能源化学工程概论

人类利用能源经历了从木柴向煤炭、煤炭向油气、油气向新能源的三次重大转换。近年来，曾支撑20世纪人类文明高速发展的以石油、煤炭和天然气为主的化石能源出现了前所未有的危机，除其储藏量不断减少外，化石能源在使用后产生的二氧化碳气体作为温室效应气体排放到大气中后，导致了全球变暖，引发了人们对未来社会发展动力来源的广泛关注和思考。随着世界经济对能源需求的持续增长、国际油价的高位运行和低碳社会的逐渐到来，化石能源的清洁利用和新型清洁能源的大力开发逐渐成为能源领域的重要热点和方向。能源的开发和利用需要化工科学和技术的支撑，化工过程在能源开发和转化中起到了不可或缺的作用，随着越来越多的化工过程应用于能源的开发和利用，能源化工的概念就此产生。国家亟需一批能源化工人才，集中力量研究能源安全、能源发展、能源清洁利用、清洁能源开发等能源问题。

2010年经*批准，首次在包括大连理工大学在内10所高校设立“能源化学工程”专业，并被确定为国家战略性新兴产业相关的高等学校特色专业。目前国内已有近30所院校开设了“能源化学工程”专业。该专业是建立在化学、化工、环境和能源基础上的多学科交叉专业，为战略性新兴产业培养专门人才，主要涉及煤、石油、天然气、生物质、氢能等规模化加工、生产过程中的工艺与工程技术问题。

2015年笔者编写出版了《能源化学工程概论》。本书编写的主要目的是为“能源化学工程”专业的本科生和相关专业读者介绍三方面的内容：一是基于传统化石能源制备动力燃料的新工艺和新方法，即能源的清洁利用；二是获取清洁能源，主要是电能的新型工艺和新技术，即清洁能源开发；三是能源使用过程中产生的二氧化碳的捕集及资源化利用。本书出版之后，受到各学校的师生的高度认可，已经多次重印。

能源化工是一个快速发展的行业，新的工艺技术不断涌现，为更好地帮助大家及时了解能源化工领域的新方法、新技术、新应用，本书于2020年进行了修订，修订过程中对本书涉及的所有数据进行更新；每章新增本章学习重点及本章思考题；第2章新增2.2.4介绍直接间接液化耦合技术；新增2.3节来介绍煤制合成气；新增2.4.3、2.4.4和2.4.5依次介绍煤制乙醇、煤制乙二醇、煤制烯烃；第4章新增4.2.3介绍天然气制合成油；第5章删掉5.8节生物质制沼气；第6章更新6.3.5其他正极材料，如：三元共混材料；新增6.4.4介绍镍基负极材料；更新6.4.5其他负极材料；新增6.5.3～6.5.7依次介绍其他新型电池：钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、锌离子电池、双离子电池；第8章新增8.2.4介绍微型超级电容器。本书写作团队来自大连理工大学化工学院，全书共分9章，李文翠教授确定了本书的大纲，并负责编写了第1、6～8章，胡浩权教授负责编写了第2章，鲁金明副教授负责组织编写了第3、4章，陆安慧教授和郝广平教授负责编写了第5、9章，李文翠教授和郝广平教授负责全书书稿的校对、图表的编排等工作。张向倩博士、张玲硕士协助资料的收集工作。本书在编写过程中，广泛参阅了国内外出版的相关图书和论文，在此向这些资料的作者表示衷心感谢。

本书旨在提供一本本科生学习能源化工的教材，并兼顾化工、化学等技术人员的学习参考。由于编者水平有限，时间仓促，书中论述不当和不妥之处在所难免，恳请广大读者批评指正，并提出宝贵意见，我们共同努力，促进我国的能源化工技术及产业的发展。

编者

2020年10月于大连

能源问题是当今社会发展遇到的重要问题，以物质为载体的能量转化与转移过程，多以化学化工知识为基础。《能源化学工程概论》（第二版）从化学与化工学科的视角对能源转化为动力燃料和电能的开发与利用做了较全面的介绍，介绍了化学与化工在现代能源中的交叉渗透情况。全书共9章，包括绪论、新型煤化工、石油化工、天然气、生物质能、锂离子电池、燃料电池、超级电容器、CO2的捕集与资源化利用。本书在内容的取舍和深度的把握上做了一定的工作，使之达到深化基础、更新内容和增加信息等多重目的。

《能源化学工程概论》（第二版）可作为高等院校能源化学工程、化学工程与工艺、制药工程、生物工程、应用化学等专业能源化工课程的教材，也是一本普及性的能源化学工业读物，可供化工、能源、材料、环保、电力等部门从事科研、设计和生产的技术人员参考。

第1章绪论1

1.1能源及能源利用1

1.1.1能源的概念及分类1

1.1.2能源利用的发展历程3

1.2能源的重要性与能源危机4

1.3能源转化中的化工过程6

1.4能源化工过程的污染与防治7

本章思考题8

参考文献8

第2章新型煤化工10

2.1煤化工概述10

2.1.1煤的储量、生产及消费11

2.1.2煤的基本特征13

2.1.3煤化工发展简史20

2.2煤炭液化21

2.2.1煤炭直接液化21

2.2.2煤炭间接液化27

2.2.3煤炭直接液化和间接液化的对比29

2.2.4直接间接液化耦合技术30

2.3煤制合成气31

2.3.1煤气化技术31

2.3.2合成气的调变34

2.3.3合成气精制技术35

2.4煤基醇醚燃料37

2.4.1煤制甲醇37

2.4.2煤制二甲醚38

2.4.3煤制乙醇40

2.4.4煤制乙二醇42

2.4.5煤制烯烃44

2.5小结47

本章思考题48

参考文献48

第3章石油化工50

3.1概述50

3.1.1石油的基本知识50

3.1.2原油的外观性质51

3.1.3原油的组成51

3.1.4石油的生成理论53

3.1.5石油的储量、生产及消费54

3.1.6石油的开采及提高采油率的方法54

3.2石油炼制56

3.2.1原油的一次加工56

3.2.2原油的二次加工58

3.2.3原油的三次加工68

3.3石油产品72

3.3.1汽油72

3.3.2柴油73

3.4小结74

本章思考题75

参考文献75

第4章天然气77

4.1天然气基础知识77

4.1.1天然气的成因78

4.1.2天然气的开发利用进程78

4.1.3天然气的组成79

4.1.4天然气的分类79

4.1.5世界天然气储量与分布80

4.2天然气的利用81

4.2.1天然气的分离和净化82

4.2.2天然气的化工利用90

4.2.3天然气制合成油91

4.3非常规天然气93

4.3.1天然气水合物94

4.3.2煤层气96

4.3.3页岩气97

4.4小结99

本章思考题99

参考文献100

第5章生物质能101

5.1生物质能基础知识101

5.1.1生物质101

5.1.2生物质能102

5.1.3生物质能的加工利用103

5.2生物质制取燃料乙醇104

5.2.1燃料乙醇的应用和发展104

5.2.2生产燃料乙醇的主要方法105

5.2.3发酵法制取燃料乙醇105

5.2.4燃料乙醇的应用展望108

5.3生物质制取汽柴油108

5.4生物质制取生物柴油109

5.4.1生物柴油的性质109

5.4.2生物柴油的原料109

5.4.3生物柴油的制备方法110

5.4.4国内外生物柴油的研究进展113

5.5生物质制取生物油113

5.5.1生物质热裂解113

5.5.2生物油的物化性质113

5.5.3生物油改质技术及应用114

5.6生物质气化技术114

5.6.1生物质气化过程114

5.6.2生物质气化制取燃气115

5.6.3生物质气化合成液体燃料115

5.6.4气化技术的特点及存在的问题116

5.7小结117

本章思考题117

参考文献117

第6章锂离子电池119

6.1锂离子电池发展简史119

6.2锂离子电池工作原理及结构120

6.2.1锂离子电池的工作原理120

6.2.2锂离子电池的结构121

6.3锂离子电池正极材料121

6.3.1Li-Co-O体系121

6.3.2Li-Ni-O体系122

6.3.3Li-Mn-O体系122

6.3.4LiFePO4123

6.3.5其他正极材料124

6.4锂离子电池负极材料126

6.4.1碳基负极材料126

6.4.2硅基负极材料128

6.4.3锡基负极材料128

6.4.4镍基负极材料129

6.4.5其他负极材料130

6.5其他新型二次离子电池131

6.5.1锂-硫电池131

6.5.2锂-空气电池132

6.5.3钠离子电池133

6.5.4钾离子电池136

6.5.5镁离子电池136

6.5.6锌离子电池136

6.5.7双离子电池137

6.6锂离子电池的应用138

6.6.1电子产品方面的应用138

6.6.2交通工具方面的应用138

6.6.3国防军事方面的应用139

6.6.4其他应用139

6.7小结139

本章思考题140

参考文献140

第7章燃料电池142

7.1燃料电池概述142

7.2燃料电池的分类144

7.2.1碱性燃料电池144

7.2.2磷酸燃料电池145

7.2.3熔融碳酸盐燃料电池145

7.2.4固体氧化物燃料电池145

7.2.5质子交换膜燃料电池146

7.2.6直接甲醇燃料电池147

7.3燃料电池的氢源148

7.3.1氢的制取148

7.3.2氢的存储150

7.4燃料电池的应用152

7.5小结153

本章思考题154

参考文献154

第8章超级电容器156

8.1超级电容器及其发展历史156

8.2超级电容器的分类158

8.2.1双电层电容器158

8.2.2赝电容电容器159

8.2.3混合型超级电容器160

8.2.4微型超级电容器161

8.3超级电容器的组成及特点163

8.3.1超级电容器的组成163

8.3.2超级电容器的性能指标166

8.3.3超级电容器的特点167

8.4超级电容器电极材料168

8.4.1碳基电极材料168

8.4.2金属氧化物电极材料172

8.4.3导电聚合物电极材料175

8.4.4杂化电极材料176

8.5超级电容器的应用178

8.6小结180

本章思考题180

参考文献181

第9章CO2的捕集与资源化利用182

9.1能源化工行业CO2排放及控制182

9.2CO2分离技术184

9.2.1物理吸收法184

9.2.2化学吸收法186

9.2.3吸附分离法188

9.2.4膜法196

9.2.5低温蒸馏法199

9.3CO2的资源化利用200

9.4小结203

本章思考题203

参考文献203

能源问题是当今社会发展遇到的重要问题，以物质为载体的能量转化与转移过程，多以化学化工知识为基础。《能源化学工程概论》（第二版）从化学与化工学科的视角对能源转化为动力燃料和电能的开发与利用做了较全面的介绍，介绍了化学与化工在现代能源中的交叉渗透情况。全书共9章，包括绪论、新型煤化工、石油化工、天然气、生物质能、锂离子电池、燃料电池、超级电容器、CO2的捕集与资源化利用。本书在内容的取舍和深度的把握上做了一定的工作，使之达到深化基础、更新内容和增加信息等多重目的。

《能源化学工程概论》（第二版）可作为高等院校能源化学工程、化学工程与工艺、制药工程、生物工程、应用化学等专业能源化工课程的教材，也是一本普及性的能源化学工业读物，可供化工、能源、材料、环保、电力等部门从事科研、设计和生产的技术人员参考。