化工行业专题研究：二氧化碳加氢制甲醇有望迎来产业化

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化工行业专题研究：二氧化碳加氢制甲醇有望迎来产业化

近年来，由CO2催化加氢合成甲醇的相关研究受到越来越多的关注．该方法既可解决CO2废气的利用问题，又可开

中国科学家发现了什么二氧化碳有望变废为宝？

我国首个海上二氧化碳生存计划启动，什么是海上二氧化碳？为何要封存？

一、化工行业专题研究：二氧化碳加氢制甲醇有望迎来产业化

（报告出品方/作者：国海证券/李永磊，董伯骏）

1 CO2制甲醇前景广阔

二氧化碳的资源化利用意义重大

CO2资源化利用的意义 减碳化工工艺可以减少工业生产中二氧化碳的排放量。但对于部分反应，二氧化碳作为产物或者副产物，其产生和排放难 以避免。因此，碳的资源化利用是实现碳中和目标的不可或缺的环节。 从另一个角度来看，二氧化碳作为一种廉价易得、环境友好的可再生碳一资源，其资源化利用不仅可减少二氧化碳排放， 而且可提供绿色制备的技术路线，对绿色与可持续发展意义重大。

二氧化碳资源化利用研究进展迅速

近二十年来，二氧化碳化学转化研究发展迅速，尤其是纳米材料、离子液体等新型功能材料的涌现为其化学转化提供了新 的发展契机，二氧化碳的资源化利用成为自然界碳循环的有力补充。 二氧化碳热力学稳定、动力学惰性，通常可以使用热催化转化、光/电催化还原、聚合反应等方式将二氧化碳转化为其他 化工产品，实现二氧化碳的资源化利用。

甲醇有望成为CO2资源化利用下的主要产品

甲醇是一种基本的有机化工原料，用途十分广泛。甲醇可以用于合成纤维、甲醛、塑料、医药、农药、染料、合成蛋白质等 化工产品。甲醇还可以用作直接甲醇燃料电池(DMFC)和改进的柴油发动机的液体燃料。甲醇还可以通过裂解释放出氢气， 从而成为氢气储运的载体。 甲醇分子结构简单，利用二氧化碳制备甲醇，过程也较为容易实现，因此甲醇是从CO2还原获得的理想产物之一。通过二氧 化碳制备甲醇，可以依托现有的C1化工体系来实现化工品的绿色制造，因此甲醇有望成为CO2资源化利用的重要的方向。

二氧化碳的电催化反应制甲醇尚面临许多困难

目前研究的较多的CO2制甲醇的技术路线分为：（1）二氧化碳电催化还原制甲醇；（2）二氧化碳加氢制甲醇。 其中，CO2电还原制甲醇工业化尚存一些关键性挑战，相比之下CO2加氢耦合H2O电解制甲醇被证明是最具可实 施性和规模化的路线。CO2电催化反应原理 二氧化碳的电催化还原反应是指通过电极提供能量将二氧化碳还原为 一氧化碳，再转化为其他化学产品的反应。由于其易于控制、易于回 收利用电解质、系统紧凑，易模块化的特点而备受关注。CO2电催化制备甲醇面临问题 1）CO2电还原反应条件比较苛刻，需要非常高的能量和极高活性的催 化剂； 2）因为反应能量较高，容易引发副反应和分解反应，转化率不高，副 产物包括甲烷、一氧化碳、甲酸、草酸及其盐、甲醛、乙烯等。 3）目前二氧化碳还原反应还没有找到稳定性较高的催化剂。

二氧化碳加氢制甲醇反应技术已逐步成熟

CO2加氢反应过程简单，工艺日趋成熟。反应原理 以氢气和二氧化碳为原料反应制备甲醇。二氧化碳和氢气在多原子金属簇催化剂表面吸附，逐步转化为气态的甲醇 CH3OH。其中所使用的催化剂多为Cu-Zn-Al体系。 该过程的本质是将可再生能源的能量存储在燃料甲醇中，使能量便于储存与运输，提升化学能的利用率。通过绿色化学反 应产生的甲醇可在一些领域替代传统化石能源，壮大我国清洁能源产业，提升能源多元化保障能力，有助于双碳目标实现 。

反应过程 氢气制备：若采用绿氢，则需要将风、光等清洁能源转化为电能，通过电解水产生氢气，通过洗涤冷却器提纯氢气作为氢 源。 CO2制备：可收集化工、炼钢等过程产生的二氧化碳无需净化脱硫，直接作为碳源。 甲醇制备和分离：将二氧化碳与氢气在缓冲罐内充分混合，恒温恒压（反应温度约250~350℃，反应压力约6~8MPa）下 在甲醇合成塔内反应生成甲醇、水及副反应产物。随后在甲醇分离器内进行气液分离获得粗甲醇产物，最终通过精馏得到 纯度较高的甲醇产物。（报告来源：未来智库）

2 CO2制甲醇效益逐步显露

煤制甲醇是我国主要的甲醇生产路线，成本较

煤制甲醇成本计算 中国由于“富煤、缺油、少气”的资源现状，因此多采用煤为原料生产甲醇。煤制甲醇的生产成本主要由原料煤、燃料煤、 人工、折旧和其他制造费用等构成。我们可以看到在煤价为800元/吨（含税价）时，煤制甲醇生产成本仅为1953元，而当煤价下降 至300元/吨时，甲醇成本不足1000元/吨，具有明显的成本优势。

二氧化碳加氢制甲醇核心是使用绿氢

从反应原理可以看到二氧化碳加氢制甲醇相比于传统的合成气制甲醇需要多消耗一分子的氢气。世界能源理事会将氢气分 为三类：通过化石能源制备的“灰氢”、通过化石原料制备同时使用碳捕集碳封存技术制备的“蓝氢”、使用可再生能源 制备的“绿氢”。其中灰氢的制备伴随着二氧化碳的排放；蓝氢的制备虽引入低碳技术，但无法彻底避免二氧化碳的排放； 只有绿氢才是真正实现零排放的制氢方式。不同制氢方式产生的碳排放量不同，若要实现真正的减碳，在二氧化碳加氢过 程中应当使用绿氢。

绿氢成本目前仍然较高

电解水制氢成本与化石能制氢成本对比 根据氢气来源和制备技术的不同，制氢成本存在一定差异。目前，以化石原料制氢成本较低，在中国由于煤炭资源丰富， 煤炭制氢技术应用最广泛，成本约为9-14元/kg。 目前电解制氢技术仍处于发展阶段。根据热力学原理，电解水制得 1Nm3 氢气和 0.5Nm3 氧气的最低电耗需要 3.52 度电， 考虑到电解的效率一般在 75%~85%，因此，一般工业生产一标方氢气需耗电 4.5-5.0 度左右。此外，目前电解槽制氢装 置投资及运行费用一般为0.3~0.5 元/Nm3 。综上，目前使用光伏等可再生能源直接制备氢气，其成本在0.83~2.67元 /Nm3（分别对应于0.13元/kWh电价和8000h的工作时间，0.4元/kWh电价和2000h的工作时间）对应于单位质量成本 9.30~29.90元/kg。

电解水制氢成本取决于电费和装置投资，有望持续下降

电解水制氢成本计算 目前碱性电解水制氢技术的发展速度很快，近年来也已得到广泛应用。在电解水制氢的成本中，电费和装置折旧占比最高， 其中电费对于成本的影响最为显著，目前在小型电解水装置上使用工业用电的制氢成本可达22.97元/kg。考虑到未来随着 电解水装置的大型化发展，以及电解水装置连续工作时间的提升，预计电解水制氢的折旧成本仍有很大的降低空间。同时 考虑到可再生能源发电的成本逐步下降，未来电解水制氢的成本有望下降至较低水平。

二氧化碳加氢制甲醇成本快速下降，若考虑碳税，则经济性将凸显

不考虑碳税情况下，技术进步推动二氧化碳加氢制甲醇成本与煤制甲醇差距快速缩小 在煤价800元/吨时，煤制甲醇的成本约为1953元/吨。在此甲醇成本之下，若使用二氧化碳+绿氢制甲醇，对应的氢气成本需 要降至7.01元/kg （0.63元/Nm3，取CO2价格200元/吨，制造费用400元/吨），电解水电价下降至0.07元/度（不考虑氧气 收益，取包含折旧、人工在内的电解水固定成本0.3元/Nm3 ）。

考虑碳排放成本，二氧化碳加氢制甲醇相比煤制甲醇经济性逐渐显现 目前国内尚未开始征收碳税，但是中国目前已经开始试点交易碳排放配额。目前煤制甲醇过程中，生产一吨甲醇的CO2总排放 量为3.85t，其中包括2.06吨的工艺排碳。而二氧化碳和绿氢结合制甲醇，不仅不产生工艺排碳，反而会消耗CO2作为原料， 实现每生产一吨甲醇减排CO2至少1.375吨。若不考虑加工过程的碳排放（能源消耗），仅工艺端而言，二氧化碳和绿氢结合 制甲醇相比煤制甲醇可减少碳排放3.44吨。按照2021年12月10日全国碳市场碳排放配额（CEA）收盘价42.69元/吨计算，则 减排的CO2价值147元。国际货币基金组织预测，为实现2030年2℃的控温目标，每吨二氧化碳定价应在75美元左右，若按此 计算，则二氧化碳和绿氢结合制甲醇相比煤制甲醇所减排的CO2价值可高达1677元，那么长期来看二氧化碳和绿氢结合制甲 醇的优势将越来越明显。

3 碳排放制约化工行业发展

2015年10月26日在党的十八届五中全会上，中央首次提出实行能源消耗总量和强度“双控”行动。“十四五”规划中，中 央进一步提出要完善能源消费总量和强度双控制度，重点控制化石能源消费，2025年单位GDP能耗和碳排放比2020年分别 降低13.5％、18％。未来国家将实施以碳强度控制为主、碳排放总量控制为辅的制度。2021年12月的中央经济会议上，中央进一步提出要正确认识和把握碳达峰碳中和。要狠抓绿色低碳技术攻关。要科学考核， 新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制，创造条件尽早实现能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变， 加快形成减污降碳的激励约束机制，防止简单层层分解。

化工行业能源消费量和CO2排放量占比较高

化工行业是经济社会发展的支柱产业, 同时也是耗能和温室气体排放大户。 2018年，石化化工行业能源消费8.77亿吨标煤，占我国能源消费总量47.1亿吨标煤的18.6%，占工业终端能源消费量30.0 亿吨标煤的26.3%。

化工行业碳排放主要来自于原料和燃料的转化

对于企业生产活动而言，其产生的碳排放有直接排放（原料和燃料转化过程中的碳排放），也有间接排放（所外购原料、电 力和蒸汽等在生产过程中产生的碳排放）。以煤化工为例，其直接碳排放来自于原料煤和燃料煤的转化，其中原料煤中的一部分碳元素经与水反应制备氢气后，转化为 二氧化碳排出，燃料煤中的碳元素则大多通过燃烧为化学反应提供能量，并转化为二氧化碳排入空气。（报告来源：未来智库）

4 终端治理是减碳必由之路

二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)是CO2终端治理的主要方式之一。CCUS指将CO2从工业排放源中分离后或直接加以利用或封 存，以实现CO2减排的工业过程。CCUS 是目前唯一能够实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术，未来有广阔的发展空间。 近年来，我国CCUS各环节技术均取得了显著进展，目前正在加快CCUS在碳循环经济等领域的应用，为绿氢、可再生能源电 解水制氢等创造更多碳循环应用场景。未来随着CCUS技术全面进步，绿氢与二氧化碳结合制甲醇，将有着十分广阔的空间。

5 重点公司分析

万华化学

公司凭借有效的激励制度、卓越的管理和研发优势，打造出高技术和低成本两大护城河，在聚氨酯领域具有持续扩大的成本优势，在新材 料领域不断开拓新产品。公司在新能源与核能发电端布局多个项目，包括：参与出资设立中核山东核能有限公司；与华能集团合资成立华 能(莱州)新能源科技有限公司，共同建设山东省烟台莱州市93MW分散式风电项目；与华能集团合资成立华能(海阳)光伏新能源科技有限公 司，共同建设华能山东发电有限公司在山东省烟台海阳市辛安镇规划开发约600MW ，用地面积约16266亩的渔光互补型光伏电站项目。

中国化学

公司是全球化学工程领域的引领者，是国内领先的化工工程公司，在国内基础化工、石油化工、煤化工等领域占据优势地位。近年来，公 司不断强化研发与成果转化，在持续助力国内领军化工企业包括万华化学、恒力石化、华鲁恒升等快速成长的同时，自身也在依托科技创 新，面向实业转型发展。公司20万吨己内酰胺2014年投产，己二腈项目历经十年研发，一期20万吨将于2022年初投产，解决国内尼龙66 产业链的“卡脖子”难题。公司气凝胶复合材料、PBAT等项目也将于2021年底陆续投产，使公司创新驱动战略不断落地。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站

一、近年来，由CO2催化加氢合成甲醇的相关研究受到越来越多的关注．该方法既可解决CO2废气的利用问题，又可开

（1）已知4.4g CO₂气体与H₂经催化加氢生成CH₃OH气体和水蒸气时放出4.95kJ的能量，则1mol二氧化碳全部反应放热49.5KJ；结合热化学方程式书写方法写出热化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5KJ/mol；
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5KJ/mol；
（2）在270℃、8MPa和适当催化剂的条件下，物质为气体，反应的热化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5KJ/mol
CO₂的转化率达到22%，则4.48m³（已折合为标准状况）的CO₂在合成CH₃OH气体过程中转化的物质的量为：

4.48×103L

22.4L/mol

×22%=44mol，反应能放出热量44mol×49.5KJ/mol=2178KJ；
故答案为：2178；
（3）CO₂气体与H₂气体反应生成CH₃OH气体16g和液态水，①CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5KJ/mol；②H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44kJ/mol；依据盖斯定律得到①+②得到：
CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-93.5KJ/mol；
CO₂气体与H₂气体反应生成CH₃OH气体16g和液态水，依据热化学方程式可知30gCH₃OH生成，反应放热93.5KJ；生成CH₃OH气体16g放热=

16g×93.5KJ

32g

=46.75KJ；
故答案为：46.75KJ；

二、中国科学家发现了什么二氧化碳有望变废为宝？

　我科学家发现新型催化机制(创新前沿)

　　二氧化碳有望变废为宝，缓解温室效应

5月9日消息，最新一期国际学术期刊《自然·纳米技术》的封面文章，介绍了来自中国的重要成果：新型催化剂可把二氧化碳这一温室气体高效转化为清洁液体燃料——甲醇。该成果由中国科学技术大学曾杰教授研究团队完成。

二氧化碳是当今最主要的温室气体，也是一种“碳源”，如果能借助科技手段将其“变废为宝”，不仅能缓解碳排放引发的温室效应，还将成为理想的能源补充形式。

据介绍，在这种新型催化剂中，铂以原子级别分散在载体表面，从而实现了最大化的贵金属原子利用率，有效降低了材料成本。实用化贵金属催化剂的负载量一般在5%以上，然而，过去的制备手段合成的单原子催化剂负载量很低，整体催化效率不高。该项工作中，科研人员将其负载量提高到7.5%，大大加快了单原子催化剂从实验室走向工业界的进程。

科研人员还发现，在二氧化碳加氢制甲醇的反应中，两个近邻铂原子的催化活性远高于两个孤立的铂原子的活性之和。针对这种“1+1>2”的现象，他们创造性地提出了“单中心近邻原子协同催化”这一新概念，颠覆了人们对单原子之间互不干扰的传统认识。

来源：人民日报

三、我国首个海上二氧化碳生存计划启动，什么是海上二氧化碳？为何要封存？

该演示工程项目坐落于珠江口山间盆地，距香港东南方约190千米，所属水域均匀水位80米左右，是恩平15-1油田群开发设计的环境保护配套设施新项目。“二氧化碳封存工程项目实施后，预估每一年可封存二氧化碳约30万吨级，总计封存二氧化碳146万吨级之上，等同于植树造林近1400万棵，或停运近100万台小汽车。”中国海油深圳分公司副总，高级工程师张伟详细介绍说。

二氧化碳地底封存是完成空气污染物碳排放的合理对策之一。恩平15-1油田群是在我国南海第一个高含二氧化碳的油气田群，若按基本模式开发，二氧化碳将随石油一起产出率路面。近年来，中国海油进行融入水上二氧化碳封存的地质环境油气藏，钻完井和工程项目一体化核心技术科学研究，取得成功产品研发了海上平台二氧化碳收集，解决，引入，封存和需要的一整套技术性和武器装备管理体系，弥补了在我国水上二氧化碳封存技术性的空缺。

中国海油老总，党组镇长汪东进表明，恩平15-1油田群碳封存新项目的运行是中国海油实施绿色发展理念超越工程项目的重要举措，公司将有序推进建设项目，勇当碳利用与封存产业发展发展趋势优先军，加速翠绿色低碳环保转型发展脚步，为在我国早日完成“碳达峰，碳排放交易”总体目标作出贡献。

中国海油促进产业链环保节能降碳

“‘十三五’期内，公司完成节动能132万吨级耗煤量，二氧化碳节能减排量317万吨级。‘十四五’期内，将以更高信心，更实措施，促进产业链环保节能降碳。”在2021年全国各地低碳环保日到来之际，中国海油党组镇长，老总汪东进向全社会发展做出环保节能降碳服务承诺，主动担起中央企业的企业社会责任。

从探寻创建低碳环保发展趋势体系管理到科学研究定编“双碳”实施计划方案，从首先实施低碳环保根源监管到实行整个过程低碳环保监管，从单一传统式燃气到翠绿色低碳环保电力能源管理体系变化……中国海油自始至终秉持着“在维护中开发设计，在开发设计中维护，环境保护优先选择”的标准，以更为明显的责任感和责任感，推动翠绿色低碳环保发展趋势，靓化漂亮中国。

实施根源监管

自2017年起，中国海油在中国内地首先实施固资项目投资碳排放危害评定，并将其成为投资项目基本建设的前提条件。碳排放不合规管理，新项目决不动工。

截止到2021年5月，中国海油对涉及到燃气开发设计，石油化工设备，发电量等众多行业的60多个新创建固资项目投资进行碳排放点评，根据碳排放危害评定，从项目设计根源促进环保节能减碳对策落地式，搭建翠绿色低碳环保生产制造管理体系。

加强全过程节能减排

以全产业链碳排放最少为目地，中国海油连通上下游公司界线，实施绿色农业生态圈工程项目：中海化学海南基地提升高含二氧化碳燃气利用，将含二氧化碳的燃气做为工业甲醇，基肥原材料；

海南中国东方化工厂进行系统软件动能提升，综合产业园区内的工厂公共工程项目，完成片区域内燃气生产制造，炼油厂化工厂，有机肥等各版块公司的电力能源提供和耗费的提升连动；

气电集团实施LNG储气库冷能资源开发设计，在广东，福建等地发展趋势冷能发电量，冷能空分产业链，在其中，海南规划区蒸气资源地区提升新项目完成每一年节能减排二氧化碳5万吨级。

促进尾端整治和利用

针对上下游煤层气采掘业务流程，渤海南部，南海东部地区和南海中西部等地区的油田已经逐渐完成火把零点燃，大幅度减少甲烷气体外排气量。

针对中下游炼油厂化工厂业务流程，中海炼制宁波舟山石油化工利用泄露检验与修补技术性，降低甲烷气体泄露排出80%之上。2020年，在惠州石油化工等产业基地实施二氧化碳回收利用利用13万吨级，恩平15-1油田已经实施中国第一个水上二氧化碳产业化封存新项目。

积极推进二氧化碳有机化学转换利用，联合国内科研院所和工程项目公司首先进行每一年5000吨的世界最大经营规模二氧化碳加氢裂化制工业甲醇工业生产实验。

第四届CO2收集封存利用与碳排放交易社区论坛2021将于10月27-28日在四川成都举办。大会将讨论中国“双碳”现行政策与化工制造行业发展趋向，碳排放权贸易市场剖析与预测分析，成本低且效率高的CO2收集，浓缩和运送技术性，CO2制工业甲醇，环己醇，对二甲苯，合成气，酒精，车用汽油和可降解塑料等高线使用价值商品技术性与示范性进度，CCUS示范性新项目运作工作经验，CCUS产业链整体规划，高碳排放公司与新创建煤化工新项目的碳排放交易配备计划方案等。