天然气是一种高热值的清洁型能源，其使用可以有效减少温室气体及粉尘的排放。我国目前的能源结构特点是“富煤、贫油、少气”，这种能源结构决定了我国的能源消耗只能以煤为主，煤气化转化生产天然气成为一项重要的战略选择。“一步法”煤制天然气是煤粉颗粒、催化剂与水蒸汽在同一反应器中同时发生煤气化和甲烷化反应，甲烷化反应释放的热量可为煤气化反应提供部分所需热量，从而降低了能耗。与煤气化转化技术相比，煤直接甲烷化技术需要设备较少，投资少，能耗低，因此成为新的研究热点。本文对“一步法”煤制天然气甲烷化催化剂的制备及性能进行了探究，以水蒸汽作为气化介质，在固定床反应器中研究了以下内容。首先，采用浸渍法制备了K-Fe双活性组分甲烷化催化剂，在固定床反应器中，考察了不同活性组分含量及煤种对催化剂活性和稳定性的影响，并且研究了催化剂对煤热解过程的影响。结果表明15%的KOH催化剂比其它含量的催化剂有更好的催化效果，适量的Fe可以促进CO与H2的甲烷化。不同煤种各组分含量不同，其中挥发分，灰分及硫含量都会影响最终甲烷的产率。当温度低于600℃时，热解产生的CH4气体含量随着温度的升高而增大；当超过600℃时，含量基本趋于平稳，增长幅度变小。低含量的Fe有助于煤热解过程中CH4气体的释放，高含量的Fe抑制CH4产生。其次，在K-Fe双活性组分甲烷化催化剂的基础上考查了助剂修饰改性，并分别研究了催化剂的催化活性及循环稳定性。结果表明，助剂Ca的引入，抑制了催化剂中活性组分与煤灰中矿物质的结合，并且能够吸收煤焦释放出的H2S，有利于催化剂活性的保持。K15Fe10Mo5显示了比K15Fe10Ca5更优的甲烷选择性，其中，Ca主要是通过吸收CO2保护催化剂的活性组分使得甲烷选择性提高，而Mo是与煤焦释放出的H2S反应生成了MoS2，增多了甲烷化的活性中心，进而提高了甲烷选择性。采用了均相反应模型，收缩核模型及修正随机孔模型对K15Fe10Ca5催化神木煤焦甲烷化反应过程进行了拟合。修正随机孔模型很好地揭示了K15Fe10Ca5催化神木煤焦甲烷化的行为，证明了界面反应为控制步骤。对催化剂中的碱金属，过渡金属以及碱土金属的催化作用，催化作用系数与温度之间的关系进行了研究。碱金属催化剂在较高温度区有着较好的催化效果，过渡金属及碱土金属催化作用系数随温度变化不大。本文还考察了反应温度、时间、压力、水煤比等因素对煤催化甲烷化的影响，设计了一种新型的进料方式，并对工艺路线进行了改进。在较高温度下，K15Fe10中活性组分K和Fe具有协同作用，适量的Fe可以促进合成气的甲烷化反应。在压强为2MPa，水煤比为1:1时，甲烷产率最大。分段进料法进一步提高了甲烷产率。