高温、高能和含有大量活性粒子的电弧低温热等离子体参与煤气化，必然会显著改变化学反应历程，加速化学反应进程，提高反应产率。等离子体炬辅助煤气化过程是一以多种自由基参与为特征的复杂反应体系。本文就是以国内外当前的研究工作为基础，选择了一些煤气化过程中的重要科学问题应用清华大学、大连理工大学和我校共同研制开发的、具有中试规模的立式和卧式两种反应装置进行实验研究，应用热力学、化学动力学、统计力学和量子化学方法进行了理论研究。主要包括以下几个方面的内容：1．建立了完整的实验方案，制定了详细的实验步骤和工艺流程，筛选出实验数据采集和处理方法，确定了立式和卧式两种反应器的最佳工况参数：最佳气量分别为15Nm³／h和18m³／h，最佳供煤量8.50kg／h和7.50kg／h，最佳的输入功率45kW和100kW，水蒸气流量10.00kg／h，H₂O和8.5kg／h，H₂O；等量煤气化，在立式反应器得到的产品气体积要小于卧式反应器，但前者的输入功率、单位产品气的能耗、耗煤量和冷水供量都要小于后者；根据实验产物分布、种类与常规煤气化的差别，发现在等离子体炬的温度下，常规气化过程中气相和液相物质会分解并与气化剂反应，在产品中非常少，难以检测。添加物的实验发现不同物质的催化作用存在差异，Na₂CO₃和CaCO₃效果最差，当NaHCO₃的含量在5～10％m，CaO为5％m，CaSO₄为10～15％m和NH₄Cl为15％m催化作用最好。2．对褐煤、高挥发分烟煤、无烟煤、低挥发烟煤和次烟煤的热力学分析得到：最适合的气化温度应是1700K左右，最合适的煤中碳与H₂O和O₂的关系为n（H₂O）∶n（O₂）∶n（C）=0.2∶0.2～0.3∶1，煤种对产物分布影响不大；根据量子化学计算分析发现，水蒸气气化熵增加明显，导致褐煤在常温下的Δ′_rG⁰小于零，其它四种煤在高温情况下Δ_rG⁰才小于零，反应可能自发进行，对应的转折温度T_tr依次为：329.24K，353.55K，518.12K和466.71K。3．通过量子化学计算揭示了激发态氧O₂^*和O₂⁺与水分子的氧原子直接作用显著地改变了水分子的结构，有利于断键形成自由基OH，提出OH诱发煤气化反应的可能化学反应通道；通过对实验数据回归分析得到主要气相产物相对物质量分数y（i）（i=H₂，CO，CO₂）以工作气体中氧气物质量分数y（O₂）为变量的线性方程；实验上对提出的可能化学通道提供了佐证。4．通过等离子体炬辅助煤气化动力学的研究拟定出了气化集总动力学机理，推出气化过程主要气相产物H₂、CO和CO₂的速率方程由速率方程出发推导出与本实验情况较为吻合的动力学方程：考虑圆柱形反应器和拟合出的机理导出等离子体条件下碳转化率X_C与气化剂H₂O和O₂的物质量分数y（i）（i=H₂O，O2）关系式得到CO₂和CO生成反应的活化能与R的比值E_a／R分别为：～20 000，9000（8693.8）。应用碳转化率的收缩核模型，建立了主要产物的扩散型微分方程，求解方程，确定了它们的体积分数和煤粉粒径的关系：实验数据间接初步证明：CO₂是由速率较小的煤焦或半焦气化产生，可能是由化学反应控制的；CO和H₂是由挥发份物质气化产生的，其控制步骤应当是挥发分的释放。5．对各种添加物的煤气化研究中得到等离子体高温条件下催化机理，主要是以发生高温热分解产生活性物种原子氧O、原子氢H和OH等，进而诱发煤气化链锁反应为主，催化效果由它们的量和产生的难以程度决定。金属氧化物越不稳定，越易分解释放出O，催化效果越好；含氧酸盐分解温度越高，在分解同时越易引起对应产物中金属氧化物的分解，催化效果也越好。碳酸钙的分解温度较低，催化效果较差；碳酸钠的分解温度高于碳酸钙，对Na₂O分解释放O有利，但因为Na₂O的热稳定性高于CaO，盐的高分解温度对释放O有利因素被对应氧化物热稳定难释放O不利因素抵消，导致两种物质催化效果相似；CaSO₄分解温度较高，从而使得催化效果优于CaCO₃。碳酸氢钠和氯化铵都是含氢的物质，在热分解时会产生初级产物H₂O和NH₃，它们在分解产生H和OH的参与促进了煤气化反应的进行。催化作用与添加物的量有关，存在一个催化最佳含量。在一定范围内，随着添加物量的增加，促使气化进行，使产物中某些产物的含量增加。但是，当添加物的量超过某一值时，体系因物质的热分解而吸收大量热，温度因此而显著下降，直接影响了催化效果，使得产物中某些产物的含量呈下降趋势。