海上風(fēng)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(fā)電有限公司，福建福州 350512；2. 華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

2021年全球CO2排放量達(dá)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(jī)變暖、極端天氣趨多[2]。中國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出CO2排放將力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，我國(guó)在能源領(lǐng)域大力發(fā)展海上風(fēng)電等新能源、積極支持發(fā)電企業(yè)進(jìn)行碳捕集利用與封存。同時(shí)，海上風(fēng)電和碳捕集利用與封存也面臨巨大挑戰(zhàn)。海上風(fēng)電的波動(dòng)性和間接性對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，僅靠擴(kuò)建電網(wǎng)輸送通道維持功率和電量平衡，投資大、問(wèn)題多、可持續(xù)差，因此形成大量的“棄風(fēng)”電能[3]。在海上風(fēng)電“退補(bǔ)”的大環(huán)境下，拓展其消納途徑、探索多元化發(fā)展道路、研究降本增效措施是海上風(fēng)電可持續(xù)發(fā)展的必然要求。碳捕集利用與封存技術(shù)雖可將CO2排放量降低至20%（體積分?jǐn)?shù)）[4]，碳減排效果顯著，但捕集和儲(chǔ)存不能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益[5]，其持續(xù)性運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)受到影響。因此，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)⒉都降腃O2進(jìn)行資源化利用[6]。

CO2捕集耦合海上風(fēng)電制氫合成甲醇工藝，是實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)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(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題，提高電力系統(tǒng)的靈活性，實(shí)現(xiàn)能源的時(shí)空平移[8]，同時(shí)還能夠獲取多種高附加值的化學(xué)產(chǎn)品，降低對(duì)傳統(tǒng)化石原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品的依賴，推動(dòng)化工、能源和交通運(yùn)輸行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，保障能源供應(yīng)安全[9]。福建省福清海壇海峽海上風(fēng)電場(chǎng)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(jī)位平均水深5.4 m，裝機(jī)容量300 MW。福建華電可門發(fā)電有限公司為沿海大型燃煤發(fā)電企業(yè)，現(xiàn)有燃煤火力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量4×600 MW，近3 a年均碳排放量1076.49萬(wàn)t。本文以福清海壇海峽海上風(fēng)電場(chǎng)和福建華電可門發(fā)電有限公司為研究對(duì)象，闡述海上風(fēng)電制氫合成綠色甲醇的工藝方案設(shè)計(jì)，以期為我國(guó)能源領(lǐng)域低碳技術(shù)創(chuàng)新、海上風(fēng)電和火力發(fā)電融合發(fā)展提供參考。

1 工藝方案設(shè)計(jì)

工藝方案設(shè)計(jì)主要包括海上風(fēng)電場(chǎng)電力制氫、燃煤發(fā)電機(jī)組煙氣中CO2捕集、CO2加氫制甲醇3個(gè)環(huán)節(jié)。

1.1 海上風(fēng)電制氫

由于海上風(fēng)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(chǎn)品在儲(chǔ)罐區(qū)進(jìn)行緩沖暫存，以供甲醇生產(chǎn)連續(xù)使用。流程圖如圖1所示。

圖1 海上風(fēng)電制氫流程示意圖

海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)主要由電氣系統(tǒng)、電解槽、氣液分離系統(tǒng)、氫氣純化系統(tǒng)等組成。電氣系統(tǒng)把海上風(fēng)電電力通過(guò)變壓、整流轉(zhuǎn)化為電解水制氫直流電。電解槽是制氫系統(tǒng)的核心，電解液在電解槽內(nèi)直流電的作用下分解，在電極表面析出氫氣與氧氣，經(jīng)各自通道分別進(jìn)入氣液分離系統(tǒng)。氣液分離系統(tǒng)將氫氣（氧氣）與電解液混合物在重力作用下進(jìn)行氣液分離，氧氣排空、氫氣進(jìn)入純化系統(tǒng)。原料氫氣在純化系統(tǒng)中依次進(jìn)行催化脫氧、氣水分離、干燥、過(guò)濾，最終形成氫氣產(chǎn)品，暫存于儲(chǔ)氫罐。

1.2 CO2捕集

為減少對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行設(shè)備的改造范圍，采用化學(xué)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(chǎn)品在儲(chǔ)罐區(qū)加壓液化存儲(chǔ)，供甲醇生產(chǎn)連續(xù)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(tǒng)主要由脫硫系統(tǒng)、捕集系統(tǒng)、再生系統(tǒng)等組成。火力發(fā)電機(jī)組煙氣由管道輸送至脫硫系統(tǒng)洗滌塔，除塵降溫后，通過(guò)碳酸鈉循環(huán)洗滌除去煙氣中的硫，脫硫煙氣進(jìn)入捕集系統(tǒng)。脫硫煙氣進(jìn)入捕集系統(tǒng)吸收塔后，CO2氣體被有機(jī)復(fù)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(jīng)洗滌、除沫排入大氣。富液在再生塔內(nèi)受熱分解釋放出CO2，CO2氣體經(jīng)壓縮、冷卻、氣液分離等過(guò)程后輸送至儲(chǔ)罐暫存；富液釋放CO2后稱之為貧液，貧液在經(jīng)冷卻、過(guò)濾后，重新進(jìn)入捕集系統(tǒng)吸收塔循環(huán)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(guò)壓縮、合成、氣體分離、精餾等環(huán)節(jié)形成甲醇，存儲(chǔ)于甲醇產(chǎn)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(nèi)經(jīng)催化劑催化合成甲醇。循環(huán)氣繼續(xù)循環(huán)反應(yīng)，粗甲醇采用雙塔流程進(jìn)行精餾、產(chǎn)出甲醇產(chǎn)品。

2 方案規(guī)模與消耗定額

以年產(chǎn)10萬(wàn)t綠色甲醇項(xiàng)目規(guī)模為例，產(chǎn)品甲醇產(chǎn)量10萬(wàn)t/a，中間產(chǎn)品氫氣2萬(wàn)t/a，CO2捕集量15萬(wàn)t/a，副產(chǎn)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(guó)海上風(fēng)電發(fā)展勢(shì)頭迅猛，裝機(jī)容量躍居世界第一，接近全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的一半，2030年底我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)將達(dá)到97 GW。海上風(fēng)電制氫是解決海上風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)消納難、深遠(yuǎn)海電力送出成本高等問(wèn)題的有效手段。海上風(fēng)電制氫耦合CO2捕集合成甲醇是實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)非常友好的途徑，每生產(chǎn)1 t甲醇可轉(zhuǎn)化1.375 t CO2。

目前全球綠色甲醇市場(chǎng)仍處于發(fā)展初期，行業(yè)產(chǎn)能較少，在全球甲醇市場(chǎng)的占比不足百分之一。我國(guó)是全球最大的甲醇生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，其約占全球產(chǎn)能的一半。從制造工藝看，我國(guó)甲醇生產(chǎn)以煤制甲醇為主，其產(chǎn)量占國(guó)內(nèi)產(chǎn)量的80%左右，其他為天然氣制甲醇和焦?fàn)t煤氣制甲醇，在碳中和、碳達(dá)峰戰(zhàn)略背景下，我國(guó)綠色甲醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿O大。