能源化学工程导论（高志贤）

当今社会的发展对能源资源的依赖越来越高，中华民族伟大复兴必须确保能源安全。传统的化石能源为国民经济的发展提供了物质基础，也带来了相关的环境污染和过度碳排放而引起的气候变化问题。传统煤炭、石油和天然气等碳基能源的清洁化利用，成为过去几十年来各国努力的方向，并取得了较大的进展。近二十年来，随着国际社会对不可再生碳基资源的持续消耗和碳排放的高度关注，太阳能、风能和生物质能等可再生新能源的开发利用成为未来发展的方向。碳基能源清洁利用与新能源开发，需要化工技术的新突破。由此，国内外都在能源化学与化工方面开设专业课程，为相关发展奠定了基础。
在此背景下，辽宁石油化工大学在原化学工程与工艺专业(煤化工)基础上组建能源化学工程专业。为响应我国新能源发展战略和满足专业发展需求，组织有关专家学者编写了本教材。参与编写的人员主要以具有科研背景的学者为主，除了辽宁石油化工大学人员外，还邀请了国内科研机构(中国科学院山西煤炭化学研究所、北京低碳清洁能源研究院及中科合成油有限责任公司)和高等院校(河南理工大学、安徽理工大学及上海交通大学)的专家共同参与教材大纲的制定、编写和审定。经过多次的研讨，并上报辽宁石油化工大学石油化工学院及能源化学工程专业领导核准，确定了本书以与化工有关的能源为主要内容，包括基础篇(第1章)、碳基能源篇(煤及其二次能源、天然气与石油，第2～5章)及新能源篇(太阳能、生物质能和氢能，第8～11章)。其中，在基础篇中，除介绍能源概况和能源化学理论外，还介绍了中国能源发展与能源的关联内容，以及相关的能源革命的重大决策等，目的是强化学生对我国能源发展与国民经济发展关系的深入理解。
在编写过程中，参阅国内外典型教材，部分内容以拓展阅读的方式入框展示，包括基本概念区分、与主题内容关联紧密的概念与定义、发展历史片段、人物和技术企业介绍以及近年来中国能源革命的相关政策等。这些内容与主题内容有机结合，有利于丰富学生的学习兴趣，激发学生为实现中华民族伟大复兴的中国梦而刻苦奋斗的决心与热情。另外，围绕本章主要内容，每章都给出本章的思考题，供广大师生选择使用。本书配套课件及思考题解答可提供给采用本书作为教材的院校使用，如有需要，请登录wwwcipeducomcn注册后下载使用。
全书共分11章，第1章由高志贤编写，第2章由高志贤、王志猛和韩冬云编写，第3章由赵建涛(煤制合成气)和高志贤(焦炭)编写，第4章由张凡(直接液化)、张玉龙和高志贤(间接液化)编写，第5章由张凡和张玉龙编写，第6章由刘姝和高志贤编写，第7章由张财顺和高志贤编写，第8章由陈常东和王芳芳编写，第9章由王菲和高志贤编写，第10章由庆绍军、张磊和高志贤编写，第11章由张磊、庆绍军和高志贤编写。另外，王天富审阅了生物质能章节全部内容(第9章)，相宏伟、王磊、邓天昇和侯相林等为本书的编写提供了部分编写资料。全书由高志贤负责审核后定稿。
由于编者水平所限，不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

编者
2023年12月

《能源化学工程导论》包括基础篇、碳基能源篇和新能源篇。基础篇介绍能源基本概念与科学基础、能源化工的范畴等。碳基能源篇包括三部分：煤及其二次能源（焦炭、合成气及煤基燃油和煤基醇醚燃料）（第2～5章）、天然气与可燃冰（第6章）和石油（第7章）。新能源篇由太阳能、生物质能和氢能组成（第8～11章）。
本书可作为高等学校能源化学工程专业师生以及继续教育、职业培训的教材，也可供能源化工等相关专业的研究生及技术人员参考。

基础篇1
第1章能源概论2
1.1能源的概念及分类与属性2
1.1.1能源的概念2
1.1.2能源的分类与属性2
1.2能源利用与能源结构演变4
1.2.1能源利用4
1.2.2能源结构演变4
1.2.3新时代的中国能源革命7
1.3能源科学基础8
1.3.1能量形式8
1.3.2能量守恒定律10
1.4能源化学工程11
1.4.1能源化学工程的定义与范畴11
1.4.2几个重要概念11
思考题12
参考文献13


碳基能源篇14
第2章煤15
2.1概述15
2.2煤的形成与分类16
2.2.1煤的形成16
2.2.2煤的分类16
2.2.3煤炭分类标准18
2.3煤的组成与结构特征21
2.4煤的物理化学性质23
2.5煤的质量指标和煤质分析25
2.5.1煤的质量指标25
2.5.2煤质分析29
2.6煤炭清洁利用技术概述29
思考题30
参考文献30

第3章煤制焦炭与合成气31
3.1煤制焦炭31
3.1.1煤炭焦化31
3.1.2焦化产品32
3.1.3焦炭质量指标32
3.2煤制合成气33
3.2.1煤气化的基本化学反应34
3.2.2热力学平衡分析35
3.2.3煤气化反应动力学及其机理38
3.2.4气化用煤的煤质特性42
3.2.5煤气化工艺44
3.2.6煤气化工艺选择依据57
思考题59
参考文献59

第4章煤基燃料油60
4.1概述60
4.2煤炭直接液化61
4.2.1直接液化概念61
4.2.2化学原理61
4.2.3煤直接液化催化剂62
4.2.4煤直接液化工艺62
4.2.5煤直接液化工业化62
4.3煤炭间接液化63
4.3.1间接液化概念63
4.3.2化学原理64
4.3.3F-T合成催化剂64
4.3.4煤间接液化工艺64
4.3.5F-T合成反应器65
4.3.6F-T合成的工业化66
思考题69
参考文献69

第5章煤基醇醚燃料70
5.1甲醇71
5.1.1概述71
5.1.2甲醇合成原理与工艺73
5.1.3甲醇合成催化剂74
5.2二甲醚75
5.2.1概述75
5.2.2二甲醚合成原理与工艺77
5.2.3二甲醚合成催化剂79
5.3低碳醇80
5.3.1概述80
5.3.2低碳醇合成原理与工艺81
5.3.3低碳醇合成催化剂83
思考题85
参考文献85

第6章天然气与可燃冰87
6.1概述87
6.2天然气87
6.2.1天然气的组成、分类与性质88
6.2.2天然气的开采、储量及利用89
6.2.3天然气的净化处理91
6.2.4天然气化工93
6.2.5天然气作为能源的利用技术94
6.3可燃冰96
6.3.1可燃冰的发现96
6.3.2可燃冰的结构97
6.3.3可燃冰的形成与开采97
6.3.4中国可燃冰的发现与开采100
思考题101
参考文献102

第7章石油103
7.1概述103
7.1.1石油组成与性质103
7.1.2石油分类简介104
7.1.3全球主要油田及原油储量105
7.2石油炼制与加工107
7.3石油产品108
7.3.1汽油108
7.3.2柴油111
7.3.3航空燃油113
7.3.4燃料油113
7.3.5煤油114
思考题114
参考文献115


新能源篇117
第8章太阳能118
8.1概述118
8.1.1太阳及太阳辐射118
8.1.2太阳能利用回顾121
8.1.3太阳能利用新技术123
8.2太阳能电池125
8.2.1太阳能电池的发展背景及历程125
8.2.2太阳能电池的原理126
8.2.3太阳能电池的分类128
8.2.4太阳能电池的应用132
8.3光催化技术132
8.3.1光催化简介132
8.3.2光催化原理133
8.3.3光催化材料134
8.3.4光催化的性能提高136
8.3.5光催化的应用140
思考题141
参考文献141

第9章生物质能143
9.1概述143
9.1.1生物质143
9.1.2生物质能145
9.1.3生物质转化145
9.1.4生物质制氢技术147
9.2生物质气化148
9.2.1生物质气化制取燃气148
9.2.2生物质厌氧发酵技术制备沼气149
9.3生物质液化154
9.3.1燃料乙醇154
9.3.2燃料油（生物质化学转化——生物柴油）159
9.4生物质制氢162
9.4.1制氢方法与工艺162
9.4.2生命周期评价164
思考题164
参考文献165

第10章氢能166
10.1概述166
10.1.1氢气166
10.1.2氢能的概念167
10.2氢能的应用方式168
10.2.1氢的燃烧——氢内燃机168
10.2.2氢燃料电池发电169
10.3氢的制取169
10.4氢的存储171
思考题172
参考文献172

第11章燃料电池173
11.1概述173
11.2燃料电池原理与构成174
11.3燃料电池热力学基础175
11.3.1电池电势计算175
11.3.2电池电势与吉布斯自由能175
11.4燃料电池电催化剂177
11.4.1电催化作用177
11.4.2氧还原反应178
11.4.3催化剂的表征179
11.5重要的燃料电池179
11.5.1质子交换膜燃料电池179
11.5.2直接甲醇燃料电池180
11.5.3固体氧化物燃料电池181
思考题181
参考文献182