能源是人类社会生存发展的重要基础。伴随着世界经济的高速发展,能源消耗量不断增加,也造成了各种环境问题。能源的清洁高效利用和低碳可持续发展,是未来能源的发展趋势。煤炭资源是我国的主要能源,但直接燃烧的利用方式不仅效率低下,还会造成各种污染问题。因此,推进煤炭的清洁开发和利用,鼓励洁净煤的研发和推广,以煤为原料制取醇醚燃料、煤制取天然气、煤制油、煤制乙二醇等替代石油产品,对于我国国民经济的健康可持续发展有着至关重要的意义。基于此,本文进行了一系列的研究工作。首先研究褐煤的水分赋存形态,干燥和重吸收机理特性,微波提质及回收水成分测试和低温热解提质特性。研究表明,根据结合能大小,褐煤中水分可分为自由水、化学束缚水、过渡束缚水和物理束缚水。当温度增加,粒径减小,总干燥时间缩短。微波加热可以有效去除褐煤中水分,提高煤的品位。回收水中检测到的阳离子浓度都在1 ppm以下,阴离子浓度都在10 ppm以下,重金属阳离子浓度均低于0.03 ppm。经过活性炭、超滤膜和加碱中和处理,回收水达到水分回收利用标准。褐煤低温热解提质改变了煤中官能团结构,增大芳碳率和环缩合度,有效提高煤阶。热解温度升高,半焦产率逐渐降低,煤气和焦油产率则不断增加至20.5%和7.6%。接着,采用固定床管式炉和自制式沉降炉分别对褐煤和烟煤中高温热解特性进行多层次的探索,并通过气相色谱、傅立叶红外、氮气吸附和色谱质谱联用仪等方法分析三相产物。固定床热解中,热解气产量随温度增加,神华煤热解气产量在618⁷49 ml/g,白音华煤热解气产量在418⁵10 ml/g;热解气成分中,H₂含量增加,CO含量轻微增加而CH₄和CO₂相对含量减少,C₂-C₄含量总体呈下降趋势。随着热解温度增加,热解气的单位热值减少,但总热值增加。沉降炉热解时,随着热解温度的升高,H₂和CO含量增加,CH₄含量减少。热解可以有效除去煤中水分,提高固定碳含量,从而提升煤阶。随着热解温度升高,粉煤的热解半焦产率和焦油产率逐渐减少,热解气产率逐渐增加。然后,本文利用上述沉降炉热解得到的粉焦,研究半焦气化、燃烧及污染物释放特性,并建立相应模型进行动力学分析。气化过程中,半焦反应活性受化学反应速率和气化剂扩散的共同影响,化学反应速率和气化温度、半焦本身化学结构等有关,气化剂扩散则与孔隙结构有关。气化温度的提高大大加快气化反应,缩短气化时间,增强气化活性。气化气氛对于气化反应影响明显,随着CO₂分压增加,气化反应速率加快。混合模型很好地弥补了均相反应模型和收缩核模型,烟煤和粉焦的煤阶高,结构稳定,气化活化能高。热解有效脱除水分,提高煤阶,造成整体的燃烧曲线往高温区移动。燃烧过程的NO_x和SO₂排放量均低于30 mg/MJ-半焦。最后,本文研究了煤粉和生物质的共热解气化特性,借助碱性物质和高效Ni/ZrO₂催化剂对煤粉进行定向气化调控,并进行全生命周期分析。煤和生物质共热解时,热解气的品质和产量会比煤单独热解时有了很大提高。煤的碱性气化比褐藻的碱性气化产生更多的H₂产量以及更少的CH₄产量。煤的定向气化调控过程中,氢氧化物与Ni催化剂的结合促进了煤分子脱氢和气体转化,从而生成99.01%纯度的51.12mmol H₂/g煤。通过全生命周期分析,燃烧和碱性催化气化反应所产生的能量分别为781 kJ/mol-纤维素和1060 kJ/mol-纤维素,生物质燃烧产生的CO₂比碱性气化多60倍。碱性气化反应在抑制CO₂生成的同时产生更高能量,在清洁生物能源耦合碳捕集存储方面有很大应用前景。