碳中和目標下推動綠色甲醇發展的必要性分析

舒斌，陳建宏，熊健，吳其榮，喻江濤，楊平

（1 重慶遠達煙氣治理特許經營有限公司科技分公司，重慶 401122；2 重慶市碳捕集與利用技術創新中心，重慶 401122）

國際能源署（IEA） 和全球碳預算（Global Carbon Budget）數據庫等權威機構最新數據報道[1-2]指出，2022 年全球與能源相關的二氧化碳排放量創下歷史新高，達到創紀錄的368億噸，排放量增長0.9%，其原因是全球化石燃料使用量再次上升。我國是碳排放大國，排放量約占世界總排放量的三分之一，《“十四五”現代能源體系規劃》文件指出，十三五末，我國非化石能源消費比重達15.9%、煤炭消費比重56.8%。盡管非化石能源占比近年來呈快速上升趨勢，但化石燃料的使用當前依然占主導，要實現“碳達峰、碳中和”目標任務還很艱巨。

“碳達峰、碳中和”目標既是我國體現大國擔當，又是應對全球氣候變化、進行能源革命、促進產業升級的頂層設計。自我國在2020年9月聯合國大會正式提出該目標后，各技術領域快速響應，積極推動技術創新和迭代、試點示范、應用推廣等。甲醇是重要的大宗基礎化工產品，僅次于乙烯、丙烯和苯，80%以上作為中間原料用于化學工業。我國甲醇產能、產量以及自給率逐年上升，自給率約為90%[3]，據IHS Markit 報告，2021 年我國甲醇產能達9738.5萬噸，約占全球總產能的67%，總產量達7816.38 萬噸，表觀消費量約占全球總消費量的60%。在我國甲醇產能結構中[4]，煤制甲醇約占80%、天然氣制甲醇占8%、焦爐氣制甲醇占12%，甲醇行業總碳排放接近2億噸/年[5]，而煤制甲醇就占96.6%。另據測算，如果采用清潔能源（生物質氣化重整、可再生電力等）合成綠色甲醇替代傳統化石能源甲醇，甲醇工業碳排放將趨近于“零”，降碳效應顯著，并可促進相關產業鏈的技術升級。綜合來看，發展綠色甲醇是實現“碳中和”目標的重要舉措之一。

1 綠色甲醇技術研究現狀

綠色甲醇定義目前國際上尚無統一標準，國際可再生能源署（IRENA）建議按生產原料來源將甲醇分為綠色、藍色、灰色和棕色。當原料氫氣和二氧化碳來源均為可再生時，所合成的甲醇可標注為綠色甲醇。根據全球甲醇協會研究報告，可再生氫氣是指利用可再生能源制取氫氣，可再生二氧化碳是指生物質來源二氧化碳或直接空氣捕獲二氧化碳[4]。事實上，當下刻意強調二氧化碳來源意義不大，因為煙氣等工業二氧化碳排放在短時間內不可能被阻斷，煙氣捕集二氧化碳和直接空氣捕獲二氧化碳在碳減排方面效果等同。因此，本文提出：綠色甲醇指用可再生能源制取的氫氣和二氧化碳（來自生物質重整、空氣捕集、煙氣捕集等均可）合成的甲醇。

1.1 催化劑及合成反應塔

甲醇合成氣在催化劑作用下于合成塔內生成甲醇。催化劑是合成的關鍵，目前可用于合成綠色甲醇的催化劑包括Cu 基系催化劑、金屬氧化物催化劑、貴金屬催化劑等，但主要側重于Cu 基系催化劑的研究。表1 為CO2加氫合成綠色甲醇研究的主要催化劑種類。

表1 CO2加氫制甲醇主要催化劑種類

總的來看，催化劑的研究側重于CO2轉化率、甲醇選擇性、活性等方面，國內研究尚處于試驗、試制、應用的早期階段。我國煤制甲醇工藝用催化劑基本被國外企業所壟斷，CO2加氫制綠色甲醇催化劑是在現有CO 加氫制甲醇催化劑的基礎上發展而來，掌握相關技術的主要供應商有丹麥Tops?e、德國Lurgi、英國莊信萬豐（Johnson Matthey）（其供應的催化劑占全球市場份額達70%以上）等。2020年以來，國內逐漸才有類似催化劑的生產和應用，代表性研究機構或企業有中國科學院大連化物所（Cu基、ZnO/ZrO2、MoS2）、中國科學院上海高研院（Cu基）、國家能源低碳研究院（Cu基）、西南化工設計研究院（Cu基），但總體處于小試或中試狀態。

與催化劑開發類似，CO2加氫制甲醇合成塔亦基于CO 加氫法制甲醇而開發，合成塔經歷了高壓、低壓、中壓階段[21]。低壓法是基于高活性的銅基系催化劑，反應溫度低（240～280℃），能在較低的壓力下（4～8MPa）獲得較高的甲醇收率，且選擇性好、副反應小、甲醇質量高、原材料消耗小。此外，由于壓力低，不僅動力消耗比高壓法低很多，工藝設備的制造也比高壓法容易，投資降低。目前，世界上新建或擴建的甲醇裝置幾乎都采用低壓法或中壓法，其中尤以低壓法最多。

CO2加氫制綠色甲醇合成工藝與傳統煤或天然氣制甲醇類似，主要區別在于原料氣來源（用CO2代替CO）和對催化劑性能要求有所不同，合成塔只需適當改進即可，合成塔按結構型式分為水冷和氣冷兩大類，如圖1和圖2所示。

圖1 某水冷式甲醇合成塔結構圖

圖2 某氣冷式甲醇合成塔結構圖

綜合文獻[22-27]，國內外合成塔代表性設備商有：德國Lurgi、英國Davy、丹麥Tops?e、華東理工大學、林達化工等。德國Lurgi：型式上采用“氣冷+水冷”結構，塔內氣流軸向流動，合成塔熱利用率高（出口溫度低），副產蒸汽壓力高，CO2轉化率較高，副反應產物少，催化劑溫區要求較寬，全球市場份額約20%。英國Davy：采用低壓法合成，氣流徑向流動，副產蒸汽，床溫均勻。催化劑裝填量大，易于裝卸，換熱管配置少，但CO2單程轉化率偏低，循環比偏大，全球市場份額約32%，大型甲醇項目市場份額更大。丹麥Tops?e：塔內氣流軸向流動，多個反應器并聯，容易造成偏流，CO2單程轉化率高、催化劑裝填系數高，但設備投資較高，全球市場份額約8%，在我國大甲醇項目應用較少。華東理工大學：塔內采用絕熱列管等溫型工藝，設計結構對催化劑、原料氣、進口溫度適應性強，適用于中小型項目，暫無大型裝置業績。林達化工：具有繞管式反應塔、氣冷均溫式反應塔，殼側裝填催化劑，塔內換熱效率高，適用于中小型項目，暫無大型裝置業績。

1.2 試點項目情況

CO2加氫制綠色甲醇技術近年陸續得到工程試點開發，規模從千噸級向萬噸級乃至十萬噸級邁進，但總體上仍屬于商業化早期技術示范論證，代表性項目簡述如下[21,28]。

根據前文對綠色甲醇的定義，若氫氣來自電解水、CO2來自空氣或煙氣捕集則為綠色甲醇，代表性項目如下。①冰島George Olah可再生CO2制甲醇工廠。2011年，國際碳回收公司（CRI）在冰島開辦的首家利用當地廉價地熱能制綠色甲醇的現代商業工廠，2012 年投產，2015 年擴建。氫氣來自地熱發電電解水制氫（1200 噸/年）、CO2來自地熱伴生氣捕集（5600 噸/年），甲醇規模4000 噸/年。②蘭州石化新區“液態陽光”二氧化碳加氫制甲醇中試示范工程。由中國科學院大連化物所提供技術，工藝采用10MW光伏+堿性電解水制氫+CO2來自合成氨工廠尾氣捕集，催化劑采用ZnO-ZrO2氧化物，2020 年10 月15 日投產，甲醇規模1440t/a；③中煤鄂爾多斯能源化工有限公司10萬噸/年液態陽光——CO2加綠氫制甲醇技術示范項目。CO2來自氨/尿素工段的碳排放捕集、H2來自綠電電解水。甲醇規模10 萬噸/年，目前處于可研及設計階段；④智利CO2加氫制綠色甲醇試點項目。工藝為風力發電+電解水制氫+直接空氣CO2捕集，甲醇規模為2022 年一期720 噸/年、2024 年二期4.4 萬噸/年、2026年三期44萬噸/年。

另一方面，若合成甲醇的原料CO2從煙氣或工業尾氣中捕集獲得，氫氣采用焦爐氣、低碳烷烴脫氫、氯堿工業副產氫等，一定程度上也可認為是低碳甲醇，代表性項目如下：①河南安陽CO2加氫制低碳甲醇聯產LNG項目。CO2來自胺法碳捕集、H2來自焦爐氣，催化劑采用銅基催化劑，2022年9月27 日投產，產能為甲醇11 萬噸/年和LNG 7 萬噸/年；②江蘇斯爾邦石化10 萬噸二氧化碳制綠色甲醇項目。項目將回收工業尾氣中約15萬噸CO2和4萬噸H2，每年生產10萬噸甲醇，項目于2022年底在北京簽約。

2 發展綠色甲醇的必然性分析

2.1 政策驅動

我國政府近年陸續出臺了大力支持甲醇生產及利用的政策文件，為綠色甲醇產業的發展及應用指明了方向。2019年3月工信部等八部委聯合發布了《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》，鼓勵資源綜合利用生產甲醇，探索捕獲二氧化碳制備甲醇工藝技術及工程化應用；2021 年10 月交通運輸部印發《綠色交通“十四五”發展規劃》，提到“積極探索氫燃料、氨燃料、甲醇動力船舶應用”；2021年11月工信部印發《“十四五”工業綠色發展規劃》，專欄8 為綠色低碳技術推廣應用工程“二氧化碳耦合制甲醇”技術；2021 年11 月國家發改委發布了《高耗能行業重點領域能效標桿水平和基準水平（2021年版）》，對煤制甲醇等重點領域進行了明確的規定，在嚴格的能效與碳排放標準規定之下，傳統煤制甲醇落后產能的淘汰將迎來加速；2022年3月國家發改委、國家能源局聯合制定《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》，探索開展可再生能源制氫在合成甲醇等行業/替代化石能源的示范；2022 年8 月工信部、科技部等八部委聯合發布《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》，提出“按照因地制宜、積極穩妥、安全可控的原則，重點在資源稟賦條件較好且具有甲醇汽車運行經驗的地區，加快M100甲醇汽車的應用”。一系列的鼓勵支持政策對促進綠色甲醇發展將起到極大推動作用，也是發展綠色甲醇的根本保障。

2.2 工藝優勢

因我國煤炭的資源稟賦及綜合生產成本等因素，煤制甲醇占我國80%以上產能[4]，本文以煤制甲醇工藝代表傳統甲醇工藝。CO2加氫制綠色甲醇工藝，與傳統煤制甲醇工藝相比具有很大的優勢特點，工藝流程對比如圖3所示。

圖3 煤制甲醇與綠色甲醇工藝流程對比

圖3中：煤制甲醇工藝，預制后的煤與來自空分后的氧氣在氣化爐內制得高CO 含量的粗煤氣，經水煤氣變換獲得氫氣，再經凈化工序，將多余的CO2和硫化物脫除得到甲醇合成氣，合成氣主要是CO、H2、CO2、H2O和少量CH4、H2S等氣體，經過壓縮、合成、分離等工序獲得粗甲醇。煤制甲醇工藝包含了空分、煤的預制和氣化、水煤氣變換、脫硫脫碳等，工藝復雜、流程長、運維難度大，工藝能耗高，三廢多，環保性差；CO2加氫制綠色甲醇工藝，原料氣為質量分數達99%以上的H2和CO2氣體，組成更純粹，并可嚴格按化學計量進行配比給料。CO2與氫氣生成甲醇的反應熱（49.4kJ/mol）更低，約為CO 與氫氣反應熱（90.7kJ/mol）的一半，低溫有利于化學平衡朝生成甲醇方向進行。催化反應條件更溫和，CO2加氫制甲醇通常在200～300℃[7-8]、5MPa[17]左右條件下進行，傳統煤制甲醇反應條件通常在300℃以上、8MPa 左右。CO2加氫制甲醇工藝三廢主要是弛放尾氣、精餾塔廢水、失效催化劑，沒有原料氣制備和凈化產生的三廢問題。

綜合而言，CO2加氫制綠色甲醇工藝與煤制甲醇相比，最大優勢是縮短了流程段，降低了復雜度和設備投資，生產排放也大幅減少。

2.3 降碳效應

姬加良[29]研究了煤與不同原料重整氣化制甲醇對CO2排放的影響，給出了煤制甲醇二氧化碳排放系數3.0 噸CO2/噸甲醇的研究結論。全球甲醇協會甲醇研究所（Methanol Institute）在報告《甲醇碳足跡報告2022》[4]中，給出了煤制甲醇全生命周期碳排放300g CO2/MJ（折合5.85t CO2/t 甲醇）的分析結論，其中生產段約3.1t CO2/t 甲醇；天然氣制甲醇，甲醇的全生命周期碳排放為100g CO2/MJ（折合1.85t CO2/t 甲醇），其中生產段約0.5t CO2/t 甲醇。

綠色甲醇原料中H2來自綠色電力電解水、CO2來自碳捕集（或其他可再生CO2），因此具有極低的碳排放足跡。綠色甲醇全生命周期碳排放為4～10gCO2/MJ[4]（折合0.08～0.2t CO2/t 甲醇），與煤制甲醇相比可減少96%～99%的碳排放，不僅如此還可額外消納約1 億噸CO2。在碳中和目標下，綠色甲醇逐漸替代煤制甲醇或天然氣制甲醇的生產和利用，是甲醇產業升級并降低碳排放強度的有效策略。

2.4 綠電及CO2轉化消納

綠電是指在生產電力過程中的CO2排放量為零或趨近于零，綠電主要來源為太陽能、風力、水力、生物質能、地熱等，我國綠電主要以太陽能和風能為主。2022 年5 月12 日，中央宣傳部舉行的“中國這十年”系列主題新聞發布會介紹到，我國風電、光伏發電等綠色電力裝機容量居世界第一。2022 年7 月舉行的《中國電力行業年度發展報告2022》發布會報道[30]，2022年底全國發電裝機容量達到26 億千瓦左右，其中非化石能源發電裝機合計達到13 億千瓦左右，并預計到2025 年，我國電源裝機達到30 億千瓦左右，其中非化石能源發電裝機占比約50%，煤電發電量占比將從2020 年的61%下降到2025年的56%。

綠電的生產易受自然條件影響，隨著我國綠電裝機規模不斷增大，需要考慮及時消納問題，以避免“棄風棄光”或建設高成本的化學儲能系統。將綠電電解水制氫再合成甲醇的技術路線則是一個很好的解決方案。甲醇質量能量密度達19.95GJ/t，既可作為優質燃料，又是大宗的基礎化工產品，相比氫氣而言儲運成本更低、更安全。氫氣運輸成本為32.2～64.3CNY/(GJ·100km)、甲醇的運輸成本則為1.49～2.72CNY/(GJ·100km)。因此綠色甲醇可以作為綠電消納的良好載體。計算發現，若采用成熟的堿性槽電解水制氫（制氫電耗約4.5kWh/m3）、氫氣用于合成甲醇，每制得1t 甲醇至少可消納9830kWh 綠 電， 其 中 制 氫9480kWh、 合 成350kWh。目前我國甲醇產能接近9800萬噸，若全部采用綠電制氫并甲醇合成，預期最大將消納9633.4×108kWh綠電，而據國家統計局發布的能源數據，2022年我國風力發電量6867.2×108kWh、太陽能發電量2290×108kWh，綠色甲醇遠期消納綠電能力與兩者目前的發電總量相接近；另一方面，與當前主流的鋰電化學儲能對比，鋰電電芯單體能量密度約160Wh/kg，折合5.76GJ/t，1t 甲醇存儲能量是鋰電的3.46倍。

黨的二十大報告要求“加強煤炭清潔高效利用”、全國能源工作會議要求“發揮煤炭的兜底保障作用，著力調整優化能源結構”。文獻顯示我國當前有至少超過1600個大型CO2排放源，包括火電廠、水泥廠、鋼鐵廠、石油、化工等[31]；國際能源署（IEA）在2020年報告預測，2030年我國碳捕集量約達4 億噸、2050 年約16 億噸、2070 年約22 億噸，目前基于燃煤電廠煙氣捕集1t CO2綜合成本超過300 元[32]（化學吸收法），而空氣捕集的成本更高。大量CO2捕集下如不能形成資源利用產生經濟效益，會對碳中和目標帶來不利影響。CO2是合成綠色甲醇必須原料之一，因此綠色甲醇生產可與捕集的CO2形成工藝上的匹配及上下游產業鏈關系，促進CO2消納并帶來經濟效益。煤化工領域一直也是大的CO2排放源，采用煤、天然氣等制備化工原料或材料時，CO2排放量很大且濃度高。從CO2捕集角度看，對煤化工過程的CO2進行捕集方法更靈活、成本也比從大氣或煙氣捕集更低；從發展綠色甲醇角度看，CO2的來源也可能先從煤化工捕集開始。

2.5 市場需求

作為大型船舶的“零碳”燃料可能是綠色甲醇未來最先實現的應用場景[33]。國際航運溫室氣體（GHG）排放已于2008年達峰，2018年二氧化碳排放量約10.76億噸，占全球2.89%，IMO（國際海事組織）初步戰略[34]是，到2050 年GHG 排放總量至少減少50%，碳排放強度力爭減少70%。2017 年IMO 正式確定甲醇為船舶燃料，我國《甲醇/乙醇燃料動力船舶技術與檢驗暫行規則》已完成評審，ISO正在制定甲醇船舶燃料國際標準。綜合相關報道，截至2022 年底全球已訂購商業化甲醇燃料船舶93 艘（1 艘大型貨輪的需求為2 萬噸/年），主流船用發動機廠家均完成船基甲醇發動機開發。全球最大集裝箱承運輸公司Maersk 2022 年宣布與6 家綠色甲醇生產企業戰略合作[35]，并預測到2030 年前，將有600萬噸的可再生甲醇需求，用于驅動其700艘船中的25%，同時宣布，所有新購、新建造船只必須能使用干凈的甲醇、氨等碳中和燃料，以達成2050 年前凈零碳排目標。國際可再生能源屬（IRENA）發布《創新展望：可再生甲醇》的研究報告，預計到2025 年，全球甲醇年產量預計將從目前的1億噸增長到1.2億噸，2050年達到5億噸，其中綠色甲醇產量將達到2.5 億噸、生物甲醇1.35億噸，傳統甲醇1.15 億噸。以此推算，要生產2.5億噸綠色甲醇，將需要約3.5 億噸CO2和4800 萬噸H2，需要建設約200 多條百萬噸級以上的甲醇產線。綠色甲醇行業具有極大的市場空間。需要指出的是，盡管綠色甲醇可能最先在大型船運領域普及應用，但其最大的市場需求仍將是作為化工中間原料和材料，而該需求在甲醇的應用占比中達80%以上。

2.6 促進甲醇工業綠色轉型

甲醇期貨交易數據顯示，2022年下半年～2023年4 月，甲醇現貨報價2450～2700CNY/t，煤制甲醇完全成本則在3300 CNY/t左右，成本與現貨價格出現倒掛，煤制甲醇原料煤和燃料煤的成本占總生產成本的70%～80%，煤炭價格走勢對甲醇成本端的影響非常明顯。CO2加氫制綠色甲醇成本主要受綠氫價格影響（影響占70%～80%），而綠氫價格由綠電價格決定。本文根據相關邊界條件對煤制甲醇和綠色甲醇生產成本進行了大致測算對比，如表2所示。

表2 煤制甲醇和綠色甲醇大致成本對比表

由表2 可知，當煤價低于1000CNY/t 時，煤制甲醇成本優勢明顯；當煤價位于1000～1500CNY/t、綠 電 價 格 位 于0.1～0.2CNY/kWh 時（CO2價 格200CNY/t），綠色甲醇生產成本與煤制甲醇比較接近。

國家新能源電價政策要求，2022 年以后風光電價實行平價上網。國家發改委能源研究所報告數據顯示，截止2022 年底我國風光發電裝機占比達到29.6%；國家能源局預期2023年風光裝機將新增1.6 億千瓦，累計占比超過32%。另據聯合國全球契約領導人峰會報告《光伏產業展望2025》預測，到2025 年全球光伏電價將平均降至1 美分/kWh 甚至更低（約合0.067CNY/kWh），中國到2025 年，新建光伏項目的度電成本將較新建煤電項目低30%以上。綠電價格能夠降低一方面是因可再生能源項目的建設成本快速下降；另一方面是裝機規模和占比在電源結構中的快速提升，與之相對的煤電總規模雖可能因產能優化和清潔能源替代而大幅降低，但煤電價格受煤價影響卻未必能夠下降，煤電的遠景作用為用于可再生能源調峰和承擔基礎負荷以保障電力穩定，大規模的綠電產能從電力生產源頭上起到CO2排放大幅減量的促進作用。隨“光伏+儲能”制氫技術的極大進步，綠電制氫大規模應用將具備經濟可行性，屆時制氫成本將降至1.005～1.675CNY/m3。

可見隨著綠電裝機規模不斷增加，價格將不斷降低，當綠電成本低于0.1CNY/kWh 以及碳交易機制不斷完善、碳稅補貼等落實，綠色甲醇將體現出極大的成本優勢、經濟性和競爭力。此外，在綠電成本低的情況下，甲醇等煤化工產業也可以大量使用綠電作為生產用能，不僅原料來源實現綠色，還間接促進了用能過程CO2排放量的大幅降低。總而言之，當綠色甲醇生產成本大幅降低而效益提升時，無疑將促進煤制甲醇乃至整個煤化工產業鏈的綠色轉型。

3 結語

甲醇工業是我國重要的基礎化學工業，綠色甲醇則契合了降碳、消納綠電及CO2等技術優勢，隨著全球對氣候變化的重視及全球航運業等重點領域對使用“零碳”燃料的硬性要求，綠色甲醇需求將越來越大，在政策鼓勵、綠電裝機規模不斷提高、氫氣及CO2原料獲取成本逐漸下降等條件下，綠色甲醇生產成本也將不斷降低，與煤制甲醇相比將體現出經濟性和競爭性，對促進煤化工產業升級尤其實現“綠色甲醇化工”提供助力。總而言之，在碳中和宏觀目標下，發展綠色甲醇十分必要。