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化石燃料是地球上最重要的能源资源，包括煤炭、石油和天然气三大类。它们是古代生物经过数百万年地质作用形成的有机化合物。煤炭主要由碳元素组成，形成于古代植物残骸，储量丰富且分布广泛。石油是复杂的烷烃混合物，形成于古代海洋生物，具有易于运输和加工的特点。天然气主要成分是甲烷，是清洁高效的气体燃料，燃烧产物相对清洁。目前，化石燃料在全球能源消费结构中占据主导地位，煤炭约占39%，石油约占33%，天然气约占28%。
煤炭的综合利用包括传统和现代两大类方式。传统利用主要是燃烧发电，为火力发电厂提供燃料；炼焦制钢，作为高炉炼铁的还原剂；以及民用供热等。现代煤化工技术则更加多元化，通过煤气化技术制取合成气，这是一种由一氧化碳和氢气组成的混合气体。基于合成气，可以进一步通过煤液化技术制取液体燃料，通过煤制烯烃技术生产重要的化工原料。这些现代技术能够生产高附加值产品，如煤制油可以生产柴油和汽油，煤制气可以作为天然气的替代品，煤制化学品可以生产甲醇、乙烯等重要化工原料，大大提高了煤炭资源的利用效率和经济价值。
石油的综合利用主要通过炼制和化工两大体系实现。石油炼制的基本流程包括常压蒸馏分离轻重组分，减压蒸馏进一步分馏，催化裂化将重油转化为轻油，以及催化重整提高辛烷值。在分馏塔中，原油按沸点不同被分离成各种产品：顶部40度左右分离出石油气，180度左右得到汽油，280度得到煤油，350度得到柴油，底部400度以上为重油和沥青。这些燃料产品各有用途：汽油含碳5到12个的烷烃，是汽车的主要燃料；柴油含碳10到22个，用于柴油机；航空煤油含碳9到16个，是飞机燃料。石油化工方面，重质馏分可进一步加工制取乙烯、丙烯等塑料原料，苯、甲苯等化工中间体，以及合成橡胶和合成纤维等重要材料，广泛应用于轮胎制造和纺织工业。
天然气是一种清洁高效的化石燃料，主要成分是甲烷，含量通常在85%到95%之间。相比煤炭和石油，天然气燃烧时二氧化碳排放量更低，热值高达8500大卡每立方米，且便于通过管道和液化天然气技术进行运输。天然气的应用领域十分广泛，在发电方面，燃气轮机发电效率高、启动快；在供热方面，广泛用于工业和民用供热；在交通领域，可作为天然气汽车的清洁燃料；在工业应用中，玻璃、陶瓷等行业大量使用天然气。化工利用方面，天然气可以通过蒸汽重整制取氢气，反应式为甲烷加水蒸气生成一氧化碳和氢气；氢气进一步可以制取甲醇和合成氨等重要化工产品。液化天然气技术使得天然气能够在低温下液化储存和长距离运输，在清洁能源转型中发挥着重要的桥梁作用。
化石燃料的协同利用策略基于多联产技术和能源梯级利用理论。通过系统集成优化，实现高温到中温再到低温的能源梯级利用，物质循环利用让废料变成原料，产生一加一大于二的协同效应，显著降低总体成本。煤油气一体化是协同利用的核心模式，煤炭可以通过气化和液化技术转化为气体和液体燃料，与天然气和石油形成互补。在发电领域，三种燃料可以根据负荷需求进行调峰互补；在化工领域，原料可以灵活配置和互换，副产品得到最大化利用。资源配置优化体现在多个方面：根据市场需求平衡供需关系，针对冬夏用能差异进行季节性调节，通过区域协调实现就近供应降低成本。通过这种协同利用模式，系统综合能效可以达到85%以上，远高于单一燃料利用的效率，实现了资源的高效配置和可持续发展。