目前,石油、天然气日益减少,全世界面临能源短缺的巨大挑战。我国“富煤、贫油、少气”的能源结构特点,决定了我国未来很长一段时间内以煤为主的能源利用形势。褐煤是一种挥发分含量高、气化活性好的低阶煤,是煤气化技术的优质原料。因此,将褐煤通过清洁、高效的气化手段转化为H2、CH4等热值高、污染小、用途广的气体,对于缓解我国油气短缺的问题具有重大战略意义。本文选取鄂尔多斯褐煤为原料,采用直接催化气化和分级转化催化气化两种方式考察了褐煤的催化气化特性,主要结论如下。首先,以廉价金属化合物为原料制备了Ca/Fe双活性组分复合催化剂,考察对鄂尔多斯褐煤的催化反应活性,同时研究了其气化产H2、CH4的性能。结果表明,Ca/Fe催化剂体系中,Ca5Fe7.5催化剂催化活性最佳,催化褐煤气化的碳转化率最高,高达76.27%,比非催化气化时增加39.14%,提高105.41%;H2产率高达2.25L/g carbon,比非催化气化时提高1.86倍,H2体积分数提高15%。然后,对Ca/Fe复合催化剂的物相、表面形貌及还原特性进行表征,研究催化反应机理,并采用经典动力学模型对实验结果进行拟合。结果表明,复合化剂中主要活性物质为Ca2Fe2O33、CaFe4O7、CaFe5O7等氧化物,其中Ca5Fe7.5还原性最强,是催化活性好的主要原因;采用氧传递-氧化还原循环反应机理解释了催化剂的作用机理;均相反应动力学模型对碳转化率随时间的变化曲线拟合度最好,采用该动力学模型计算得到Ca5Fe7.5催化剂反应活化能为59.71KJ/mol,比非催化气化下降65%。其次,研究了不同热解条件下褐煤的热解特性,考察了热解产物收率及组成,重点分析了热解半焦的结构和性质。结果表明,在水蒸气氛围下热解时,热解气收率最高,H2和CH4的产量也最大,这是因为气氛中的H2O活性高,能与焦油和部分碳发生气化反应,氢气和氮气氛围热解时热解气收率相对较低;氢气氛围下热解时,焦油收率最高,且富含轻质芳烃、酚类和萘等附加值较高的组分;氮气氛围下热解时焦油产率与氢气氛围热解相差不大,其焦油品质较差,组成复杂,利用价值较小;与二者相比,水蒸气氛围下热解焦油收率最低,但气油品组成最简单,以轻质芳烃为主,利用过程中有易于分离提纯的优势;另外,水蒸气氛围下,热解温度越高,热解气收率越高,焦油及半焦收率越低。再次,我们借助FT-IR和XRD衍射技术对热解半焦的表面化学和微晶结构进行分析,研究发现,相比于氮气和氢气氛围的热解,H2O蒸汽氛围下的热解半焦中氧含量更高,因为H2O分子本身含有氧原子,热解时与褐煤相互作用,降低羟基、醚键、酮基等含氧官能团的裂解反应,使含氧官能团得到保护,同时对碳原子在热解过程中堆积排列产生干扰,阻碍石墨化进程,降低石墨化程度;随着热解温度升高高,半焦中含氧官能团数量越少,石墨化程度越高。最后,考察不同热解条件下半焦的催化气化活性,结果表明,三种氛围热解半焦气化,H2累积量的大小关系为:ESC3(H2O)>ESC2(H2)>ESC1(N2),甲烷累积量的大小关系为:ESC3(H2O)>ESC2(H2)>ESC1(N2);热解温度越高,所得半焦气化产生H2累积量越低,选择性也下降;CH4变化趋势有所不同,温度越高,累积量越低,选择性升高,因为温度越高半焦氧含量越高,半焦甲烷化活性越好,CH4产量下降幅度较低,加上H2量减少较多,故选择性反而升高;另外,热解温度达到823K时,半焦活性下降较快,进一步提高热解温度,半焦活性降低幅度变缓。