CO₂资源利用是解决温室效应的国家需求,可再生能源产生的剩余电能需要转化储备,电制甲烷技术同时解决了上述两个问题。该技术急需突破的瓶颈是攻克CO₂加氢甲烷化固定床反应器产率低、热量难以移除和催化剂积炭严重的问题。采用离散元法建立随机堆积球、柱和开孔柱形催化剂床层模型,从时间尺度和空间尺度建立CO₂加氢甲烷化固定床反应器内完整、详细和精准的流体流动、传热、传质及化学反应数值模型,模型经多项实验验证准确。并在床层介尺度上,模拟随机堆积催化剂床层内流场、温度场和浓度场随时间的变化过程,探讨入口温度、入口流速、入口惰性球层、操作压力、壁面换热条件和催化剂开孔数对反应器内特征参数的影响;在催化剂微尺度上,解析催化剂内化学反应和物质扩散随时间的变化规律,模拟催化剂内积炭形成过程,探讨入口温度、入口流速、入口氢碳比和催化剂温度对积炭程度的影响。结果表明:（1）床层介尺度上,所有形状催化剂的床层都会出现球形热点区,并随反应进行沿床层轴向移动;柱形催化剂床层中流体回流、滞留和沟流现象更严重,最高流速可达入口的20倍;反应初期,CO₂转化率、CH₄产率和CH₄选择性快速升高,达到峰值后再缓慢下降至稳定值;球、柱形催化剂床层出口CO₂转化率对比为球形>柱形（径高比=1.3）>柱形（径高比=1）,实心、开孔柱形催化剂床层出口CH₄产率对比为4孔>7孔>1孔>实心;CO是CO₂加氢过程的中间体,CH₄主要由CO甲烷化反应产生。（2）催化剂微尺度上,反应初期催化剂外层反应物浓度比内层高且呈环状分布,随时间的推移,催化剂内物质分布逐渐趋于均匀;稳态时正向转化只在催化剂外层约10%的区域进行;柱形催化剂中心CO₂转化率较球形高,但棱角和床层壁面会出现低转化率区;反应初期,催化剂外表面积炭更严重,导致孔隙率从催化剂外层到内层呈圆环状递增;随反应进行,催化剂内外层积炭程度逐渐趋于一致,且相同时间间隔增加的积炭量越来越小;7孔催化剂内外层积炭程度趋于一致更快。（3）开孔、增大换热系数、增加惰性球层、减小入口流速和入口温度都能提高CO₂转化率或CH₄产率;当换热系数无限大时,CO₂转化率和CH₄产率持续上升,最后稳定在最大值;增加入口H₂含量、减小入口流速、入口温度和催化剂温度都能减轻催化剂内积炭程度。