起明显失重的主要阶段和由残炭中C-H键和C-O键进一步断裂和芳香化转化形成石墨引起微量失重的残留物热分解阶段。基于生物质空气气化机理分析,结果表明生物质气化可分为干燥阶段、热解阶段、还原阶段和氧化阶段。其次,通过TG、XRD、SEM/EDX、H2-TPR等检测手段,考察了预煅烧处理对铜渣的影响。表征发现,铜渣的适宜煅烧温度范围为850～1050℃；预煅烧使Fe从铜渣的铁橄榄石结构中脱出,以Fe3O4和a-Fe2O3的形式存在,但其分布并不均匀；随着煅烧温度提高,Fe2SiO4的特征峰减弱直至消失,Fe3O4的特征峰呈现“先增强后减弱”的趋势,a-Fe2O3的特征峰增强,且铜渣颗粒表面上可还原的自由铁氧化物生成量增加；随着煅烧时间延长,Fe2Si04的特征峰消失,SiO2和a-Fe2O3的特征峰都增强,Fe3O4的特征峰减弱。再次,借助热重分析仪,研究了预煅烧铜渣对生物质催化热解动力学的影响。实验结果表明,加入铜渣催化剂前后生物质的热解趋势是一致的；随着煅烧温度提高,铜渣的催化活性在850～1000℃增强,在其后的1050℃却是减弱的,且在1000℃煅烧5h时热解活化能最小,为33.03kJ/mol；在1000℃下,随着煅烧时间延长,铜渣的催化活性降低,这与预煅烧处理过程中磁铁矿特征峰“先增强后减弱”的趋势是相吻合的。由此推断Fe3O4对生物质的热解具有催化作用。最后,在自行搭建的生物质催化气化实验台上,考察了工况参数和铜渣预煅烧处理条件的改变对气化特性的影响,探索了铜渣的催化作用机理。研究发现,在生物质空气气化实验中,随着气化试验比F(即空气消耗系数)增大,产气品位降低,而随着气化温度升高,产气品位明显提高,即高温气化有利于提高产气品位；在生物质催化气化实验中,铜渣催化剂的加入可明显提高产气品位,且随着铜渣煅烧温度提高和煅烧时间延长,产气品位逐渐提高；结合气化实验结果表明,预煅烧处理可明显提高铜渣的催化活性,究其原因为高温煅烧使Fe从铜渣的铁橄榄石结构中脱出以Fe3O4和a-Fe2O3形式赋于颗粒表面,其中的a-Fe2O3在生物质空气气化过程中被产气中的H2或CO还原性气体还原为充当活性中心的Fe和FeO。结合预煅烧铜渣的表征和气化前后铜渣的XRD分析结果,可以推断a-Fe2O3对生物质空气气化具有催化作用。以上研究结果表明,用预煅烧铜渣定向气化生物质可制取含CO、H2、CH4等可燃组分高、燃气热值高的产气,为铜渣定向气化生物质制取合成气的工艺完善和工程放大奠定了一定的理论和实验基础,有利于拓宽生物质催化气化制取合成气的研究领域。