生物质能源是可再生能源的重要组成部分,其开发与利用在增加农民收入、缓解温室效应、降低碳排放等方面有着良好的经济效益与社会效益,符合节能减排的宏观要求。但生物质能源自身能量密度低、分散性差的特点限制了其作为商品的流通与使用,因此需要将其转化为如生物质炭黑、生物油等具有较高能量密度的物质加以利用。本文以玉米秸秆为例,对其热化学综合利用过程进行了小试实验研究与中试生产设计。本文对原料玉米秸秆进行了工业分析、元素分析和热重分析,对自制石英管反应装置程序升温过程和实验过程的稳定性进行了实验验证,结果表明该实验装置运行稳定,结果可靠;随后在该装置上对玉米秸秆热解过程和催化重整过程中的一些重要影响因素进行了优化,热解过程实验结果表明在20℃/min的热解升温速率和550℃的热解温度之下,得到的液相产物比例最高;催化重整过程实验结果表明在400℃下,SXICC多极孔沸石催化剂取得的催化效果较Na₂CO₃、MgCl₂更好,该催化剂改善了生物油的质量,使其更加澄清,并增加了生物油的热值,优化了气相产物组成,增加了其中H₂、CO、CH₄等有效组分的含量,具有良好的催化效果。在20℃/min的热解升温速率、550℃的热解温度、400℃的催化重整温度和SXICC催化剂的条件下,玉米秸秆经热解-催化重整过程后最终获得了30.02%的生物质炭黑、42.55%的生物油以及27.43%的生物质可燃气,其中生物质炭黑经过简单加工后可以作为低品质炭黑使用;生物油可与柴油混兑使用,产生更高的经济价值;生物质燃气可作为气体燃料使用。在小试实验结果的基础上,本文设计了一套年处理10000吨玉米秸秆的中试工艺流程,该工艺流程由玉米秸秆热解工段、挥发性组分催化重整工段、气液冷凝分离工段以及尾气处理工段组成,四个工段之间有机衔接,实现了由玉米秸秆到生物质炭黑、生物油的转化。同时对装置运行过程中的温度控制和压力控制进行了自控设计,保证温度、压力超过正常值时及时预警并安全处理。随后根据中试工艺流程对各个工段所涉及的物料与能量进行了工艺衡算,并在工艺衡算的基础上对玉米秸秆热解-催化重整过程所涉及到的主要反应装置如热解炉、催化重整反应器和氧化脱硝塔进行了计算设计及图纸绘制,同时完成了设备平面布置图并列出了整个设计过程的设备一览表。本文对玉米秸秆热解-催化重整过程中所涉及的三废和噪音进行了分析与处理;设计了中试生产过程的预防应急措施;对比了玉米秸秆热解催化重整过程中的成本和收益,扩大了生产过程的原料来源,结果表明以玉米秸秆为代表的生物质综合利用制备生物质能源符合国家能源发展战略,具有良好的经济效益和社会效益。