甲醇与氢产业的“互利共促”

发布：2023-06-05 | 浏览：693

我国甲醇产量超过全球产量的一半，主要来源于煤制甲醇工艺，技术成熟，但面临碳排放高等、需求增长放缓等问题。

使用绿氢制甲醇可减少碳排放，并带动绿氢的需求；同时氢能储运需求也会带动甲醇的需求，实现双领域的互补互促，共同发展。

下面，能景研究就国内甲醇领域的现状及其在氢能领域的发展潜力作出整理分析。

01 甲醇的特点及应用

甲醇（CH3OH）是结构最为简单的一元醇，常温下为无色液体，凝固点-97.6℃，沸点64.6℃；密度与汽油、酒精相当，在20℃下为0.791 kg/L；易燃，发动机中燃烧爆震小，辛烷值约110（越大爆震越小），高于普通汽油的84辛烷值；有毒，摄入后会致盲甚至致命；可生物降解，分解为二氧化碳与水；对某些有机材料和金属存在腐蚀性。

甲醇近年来国内市场需求快速扩张。2021年国内甲醇表观消费量达到了7800万吨左右，相较上年度同比增长2%以上；在2017-2021年间，年平均增长率超过了8%。

甲醇是一种应用广泛的化工原料。烯烃工业的发展是推动国内甲醇需求快速增长的主要原因。作为最简单的一元醇，甲醇是许多化工产品合成的起始物质，下游产业众多，覆盖化工、医疗、食品等诸多领域，其衍生品的应用范围更加广阔。尤其近年来，国内甲醇制烯烃（MTO）领域在快速发展，根据广州化工交易中心的数据，2021年在甲醇的下游消纳中占比达到了56%，在2017-2021年间对甲醇的消费年复合增长率超过14%，是近年来推动我国甲醇消费增长的最大动力。

甲醇是一种低污染物排放的清洁燃料，近年甲醇燃料需求在快速增长。利用甲醇燃料替代燃煤、燃油或掺入汽、柴油制成混合燃料，可大幅减少PM 2.5、SO2、NOx以及CO2等的排放。比如使用M15甲醇汽油（甲醇掺入量15%）相对于使用汽油可分别减少一氧化碳和碳氢化合物排放约24%和28%。

2021年，甲醇燃料需求在甲醇总需求中占比达到了18%，已成为甲醇下游的第二大需求领域。但是，由于甲醇还存在毒性，高浓度甲醇燃料的使用还需要更多的标准、政策等来进行规范。

在燃料电池动力运输应用中，甲醇还是现阶段唯一实际证明可行的液体燃料。甲醇比乙醇等更具反应活性，可以用于直接甲醇燃料电池（DMFC），在叉车、船舶等领域均已有应用；相较于液氨、液氢等无需进行气液转化等步骤，可直接使用。此外，甲醇还可以进行低成本地重整制氢，并用于当前流行的质子交换膜燃料电池系统（PEMFC）。

02 甲醇主要由天然气和煤炭等化石燃料生产

近年来我国甲醇产量迅速增长，主要来源于煤炭。2021年国内甲醇总产量达到了约7800万吨，较2020年同比增长了17.7%，产量超过了全球的一半。同时，全球范围内以天然气制甲醇为主，占比约65%；而国内以煤制甲醇为主，产量占比达到了86%。

我国甲醇产量的迅速增长以及煤制甲醇的迅速发展主要源于国内甲醇制烯烃（MTO）工业的需求。烯烃等产品主要由石油原料生产，对进口油气资源依赖程度高；但烯烃也可由甲醇生产，而且甲醇除了利用天然气生产外也可利用国内丰富的煤炭资源生产，从而减轻对进口油气的依赖。

在甲醇（CH3OH）的生产工艺中，天然气（CH4）与煤炭的作用都是生产合成气（CO与H2的混合气），而合成气可进一步反应成甲醇（CO +H2 → CH3OH）。从甲醇（CH3OH）的分子式可以看出，合成气中CO与H2的比例最好在1:2左右。

天然气部分氧化制合成气可以近似表示为：CH4 + O2 → CO + H2 + 少量CO2。由于天然气中碳氢含量比适中，得到的合成气可直接用于甲醇合成。

煤炭制合成气需要经过煤气化过程：C + O2 → CO，得到粗合成气。煤炭中碳多氢少，得到的粗合成气中CO多而H2少，还必须进行水煤气变换反应（WGS）以提高H2的比例：CO + H2O → CO2 + H2。

水煤气变换反应（WGS）过程需要高温，增加了燃料煤消耗；削减合成气中CO含量，增加了原料煤消耗；将CO转换为CO2，增加了碳排放。WGS就是一个在煤制甲醇中，不可避免、却又增排减产的步骤。

03 绿氢制甲醇可减少碳排放，并带动绿氢需求

甲醇生产属于高碳排放行业，绿色发展成为必然趋势。2021年，国内甲醇行业二氧化碳总排放量超过1.9亿吨，在化工行业排放总量中的占比超过了17%。主要碳排环节来自于水煤气的合成环节。随着国内双碳政策的逐步推进，高碳排放行业新增项目审核难度增加，加之碳交易成本，甲醇绿色发展成为必然趋势。

在此背景下，向甲醇生产中引入绿氢将成为减少碳排放的有力选择。

天然气制甲醇工艺中，合成气不需要较大的额外绿氢补充。但绿氢可用作燃料提供热力，或对生产线的尾气进行CO2捕集并用于合成绿色甲醇。

对于煤制甲醇工艺，绿氢主要用于为该工艺过程中的合成气供氢，以提高其氢气含量；这将实现WGS步骤的完全取代，以实现工艺的减排。

因此，煤制甲醇与绿氢进行耦合的可行性较高。向传统煤制甲醇合成气中引入绿氢的比例可以逐步提高，一般只需降低WGS装置的负荷，而不需要进行大的装置改动，并且可以适应绿氢项目的建设进程而实现氢能引入的低成本、有序提升。

有研究表明，在60万吨/年煤制聚烯烃（对应约120万吨/年甲醇）的工艺中，当绿氢供应占到总合成气氢气量的70%左右时，可完全弃用WGS装置，同时原煤炭消耗可节省一半，二氧化碳总减排可达67%，其中原料煤的高纯CO2减排比例可达到80.6%。另外，单论煤制甲醇工艺，单位煤耗下甲醇可增产60%以上。

另一方面，我国煤制甲醇工艺的绿氢化改造可以极大地拉动绿氢生产需求。从绿氢消耗来看，120万吨/年煤制甲醇生产线总合成气氢气量中绿氢占70%时，绿氢需求达到17万吨/年以上，电解水制氢规模需求达到1.25 G；每10吨/年的煤制甲醇产线绿氢化改造需要100MW的制氢规模。

能景研究测算，按照假设我国7000万吨/年的煤制甲醇产量来算，全部完成绿氢改造约需要73GW的绿氢生产规模，而我国全国已建成的规模刚刚超过1GW。甲醇工业减碳需求日渐紧迫，预期将会极大地带动可再生能源制氢行业的建设与发展。

04 氢能储运需求带动甲醇需求

近年来，随着烯烃需求增长的放缓，甲醇需求增长出现放缓，年增长率由2018年的18%降至了2022年的3%左右。另一方面，氢能当下在储运环节安全性、便携性等方面发展不足，严重限制了其在居民生活、轮船航运、储能等领域的发展。而作为氢能载体，甲醇比直接氢气储运更具优势。

在此背景下，氢能输运带来的甲醇需求或将成为甲醇产业新的增长点。

甲醇的体积能量密度为15.8 GJ/m3，比氢更高。70 MPa高压气氢的体积能量密度约为4.7 GJ/m3，为甲醇的30%左右；-256℃下的液氢也仅仅8.5 GJ/m3，还需要额外的压缩与制冷成本。

甲醇的储氢量也更大，和水反应的产氢量是同容积液氢的两倍。基于此，甲醇还可有效解决氢能跨季长周期储存问题，无需较高成本的固态储能设施，没有液氢的逸散问题，还可达成规模化输送能源的目的。

甲醇的密度、物态等物理性质与油气等更加相近，比氢更适应现有能源设施。甲醇几乎可以完全利用现有的化石燃料供应链及动力系统，整体的社会建设成本更低。尤其在燃料需求大、空间有限、安全要求高的船舶航运领域，氢能应用需要大规模的输运、加氢、储氢基础设施建设，而甲醇却可以借助现有成熟的燃料供应系统，更具可行性与竞争力。

最近，在甲醇制氢领域，甲醇制氢加氢一体站、甲醇制氢燃料电池、甲醇制氢热电联供系统等不断获得突破。如近日中石化在大连投用的甲醇制氢加氢一体站，相比加氢站传统用氢方式成本降低了20%以上。甲醇在氢能领域的应用的应用逐渐起步，并展现出了显著的优势。

05 小结

中国甲醇产量占全球的50%以上，以煤制甲醇工艺为主，技术成熟，市场需求大，但面临着甲醇生产碳排放大的压力。

向煤制甲醇工艺中引入绿氢可以帮助煤制甲醇工业实现减碳增产，同时带动绿氢的需求。

同时，甲醇储氢量大、输运方便的特点能够较好地解决氢能输运问题，实现氢能与甲醇产业优势互补，互促发展。