我国煤炭储量巨大，其中低阶煤占比超过55%。热解制油技术能够充分利用低阶煤富氢的结构特点，将之转化为宝贵的油气产品，满足国内日益增长的能源需求。目前，热解工艺运行中存在管道易堵塞、油尘分离困难等瓶颈，系统的稳定性运行受到较大的挑战，无法克服长时间连续运行的难题。反应器设计和催化剂的应用提供了解决问题的两个重要手段。针对现有热解工艺中存在着的焦油产率低、重质组分含量高等问题，结合热解反应机理，本论文构建了复合床（快速热解-原位提质）热解工艺，以保留传统快速热解工艺中的有利因素，并耦合二次反应提质过程，从而获得高品质油气产品。在下行床快速热解反应器中，考察停留时间、载气流量、载气预热、热解温度与颗粒粒径等因素对油气产率、品质的影响，优化初次快速热解反应的操作参数。继而以提出的工艺原理为基础，建立复合床反应器，证明新工艺的可行性与优越性，并在典型实验条件下，进一步考察了复合床工艺对于不同煤种的适应性。最后探索了不同类型催化剂对复合床反应器中煤热解的作用效果。本文的主要研究内容和结果如下：（1）淖毛湖煤热解特性基础研究。在固定床反应器中，分别采用常规连续热解与分温度段热解实验两种方式，考察了温度、加热速率对产物分布的影响以及不同反应阶段的热解产物与品质。结果表明：焦油产率随温度的增加先增加后减小，随升温速率的加快而增多。在500 ℃下，焦油产率达到最大值；与1 ℃/min的升温速率相比，10 ℃/min下的焦油产率提高了16%以上。在100~300 ºC、300~350 ºC、350~400 ºC、400~450 ºC、450~500 ºC、500~600 ºC和600~800 ºC等七个温度段的分温度段热解实验表明：淖毛湖煤热解反应分为三个阶段，第一个阶段（<350 ºC）中焦油与气体产生均较少，第二个阶段（350~500 ºC）中焦油较多而气体较少，而第三个阶段（500~800 ºC）的焦油较少而气体较多。在较低温度段，焦油中轻质组分含量低；相比之下，对于较高温度段，其重质组分含量低。（2）下行床快速热解的工艺条件研究。以淖毛湖煤为原料，在下行床反应器中，分别考察了停留时间、载气流量、载气预热、热解温度、颗粒粒径等因素对快速热解产物分布及品质的影响。结果表明：焦油产率随加热段长度、载气流量、载气预热温度的增加而增加，随粒径的增大而减小，而热解反应温度存在最优值。当加热段长度为7.0 m，载气流量为10 L/min，载气预热温度为450 ℃，反应温度为600 ℃，煤样粒径为0.2~0.4 mm时，焦油产率为11.8 wt.%，达到格金实验焦油产率的93.0%，达到了调控初次热解反应最大化焦油产率的效果，从而为复合床工艺提供了保障。焦油重质组分含量随温度的增高而降低，随粒径的减小而增大，重质组分含量随温度的变化趋势与一般认识不同。经分析，此现象与反应器类型、反应条件等外部因素无关，而与煤自身的性质有关。淖毛湖煤氢元素含量高，镜质组比例超过74.0%，属于高氢煤（Perhydrous coal），芳香度低为其主要原因。（3）耦合二次提质的复合床反应器热解研究。设计、建立了煤处理量1~3 kg/h、高7.5 m的复合床（快速热解-原位提质）热解装置，处理粒径0.2~0.4 mm的小颗粒煤，分别考察了内构件结构、移动床温度、床层高度等对最终热解产物分布及品质的影响，检验了工艺的技术可行性；并以不连沟煤为原料，研究了复合床工艺的煤种适应性。在复合床中，上部下行床产生半焦累积形成下部移动床中的半焦床层，煤热解产生的挥发分在内构件集气管的作用下需穿过半焦层到达出气口，由此实现了半焦床层对挥发分的原位提质。结果表明：与单独下行床的相比，复合床工艺半焦产率下降而品质有所提升；气体产率大幅度提升且单位质量煤最终产生的热解气可提供的热量成倍地增加；焦油总产率略微下降，轻质组分含量与绝对产率均显著提高。复合床下部的移动床中挥发分与半焦的作用程度与最终油气的生成密切相关。在初步验证新工艺的优越性后，改变移动床温度、床层高度等因素进一步优化条件。结果表明：焦油产率随移动床温度的升高和床层高度的增加而下降。轻质组分含量在考察床层高度范围内，变化较小，随移动床温度的升高而增加；轻质组分产率随温度的升高而出现极大值，随床层高度的增加而减小。当床层高度为60 mm时，焦油产率在移动床温度560 ℃时，达到最大值11.4 wt.%，轻质组分产率在560~600 ℃达到最大值。不连沟煤的工业分析与元素分析结果与淖毛湖煤差别较大，典型条件下的实验数据表明复合床工艺具有良好的煤种适应性。（4）下行床与复合床反应器中的催化热解研究。在不同类型的反应器中，以负载赤泥和金属氯化物等催化剂的煤为原料，考察了催化剂的使用对复合床热解行为的影响。结果表明：与原煤热解相比，负载了赤泥基催化剂的煤热解所得半焦和焦油产率略微下降，气体产率增多；重质组分含量下降，焦油品质得以提升，提升程度按照IAR（复合床耦合反应器）>DR（下行床反应器）>IBR（复合床组合反应器）≈MR（移动床反应器）的顺序。当ZnCl2、NiCl2、FeCl3、CoCl2等催化剂用于热解时，焦油产率下降较多，而气体产率明显增加。焦油产率减少程度按照FeCl3>NiCl2>CoCl2>ZnCl2的顺序递减；气体产率增加程度按照FeCl3>CoCl2>ZnCl2>NiCl2的顺序递增。