一．选题背景和意义
尽管全球各国对于环境保护和低碳的要求越来越高，但是各行业对化石燃料的需求仍逐年增加，因化石燃料燃烧导致的环境问题和温室效应等还在恶化。据2018年IEA（国际能源署）发布的《2018全球能源和二氧化碳状况报告》，2018年因能源而导致的碳排放量达到了三十三亿多吨，为历史之最；与电力行业煤炭相关导致的碳排放量在十亿吨以上，而我国、印度和美国承担这个数字的八成五。并且根据能源机构的评估化石燃料的燃烧是全球升温的罪魁祸首，而煤炭的燃烧承担了三成左右，成为升温最大来源。
基于以上结果，各国都在大力发展可再生能源，其中生物质能是研究发展的重点，生物质能本质是以各种植物通过光合作用而存储的太阳能，具体而言生物质主要来自于木材，包括各种建筑业、林业作业剩余的废木料、农业和有机废物、禽畜粪便甚至我们城市生活中产生的垃圾等。因此其种类众多总量巨大，并且生物质能由于其一直参与碳循环，故其燃烧和利用产生的二氧化碳并不会干扰到自然界的碳循环，属于低碳清洁能源。由于它的以上优点，相关专家认为生物质能是最有可能替代化石燃料的可再生能源，并且预测将来社会可持续发展能源系统中会有生物质能的重要席位。而我国作为农业大国，生物质能的存储量也居于世界前列，如何提高生物质能的利用率是我们发展能源必须讨论的一个课题。
生物质化学链气化作为最有前途的生物质利用方式之一毫无疑问有巨大的潜力，同时化学链技术还有碳捕集、氮氧化物生成少、环境友好等优点，必将成为发展的潮流，而载氧体是生物质气化剂的替代品，同时也是化学链技术的心脏，具有点睛之笔的作用，如何选取性能优良、物性结构好同时符合经济环保条件的载氧体一直都是研究的方向，通过生物质气化过程中化学链的研究，可以找到对中国广大丰富生物质资源的有效利用方法和实际的利用环境，对将来解决能源与环境的协调问题和改善能源结构也有积极意义。
二．课题关键问题及难点
这次设计过程主要包括理论准备、实验研究和处理数据结果分析三大部分，每个阶段都有不少问题及难点
- 理论准备阶段：尽管化学链算是本科所学专业的延伸领域，关键问题在于参考论文内容量大以及自己之前对本课题知之甚少，如何高效率的阅读论文及提练出论文精华和学会论文中的一些方法对于初学者来说困难不少，既需要耐心也需要不放弃的钻研精神，这也是科研工作的基础。
- 实验研究阶段：实践是检验真理的唯一标准，某种程度上来说实验是科研工作最为重要的一环，首先得学会如何制备实验所需原材料即载氧体的制备、生物质的预处理等，之后再进行生物质化学链气化实验。尽管有了理论基础，关键问题在于实验素养的缺乏以及对实验仪器操作的陌生，需要了解实验仪器的使用方法和操作规范。由于实验仪器较多并且实验花费时间远超过以前做过的一些基础实验，需要多加观察并请教老师和学长前辈们，同时需要细心操作不能急躁。
- 数据分析处理阶段：实验结果直接反映出该实验的成功与否，尽管在这一阶段基本到了收尾的时候，但是仍然需要不少科研素养及理论储备，同时还需要熟悉一些数据处理软件等。如何根据已有的数据得到基于铁矿石载氧体的生物质化学链气化特性，难点还是在于如何规范与准确的处理分析实验数据得到自己预期或者之外的结果，依此来分析该实验研究状况和程度。这需要善于借鉴前人经验同时还得自学数据处理软件和相关的数据处理理论，根据结果分析出课题研究的程度与不足之处、前景展望等，为课题研究画上一个完美的句号。
三．文献综述
目前对生物质化学链气化研究大多是针对载氧体或某些特定生物质材料，具体来说有研究载氧体对气化过程的影响，有研究生物质气化过程中某些参数对气化过程的影响，有对过去一些实验方法的改进，还有在某些特定实验床上的研究等，究其根本都是研究如何提高生物质气化过程的产气率和转化率，以提高生物质的利用效率，以下为目前的一些科研人员的研究现状。
王训等[4]对农林废弃生物质进行了研究，发现三平行动力学模型能较好地解释生物质热解过程的反应机理；用热力学分析模拟找到了铁基载氧体在CLG过程中的最佳反应条件，并研究了水蒸气对气化过程的影响，后又实验了加入其他几种金属氧化物对铁基载氧体的影响机理，并分别找到了混合了这些金属氧化物后的铁基载氧体的最佳反应条件及结构特性。该研究虽然探究了铁基载氧体的各种反应机理和水蒸气在CLG过程中的影响等，但是也只是用单一还原气体做了实验，存在一定的片面性，同时没有研究铁矿石里其它组分对CLG制氢的影响，故在这些方面还需要其他研究人员的努力。
黄振、何方等[11]选取天然铁矿石作为载氧体，以氩气作为介质研究生物质化学链气化技术制取合成气的过程，探究反应过程的温度和时间对反应中各参数的影响以及载氧体在生物质气化过程中的实际作用，结果表明，载氧体的存使得气体产率，气化率和碳转化率有较大提升，由此天然铁矿石具有替代纯氧或者过热水蒸气作为气化剂的功能。得到了反应温度对合成气中产气的影响，反应过程中，一氧化碳和氢气的浓度会随着反应温度升高而增加，而二氧化碳和甲烷浓度变化则与之相反；随着反应时间的增加会降低合成气中二氧化碳的相对浓度，而氢气、一氧化碳、甲烷相对浓度增加。另外，虽然反应前后载氧体表面的成分基本无变化，但是超过850度时铁矿石载氧体表面会有明显的烧结，这意味着以铁矿石作为载氧体时工作温度不应超过这个值，控制在800度左右为宜，为工业生产运作提供了理论和实践基础。
李茜、赵聪等[12]使用Aspen Plus模拟了一个生物质化学链气化系统，该系统以氧化铁作为载氧体并兼具化学链碳捕获的能力，使用氧化钙来强化其对二氧化碳的捕获能力，同时探究了使合成气中产气率、碳转化率等参数最高时的最佳制取环境 ，结果表明了这个系统的优越性，理论冷气效率达到了78.3%、合成气中氢气一氧化碳比达到了1.93，这些都优于与之对比的另外一些文献中根据类似实验所得结果的数值，这个结果还表明了化学链前景广大具有巨大潜力等我们去挖掘。
王博、刘永卓等[13]则想到了利用工业废弃量巨大的活性炭作为生物质材料，载氧体材料选择载氧体Fe4ATP6，以间歇高温流化床作为实验台来探究这个系统制氢的最佳反应条件和Fe4ATP6作为载氧体的可行性和反应性能结果表明了该生物质化学链制氢系统在900度等条件下时产气率、碳转化率等最佳，Fe4ATP6作为载氧体在反应过程中活性较好，且能提供晶格氧并催化反应使速率加快，较适合作为该系统的载氧体，值得一提的是在实验中Fe4ATP6反应活性、颗粒大小、形状结构都有一些变化，同时产生了副产物硅酸铁，这些变化虽有一些猜想但尚未明确其机理，可能需要进一步研究来探寻。
王旭锋、刘晶等[14]选取的生物质是松木屑，并以CoFe2O4作载氧体使用热重分析等热力学方法来研究该载氧体反应过程中的机理以及对气化过程的实际影响，同时还研究了反应温度、水蒸气对合成气的影响。结果表明，CoFe2O4作为载氧体能较好地实现供氧、提高碳转化率的功能，当松木屑与CoFe2O4载氧体质量比在0.8的时候反应速率、产气率等综合最优。这个结果对于CoFe2O4作为载氧体在生物质化学链气化过程的影响及后续研究有一定参考价值。
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