文/杨攀峰 黄宁 程一步，中国石化经济技术研究院 中国石化咨询公司，当代石油石化在全球绿色低碳发展的大背景下，使用绿色低碳燃料和原料是大势所趋。2023年7月，国际海事组织（IMO）召开了海上环境保护委员会第80届会议（MEPC80），计划国际海运温室气体排放尽快达峰，在接近2050年前后达到净零排放。欧盟于2024年起把航运业纳入碳排放体系（EUETS）并正式实施。中国在2021年发布了《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》，明确到2025年，绿色产业比重显著提升，碳排放强度明显降低；到2035年，绿色发展内生动力显著增强，绿色产业规模迈上新台阶。国家鼓励探索开展可再生能源制氢在甲醇等行业替代化石能源的示范，同时将煤制甲醇列入高耗能行业重点领域。在此趋势下，绿色甲醇日益受到关注，有望应用于船舶等交通燃料领域及绿色化工领域。截至2023年底，我国绿色甲醇规划产能约1140万t/a，投资金额超过2400亿元。（能源情报备注：2024年更多绿色甲醇项目获批，截至目前绿色甲醇规划产能已经达到5000万吨左右。）绿色甲醇的主要工业化生产路线包括电甲醇（即绿氢和CO2制甲醇，由于绿氢由电解水制得，因此称为电甲醇）、生物质气化/热解制甲醇2种，此外还衍生出生物质气化耦合绿氢制甲醇。当前规划的绿色甲醇项目中，几种技术路线类型均有应用，各技术路线的特点及优势仍然需要深入比较，以便企业做出最优的选择策略。生产技术路线的综合竞争力受多方面影响，主要包括原料可获性、技术成熟度、政策支持性、技术经济性等。在绿色发展政策影响下，还需考虑碳排放水平。本研究从原料、技术、政策、经济性、碳排放5个维度对电甲醇、生物甲醇进行分析，利用多目标决策法构建评分体系，分别对2030年、2050年2种技术路线进行综合评价。多目标决策法首先把研究问题中互相关联的各种因素划分为有序的结构层次，再结合专家意见，采用标度法对同一层次元素两两比较，列出判断矩阵，最后计算各元素的权重。本研究过程首先由专家对评价维度的重要程度进行两两比较，并构造判断矩阵M1、M2，如表1、表2所示。经一致性检验，判断矩阵一致性比例CRM1＝0.06＜0.10，CRM2＝0.03＜0.10，均符合一致性原则，认为矩阵M1、M2层次总排序结果具有一致性。对判断矩阵中每行元素进行几何平均，并归一化处理，得到主评价矩阵W，如式（1）所示。式中，W1、W2分别为2030年、2050年绿色甲醇生产技术竞争力各评价维度所占权重比例，如表3所示。对于绿色甲醇生产，原料稳定供应始终是专家最为关注的问题，其次为技术成熟度。在技术选择时，政策支持力度因素优先于经济性和碳排放水平，这表明绿色甲醇生产主要由政策驱动。碳排放水平因素权重占比最低，说明当选择技术能满足绿色生产要求时，碳排放水平通常不会成为生产者特别关注的因素。2030年和2050年，各维度权重占比发生一定变化。2030年，绿色甲醇市场规模有限，原料的稳定供应仅是比较重要因素，而到2050年，随着需求增加，原料供应将成为一项重要选择依据，权重占比提高到36%。2050年，技术成熟度、政策因素虽然仍是一项重要考虑因素，但经过长期发展，生产工艺总体趋于成熟、政策趋于明朗，因此维度权重相比2030年有所下降，而经济性比重有所增加，成为与技术成熟度、政策支持性同等重要的技术选择影响因素。首先由专家对各阶段各项技术的各维度指标进行百分制评分，将专家打分求平均处理后，得到各技术分维度的无权重得分矩阵X，如式（2）所示。电甲醇生产工艺分为一步法和两步法，其中两步法反应暂未进入工业化进程，本研究仅讨论一步法工艺，反应方程式如式（5）所示。相比于合成气制甲醇，一步法制甲醇无需经历变换，在消耗CO2的同时减少了工艺副产CO2。CO2加氢制甲醇主要包括气体压缩、甲醇合成、气体分离、精馏等工艺单元。这一过程在物料性状、操作条件及反应流程等方面与CO制甲醇相似，但核心反应机理不同。合作、咨询、交易：微信：energyinsider；邮箱eipress@qq.com
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欧洲是全球较早开展电甲醇工业化的地区。2012年，冰岛的碳循环国际公司CRI在冰岛雷克雅未克市建设了1200t/a的CO2制甲醇装置，采用自主开发的工业化技术ETL，使用地热发电制氢和废气回收的CO2。CRI在包括瑞典、中国在内的全球多地推广ETL技术，已具有10万t/a的标准化设计能力。我国已建成2套10万t/a工业化电甲醇装置，采用ETL技术。另有2套千吨级工业试验/示范装置为我国自主研发技术，其中1套由中国海油海洋石油富岛有限公司、中国科学院上海高等研究院和中国成达工程有限公司合作开发，另外1套由中科院大连化学物理研究所开发。目前，中科院大连化学物理研究所已与中煤集团合作，计划建设10万t/aCO2加氢制甲醇生产装置。电甲醇技术路线存在至少2个方面技术难点，一是催化性能不高，二是甲醇生产过程的稳定要求与绿氢、绿电波动性供应不匹配。目前，电甲醇合成体系采用的催化剂包括Cu基非贵金属催化剂、贵金属催化剂以及MoS2、层状金属氧化物等。其中Cu基催化剂已经应用于工业化装置，而贵金属催化剂等由于成本高、制备繁琐等原因，尚处于实验室小试或研究阶段。目前CO2制甲醇的单程转化率和选择性仍然较低，如当前广泛研究和使用的Cu/ZnO/Al2O3在5MPa和250℃反应条件下，转化率为20%，选择性40%~80%。CO2加氢制甲醇过程受到热力学及动力学的双重限制，从热力学上来说，较低的反应温度有利于提高甲醇选择性，但从动力学角度考虑，不利于反应速率的提高，因此需要进一步提升催化剂活性和选择性，以实现过程的节能降耗与甲醇收率提高。同时，CO2加氢制甲醇过程中催化剂的催化作用机理尚不明确。一些企业和研究机构致力于工业催化剂研发，如丹麦托普索、德国科莱恩、韩国科学技术研究院、中国石化等。在上下游匹配方面，由于风光自然资源的波动供应，导致绿氢生产具有波动性，但甲醇化工生产过程要求原料能够稳定供应。为了解决绿氢原料生产的波动性问题，工艺设计时可考虑多设储罐存储绿氢，平抑其生产波动性。但该方案需要加大绿氢项目投资，增加绿氢生产成本。另一思路是设计开发绿色甲醇的柔性生产工艺，提高装置的操作弹性，降低对绿氢稳定性的要求。目前柔性工艺尚未开展深入研究，仅托普索公司尝试开发了动态合成氨工艺，有在建项目。以绿氢价格2.0元/Nm3测算，电甲醇生产成本约5500元/t。原辅材料费用占绿色甲醇完全成本的82%，主要是由于绿氢价格较高。绿氢成本占原辅材料的90%，占绿色甲醇完全成本的75%。若电力成本大幅降低，绿氢价格将降低至0.9元/Nm3，电甲醇生产成本为2800~3300元/t。全生命周期碳排放测算范围包括CO2捕集、绿氢生产、甲醇生产、甲醇运输、甲醇使用环节。采用不同浓度CO2作为碳源，电甲醇全生命周期碳排放强度有所不同，为0.061~0.548tCO2/t甲醇（运输100km）。若未来生产过程全部使用绿电，则碳排放强度为–0.751~–0.305tCO2/t甲醇。生物质及固体废弃物制甲醇是指将生物质气化/热解产生的合成气，在一定条件下生成甲醇。生产过程包括原料预处理、气化/热解、水煤气变换、气体净化、甲醇合成、精制等单元。其中生物质热解通常在700~1000℃高温条件下进行。该工艺与煤制甲醇的主要区别在于合成气来自生物质，而水煤气变换、气体净化、甲醇合成、精制过程均与煤制甲醇工艺相同。全球范围内，虽然BioMCN、Enerkem、Andritz等公司已建设了多套生物质气化制甲醇装置，但目前我国还没有相关项目落地。生物甲醇的难点主要在于生物质气化尚未突破，包括副产焦油偏多、气体热值较低、催化剂易积炭烧结等问题。此外，由于气化技术尚未成熟，加上缺少政策性支持及亏损等原因，当前木质纤维类生物质气化设备基本处于试验示范阶段。合作、咨询、交易：微信：energyinsider；邮箱eipress@qq.com
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3.2.3经济性
当生物质收到基价格为1000元/t、绿电价格为0.41元/kWh时，测算生物甲醇生产成本约3600元/t。原料对生物甲醇的生产成本有重要影响，若原料价格降低一半，生产成本降低至2600元/t。根据全生命周期定义，生物甲醇全生命周期包括生物质种植、生物质运输、生物质预处理、甲醇生产、甲醇运输和甲醇使用等环节。据测算，生物甲醇全生命周期碳排放强度约0.223tCO2/t甲醇。若生产环节完全使用绿电，则碳排放强度约0.124tCO2/t甲醇。电甲醇的主要原料为绿氢及CO2。全球甲醇协会要求CO2原料需来自生物质或直接空气捕集，欧盟要求在2041年前已在上游缴纳碳交易费用的CO2不计算碳排，中国暂无相关标准和要求。现阶段我国仍有大量工业废弃CO2排放。根据国际能源署（IEA）报告，2023年我国CO2排放量约126亿t。远期看，若未来化石CO2不被视作绿色甲醇的原料，随着技术发展，企业仍可使用直接空气捕集获得的CO2。现阶段我国投产的绿氢项目较少，但全国范围内拟在建绿氢项目众多，规划产能超1000万t/a。综合来看，绿氢及CO2资源基本可以保障。生物甲醇的主要原料为秸秆、纤维素等生物质。生物质原料的收储、运输环节的完善配套，将是保障生物质甲醇装置连续工业化生产的关键。由于生物质原料分布分散、收获季节性强、储存难度大，通常优先用于肥料、饲料、基料，在目前绿色甲醇需求较低、产业规模不大的情形下，生物质原料较易于获得，但随着未来绿色甲醇日益推广、需求增加，生物质原料大规模获取预计存在一定难度。目前电甲醇和生物甲醇均有工业装置建成，但2种技术路线都处于工业应用初期。生物甲醇在国外已建有大型装置，同时生物甲醇技术除生物质气化过程外，其余过程均为成熟工艺。电甲醇技术路线从绿氢制备到甲醇生产均为新研发工艺。综合评价，2030年生物甲醇技术成熟度略高于电甲醇。但聚焦我国，生物甲醇目前尚无应用案例，仅有规划项目；H2与CO2制甲醇虽然已有2套10万t/a的装置建成，但并未使用绿氢作原料，能否长期稳定运行及技术成熟度还有待进一步验证。随着技术进步，绿色甲醇生产过程的技术难点将不再成为制约其发展的关键因素。2050年，2种技术路线的技术成熟度将趋于一致。目前国内外电甲醇和生物甲醇均受到政策支持。我国明确将生物甲醇列入《可再生能源法》中予以支持和鼓励，将电甲醇列入《产业结构调整指导目录（2024年本）》的鼓励类项目。欧盟在《欧盟可再生能源指令》（RED）中对不同类型可再生能源设置了具体目标。在REDⅡ中，对非生物来源的可再生能源（RFNBOs）没有特殊说明，对于先进生物燃料要求2030年在交通运输部门的应用比例不低于3.5%。而在REDⅢ中，要求至2030年，先进生物燃料与RFNBOs总比例不低于5.5%，其中RFNBOs不低于1%，可见欧盟持续加大对生物燃料特别是RFNBOs的支持力度。虽然从长期看，到2050年，对电甲醇和生物甲醇的政策支持力度预计相当，两者竞争力相同。但在短期内，欧盟对生物甲醇等生物燃料的应用更多。生物甲醇投资高于电甲醇技术路线，但总成本低于后者。2030年，生物甲醇的评分高于电甲醇。未来随着全产业链技术水平的提高，绿色甲醇成本有望降低。2050年，绿电价格将降低，并带动绿氢和电甲醇价格下降[16]。而来自农业废弃物的生物质原料，由于劳动力成本上升，预计价格下降有限。因此，2050年生物甲醇与电甲醇的经济性竞争力相当。目前国内外对绿色甲醇暂无公认的碳排放标准。国际可再生能源署在2021年发布的《创新展望：可再生甲醇》报告中建议，将可再生甲醇视为绿色甲醇，具体包括以生物质及城市固体废弃物为原料的生物甲醇和以可再生CO2与绿电为原料的电甲醇。欧盟在REDⅡ中对生物燃料的要求是全生命周期碳排放量低于32.9gCO2/MJ；在其补充条例中表示，考虑脱碳进程，在短期内，利用工业捕集获得的CO2制备甲醇可暂认为是可循环碳燃料，但要求全生命周期碳排放量不超过28.2gCO2/MJ。到2030年，在政策允许范围内，考虑生产过程优先使用高浓度CO2为原料，电甲醇碳排放强度低于生物甲醇，测算的电甲醇和生物甲醇全生命周期碳排放均符合欧盟要求。随着绿色低碳发展进一步深入，考虑到2050年绿色甲醇生产全部使用绿电，高浓度和低浓度CO2电甲醇的全生命周期碳排放均低于生物甲醇，电甲醇将更具优势。对电甲醇、生物甲醇2种技术路线进行分阶段整体评价，结果如图1所示。2030年，技术处于起步阶段，2种技术路线综合评分较低；至2050年综合评分均明显增加，表明专家对绿色甲醇的应用及相关技术发展都具有信心。2030年，生物甲醇技术成熟度更高、技术经济性更强，综合而言更具优势。但其原料方面存在不确定性。为了弥补原料不足，一些耦合技术路线考虑在生物质气化制甲醇过程中补充绿氢来提高生物炭的利用率。未来，电甲醇发展更快，在技术成熟度、技术经济性等方面将与生物甲醇不分伯仲，同时电甲醇的原料压力小，到2050年将更具优势。合作、咨询、交易：微信：energyinsider；邮箱eipress@qq.com
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在绿色低碳发展趋势下，绿色甲醇有持续发展前景。发展绿色甲醇，原料可获性是企业进行技术路线选择时需要考虑的关键核心因素，还应评估可得技术的成熟度。现阶段，电甲醇和生物甲醇工艺均处于工业化初期阶段，仍然有诸多难点需要攻克，电甲醇需要进一步提高催化性能、发展甲醇柔性化生产以与绿氢生产匹配；生物甲醇需要集中突破生物质气化技术并加强技术产业化落地。
