煤炭在我国化石资源中占比最大,这使得我国极其重视对煤炭资源的充分利用。随着优质煤种的大量消耗,对低阶煤资源的高效利用日益引起关注。众多研究表明,高效热解技术是实现低阶煤充分利用的最有前景技术之一。热解反应极其迅速,且对停留时间要求严格,因此本课题选择下行床作为低阶煤热解反应器。考虑到计算机模拟在现代化工工业中所发挥的巨大作用,本论文主要从数值计算的角度展开相关工作。首先基于体积通量观点分析了下行床反应器内固含率的变化机理,之后结合热解反应的具体特点以及实际实验条件,针对性地将反应器结构改进为锥形下行床反应器,并建立了相应的曳力模型以及热解动力学模型,希望为反应器结构的改进以及操作条件的优化提供行之有效的指导。下行床内较低的固含率会降低传热效率,不利于煤热解反应的高效进行,故需要考察固含率变化机理以指导增浓。为了更合理地考察固含率变化机理,本论文创新地基于体积通量观点展开研究,规避了使用质量通量作为比较基准时带来的颗粒密度对固含率影响程度被高估的问题,同时在本质上实现了颗粒通量与操作气速的统一。此外还发现,基于体积通量观点可以更好地定义下行床的高密度操作。进一步引入响应面统计分析法对大量数据分析发现,不同因素对固含率的影响强弱顺序依次为颗粒通量>气速>>粒径>颗粒密度,表明最有效的增浓方式是提高颗粒通量。为了在颗粒通量达到瓶颈的情况下进一步提高床层固含率,本论文结合煤热解反应的特点,提出了锥形下行床反应器,并对其进行了计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模拟研究,发现其可以显著提高床层固含率,有助于实现高密度操作。径向模拟结果表明,锥形下行床中同样存在浓相环形区,且比圆柱形下行床更显著。此外还发现,由于锥形下行床不同轴向位置处的截面沿流动方向逐渐收窄,其内部流动规律发生了显著变化,存在独特的三加速段运动规律,本论文详细分析并给出了每一加速段的具体特征。最后将圆柱形下行床和锥形下行床进行了对比,发现圆柱形下行床更适合气相作为反应物的快速反应,而锥形下行床更适合颗粒相作为反应物的快速反应,潜在更适合作为煤热解反应器。实际冷态实验中采用的颗粒具有较宽的颗粒粒径分布（particle size distribution,PSD）,导致标准双流体模型（two fluid model,TFM）对实验结果预测不准,本论文基于此建立了考虑PSD影响的曳力模型。该模型将实际微元分解为若干具有不同特征粒径的子网格,通过对所有子网格曳力求和获得网格总曳力。对子网格曳力的考察表明,需要分别考虑每个子网格的滑移速度以获得合理的计算结果。将曳力模型代入模拟中发现,该模型可以比其他模型更准确地预测床层固含率及其轴向分布,还可以清晰地捕捉到下行床特有的三阶段流动模式。与其他曳力模型的对比表明,该模型提出了一个新的建模思路。为了辅助优化反应过程的操作条件,同时便于日后开展热态CFD数值模拟,本论文建立了基于阿伦尼乌斯方程形式的热解动力学模型,并进一步将之与传热、传质方程耦合建立了描述煤颗粒热解行为的模型。热解动力学模型基于多个平行一级反应假设。通过拟合热重实验数据,考察了四种低阶煤的热解动力学信息。相比于常见的分布活化能模型（distribution of activation energies model,DAEM）,该模型的计算结果表明其能更准确地预测低阶煤热解过程,同时由于规避了复杂的积分运算,还可以显著降低计算消耗,潜在有利于与CFD高效耦合计算。此外还发现,使用相同的动力学参数和不同的反应权重可以预测不同低阶煤的热解过程,部分验证了低阶煤热解反应的相似性。煤颗粒热解模型的计算结果表明,流化床反应器适合作为煤热解反应器,且建议煤颗粒粒径小于3 mm。