全新正版图书 12-13-工程热物理学科发展报告中国科学技术协会中国科学技术出版社9787504665362人天图书专营店 mobi 下载 网盘 caj lrf pdf txt 阿里云

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序

前言

综台报告

工程热物理学科发展现状与前景展望

一、引言

二、新研展

三、国内外比较

四、发展趋势和展望

参考文献

专题报告

分布式能源发展研究

能源动力系统温室气发展研究

流体机械学科发展研究

风能利用学科发展研究

化石燃料燃烧形成PM2．5及其控制技术发展研究

燃烧力学发展研究

辐射传递及换热发展研究

多相流科学技术发展研究

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索引

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工程热物理学科发展

现状与前景展望

一、引言

工程热物理与能源利用学科是一门研究能量和物质在转化、传递及其利用过程中

基本规律和技术理论的应用基础学科，是节能减排的主要基础学科。

从人类利用能源和动力发展的历史看，古代人类几乎依靠可再生能源，人工

或简单机械已经能够适应农耕社会的需要代以来，蒸汽机的发明唤起了次工

业，而能源基础，则是以煤为主的化石能源，从小规模的发电技术到大电网，支

撑了大工业生产相应的大规模能源使用。石油、天然气在内燃机、柴油机中的广泛使

用，奠定了现代交通的基础，燃气轮机的技步使飞机突破声障一步适应了高

度集中生产的需要。但是化石能源过度使用，造成严重环境污染，而且化石能源资源

终将枯竭，严重地威胁着人类的展，要求人类必须再一次主要地使用可再生

能源。这预示着人类必将再次步入可再生能源时代—— 一个与过去不同的、建立

在当代高新技术基础上创新发展起来的崭新可再生能源时代。这个时代，按照里夫金

《第三次工业》的说法，是建立在现代信息技术与分布式能源技术基础上的分布

式利用可再生能源的时代。

化石能源行将枯竭带给人类巨大的挑战。在 19 世纪以前的长久历史时期中，人

类主要依靠可再生能源（生物质能、太阳能、水能、风能）作为一次能源。自 19 世

纪中期以来，煤的开发利用逐步取代了木柴，经历约半个世纪后成为全球的主要一

次能源，使整个 世纪成为化石能源世纪。化石能源括煤、石油与天然气，在

几乎整个 世纪所占份额在 80% 以上；自 1970 年起石油约占 40%，煤与天然气各

占 % 多，满足了全球的需求。根据英国石油公司 11 年底的统计资料，全世界探

明的石油、天然气、煤炭储量及储采比数据显示，按目前产量计算，天然气储采比为

63.6 年；石油储采比约为 54.2 年。煤炭的储采比略长，约为 112 年。而在我国，三种

主要化石能源石油、煤炭、天然气的储采比分别为 9.9 年、29.8 年和 33 年，均远低于

世均，我国面临的能源形势更为严峻。

化石能源的使用影响了全球气候变化。随着人类社会的发展，尤入工业化时

代后，人类改造和影响地球系统的能力显著，积累效应使消耗化石能源行为成为

影响气候变化的一项重要外界因素。人类在工业化以来，短短 250 余年间排放了大

约 1.16 万亿吨（CDIAC 数据）的 CO2，而这可能是全球大气 CO2浓度由 280ppm 升高

到 379ppm 的主要原因。的 CO2浓度可能带来了更强的温室效应。1860 年以来

全球地均气温升高了 0.44 ～ 0.8℃。

以气候变化为核心的全球环境问题日益严重，已经成为威胁人类可持续发展的主

要因素之一。气候变化问题将贯穿今后世界政治、外交始终，温室气技术已经

成为全球科技领域的前沿热点。我国是 CO2排放大国，CO2减排未来可能成为制约我

国发展的大约束。11 年德班会议中，我国表态，在的前提下，

可以接受 年以后有法律约束力的全球减排协议。然而，我国能源消耗量巨大，

我国现在已经到了一个必须转变经济发展方式、调整产业结构以确保可持续发展

的关键时期。能源可持续发展也面临着转变能源利用方式的挑战，是如何发展可

再生能源和低碳技术，这一变革将成为未来工程热物理学科发展的主题。然而，以往

工程热物理学科主要针对热的能源形式的研究，已不足以支撑我国能源的可持续

发展，迫切需要新的学科发展战略，为新兴能源产业的发展提供科学基础。

为落实中国科协关于学科发展战略研究工作的有关部署，制定我国工程热物理与

能源利用学科的发展战略。组织由院士、本学科中青年专家，从学科发展和国家重大

需求的战略层面出发，重新审视工程热物理学科的发展。在学科发展现状、发展趋

势、重要研究方向、支撑体系建设等几方面开展战略研究工作，围绕洁净煤技

术、分布式供能系统、新概念发动机、风能与太阳能利用、能源动力系统温室气体控

制等自主创新研究，提出具有工程热物理学科的学科发展战略和优先领域，提升

学科发展规划制定工作的科学、战略和前瞻，发挥在节能减排的重要作用，为

我国占领能源科技与新兴能源产业制高点提供科学依据。

二、新研展

（一）科学用能

科学用能从能的梯级利用、清洁生产、资源再循环等基本科学原理出发，寻求用

能系统的合理配置，深入研究用能过程中物质与能量转化的规律以及它们的应用，达

到提高能源利用率和减少污染，终减少能源消耗的目的。科学用能强调依靠科学技

术来节能和提高能源利用率，旨在、切实地循环经济的发展，是实现节能的

根本途径，是能源科技发展的必然结果。

“科学用能”主含三个层面：一是通过“分配得当、各得所需、温度对口、

梯级利用”的方式，不断提高能源及各种资源的综合利用效率，降低环境资源代

价；二是通过解决能源与环境的协调相容问题，把能源转换过程与物质转换过程紧

密结合在一起，注重控制废弃物与污染物的形成、迁移与转化，将能源转换利

用过程与分离污染物的过程有机地结合在一起，降低甚避免分离过程额外的能量

消耗，实现在能源利用的同时，分离、回收污染物；三是转变传统的能源利用模式，

发展资源、能源、环境一体化模式，实现资源再循环，大限度地减少“废物”和

“废能”。

建议发展生态工业园等能源和资源综合利用、梯级利用生产模式，及燃料电池、

分布式供能技术、核能、可再生能源利用等新型能源技术。此外，还应该发展可以有

效提高能源利用效率、减少环境污染的新兴能源利用技术，如煤炭的综合利用技术，

实现液体燃料、化工产品和能源动力的多联产系统，以及固态照明技术等。与此同

时，探索用能管理的新方法、新机制、新模式。

我国能源利用效率与上存在较大差距，表明我国节能有很大的潜力，有

可能通过科学用能来大幅度提高我国的能源利用率，赶上当今的，

而达到。不仅如此，为了达到比传统工业化国家还要低很多的能耗水

的、可靠、清洁的供应。因此，我国的节能和科学用能任重道远。

（二）化石燃料的清洁利用

1. 洁净煤发电技术

我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一。目前我国的能源消费结构中

煤炭占 68%，能源资源条件决定了我国以煤为主的能源消费结构在短期内难以转变，未

来煤炭仍将在整个能源过程中发挥不可替代的作用。以燃煤发电产业为例，为满足经济高

速增长的需求，我国的发电装机容量逐年增加，10 年火电装量已达 7.1 亿千瓦，比

05 年的 3.9 亿千瓦增长一倍，由此导致污染物排放居高难下。国家“十二五”规划

提出，“十二五”期间，国家对四种主要污染物：化学需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化

物实排放量控制。在 11 年，全排放量化学需氧量 2500 万吨，氨氮排放量 260

万吨，二氧化硫排放量 20 万吨，氮氧化排放量超过 2400 万吨。其中火电厂是上述

污染物的主要来源之一。世界银行发布的《世界发展指标 11》中列举的世界污染严

重的 个城市中，中国占了 13 个括天津、重庆、沈阳、郑州、北京等城市。世界银

行根据发展趋势预计， 年中国因燃煤污染导致的疾病需付出经济代价达 3900 亿美元，

占国内生值的 13%，发达国家在工业化中后期出现的污染公害已经在我国普遍出现，

煤炭洁净利用问题在中国极为突出。

降低煤在我国能源产业结构中的比重，增加天然气、可再生能源与核能的比重是我国

能源结构调整的主要努力方向。05 年，可再生能源开发利量（括传统方式利

用生物质能）约 1.66 亿吨标准煤，约为 05 年全国一次能源消量的 7.5%，而天然气

占能源比重不到 3%。通过充分利用水电、沼气、太阳能热利用和地热能等，加快风

力发电、电、太阳能发电的产业化发展，可以逐步提高清洁可再生能源在能

源结构中的比例，力争到 15 年使可再生能源消费量达到能源消量的 9.5% 左右，到

年达到 15% 左右。同时，预计 年天然气占能源结构比重将上升到 8% 左右，核

电装机到 年超过 4000 万千瓦。通过上述能源结构调整措施，力争到 年，煤在

我国能源结构中的比重下降到 55% 以下。

目前我国煤炭的主要利用方式是直接燃烧，它提供了我国发电、供热、冶金、化工等

行业的主要热源。这种简单的利用方式不仅造成 1/3 的燃料能力损失，而且使燃

烧产生的污染物稀释在大量的燃烧尾气中，加大了污染物脱除的难度。为此，我国必须开

发、洁净的新型煤炭利用技术。

化、、环保趋势明显。我国已投运和在建的 1000MW 超超临界发电机组达到了 83 台，

其中，已投入商业运行的机组为 21 台。蒸汽参数均采用 25MPa、600℃等级均供电煤

耗 295gce/（kW·h），技术居国内。预测到 年，我国新建机组及“上

大压小”机组容量达 500GW，这为大容量、高参数煤电技术应用带来了较大的市场空间。

自主研制和示范运行，并自主开发、设计、***了 600MW 超临界循环流化床燃煤示范工

程锅炉。CFB 锅炉在工程应用领域已经由“十五”期间主要是技术占统治地位，转变

为 300MW 及以下规模 CFB 锅炉以我国技术为主、300MW 以上规模 CFB 锅炉与国外技术

相竞争。

我国已开展大型煤气化、合成气低污染重型燃气轮机改造、液体产品合成、系统优

化集成及设计、运行及控制等关键技术和系统的研发、验证工作。863 计划重大项目“以

煤气化为基础的多联产示范工程”所依托的华能天津 250MW 级 IGCC 示范工程已经

运行。

在 IGCC 的基础上，洁净煤技术发展的另一重要方向是化工－动力多联产系统。化

工－动力多联产系统是指通过系统集成把化工生产过程和动力系统有机地耦合在一起，在

完成发电、供热等能量转换利能的同时，生产替代燃料或化工产品，从而同时满足能

源、化工以及环境等能、多目标综合的能源利用系统。作为一种广义的洁净煤利用技

术，多联产系统综合了化工生产流程与动力系统的特点，试图从能源科学、化工科学与环

境科学的交叉领域寻找同时解决资源、能源和环境问题的新途径。研究表明，化工－动力

多联产系统相对于化工与动力分产系统可节能 15% 以上，替代燃料电成本有望

下降 % 以上，从而有力洁净煤利用技术的扩散。

我国污染物控制技术发展和应用取得世人瞩目的成绩。从我国国情出发，需要发展可

资源化污染物控制技术，以提升其资源和环境效益；发展与燃烧过程协同的污染物控制技

术，发展更低成本、更高系统集成度的多种污染物联合（一体化）脱除技术；发展适用于

从洁净煤利用技术的发展趋势分析，主要有以。

（1）洁净煤燃烧与气化

我国目前煤炭利用的能效和洁净化仍落后于世界。例如，10 万千瓦以下

机组占比为 11.06%，而美国不到 7%；供电煤耗比日本高出 6.3%；二氧化硫和氮氧

化物的排放绩效也比高。而且，我国仍有大量的分散燃煤锅炉，能源利用效率

低，资源浪费严重。中国传统的煤化工企业中，技术落后、能源利用效率低、污染物

控制难度大的占有相当***例。与节能环保技术有很大差距。主要的问题和挑战

在于：随着未来我国社会经济的发展，煤炭消费还一步增加，会导致更多的排放，这

将会与我国目前正在努力减少常规污染和温室气体排放的目标相矛盾。

目前，大型燃煤发电技术已大规模应用，逐步采用超临界和超超临界机组替代亚临

界机组。美国、日本、***、德国都是超临界及超超临界机组拥有量较多的国家，全世

界投入运行的超临界以上的发电机组已有 600 多台。世界上容量为 100 ～ 300MW 的循环

流化床电站锅炉已有百余台投入运行。现已投入运行的大超临界循环流化床锅炉为波兰

Lagisza 超临界 465MW 循环流化床锅炉。

煤气化技术也已大规模应用，成为煤基大宗化学品和液体燃料合成、的 IGCC 发

电系统、多联产系统等行业发展的关键技术、核心技术和龙头技术，形成了固定（移动）

床、流化床和气流床三种技术流派。 世纪 70 年代 Texaco 水煤浆加压气化技术的工业化，

中得到应用。

煤的清洁利用，是石油资源短缺和全球气候变暖问题，推动了一些新型煤高

效低污染燃烧与气化技术开入商业示范阶段。采用温和的热解方法从煤中提取液体燃

料和化学品的煤分级转化综合利用技术已逐渐被认识和接受。日本通产省在“21 世纪煤

炭技术战略”报告中，提到了提高燃料利用率的高增值技术，其中把低温快速热解制

取燃气、燃油及高价值化学品作为重要研究项目。美国能源部也把从煤中提取部分高品位

液体燃料和化学品列入“21 世纪能源展望”计划中一项重要内容。

目前煤气化技术发展是大型化、率和环境友好，其技术应用需要考虑煤种适

应、操作的可靠和环保特。未来可能发展的气化技括适应煤种的大型煤气化、

分级气化、催化气化等。不同于地上煤气化方式，地下煤气化集建井、采矿、运输、气化

为一体，实现煤炭全生命周期的综合利用，涉及煤炭地下气化过程稳定控制工艺、适合煤

炭地下气化的环保技术、建井技术、气化工作面综合探测技术、煤层顶板管理与地下水的

防控技术等关键技术。

化学链燃烧技术，采用载氧体循环反应的间接燃烧形式，是基零排放理念的新

型燃烧方式，需要在载体选择、反应器的结构与型式等方面取得突破。化学链气化技术

也是一种新颖的气化技术，它以晶格氧替代纯氧作为氧源，较好地实现了能源系统燃料

化学能的利用与系统零能耗回收 CO2的统一，需要解决载体的活保持和载体强度

等基础问题。

煤分级转化技术是基于煤炭各组分具有的不同质和转化特，突破传统的利用方

式，以煤炭同时作为原料和燃料，将煤的热解、气化、燃烧等过程有机结合，可以实现煤

炭分级转化和能量梯级利用。以煤的部***解气化制油品、半焦燃烧发电、灰渣综合

利用为主要特点的煤分级转化综合利用技术可以在同一分级转化系统内获得低成本的煤

气、焦油产品和蒸汽产品，获取蒸汽用于电力生产和供热，所生产的煤气可用于化工合成

或燃料气，焦油可分馏出各种芳香烃、烷烃、酚类等，从而有效降低煤炭转化过程的复杂

程度和成本，提高煤炭利用效率和效益。另外，烟气污染物所含 SO2和 NOx可分别制取硫

酸、硝酸钙等资源，灰渣在提取高价值金属后残渣用于建材原料，实现污染物和灰零

排放与资源化综合利用。按照煤种特、转化途径优化、目标产物定向等，煤分级转化技

术可优化灵活组合热解燃烧气化等煤转化方式。不仅可以通过采用热解简单工艺实现煤中

挥发分提取，而且可以结合热解气化燃烧过程调节目标产物油气电的比例，同时所得油气

初级产物后续品质提升时还可以少加氢。煤的分级转化综合利用技术年来得到充分关

注的技术。目前仍存在部分关键技术问题有一步解决和完善括煤的热解特与运

行特的匹配以及含焦油高温煤气的除尘、冷却和焦油回收等问题。

随着资源、环境等客观条件对煤炭清洁低碳利用提出新要求，常规燃烧与气化技

术已很难满足，需要新型清洁煤燃烧与气化关键技术取得突破，主括以考虑煤发电为

主的煤热解气化半焦燃烧分级转化综合利用技术，以考虑 CO2减排为主的煤燃烧与气化技

术等关键技术。

（2）洁净煤发电

上燃煤火电机组技术发展趋势是提高蒸汽参数，即提高朗肯循环的热均温

度。在 600℃等级超超临界发电技术成熟后，发达国家相继启动蒸汽温度达到 700℃以上

的超超临界发电技术研究计划，为下一代火电装备的更新提供技术：欧盟从 1998 年

开始实施“AD700 计划”，美国从 01 年开始实施 760℃的超超临界燃煤机组计划，

日本从 08 年开始实施 A-USC 计划。这些计划的实施，预示着 700℃超超临界发电机技

术是未来火力发电技术的重要途径，其发展趋势是提高蒸汽参数，一步降低机组的煤

耗，减少温室气体和其他污染物排放。目前，国内具备了*** 1000MW、25MPa、600℃等

级发电机组的基础和能力，预测到 年，新建机组市场容量达 500GW。但是，在高参

数大容量机组的设计及***、系统优化、高温部件材料等方面与发达国家仍有较大差距，

建设超 600℃大容量等级超临界发电机组系统集成示范、研发超 700℃关键材料和技术是

今后几年的重要任务。

循环流化床燃烧发电技术 年内迅猛发展，是煤清洁燃烧发电重要技术之一。

从国外市场来分析，CFBC 技术是有发展前途的，主要是对亚洲这些地区的环境保护和改

造老电厂有利。上循环流化床燃烧发电的发展趋势是提高蒸汽参数，机组参数从亚临

界向超临界参数发展。我国“十一五”科技支撑计划项目“600MWe 超临界循环流化床”

已经投运；针对燃用劣质燃料、大型超临界 CFB 锅炉系列、节能型 CFB 锅炉也在开展大

量新技术研发。

和环保效益，其关键技术也渐趋成熟。从目前发展趋势看，美国主要是提高 IGCC 发电效

率和可用率，技术研发主要集中在煤气化、燃气轮机、合成气净化、新型空气分离发

电技术方面。美国加州的冷水电站（Cool Water）是世界上公认的真正试运的 IGCC 电

站。日本加大对空气气化 IGCC 技术方面的研究。从纯发电角度来看，IGCC 技术投资费

用过高，运行可用率低，致使其发电成本较高。且 IGCC 技术仍有许多问题需要深入研究，

如气化炉对煤的适应、制氧方法对 IGCC 能及经济的影响等。

未来我国燃煤发电技术的发展方向是提高超超临界火电机组参数及相应的系统设计

优化集成、发展热电联产技术、开发高参数循环流化床锅炉技术和掌握 IGCC 技术

等。未来火力发电厂的主要发展方向是大容量、高参数，目前燃煤电厂的发展是推广

600℃ /6℃超超临界机组，开发 700℃超超临界发电技术，同时完成相应的机组冷

端优化、锅炉热力系统、汽轮机系统、环保系统等部分的优化集成。700℃超超临界

发电技术，可带动电力装备***行业、原材料生产行业的协同发展，实现超超临界发电装

备和材料的自主化，摆脱国外知识产权的束缚，扩大我国机电设备在市场上的份额，

我国的经济实力，使我国快入电力科技和工程前沿。热电联产技术具有显

著的节能减排效益，是国家确定的十大节能工程之一。在热负荷比较集中或发展潜力

较大的城市或工业园区，在满足电力发展规划的前提下，应积极发展热电联产，以实现节

能减排。热电联产技术发展趋势是大型发电机组兼顾供热、现役纯凝机组供热改造、利用

热电厂实现区域制冷和 IGCC 热电（冷）多联产。

循环流化床锅炉发电技术未来将向大型化、高参数化、燃料多样化、高可靠，低厂

用电率等方向发展。国内锅炉***厂和科研院校在消化吸收技术的基础上，针对超临

界循环流化床锅炉技术的研发，已开展了大量有成效的基础研究工作，依靠国内自有的科

研和***力量，自主研发的 600MW 等级超临界循环流化床锅炉已没有颠覆技术障碍，

示范电站也正在建设中。

IGCC 技术是一项方兴未艾的洁净煤技术，它具有和洁净利用煤炭资源的潜能，

值得人们重视。IGCC 系统的常规污染排放量只有同等容量等级的超临界和超超临界参数

粉煤电站的 1/3。IGCC 的技术核心是“煤气化 + 燃气轮机发电”。目前，IGCC 技术的开

发行 IGCC 工业示范，建立不同煤气化技术与燃气、蒸汽联合循环系统，掌握和

IGCC，减低造价，积累 IGCC 电站的实际运行、检修和管理经验。

（3）洁净煤加工与转化

选煤是煤炭洁净利用的首要环节，随着洁净煤技术的兴起，世界主要产煤国选煤加工

技术和装备都得到了迅速发展，煤炭入洗率越来越高，选煤装备向大型化、机电一体化、

自动化和智能化发展。在众多的选煤方法中，重介质选煤技术发展较快。美国有 43.2% 的

选煤厂装备了重介质分选机，51.5% 装备了重介质旋流器；澳大利亚 90% 以上的选煤厂采

用了重介质选煤，而德国重介质选煤比例为 22.9%，***为 42%。同时，发达产煤国家

高度重视细粒级煤的分选与脱水技术装备的研究。随着采掘机械化程度的提高，煤炭品质

趋向贫、细、杂，为煤炭洗选提质加工过程提出了严峻的挑战，矸石预选和细粒煤分选技

术成为提高煤炭提质效果的关键因素。发展化、精细化、自动化、智能化的煤炭洗选

提质技术是洁净煤技术的研究重要方向之一。

我国煤炭禀赋复杂，煤炭整体质量较差，随着煤炭消耗的增加，以褐煤、高硫煤以

及稀缺煤二次资源为主的大量低品质煤利用被提上日程，今后低品质煤将成为我国煤炭

资源的主要力量，发展低品质煤提质技术势在必行。褐煤提质技术以实现褐煤资源的大

规模工程示范应用为目标。褐煤提质的关键是除去其中的水分，国外在褐煤预干燥领域

成熟、的提质工艺是过热蒸汽流化床技术，德国 RWE 公司采用的过热蒸汽

工艺，已在德国建成 3 套装置，大脱水能力达到 110t/h。美国、澳大利亚 Coldry 及神

户钢铁，分别利用电厂冷凝水余热、微波、高压蒸汽蒸煮、溶剂油萃取等方行褐煤

提质，但投资巨大、运行费用高，不能适应中国国情。褐煤提质的关键技术主

括：褐煤脱水理论中的褐煤水分赋存及复吸基础科学问题；褐煤的低温干馏技术；

废弃物资源化利用和CO2减排与处理；褐煤脱灰脱硫技术；煤、焦、电、化一体化技术。

大部分褐煤提质技术工艺系统复杂，提质成本高昂，系统运行可靠低，对环境有

着较大的污染等，离真正大规模工业化应用还有较长距离。开发系统简单可靠、成本低

廉、环境友好的褐煤提质技术，并尽快实现大规模工程示范应用，是褐煤提质技术的重

要方向。

煤化工是以煤为主要原料生产化工产品的行业，主要分为煤焦化、煤气化和煤液化三

条产品链。洁净煤转化技术主括以气化、热解和液化为龙头的各种技术，其产品分为

气体燃料、液体燃料、化学品及其他类产品。从世界经验来看，煤化工的兴衰始终与石油

和天然气化工紧密相关。 世纪 70 年代末期的石油危机，使德国、美国等重新开始煤化

工技术的研发，在煤气化、液化和碳一化工方面开发了一系列战略储备技术。受市场

的影响，同时基于我国化石能源的赋存特征，我国新型煤化工已经从工业示入产业化

应用，但在新工艺技术开发、催化剂开发和大型装备上还需行不断创新和关键技术突

破入 21 世纪，世界石油价格不断攀升，使煤化入新一轮发展时期。鉴于洁净煤

发电、醇醚燃料、碳一化学品等的基础都是煤气化，因此以大型煤气化为龙头的现代煤化

工产业已成为全球关注的热点。煤炭洁净气化技术正朝大型化、清洁化的方向发展，以改

是以天然气为原料。受能源结构等多种因素决定，世界大多数国家煤化工处于战略技术储

备或前期研究阶段。世界上煤化工技术开发从未间断，也取得了较好的成果，如南非

煤间接液化制油，美国原煤制天然气等。目前，除中国、南非、美国少数煤资源大国

外，其他国家鲜有大规模煤化工商用

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