推进以煤炭为代表的化石能源高效清洁利用,着力发展可再生能源,有效降低碳排放,对保障我国能源安全,实现“2030碳达峰,2060碳中和”的战略目标具有重要意义。本论文围绕煤基能源的高效、低碳、多功能利用,从揭示循环流程重构的节能原理入手,提出了一种热力过程拆解分析新方法;进而探索过程间物质、能量的互补替代关系,阐明了先进零碳排放热力循环（煤基Allam循环）高效热功转换机制,构建了集成Allam循环的煤基化工-动力多联产系统,为发展能源、资源与环境相协调的煤炭清洁低碳利用体系,提供一定的理论支撑和多种可能的技术选项。针对复杂热力循环的流程重构,提出一种普适性热力学分析新方法:循环拆分法。该分析方法将流程重构措施从复杂热力循环中“拆解”出来,可在T-s图上表示为封闭曲线,称为等效“小循环”,其可以直观解释不同流程重构的节能机制,指导流程优化;也可以作为计算工具,精确评估各种流程重构措施的节能效果。循环拆分法应用于蒸汽朗肯循环流程重构分析,通过等效小循环重新解释了再热和抽汽回热的节能原理,燃煤电站“机炉耦合”的能效提升机制也可以理解为等效小循环的高效替代。循环拆分法应用于超临界二氧化碳（S-CO2）循环流程重构分析,指导构建了一种新型集成循环,通过调整再压缩流股的分离点位置,解除了再压缩与间冷过程之间的牵连关系,循环效率比常规集成循环可进一步提高0.88个百分点。将“循环拆解”拓展至“过程拆解”分析,以集成煤气化的Allam循环零碳排放发电系统为研究对象,将其解构为封闭式S-CO2循环、蒸汽朗肯循环、开放式过程以及空分制氧等四个过程。分析上述过程的热功转换特点,构建了过程拆解分析模型,开展了三个方面的流程优化:S-CO2循环回热单元与空分制氧单元的热集成、蒸汽朗肯循环的抽汽替代、合成气余热回收的热量再分配。其节能机制可以由拆解获得的热力循环/等效热功转换过程清晰阐明:高效S-CO2循环替代低效空气间冷压缩过程、蒸汽朗肯循环做功发电,同时兼顾干燥、气化所需蒸汽量和热回收过程的夹点温差,增加系统净出功量。最终,流程优化后的煤基Allam循环发电系统的净效率为42.48%,较基础流程提高了 3.68个百分点。将Allam循环集成至基于煤气化的甲醇合成过程,构建了一种新型煤基甲醇-动力多联产与捕碳一体化系统。在“循环拆解”和“过程拆解”的基础上发展出了“系统拆解”分析方法,将多联产系统拆解为“化工子系统”和“动力子系统”,阐明了 Allam循环的引入可有效规避化工子系统的捕碳能耗:化工子系统从动力子系统置换出部分H2用于甲醇合成,未反应的CO则进入Allam循环驱动S-CO2循环高效发电,而不会影响动力子系统的制氧能耗。此外,化工子系统的过程余热和驰放气也被动力子系统高效回收。进一步,提出了合成气成分适度调整和未反应气适度循环相结合的产品分布调控新方法,获取了不同产品分布需求下的最优组合方式。通过系统集成和产品调控,该多联产系统的节能率可达8.79%。将太阳能气化引入构建的多联产系统,提出一种太阳能热化学互补的煤基多联产与捕碳一体化系统。在设计工况点,甲醇产量和净发电量分别提高了 94.05%和19.58%,系统节能率为35.10%。将拆解分析方法拓展至多能互补领域,分析太阳能在新系统中的流动转化:对比获取太阳能引入前后系统各个过程不同品位能量的变化情况,并将这种变化规律从煤基多联产系统中“拆解”出来,虚构一个“净太阳能转化系统”;该“系统”存在多个能量品位提升的过程,以图示化方式直观阐明了太阳能在多联产系统中“提质增效”的利用效果。此外,为了应对太阳能波动性和间接性,该多联产系统采用了太阳能-自热相结合的气化反应模式,以维持系统的连续运行;在不同的太阳辐射条件下,日均太阳能贡献度、节能率和太阳能转化效率分别可达5.9%～10.3%、12.7%～17.6%和29.5%～31.4%。