我国的一次能源储量是煤炭资源丰富、天然气和石油资源缺乏,长期以来煤炭一直是我国最主要的一次能源。但是由于煤炭资源固有的氢碳元素配比和化学品不匹配会导致煤炭资源利用率低。煤化工产业普遍存在碳排放量高、能耗高的问题。因此,实现煤炭资源的科学合理、清洁高效利用是实现煤化工可持续发展的重要议题。本文以典型的煤基多联产过程为研究对象,旨在有效解决现有的煤制天然气过程的若干问题,比如在非供暖季天然气剩余,经济效益差、碳排放高、能量利用率低等。提出了煤制天然气与甲醇电力联产系统,包括两种多联产方案,可以实现灵活地调整天然气和甲醇的产量,更好地适应产品市场的需求变化和产品价格的波动。为了提高资源和能源的利用效率,副产的蒸汽和排放气通过燃气-蒸汽联合循环产电。此外,为了降低碳排放,低温甲醇洗单元捕捉的CO2通过多级压缩过程变为液相后封存。通过Aspen Plus软件对多联产工艺进行了详细的建模和模拟,利用技术经济分析方法,对提出的新多联产工艺和传统的煤制合成天然气工艺进行了对比分析,结果显示两种多联产方案的碳利用率分别提升了5.9%和6.7%,会使得CO2排放量可以分别降低14.2%和14.6%,（火用）效率分别提升了5.9%和3.9%。虽然多联产系统的总投资相比于煤制天然气工艺略高,但是产品成本分别降低了6.6%和7.6%,内部收益率由6.82%大幅度的提升到13.32%和15.52%。综上所述,所提出的多联产系统可以有效适应产品市场变化,实现高附加值生产和产品多样化,帮助煤制天然气项目实现较好的经济效益,确保其可持续发展。煤化工是能量密集型产业,其单元装置众多,能量系统的集成往往不够。基于数学规划法的换热网络合成被认为是提高能源利用效率和获得显著技术经济效益的重要方法。由于受数学模型的组合性和非凸性的影响,换热网络合成问题很容易陷入局部最优解。传统的分级换热网络超结构模型的公用工程只能位于物流的末端,难以满足实际工业过程中工艺物流和公用工程之间复杂的匹配要求,很难获得全局最优解。本文提出了一种基于多公用工程内置策略的扩展换热网络超结构模型,加热器和冷却器可以位于中间级上。该扩展超结构模型会在一定程度上扩大算法的搜索空间,使模型更复杂。采用了遗传算法作为求解方法,并且集成了局部优化策略、自适应方案、精英策略以及结构识别和结构控制策略以提高遗传算法的搜索能力和求解效率。最后,将本换热网络优化方法应用于四个案例以验证其可靠性和高效性。结果表明,该方法能够在可接受的计算时间内求解复杂的换热网络合成,确保可以获得最优解。在对煤制天然气与甲醇电力联产工艺的分析中发现,甲醇合成、甲醇精馏和甲烷化单元需要大量的外部公用工程,因此需要对这几个单元进行换热网络优化以提高热回收量,同时降低总投资费用。本文选用提出的扩展超结构模型对相关单元进行了换热网络优化。将甲醇合成和甲醇精馏作为一个系统进行优化,结果显示甲醇装置可以节省33.7%的热公用工程和21.3%的冷公用工程。甲烷化单元可以大幅度地节省76.7%的热公用工程和17.9%的冷公用工程。为了进一步降低甲醇装置的能耗,开发了五塔甲醇精馏方案。换热网络优化的结果显示,甲醇装置可以进一步减少41.2%的热公用工程和38.3%的冷公用工程。换热网络优化后,多联产工艺仍然存在大量的低温余热无法被回收利用。对各个单元余热分析后,选用梯级余热回收方案对CO2压缩过程、甲醇合成单元和甲烷化单元进行余热回收,余热通过换热器或吸收式热泵回收后用于加热锅炉给水,制取的热水用于区域供暖。最终可以得到3942 m~3/h的温度为74.3°C的热水,总共可以回收112.8 MW的余热量。换热网络优化和余热回收总共可以减排二氧化碳134185吨/年,节能减排的效果十分显著。