基于煤碳的利用方式角度，钢铁行业和煤化工行业是我国最主要的涉及碳转化的高耗煤、高能耗和高碳排放的行业;同时也是我国国民经济的支柱产业、能源发展的战略性产业，其低碳化发展关系到我国碳减排目标的实现和经济的可持续发展。目前依赖单一技术的提升无法实现中国承诺的碳减排目标，必须依靠颠覆性的技术创新和系统解决方案，才能实现煤基高耗能行业低碳化的发展。　　基于以上背景，本文重点研究了煤化工行业和钢铁行业的所适用的碳减排系统和关键性的低碳技术。综合考虑我国资源能源的禀赋和分布，采用物料平衡模型、IPCC碳排放因子模型和成本分析模型，对各项关键低碳技术在我国的适用性和可行性进行了研究。在此基础上，提出了集成关键性低碳技术的适合煤化工行业和钢铁行业的低碳集成系统，并通过分析预测未来钢铁行业和煤化工产业终端产品的产量和消费量，对行业的碳减排潜力进行分析研究。　　针对煤化工行业富碳缺氢的特点，采用核能和可再生能源等与煤炭资源耦合，构建适用于煤化工行业的“低碳复合能源系统”。以低碳能源制氢为核心技术，耦合煤气化工艺生产燃料和化学品，实现了煤化工过程的碳氢平衡，取消传统煤化工过程的直接碳排放源头（水煤气变换工艺），使得传统煤化工过程中的原料煤消耗和碳排放显著下降。在此基础上，系统的分析了核能、风能、太阳能、生物质与典型煤化工技术路线耦合的复合能源系统的碳排放和经济性。基于煤化工行业终端产品产量预测模型和碳减排潜力的计算模型，对使用低碳复合能源系统在煤化工中的碳减排潜力和碳排放强度的变化进行了分析。研究发现低碳复合能源系统的应用在2020年可实现煤化工行业2.64亿吨的碳减排量，随着煤化工产能的持续增长和复合能源系统取代率的提高，2030年碳减排量进一步上升至14.3亿吨，其减排量比日本2014年全年的碳排放量高6.3％，相当于欧盟2014年碳排放量的38.6％。就单位GDP的碳减排强度而言，2030年复合能源系统相比传统煤化工系统单位GDP的碳排放强度下降80％以上，具有显著的碳减排效果。　　针对钢铁行业以煤炭（焦炭）为主要还原剂和燃料的特点，基于先进余热-余能技术的集成、CO2的资源化利用和低碳能源的耦合角度，分别构建了基于高炉-转炉炼钢耦合余热-余能技术的集成系统和基于CO2-天然气干重整技术驱动的直接还原铁-电炉钢的低碳系统。并根据系统物料平衡建立碳素流分析模型和成本核算模型，对低碳集成系统的能耗、碳排放和经济性进行了评价。　　在此基础上，基于对中国粗钢及废钢资源未来消费量和生产量的预测，对钢铁行业的碳减排潜力进行了情景分析，在基准情景下我国中短期钢铁产量仍旧以上升趋势为主，且短期废钢产量上升较慢，加之废钢回收率较低，因此2010-2030年我国钢铁行业吨钢综合能耗和碳排放下降趋势较慢。同比2010年，2020年吨钢综合能耗和碳排放分别下降7.3％和8.8％左右。2030年进一步下降23％和26.5％，至2050年吨钢综合能耗和吨钢碳排放量可同比降至2010的50％和40.3％左右。在废钢回收率提高情景下，2030年钢铁行业总能耗相比当年基准情景下下降9.38Mtce，碳排放量下降26.74MtCO2。2050年随着废钢回收率的进一步提高，钢铁行业总生产能耗相比同年基准情景下降10.4％(～33.7Mtce)，碳排放量同比下降11.4％(～89.8MtCO2)。