随着世界性能源危机的爆发,人们逐渐意识到对于传统能源的过渡依赖会对社会的进步以及人类的发展造成不可预知的阻碍。并且伴随能源的过渡开采与利用,化石能源所衍生的环境问题也越发严重。新能源的开发已经迫在眉睫,而在众多的新能源中,太阳能的利用是人们最为青睐的。太阳能的传统利用局限于太阳能光热转化、太阳能光电转化以及太阳能光化学转化,这些过程效率较低,受外界环境因素影响较大,无法满足当前能源的大量需求。太阳能STEP过程的研究,着眼于太阳能的综合利用,提高太阳能全光谱利用率,创新性的将太阳能光电、光热、光化学转化有机的结合起来,耦合利用,驱动不同的化学反应,从而达到太阳能综合高效利用的目的。本论文在STEP理论基础上结合传统化学能源的转化,提出利用太阳能STEP过程所转化的热能与电能驱动煤进行转化脱硫与转化制取燃料、轻烃以及化学品。将太阳能与化石能源有机的结合在一起,即实现了太阳能的转化利用与储存,同时也实现了化石能源的清洁利用与资源化的转换。论文主要研究了太阳能STEP热-电化学耦合煤转化过程的理论基础,并在理论基础的指引下进行了太阳能STEP热-电化学耦合煤转化脱硫和太阳能STEP热-电化学耦合煤转化制轻烃及化学品过程的实验研究。依托实验数据,对太阳能STEP热-电化学耦合煤转化系统的太阳能利用效率及转化效率进行了计算,并以此为基础构建太阳能STEP煤转化系统,对该系统工艺进行合理设计与描述,为太阳能STEP煤转化过程的后续实践提供理论基础及工艺参考。本论文的内容主要包括以下几点:(1)建立太阳能STEP热-电化学耦合煤转化系统的理论模型以及实验模型,对STEP煤转化过程进行理论分析。结合热力学分析以及对电化学反应模式的研究,表明太阳能STEP热-电化学耦合煤转化过程能够实现太阳能的利用以及煤的清洁转化。(2)利用太阳能STEP光-热、光-电过程对煤进行转化脱硫。实验过程中采用镍为工作电极,在不同温区下对煤进行电化学氧化实验,考察其脱硫率,并对其电化学脱硫的机理进行了研究。实验结果表明相同电压下,其脱硫率随着温度的增加而升高,且高温区达到最高,其中无机硫脱硫率在低温区即有较好的脱除,而有机硫在中温区和高温区有较好的脱除。根据实验得到电压2V时,电解时间为4h,低温区脱硫率可以达到40%,中温区脱硫率可以达到58%,高温区脱硫率可以达到77%。其中无机硫脱硫率在低温区可以达到72%,而有机硫脱硫率在低温区较低,在高温区可以达到50%。中、高温区煤电化学脱硫的过程伴随着煤的氧化,温度越高最终精煤的产率越低。由此可见,煤在高温电化学氧化过程中不单单可以脱除硫,并且可以实现煤的转化利用。(3)以煤在高温下的电化学转化脱硫过程为实验基础,借助太阳能STEP热-电话耦合过程对煤在高温下的电化学转化实验进行研究。煤在STEP过程驱动下可以在熔融氢氧化钠电解质中发生电化学氧化反应,相比传统热裂解与液化反应温度有大幅度的降低,并且产物为氢气、甲烷等小分子轻烃及丰富的含氧有机物等化学品,相比产物附加值更高。以镍为工作电极的实验过程中,电流为0.2A,温度360℃,电解4h,发现87.3%的煤发生了转化,其中48.8%转化为液态产物,38.5%转化为气态产物。论文对煤能够在较高温度下发生电化学反应转化的机理进行了研究,结合煤的物理结构模型的变化与对煤的氧化过程的分析,得出在高温辅助的电化学氧化过程中煤吸收热能使小分子挣脱非共价键的束缚,破坏大分子的共价键,通过电化学反应使煤的大分子稳定结构彻底破坏,最终达到了对煤的深度氧化目的。(4)根据煤在太阳能STEP热-电化学耦合过程驱动的高温下的电化学氧化反应及转化脱硫反应,构建太阳能STEP热-电化学耦合煤转化系统,并对转化过程中的系统效率进行研究。分别计算了太阳能转化系统效率及太阳能-化学能转化效率,分别为17%和11.86%。建立太阳能STEP热-电化学耦合煤转化系统的太阳能转化单元与太阳能-化学能转化单元,根据实验数据以及实际需求对各个单元进行讨论,并将两个单元有机结合在一起。规划了一个对后续工艺设计与实验放大具有指导意义的流程示意图,并对基本工艺流程进行描述。