海上風電制氫合成綠色甲醇方案研究

林宇華，程永林，高 偉

（1. 福建華電可門發電有限公司，福建福州 350512；2. 華電電力科學研究院有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

2021年全球CO2排放量達到363億t[1]，在CO2等溫室氣體排放增加和自然因素的共同影響下，全球氣候主機變暖、極端天氣趨多[2]。中國在第七十五屆聯合國大會上提出CO2排放將力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。為實現“雙碳”目標，我國在能源領域大力發展海上風電等新能源、積極支持發電企業進行碳捕集利用與封存。同時，海上風電和碳捕集利用與封存也面臨巨大挑戰。海上風電的波動性和間接性對電網產生沖擊，僅靠擴建電網輸送通道維持功率和電量平衡，投資大、問題多、可持續差，因此形成大量的“棄風”電能[3]。在海上風電“退補”的大環境下，拓展其消納途徑、探索多元化發展道路、研究降本增效措施是海上風電可持續發展的必然要求。碳捕集利用與封存技術雖可將CO2排放量降低至20%（體積分數）[4]，碳減排效果顯著，但捕集和儲存不能產生經濟效益[5]，其持續性運轉會受到影響。因此，研究重點轉向將捕集到的CO2進行資源化利用[6]。

CO2捕集耦合海上風電制氫合成甲醇工藝，是實現碳循環非常友好的途徑[7]，不僅可以有效解決可再生能源消納及電力并網穩定性問題，提高電力系統的靈活性，實現能源的時空平移[8]，同時還能夠獲取多種高附加值的化學產品，降低對傳統化石原料生產化工產品的依賴，推動化工、能源和交通運輸行業綠色低碳轉型，保障能源供應安全[9]。福建省福清海壇海峽海上風電場位于海壇海峽中北部，總面積約35 km2，中心離岸距離3 km，全部機位平均水深5.4 m，裝機容量300 MW。福建華電可門發電有限公司為沿海大型燃煤發電企業，現有燃煤火力發電機組裝機容量4×600 MW，近3 a年均碳排放量1076.49萬t。本文以福清海壇海峽海上風電場和福建華電可門發電有限公司為研究對象，闡述海上風電制氫合成綠色甲醇的工藝方案設計，以期為我國能源領域低碳技術創新、海上風電和火力發電融合發展提供參考。

1 工藝方案設計

工藝方案設計主要包括海上風電場電力制氫、燃煤發電機組煙氣中CO2捕集、CO2加氫制甲醇3個環節。

1.1 海上風電制氫

由于海上風電廠址距岸邊較近，采用岸上制氫方式，工藝流程主要包括電解水制氫和氫氣純化：電解水制氫采用“堿性+PEM”工藝，氫氣純化采用“催化脫氧+變溫吸附”工藝。氫氣產品在儲罐區進行緩沖暫存，以供甲醇生產連續使用。流程圖如圖1所示。

圖1 海上風電制氫流程示意圖

海上風電制氫系統主要由電氣系統、電解槽、氣液分離系統、氫氣純化系統等組成。電氣系統把海上風電電力通過變壓、整流轉化為電解水制氫直流電。電解槽是制氫系統的核心，電解液在電解槽內直流電的作用下分解，在電極表面析出氫氣與氧氣，經各自通道分別進入氣液分離系統。氣液分離系統將氫氣（氧氣）與電解液混合物在重力作用下進行氣液分離，氧氣排空、氫氣進入純化系統。原料氫氣在純化系統中依次進行催化脫氧、氣水分離、干燥、過濾，最終形成氫氣產品，暫存于儲氫罐。

1.2 CO2捕集

為減少對現有運行設備的改造范圍，采用化學吸收法捕集煙氣中CO2，工藝流程主要包括煙氣脫硫和CO2捕集。CO2產品在儲罐區加壓液化存儲，供甲醇生產連續使用。流程圖如圖2所示。

圖2 CO2捕集流程示意圖

CO2捕集系統主要由脫硫系統、捕集系統、再生系統等組成。火力發電機組煙氣由管道輸送至脫硫系統洗滌塔，除塵降溫后，通過碳酸鈉循環洗滌除去煙氣中的硫，脫硫煙氣進入捕集系統。脫硫煙氣進入捕集系統吸收塔后，CO2氣體被有機復合胺水溶液吸收形成富液，輸送至再生塔；未被吸收的氣體則經洗滌、除沫排入大氣。富液在再生塔內受熱分解釋放出CO2，CO2氣體經壓縮、冷卻、氣液分離等過程后輸送至儲罐暫存；富液釋放CO2后稱之為貧液，貧液在經冷卻、過濾后，重新進入捕集系統吸收塔循環使用。

1.3 合成甲醇

甲醇合成采用一步法制甲醇工藝，即直接以CO2和氫氣為原料，通過壓縮、合成、氣體分離、精餾等環節形成甲醇，存儲于甲醇產品罐。流程圖如圖3所示。

圖3 合成甲醇流程示意圖

CO2與氫氣混合，加壓、升溫后在合成塔內經催化劑催化合成甲醇。循環氣繼續循環反應，粗甲醇采用雙塔流程進行精餾、產出甲醇產品。

2 方案規模與消耗定額

以年產10萬t綠色甲醇項目規模為例，產品甲醇產量10萬t/a，中間產品氫氣2萬t/a，CO2捕集量15萬t/a，副產品多元醇125 t/a。消耗定額如下表所示。

表1 消耗定額表

3 展望

我國海上風電發展勢頭迅猛，裝機容量躍居世界第一，接近全球海上風電累計裝機容量的一半，2030年底我國海上風電裝機容量預計將達到97 GW。海上風電制氫是解決海上風電大規模并網消納難、深遠海電力送出成本高等問題的有效手段。海上風電制氫耦合CO2捕集合成甲醇是實現碳循環非常友好的途徑，每生產1 t甲醇可轉化1.375 t CO2。

目前全球綠色甲醇市場仍處于發展初期，行業產能較少，在全球甲醇市場的占比不足百分之一。我國是全球最大的甲醇生產國和消費國，其約占全球產能的一半。從制造工藝看，我國甲醇生產以煤制甲醇為主，其產量占國內產量的80%左右，其他為天然氣制甲醇和焦爐煤氣制甲醇，在碳中和、碳達峰戰略背景下，我國綠色甲醇產業發展潛力極大。