我国煤炭资源丰富,但是天然气资源比较匮乏,通过煤制天然气工艺能够实现煤炭的清洁转化,缓解我国天然气供需矛盾。在煤制天然气过程中甲烷化工艺和甲烷化催化剂是甲烷化技术的重点,然而甲烷化过程是个复杂的反应体系,操作条件以及原料气组分都对甲烷化反应有很大的影响。而且目前已经开发的催化剂主要以负载型镍基催化剂为主,但是Ni基催化剂容易积碳和烧结,从而导致催化剂失活,所以开发出性能优异的催化剂是甲烷化反应的关键点。因此针对此问题,本论文主要通过对甲烷化反应进行热力学分析,探讨了温度、压力和原料气组分对甲烷化反应所造成的影响,找出甲烷化过程中的主要影响因素,确定出合适的工艺操作条件,从而优化甲烷化工艺。并且制备出一系列过渡金属钴氧化物催化剂,考察其CO甲烷化性能,并通过一系列物理化学表征探讨了催化剂的结构。研究内容和结果如下:首先对合成气、焦炉煤气和煤热解气三种原料气甲烷化制天然气的过程进行了热力学分析,考察了温度、压力和原料气中各组分对CO甲烷化反应的影响。结果表明:低温高压有利于CO甲烷化反应的进行。在高温条件下合成气中的CH₄和CO₂都会导致催化剂床层积碳量增加,所以可采用低温反应和产品气体循环工艺。焦炉煤气中大量CH₄在高温和低压下会导致床层积碳加剧,而CO₂和C₂H₄对反应没有影响,所以可采用高压反应和补碳工艺来平衡原料气中过量H₂。而热解气中本身积碳很严重,加入其他含碳组分会导致床层积碳加剧,所以不建议采用产品气循环工艺。热力学分析结果发现甲烷化反应在高温下会产生大量积碳从而导致催化剂失活,因此开发出在低温条件下性能优异的甲烷化催化剂是关键。采用均相沉淀法通过改变溶剂（水和乙醇）制备出蒲公英状和球状形貌的Co₃O₄纳米颗粒。将其用于CO甲烷化反应中,并对Co₃O₄催化剂进行了XRD、SEM、N₂-吸附脱附、H₂-TPR、UV-vis和DRIFT等物理化学表征。实验结果表明:纯水溶剂制备的Co₃O₄-W催化剂的催化活性最好,在340℃时CO转化率接近于100%,但是其稳定性相对较差,反应25 h后CO转化率降低了18%。通过表征发现Co²⁺是CO甲烷化反应的活性位点。Co₃O₄催化剂上可能的CO甲烷化反应机理为:吸附的CO与晶格氧反应生成CO₂^-物种,而后与吸附的H反应生成HCOO^-中间体,经过C-O键断裂,持续加氢生成CH₄。为了提高Co₃O₄催化剂的稳定性,制备出复合金属氧化物考察其CO甲烷化性能,以期提高催化剂的稳定性。分别采用水热法和溶剂热法制备出一系列复合金属氧化物催化剂Co B₂O₄（B=Fe、Mo和Al）和ACo₂O₄（A=Ni、Zn、Mn和Mg）,对其CO甲烷化性能进行初步探索。结果表明:Co B₂O₄催化剂中Co Mo₂O₄的活性最好,其CO转化率能达到90%左右,但CH₄选择性最高仅能达到60%。而ACo₂O₄催化剂的活性明显高于Co B₂O₄催化剂,其中Ni Co₂O₄催化剂的甲烷化活性和稳定性最好,其CO转化率和CH₄选择性分别能达到98%和76%。通过H₂-TPR表征分析发现,Ni Co₂O₄催化剂的还原过程很慢,所以提高了催化剂的甲烷化催化性能。通过上述实验结论证明,过渡金属氧化物催化剂也有良好的CO甲烷化性能,在反应过程中催化剂不需要经过H₂预还原处理,可直接用于CO甲烷化反应。