海上风电制氢合成绿色甲醇方案研究

林宇华，程永林，高 伟

（1. 福建华电可门发电有限公司，福建福州 350512；2. 华电电力科学研究院有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

2021年全球CO2排放量达到363亿t[1]，在CO2等温室气体排放增加和自然因素的共同影响下，全球气候主机变暖、极端天气趋多[2]。中国在第七十五届联合国大会上提出CO2排放将力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。为实现“双碳”目标，我国在能源领域大力发展海上风电等新能源、积极支持发电企业进行碳捕集利用与封存。同时，海上风电和碳捕集利用与封存也面临巨大挑战。海上风电的波动性和间接性对电网产生冲击，仅靠扩建电网输送通道维持功率和电量平衡，投资大、问题多、可持续差，因此形成大量的“弃风”电能[3]。在海上风电“退补”的大环境下，拓展其消纳途径、探索多元化发展道路、研究降本增效措施是海上风电可持续发展的必然要求。碳捕集利用与封存技术虽可将CO2排放量降低至20%（体积分数）[4]，碳减排效果显著，但捕集和储存不能产生经济效益[5]，其持续性运转会受到影响。因此，研究重点转向将捕集到的CO2进行资源化利用[6]。

CO2捕集耦合海上风电制氢合成甲醇工艺，是实现碳循环非常友好的途径[7]，不仅可以有效解决可再生能源消纳及电力并网稳定性问题，提高电力系统的灵活性，实现能源的时空平移[8]，同时还能够获取多种高附加值的化学产品，降低对传统化石原料生产化工产品的依赖，推动化工、能源和交通运输行业绿色低碳转型，保障能源供应安全[9]。福建省福清海坛海峡海上风电场位于海坛海峡中北部，总面积约35 km2，中心离岸距离3 km，全部机位平均水深5.4 m，装机容量300 MW。福建华电可门发电有限公司为沿海大型燃煤发电企业，现有燃煤火力发电机组装机容量4×600 MW，近3 a年均碳排放量1076.49万t。本文以福清海坛海峡海上风电场和福建华电可门发电有限公司为研究对象，阐述海上风电制氢合成绿色甲醇的工艺方案设计，以期为我国能源领域低碳技术创新、海上风电和火力发电融合发展提供参考。

1 工艺方案设计

工艺方案设计主要包括海上风电场电力制氢、燃煤发电机组烟气中CO2捕集、CO2加氢制甲醇3个环节。

1.1 海上风电制氢

由于海上风电厂址距岸边较近，采用岸上制氢方式，工艺流程主要包括电解水制氢和氢气纯化：电解水制氢采用“碱性+PEM”工艺，氢气纯化采用“催化脱氧+变温吸附”工艺。氢气产品在储罐区进行缓冲暂存，以供甲醇生产连续使用。流程图如图1所示。

图1 海上风电制氢流程示意图

海上风电制氢系统主要由电气系统、电解槽、气液分离系统、氢气纯化系统等组成。电气系统把海上风电电力通过变压、整流转化为电解水制氢直流电。电解槽是制氢系统的核心，电解液在电解槽内直流电的作用下分解，在电极表面析出氢气与氧气，经各自通道分别进入气液分离系统。气液分离系统将氢气（氧气）与电解液混合物在重力作用下进行气液分离，氧气排空、氢气进入纯化系统。原料氢气在纯化系统中依次进行催化脱氧、气水分离、干燥、过滤，最终形成氢气产品，暂存于储氢罐。

1.2 CO2捕集

为减少对现有运行设备的改造范围，采用化学吸收法捕集烟气中CO2，工艺流程主要包括烟气脱硫和CO2捕集。CO2产品在储罐区加压液化存储，供甲醇生产连续使用。流程图如图2所示。

图2 CO2捕集流程示意图

CO2捕集系统主要由脱硫系统、捕集系统、再生系统等组成。火力发电机组烟气由管道输送至脱硫系统洗涤塔，除尘降温后，通过碳酸钠循环洗涤除去烟气中的硫，脱硫烟气进入捕集系统。脱硫烟气进入捕集系统吸收塔后，CO2气体被有机复合胺水溶液吸收形成富液，输送至再生塔；未被吸收的气体则经洗涤、除沫排入大气。富液在再生塔内受热分解释放出CO2，CO2气体经压缩、冷却、气液分离等过程后输送至储罐暂存；富液释放CO2后称之为贫液，贫液在经冷却、过滤后，重新进入捕集系统吸收塔循环使用。

1.3 合成甲醇

甲醇合成采用一步法制甲醇工艺，即直接以CO2和氢气为原料，通过压缩、合成、气体分离、精馏等环节形成甲醇，存储于甲醇产品罐。流程图如图3所示。

图3 合成甲醇流程示意图

CO2与氢气混合，加压、升温后在合成塔内经催化剂催化合成甲醇。循环气继续循环反应，粗甲醇采用双塔流程进行精馏、产出甲醇产品。

2 方案规模与消耗定额

以年产10万t绿色甲醇项目规模为例，产品甲醇产量10万t/a，中间产品氢气2万t/a，CO2捕集量15万t/a，副产品多元醇125 t/a。消耗定额如下表所示。

表1 消耗定额表

3 展望

我国海上风电发展势头迅猛，装机容量跃居世界第一，接近全球海上风电累计装机容量的一半，2030年底我国海上风电装机容量预计将达到97 GW。海上风电制氢是解决海上风电大规模并网消纳难、深远海电力送出成本高等问题的有效手段。海上风电制氢耦合CO2捕集合成甲醇是实现碳循环非常友好的途径，每生产1 t甲醇可转化1.375 t CO2。

目前全球绿色甲醇市场仍处于发展初期，行业产能较少，在全球甲醇市场的占比不足百分之一。我国是全球最大的甲醇生产国和消费国，其约占全球产能的一半。从制造工艺看，我国甲醇生产以煤制甲醇为主，其产量占国内产量的80%左右，其他为天然气制甲醇和焦炉煤气制甲醇，在碳中和、碳达峰战略背景下，我国绿色甲醇产业发展潜力极大。