自工业革命以来，由于化石燃料的直接燃烧，人类向大气中排入的二氧化碳等温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖、海平面上升等一系列严重问题，使人类生存空间受到了极大的威胁，提高能源利用率和保护环境引起了全世界各国的关注。以气化煤气与焦炉煤气为核心的煤基多联产能源系统，能够联产电能、液体燃料和化工产品，系统能源利用效率高，对环境影响小，是解决我国目前面临的能源与环境问题的重要途径，在炭体系下将气化煤气中的二氧化碳重整焦炉煤气中的甲烷制取合成气技术是其中的关键技术。本文通过热力学特性分析、试验、固体结构表征和数值模拟等手段对炭体系下二氧化碳重整甲烷制取合成气行为进行了系统研究，旨在获得影响焦炭催化二氧化碳重整甲烷过程的关键因素，为今后的工业应用提供设计和放大的部分依据。 为指导重整反应试验装置的设计和操作参数的选取，采用吉布斯(Gibbs)自由能最小化法建立了二氧化碳重整甲烷系统热力学平衡计算模型，通过对平衡计算模型进行敏感性分析，预测了不同操作参数对重整反应热力学特性的影响。结果表明：重整系统中反应温度和压力对重整反应影响显著，反应温度越高，CH4和CO2转化率越高，并且在927℃时CH4和CO2转化率就分别达到97.4％和98.9％：反应压力越大，CH4和CO2转化率越低；重整反应中加入O2时，将放热的CH4氧化反应与吸热的CO2重整反应相结合，可以使得反应中放出的热量等于吸收的热量，实现自热重整；并可在较宽的温度范围内调节产物中CO和H2的比例。 在热力学平衡计算的基础上，自行设计了小型重整反应装置，并在该装置上进行了炭体系下CH4和CO2重整制取合成气的热态试验，探讨了不同煤种制得的焦炭和几个关键参数(温度、空速等)对反应的影响。结果表明：不同煤种制得的焦炭在重整过程中催化活性有所差别，具有较高的比表面积和较低的灰分含量的焦炭催化活性相对较高；但是反应气在不同焦炭上的转化表现出相近的行为，初始转化率比较高，然后降低至一个平稳的阶段；对其中一个样品长达1800min的考查中，未发现明显失活。选择焦炭粒径在0.53mm以下，空速在5600ml/(h·g)左右进行重整反应动力学试验比较合适。 为了进一步探讨炭体系下CH4和CO2重整反应的历程，在热重分析仪上研究了不同反应气氛下焦炭的热重特性，并且利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等现代分析手段对热重试验前后焦炭进行表征。研究结果表明：在重整反应过程中，CH4和CO2之间的重整反应是主反应，二氧化碳的还原反应(Boudouard反应)和甲烷裂解反应是副反应。经历重整反应后焦炭表面的边缘炭消失，焦炭结构的有序化降低，焦样表面的C—O、C-H、C—C等官能团增加。 在经典的Eley—Rideal和Langmuir-Hinshelwood两种异相催化反应机理模型中，结合本文试验结果提出Langmuir-Hinshelwood机理适合描述炭体系下CH4和CO2的重整反应，并且利用数理统计分析的方法，选择了与本文试验结果比较吻合的动力学模型。 为了进一步探索提高焦炭催化活性的途径，在煤炭化过程中分别加入MgO和CaO制得改性焦炭，试验结果表明：900℃时，在分别利用5％MgO和5％CaO改性的焦炭作用下，CO2转化率分别为54.57％和57.95％，而在未改性焦炭作用下CO2转化率为41.55％。利用MgO和CaO制得的改性焦炭，催化活性高于未改性焦炭。在反应气转化率相同的情况下，改性焦炭可以降低重整反应温度，减少能源消耗。对CaO制得的改性焦炭进一步研究发现，当煤炭化时加入的CaO含量在25％以内时，重整反应中CH4和CO2转化率随CaO含量增加而增大；CaO添加到煤中炭化后能使焦炭的微晶结构发生明显变化，XRD峰变宽变低，微晶的排列有序性趋于变坏，这种作用也是引起焦炭催化活性变化的一个主要原因。 在不受两相流第二相体积份额大小影响的欧拉双流体模型的基础上，结合多个异相催化反应动力学模型，建立了包含传热、传质、化学反应在内的炭体系下二氧化碳重整甲烷反应器三维数学模型。利用该模型对φ12mm实验室反应器进行了三维数值模拟，得到了重整反应器内气体浓度分布、速度分布、以及产物中H2/CO摩尔比等重要参数，数值模拟结果与试验结果基本吻合。以此为基础，对放大的中试规模反应器特性进行了模拟预测，并提出了优化的操作参数。