緒論001
一、能源的概念與分類001
二、能量005
三、能源現狀008


篇常規能源
章煤炭012
節煤炭在國際能源格局中的戰略地位012
一、煤炭在世界能源結構中占有重要地位012
二、我國煤炭生產和消費對穩定世界能源安全具有重要作用012
三、煤炭在我國能源結構中的戰略地位013
第二節煤炭的種類和特征014
一、煤炭的分類014
二、煤炭的特征017
第三節煤的形成017
一、煤的形成階段017
二、主要成煤期和主要煤田019
第四節煤的結構與組成021
一、煤的化學結構模型021
二、煤的工業分析023
三素組成024
第五節潔淨煤技術026
一、煤炭加工027
二、煤的高效燃燒技術030
三、燃煤煙氣淨化技術032
第六節煤的氣化與間接液化035
一、煤氣化基本原理036
二、煤氣化工藝036
三、煤炭地下氣化038
四、煤氣化新技術039
五、煤的間接液化040
第七節煤的直接液化044
一、煤化程度與液化特性的關繫046
二、原料煤前處理與液化特性的關繫046
三、煤炭直接液化催化劑046
四、煤炭直接液化機理047
五、煤炭直接液化工藝過程048
六、煤炭直接液化產品及精制049
第八節煤的綜合利用050
一、煤的干餾過程050
二、煤的干餾產物051

第二章石油053
節石油的形成053
第二節石油的勘探與開采055
一、石油的勘探055
二、石油的開采059
第三節石油的性質064
一、石油的組成064
二、石油的主要成分與結構065
第四節石油的煉制067
一、原油蒸餾067
二、石油深度加工過程069
第五節石油產品074
一、汽油074
二、航空煤油077
三、柴油078
四、潤滑劑080
五、其他石油產品082

第三章天然氣的生產與加工084
節天然氣在能源結構中的地位084
第二節天然氣的組成與分類085
一、天然氣的組成085
二、天然氣的性質086
三、天然氣的分類087
四、天然氣的商業標準088
第三節天然氣的開采與運輸090
一、天然氣的開采090
二、天然氣的運輸090
第四節天然氣淨化技術092
一、天然氣脫水092
二、天然氣脫硫脫碳098
第五節天然氣凝液回收與提氦102
一、預處理102
二、天然氣脫汞104
三、輕烴回收105
四、天然氣提氦110
第六節天然氣液化與儲運111
一、天然氣液化111
二、液化天然氣的儲運114
第七節天然氣應用116
一、天然氣發電116
二、城市燃氣117
三、天然氣汽車119
四、天然氣制合成氨119
五、天然氣制甲醇122
六、天然氣其他應用123


第二篇非常規能源
第四章非常規天然氣的生產與處理技術126
節煤層氣127
一、概述127
二、煤層氣的成因類型127
三、煤層氣的儲存與運移129
四、煤層氣開采技術130
五、煤層氣集輸與處理132
第二節頁岩氣135
一、概述135
二、頁岩氣資源與分布137
三、頁岩氣生成機理和成藏機理141
四、頁岩氣開發技術143
五、頁岩氣處理146
第三節天然氣水合物147
一、概述147
二、天然氣水合物資源分布148
三、天然氣水合物的晶體結構149
四、天然氣水合物存在方式和性質154
五、天然氣水合物的開發155

第五章非常規石油的生產與加工技術161
節油頁岩的生產與加工技術161
一、概述161
二、全球油頁岩資源163
三、油頁岩的組成及結構165
四、油頁岩開采169
五、油頁岩干餾工藝171
六、頁岩油179
第二節油砂的生產與加工181
一、概述181
二、油砂的資源分布182
三、油砂的性質182
四、油砂開采技術186
五、油砂的分離與加工189


第三篇新能源與可替代能源
第六章氫能194
節氫氣的性質194
一、氫氣的物理性質195
二、氫氣的化學性質195
三、氫氣作為能源的特點197
第二節氫氣的制備199
一、煤制氫199
二、氣體原料制氫201
三、液體化石燃料制氫203
四、水制氫204
五、生物質制氫206
六、其他制氫方法210
第三節氫氣的純化210
一、低溫吸附法210
二、低溫分離法210
三、變壓吸附法211
四、膜分離法212
第四節氫氣的存儲和運輸213

第七章燃料電池214
節燃料電池的基本原理和特點214
一、燃料電池的基本原理214
二、燃料電池的特點216
三、燃料電池的關鍵材料和部件217
四、電池組與相關技術218
五、電池繫統219
六、燃料電池的分類219
第二節堿性燃料電池220
一、基本原理220
二、電催化劑與電極221
三、電解質222
第三節磷酸型燃料電池223
一、基本原理223
二、催化劑224
三、電極結構225
四、碳化硅多孔隔膜225
五、雙極板226
第四節質子交換膜燃料電池226
一、基本原理226
二、電催化劑227
三、電極227
四、雙極板229
五、質子交換膜230
第五節熔融碳酸鹽燃料電池231
一、基本原理231
二、電極232
三、隔膜233
四、雙極板234
第六節固體氧化物燃料電池234
一、基本原理235
二、電解質材料236
三、電極材料238
四、雙極連接材料240
五、密封材料240
六、電池組241

第八章核能244
節原子核的基本性質244
一、原子核的組成及表示244
二、原子核的大小245
三、原子核的穩定性245
四、放射性衰變246
第二節核反應248
一、核裂變反應248
二、235U的裂變過程249
三、核裂變自持鏈式反應250
四、核聚變251
第三節核反應堆254
一、核反應堆種類254
二、核反應堆的基本結構255
第四節壓水堆核電廠257
一、核能發電的歷史257
二、壓水堆電廠概況257
三、壓水堆本體259
四、壓水堆核電廠的一回路繫統263
五、壓水堆核電廠的二回路熱力繫統264
第五節核電廠控制和運行265
一、核反應堆控制原理265
二、壓水堆核電廠的運行266
第六節核事故與核安全267
一、核事故267
二、核安全271

第九章生物質能275
節生物質直接燃燒275
一、燃燒的基本類型275
二、生物質的燃燒過程276
三、燃燒的基本要素276
四、省柴灶277
五、生物質燃燒發電278
第二節生物質壓縮成型279
一、壓縮成型原理和影響因素279
二、壓縮成型工藝280
三、壓縮成型生產流程281
四、生物質壓縮成型設備282
第三節生物質熱裂解284
一、生物質快速熱裂解機理284
二、生物質熱裂解液化工藝284
三、流化床反應器生物質快速熱裂解制取生物油裝置286
四、流化床反應器生物質快速熱裂解制取生物油工藝流程288
第四節生物質氣化289
一、氣化基本原理289
二、生物質氣化技術的分類290
三、生物質氣化工藝和設備291
第五節燃料乙醇294
一、乙醇的性質294
二、生物質的發酵原理295
三、燃料乙醇發酵技術296
第六節生物柴油298
一、生物柴油概述298
二、制備生物柴油的油脂原料299
三、生物柴油的制備方法299
四、第二代生物柴油301

參考文獻 303

能源是人類社會賴以發展的重要物質基礎，也是人類社會高度文明的重要條件。當人類以薪柴為主要能源時，生產和生活水平都極低，社會發展非常緩慢。蒸汽機是首次將煤的化學能轉化為機械能的裝置，起初被廣泛用於煤炭的生產，後用於移動機械，造就了18世紀歐洲的蒸汽機工業文明。19世紀，內燃機、發電機和電動機的發明讓工業再次迎來了改革，雖然帶動工業的動力表現形式沒有改變，但工業的面貌已經發生了實質性變化。20世紀50年代，由於大型油氣田的相繼開發，人類迎來了石油時代，世界上許多國家依靠石油和天然氣創造了人類歷史上空前的物質文明。而現在我們正經歷的，是一個以電子和生物技術為基礎的工業時代。
當今社會的主流能源依然是煤炭、石油和天然氣等化石能源，隨著人類的不斷開采，化石能源的枯竭是不可避免的。同時，化石能源的大規模使用帶來了環境的惡化，威脅全球的生態。因此，人類在尋求新能源的同時，化石能源的高效、清潔利用，依然是可持續發展的重要環節。
作為首批獲準承辦“能源化學工程”專業的 直屬高校之一，中國石油大學（北京）於2010年7月成立了“能源化學工程”專業。“能源化學工程”專業立足於煤、天然氣、石油及生物質等轉化過程中所涉及的工業過程在能源物質轉化中的應用。在專業設立之初，就將“能源工程概論”設置為專業基礎課，形成了以常規能源為基礎、非常規能源為補充、新能源與可替代能源為發展方向的知識構架。反映在本書中，即緒論、常規能源篇、非常規能源篇、新能源和可替代能源篇。
本書緒論部分介紹了能源的概念與分類、能量的基本形式和基本性質、能源現狀。能源現狀部分的數據為數據。
常規能源篇包括煤炭、石油和天然氣。章介紹了煤炭在國際能源格局中的戰略地位、煤炭的種類和特征、煤炭的形成、煤炭的結構與組成、潔淨煤技術、煤的氣化與間接液化、煤的直接液化和煤的綜合利用。第二章介紹了石油的形成、石油的勘探與開采、石油的性質、石油煉制及石油產品。第三章介紹了天然氣在能源結構中的地位、天然氣的組成與分類、天然氣的開采與運輸、天然氣淨化技術、天然氣凝液回收與提氦、天然氣液化與儲運、天然氣應用。
非常規能源篇包括非常規天然氣、非常規石油。第四章介紹了非常規天然氣（煤層氣、頁岩氣、天然氣水合物）的成因、賦存狀態、開采技術及後處理等。第五章介紹了非常規石油（油頁岩、油砂）的資源現狀、開采技術、加工工藝及設備等。
新能源與可替代能源篇包括氫能、燃料電池、核能及生物質能。第六章介紹了氫能，內容包括氫氣的性質、氫氣的制備、氫氣的純化、氫氣的存儲和運輸。第七章介紹了燃料電池，內容包括燃料電池的基本原理和特點，以及堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、質子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池的工作原理及電解質材料、電極材料、隔膜等的組成、性能和制備工藝；也介紹了固體氧化物燃料電池電池組的構造。第八章介紹了核能，內容包括原子核的基本性質、核裂變反應和核聚變反應、核反應堆的種類與基本結構、壓水堆核電廠、核電廠的控制和運行、核事故與核安全。在談核色變的今天，強調“核安全”的理念尤為重要。第九章介紹了生物質能，內容包括生物質直接燃燒、生物質壓縮成型、生物質熱裂解、生物質氣化、燃料乙醇和生物柴油。
本書在編寫過程中，得到了中國石油大學（北京）在本課程教學改革方面的大力支持。黃星亮教授對本書的架構提出了非常寶貴的意見和建議。葛佳琪博士、田宏宇碩士、周宜林碩士、趙春曉碩士等協助資料的收集工作，並繪制了部分圖表。本書廣泛參閱了國內外出版的相關書籍和文章，在此向這些資料的作者表示衷心感謝！
本書可作為高等院校能源化學工程、化學工程與工藝、生物工程、應用化學等專業能源工程課程的教材，也可作為普及性的能源工程讀物，供非能源專業的科技人員參考。
能源和能源工程領域涉及面非常廣泛，科學與技術的發展也非常快，加之編著者水平有限，書中難免有一些疏漏或不當之處，懇請廣大讀者批評指正，並提出寶貴意見。

劉百軍
2022年6月於北京