煤炭在世界能源体系中占据着重要的地位,约提供了全球所需能源的27%。随着科技、经济、环境的多方面需求,煤转化和高效清洁利用逐渐地替代了传统的煤炭利用方法。煤热解是煤燃烧、气化、液化等热加工过程的初始和伴随反应,因此煤热解的研究对于煤的高效和清洁利用有着极其重要的作用,煤热解和结焦的机理研究一直以来都是煤热解研究的主要内容。焦化是典型的高能耗重污染工业,低耗清洁也是近年来焦化行业发展的方向。本文以煤高温热解的典型工业应用—一焦化工艺为背景,从微观机理和宏观过程,对煤热解焦化机理、加氢脱硫机理及应用潜力开展了系统的研究。炼焦煤是焦化生产的核心原料,首先针对华北地区典型的不同煤阶炼焦煤,获得了煤工业分析和元素分析,分别采用热重和傅里叶变换红外光谱实验,获取了热解特性、热解过程中红外结构参数的变化及官能团的改变。结果表明：随着煤阶的升高,热解特征温度升高,芳碳率和芳氢率呈现增大的趋势；芳碳率、芳氢率和H/C、VM之间存在较好的指数关系；不同煤种产生的半焦及焦炭的红外吸收峰的变化规律基本相同；随着温度的升高,煤／焦红外光谱吸收峰数量和强度均呈现下降趋势,芳氢的比例逐渐变大。考虑煤中官能团的存在形式,分别基于含氧,含氮和含硫的煤模型化合物,引入ReaxFF反应力场,开展反应分子动力学模拟,获得了相应热解气体中氧、氮和硫的迁移规律和温度的影响规律。与已有的实验和量子化学结果进行对比,验证了反应分子动力学模拟(ReaxF-MD)方法用于煤热解研究的适用性和可靠性。因此,本文针对经典的大分子Wiser煤模型、两种实际煤的大分子模型以及一些煤中小分子化合物,全面开展了热解的ReaxFF-MD模拟；并进一步着重分析了煤加氢或加焦炉煤气热解脱硫的机理。获得了热解产物与产量、脱硫率、反应路径、大分子初始断裂位置等信息,考察了温度的影响,并尝试从分子层面探讨煤结焦的机理。研究结果表明：煤分子初期断裂的位置基本不受温度变化影响；小分子化合物对热解气体以及轻烃类产物产量有着重要的影响；胶质体的来源之一为煤大分子热解的产物,合适的气液固比例的胶质体存在是炼焦煤结焦的前提；加氢对煤中的C-S键的断裂有加速作用,促进轻烃的生成,提高了H2S的产量和持续时间；合适的加氢温度能够获得脱硫的最大效率,改变通入氢气的时机有助于改善加氢的经济型；焦炉煤气可以有效的代替氢气进行加氢热解,降低焦炭中硫的含量。最后,本文针对焦炉炭化室,耦合建立了煤热解动力学模型,煤焦床层传热模型,以及荒煤气的析出、流动与传热模型。通过数值求解,获得了炭化室内煤焦温度,顶部空间温度,以及荒煤气温度、流动和组分的演变规律；与煤焦实测温度数据对比,验证了模拟结果。结合微观分子动力学模拟和宏观数值模拟结果,尝试提出焦化过程中,利用自产焦炉煤气返回炭化室对煤焦进行脱硫的技术路线,以期为实际工艺的开发提供理论依据和参数。