煤气化技术是煤炭清洁高效利用的主要技术之一。近年来,以煤气化为核心的煤化工过程发展迅速。然而以煤气化为核心的煤化工过程存在碳排放量大、过程能耗高等亟待解决的问题。本文分别针对煤制甲醇、煤制烯烃以及煤制天然气这三个近年来发展较快的煤化工过程进行研究,发现这些煤化工工艺过程高能耗和高排放的主要原因是,由于煤富碳少氢,原煤经煤气化得到的合成气的氢碳比相对较低,不能满足后续合成富氢化学品的要求,在进行组分调整的过程中,将大量有效碳元素转化为CO2排出系统外,并消耗了大量的能量。因此,对这些煤化工工艺过程补充适量的富氢原料,可有效地避免生产过程中合成气的组分调整,并在一定程度上简化工艺流程。本文以此为出发点,选择我国产量较大的工业废气焦炉气作为富氢原料,对现有的煤制甲醇、煤制烯烃以及煤制天然气过程进行工艺设计与系统集成。本文利用技术经济分析方法,对提出的新工艺流程进行分析,找出新流程的优势与不足,为将来的煤化工过程工艺设计和改造提供参考。本文首先提出了一种带有甲烷三重整过程的焦炉气辅助煤制甲醇新工艺。在现有的煤制甲醇工艺基础上,集成了甲烷三重整单元。净化后的焦炉气经变压吸附分离为甲烷和氢气,甲烷和由煤气化过程产生的CO2以及水蒸汽共同进入三重整单元,甲烷三重整反应得到的合成气具有较高的氢碳比,与煤气化合成气混合后,可降低水煤气变换反应单元的规模,从而减少系统的CO2排放。通过技术经济分析可以发现,焦炉气辅助煤制甲醇过程每吨甲醇产品的CO2排放由2.9吨降至1.6吨,减排45%;能效则由51%提高至62%。由于新工艺增加了工艺单元,导致总投资增加了10%和成本升高了8%。在煤制甲醇的相关研究基础上,本文进一步提出了一种煤和焦炉气联供制烯烃新工艺。新的联供过程集成了甲烷干重整和甲烷水蒸气重整单元,同时取消了水煤气变换单元。通过混合煤气化合成气、甲烷干重整合成气、甲烷水蒸气重整合成气以及焦炉气中的氢气,可以得到具有合适氢碳比的合成气,这样就避免了水煤气变换过程带来的碳元素转换,减少了CO2排放。同时,由煤气化过程所产生的CO2也被甲烷干重整单元回收利用。通过对系统进行能量集成,实现了工艺流程的能量梯级利用,实现烯烃生产过程的节能减排。由技术经济分析可以发现,煤和焦炉气联供制烯烃过程每吨烯烃产品的CO2排放可降低至0.8吨左右,减排85%;能效达到46%,提高了约10个百分点。虽然新工艺的生产成本升高了13%,但是考虑到未来碳税和碳排放权机制的引入,煤和焦炉气联供制烯烃过程将更具优势。本文还提出了一种煤和焦炉气联供制天然气新工艺。相比目前的煤制天然气工艺,新工艺增加了甲烷干重整单元以回收工艺过程所产生的CO2,同时取消了原流程中的水煤气变换单元。与煤制甲醇和煤制烯烃过程不同,煤制合成天然气过程的主要CO2产生自煤气化单元,因此仅通过物料匹配来取消水煤气变换过程,无法实现大规模的碳减排。通过甲烷干重整过程,可实现CO2再利用,有效缓解碳排放问题。在联供过程中,甲烷化反应产生大量高品位热,通过对联供过程进行能量网络集成,这些热量回收后可为甲烷干重整供热,有效地降低了联供过程的能量消耗。通过技术经济分析可以发现,煤和焦炉气联供制合成天然气过程可降低60%的CO2排放,并减少了72%的污水产生量,同时能效由52%提高至56%,而生产成本则降低了17%。因此,煤和焦炉气制天然气工艺具有一定的竞争优势。