能源利用与环境相容协调的难题已经成为能源科学研究的最重要课题。在多领域学科层面，开展能量利用与温室气体控制一体化的理论和系统集成研究就成为能源科学的前沿的热点。本学位论文依托国家973计划项目及自然科学基金项目，针对化工动力多联产开展燃料化学能梯级利用和CO2分离一体化的系统集成理论、系统集成原则和系统特殊规律等方面的研究。　　 多联产系统中燃料化学能梯级利用原理。首先，基于化学能与物理能综合梯级利用概念，建立了一般化工转化过程中不可逆损失随反应转化率的模型和变化关系式，发现了化工过程不可逆损失随转化率变化的“拐点”现象，指出了传统的化工生产过程的“吃干榨尽”模式存在高能耗代价的弊端，阐明了适度转化可以有效降低化工合成过程的不可逆损失，揭示了多联产系统化工岛化学能梯级利用特性和节能机理。　　 燃料化学能梯级利用与CO2分离一体化机理。首先，针对捕获CO2的能量释放过程，从系统角度分析了化学能转化与CO2分离的相互作用关系，并进一步推导了化学能梯级利用与CO2分离一体化方程，指出一体化的本质为充分利用能量释放过程中的Gibbs自由能变化，实现其向热(?)的充分转化和提高CO2生成时的浓度以减小CO2分离能耗。而后，给出了多联产系统中化学能梯级利用与CO2分离的耦合关系，并对其耦合特性进行了研究，指明了多联产系统中如何实现化学能梯级利用与CO2分离一体化。　　 串并联综合型多联产系统的集成。对串联、并联型多联产系统的系统结构与系统特性(如，系统性能、产品比例、系统安全运行与调节)之间的关系进行分析，提出了串并联综合型多联产系统。推导了串并联综合型多联产系统化学能梯级利用的特征关系式，并分析其化学能梯级利用特性规律，基于系统模拟对串并联综合型多联产系统进行了热力性能和特性规律分析，指出串并联综合型多联产系统可以更好地协调产品比例和系统性能之间的矛盾，并且可以降低化工岛对动力岛的影响，有利于系统的调控和安全运行。　　 捕获CO2的串并联综合型多联产系统集成。推导了捕获CO2的能耗代价关系式，并分析了IGCC发电系统中燃烧前离、纯氧燃烧和燃烧后CO2分离对系统性能的影响，并结合化学能梯级利用与CO2分离一体化原理，从系统角度指出了降低CO2分离能耗的潜力所在，进而提出了捕获CO2的串并联综合型多联产系统。研究了串并联综合型多联产系统的热力性能和特性规律，指出该多联产系统在实现化学能梯级利用同时可以实现CO2的富集，实现了能源效率的提高和CO2分离能耗的降低之间的一体化耦合，相对于分产系统来说，多联产系统可以实现近零能耗CO2分离。　　 近零排放双燃料氢电联产多功能系统特性规律分析。从燃料互补和能量综合梯级利用角度，分析了重整条件、氢气分离率对系统节能率的影响、以及多功能系统特征参数的变化规律，指出新系统可以同时提高燃料化学能利用效率和降低CO2分离能耗，因此相对参考系统，多功能系统可以实现近零能耗CO2减排。