南海低碳甲醇产业发展浅析

南海低碳甲醇产业发展浅析

贾瑞博,肖仁富

中海石油建滔化工有限公司 570203

摘要：南海作为中国三大边缘海域之一，拥有丰富的化石能源、风能和光能。本文从南海资源介绍，二氧化碳加氢制甲醇的意义，以及二氧化碳加氢制甲醇技术的突破带来的机遇进行了详细阐述。重点对二氧化碳加氢制甲醇的经济性以及南海富碳天然气和绿电、绿氢结合带来的新机遇进行了论述。

关键词：南海、二氧化碳、甲醇、天然气、产业

为面对气候变化日益加剧的全球性挑战，积极应对全球性气候变化，2020年中国提出力争在2030年前实现“碳达峰”；争取2060年前CO2排量不再增加，通过植树造林、节能减排、产业调整等形式，实现“碳中和”的目标。全面贯彻习近平总书记生态文明思想，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，推动我国绿色发展迈上新台阶是所有科研技术人员的梦想。因此CO2利用提高到十分关键的位置，特别是在我国能源产业格局中，目前能源利用中根本来源是煤、石油、天然气等化石燃料作为能源消耗，该部分能源占到总能源消耗的84%。

一、南海资源介绍

南海，位于中国大陆的南方，是太平洋西部海域，中国三大边缘海之一，该海域自然海域面积约350万平方公里，为中国近海中面积最大、水最深的海区，平均水深1212米，最大深度5559米。南海是资源最为丰富的海域，约占中国总资源1/3，属于世界四大海洋油气聚集中心之一，尤其在油气资源、风能、太阳能等方面极其丰富。

1、南海拥有丰富的富碳天然气

全世界的富碳天然气主要分布在北美洛基山东麓、中国东部和南海以及新西兰等地区，以我国南海天然气为例，其存储量达到了约为20×104亿m3，相当于全球的12%。其主要特点是含有高浓度的CO2，典型气田组分CO2含量（体积分数，下同）在20%～80%之间。

2、南海有丰富的风电资源和可开发的前景

南海具备大规模开发海上风电资源的禀赋条件。（1）自然条件优越；海南省是岛屿海洋大省，近海区域90米高度年平均风速为6.76--7.78m/s之间，年平均风功率密度在343.1--692.1W/M2之间，是全国风能资源最好的地区之一，具有发展风电特别是海上风电的资源禀赋条件。（2）有一定的政策基础。2019年海南省自规厅编制的《海南省海洋可再生能源产业发展规划研究报告》，对海南全省海上风电规划14个海上风电场场址，规划总面积为2829平方公里，规划总装机容量1737万千瓦。

3、南海有丰富的太阳能资源

南海诸岛太阳能资源丰富程度超过我国其他海域和绝大多数的内陆地区，堪比青藏高原。全年各月平均太阳辐射总量为190至260W/m2,终年可利用。尤其海南处于低纬度热带地区，年太阳总辐射量约为 460.24～585.76kJ／m2，年日照时数为1750～2650h，光照率为 50％～60％［1］。光照时间长强度高，阳光穿透性强，光合潜力大，太阳能资源丰富。

二、二氧化碳加氢制甲醇技术路线的意义

在减碳的技术发展过中，新能源替代化石能源是减碳的一个重要途径。而二氧化碳深度脱碳技术，通过CO2捕集封存技术和生物固存转化技术是现有能源利用过程中实现碳达峰、碳中和的一个重要手段，但深度脱碳技术相对成本高技术难度大，目前仍属于研究和局部实验阶段。最后是二氧化碳进行再利用生产可利用能源是最好的处理方法和处理途径，而二氧化碳加氢制甲醇技术路线是目前二氧化碳利用方面最好的途径，甲醇本身的属性和作用决定了其成为利用二氧化碳普遍研究和利用的方向。

三、二氧化碳加氢制甲醇技术的突破给利用带来机遇

二氧化碳加氢制甲醇作为工业化应用的前景，其工艺和核心参数及催化剂是是否能够实现工业化的前提。随着碳达峰、碳中和的提出，近几年二氧化碳加氢制甲醇的工艺和核心参数及催化剂也迎来快速的发展，技术的保障给二氧化碳加氢制甲醇真正工业化提供了保障。

1、甲醇工业化进程和工艺相对成熟

20 世纪20年代BASF公司最早实现高压合成甲醇工业化，20世纪60年代 ICI公司实现低压合成甲醇工业化，很快又成功实现中压合成甲醇工业化［4］。甲醇自首次工业化以来已经经历100多年的历程，不同的企业根据实际情况开发和使用着不同的工艺，其中高、中、低压合成甲醇工艺都相对成熟且规模巨大。进入21世纪，我国甲醇工业进入快速发展时期。2021年，国内甲醇全年产能达到 9738.5万吨，较2020年提高302万吨，增幅为3.20%。传统的甲醇工艺都是通过CO和氢气反应制甲醇。随着全球气候变化的日趋加剧，碳达峰、碳中和的要求，二氧化碳和氢气反应制甲醇逐渐进入企业研究和应用的视野。

2、二氧化碳加氢制甲醇核心参数及催化剂技术迎来突破

在二氧化碳加氢制甲醇反应体系中主要有（1）～（3）所示反应。

CO2 + 3H2 ⇄ CH3OH + H2O ΔrHθ(298K) = -49.51kJ/mol （1）

CO + 2H2 ⇄ CH3OH       ΔrH

θ(298K) = -90.70 kJ/mol（2）

CO2 + H2 ⇄ CO + H2O    ΔrHθ(298K) = 41.19 kJ/mol  （3）

从反应式可以看出，（1）和（2）分别为CO2和CO的加氢反应，且为放热反应，反应（3）为逆水汽变换反应，为吸热反应。任何反应都式在反应温度、压力及不同组成小进行。作为甲醇反应的核心设备甲醇合成反应器，常见的甲醇反应器有英国ICI公司研制的冷激型反应器、Lurgi管式反应器、Casale反应器、Topsøe径向反应器等。目前合成工艺技术研究普遍采用的反应参数，CO2直接加氢的操作温度为200～300℃，压力为５～10ＭＰａ，

催化剂是CO2加氢制甲醇的关键，近年来，不少企业和科研工作者在二氧化碳加氢制甲醇的催化剂研究上做出了大量工作，部分催化剂也已经应用在工业示范装置并且取得不错的成果。目前主流的CO2加氢催化剂为铜基催化剂，另外也包含一些贵／稀有金属催化剂及其他新型催化剂［5-6］。随着研究的深入，催化剂的选择性、稳定性及CO2的转化率将越来越好，最终实现CO2加氢制甲醇的工业化和大型化。

四、南海富碳天然气和绿电绿氢结合给甲醇产业带来机遇

南海存在丰富的油气资源和新能源，但南海天然气大多为高CO2的贫气，天然气长距离管输或液化处理成本高，适合根据天然气特点发展天然气化工。目前的气田建设已形成规模，为发展天然气化工提供了充足的天然气供应保障。中国海油配合南海开发，近期在南海陆续发现丰富天然气资源，东方13-2、陵水等气田储量均在千亿方以上。

五、结束语

在南海碳达峰碳中和的路上，既要充分利用好南海充足的油气资源，保证国家能源安全，也要推进碳中和式资源可持续利用模式，与大规模可再生能源制氢产业（包括太阳能、风能等发电电解水制氢等）匹配，完善产业链发展，真正达到CO2减排目标并得到人类赖以生存的碳基燃料及化学品，实现碳中和式资源可持续利用。

参考文献：

［1］张旭飞，林 茂，肖仁鹏等. 海南省太阳能利用现状及发展研究［J］. 农业科技与装备,2010.12(198) 35-27

［2］林海周，罗志斌等.二氧化碳与氢合成甲醇技术和产业化进展［J］. 南方能源建设,2020.07(2)14-19

［3］（美）奥拉（Olah，G.A.），（美）戈佩特（Goeppert，A.），（美）普拉卡西（Prakash，Go.K.S.）.《跨越油气时代：甲醇经济》化学工业出版社出版的图书， 2007年.