热力发电

项目	H型电解池	连续流电解池	固体氧化物电解池	膜反应器电解池
温度/℃	<100	<100	600~1 000	400~800
催化剂	金属	金属	镍、钙钛矿	铁、合金
阳极	Pt	IrO₂	钙钛矿	Ni、SnO₂
优势	装置简单，成本低	减缓催化剂表面物质传输问题	全固态和模块化结构，能量密度高，易实现产物分离，价格低廉	槽压低、电流密度高、电阻低，催化体系稳定性高
劣势	传质效率低，电流密度最高为100 mA/cm²	稳定性低，有电解液溢流隐患，反应速率较低	性能差，耗电量大，传质效率低	交换膜为阳离子膜时，阴极易析氢；为阴离子膜时，阴极产物易向阳极迁移

项目	H型电解池	连续流电解池	固体氧化物电解池	膜反应器电解池
温度/℃	<100	<100	600~1 000	400~800
催化剂	金属	金属	镍、钙钛矿	铁、合金
阳极	Pt	IrO₂	钙钛矿	Ni、SnO₂
优势	装置简单，成本低	减缓催化剂表面物质传输问题	全固态和模块化结构，能量密度高，易实现产物分离，价格低廉	槽压低、电流密度高、电阻低，催化体系稳定性高
劣势	传质效率低，电流密度最高为100 mA/cm²	稳定性低，有电解液溢流隐患，反应速率较低	性能差，耗电量大，传质效率低	交换膜为阳离子膜时，阴极易析氢；为阴离子膜时，阴极产物易向阳极迁移

CO/H₂体积比	典型下游产物
纯CO	一氧化碳电子特气
≈1.0	氢甲酰化产品
0.5~1.0	费托合成品
≈0.5	甲醇
0.3~0.5	甲烷

CO/H₂体积比	典型下游产物
纯CO	一氧化碳电子特气
≈1.0	氢甲酰化产品
0.5~1.0	费托合成品
≈0.5	甲醇
0.3~0.5	甲烷

项目	化学甲烷化	生物甲烷化
优势	功率要求低，反应器体积小	对原料气高杂质耐受性高，反应灵活，成本低，操作温和，环境友好
劣势	对原料气杂质的耐受性低，反应器动态响应灵活性低	反应温度低，效率低，占地面积大，余热利用难
现状	处于实验室研发阶段
适用场景	电厂、沼气厂、污水处理厂	沼气厂、污水处理厂，无需经二氧化碳分离直接对沼气进行甲烷化的场合
应用情况	1）国能低研院，先通过固体氧化物电解池电解水与二氧化碳制合成气，再通过化学催化将合成气与未完全电解的二氧化碳转化为甲烷；2）中海油气电公司研发了分段式绝热固定床制甲烷工艺；3）云南电科院利用流化床技术，自主建造一套千瓦级甲烷化反应装置，30 h反应过程中甲烷产率约85%^[21]	1）李叶青研发连续搅拌反应器富氢气体一步法生物产甲烷化工艺^[22]；2）李东进行高温原位加氢产甲烷合成生物天然气^[23]

项目	化学甲烷化	生物甲烷化
优势	功率要求低，反应器体积小	对原料气高杂质耐受性高，反应灵活，成本低，操作温和，环境友好
劣势	对原料气杂质的耐受性低，反应器动态响应灵活性低	反应温度低，效率低，占地面积大，余热利用难
现状	处于实验室研发阶段
适用场景	电厂、沼气厂、污水处理厂	沼气厂、污水处理厂，无需经二氧化碳分离直接对沼气进行甲烷化的场合
应用情况	1）国能低研院，先通过固体氧化物电解池电解水与二氧化碳制合成气，再通过化学催化将合成气与未完全电解的二氧化碳转化为甲烷；2）中海油气电公司研发了分段式绝热固定床制甲烷工艺；3）云南电科院利用流化床技术，自主建造一套千瓦级甲烷化反应装置，30 h反应过程中甲烷产率约85%^[21]	1）李叶青研发连续搅拌反应器富氢气体一步法生物产甲烷化工艺^[22]；2）李东进行高温原位加氢产甲烷合成生物天然气^[23]

分类	设备名称	特点
化学甲烷化	高效移热等温床	温度低于300 ℃时反应效率高，高于550 ℃时催化剂易烧结失活
流化床反应器	适用于大规模强放热过程
浆态床反应器	在长时间运行和停车时保持等温环境，灵活性强，可适应动态性要求^[25]
蜂窝结构反应器	温度易调控，磨耗较低，适于波动性操作
微通道反应器	结构紧凑，传热和传质性能好，反应性能可增加10%~20%
生物甲烷化	连续搅拌反应器	当前最成熟的反应器，有较多示范工程^[26]
滴流床反应器	能耗低，传质效率高
鼓泡塔反应器	液相体积分率高，高达90%
膜反应器	能耗低，清洗简单，运行花费低

分类	设备名称	特点
化学甲烷化	高效移热等温床	温度低于300 ℃时反应效率高，高于550 ℃时催化剂易烧结失活
流化床反应器	适用于大规模强放热过程
浆态床反应器	在长时间运行和停车时保持等温环境，灵活性强，可适应动态性要求^[25]
蜂窝结构反应器	温度易调控，磨耗较低，适于波动性操作
微通道反应器	结构紧凑，传热和传质性能好，反应性能可增加10%~20%
生物甲烷化	连续搅拌反应器	当前最成熟的反应器，有较多示范工程^[26]
滴流床反应器	能耗低，传质效率高
鼓泡塔反应器	液相体积分率高，高达90%
膜反应器	能耗低，清洗简单，运行花费低

地区	名称	特点
德国^[29]	奥迪E-Gas 项目	2013年投运，最大的商业运营电转甲烷工程；利用海上风电耦合碱水制氢，采用胺碳捕集技术分离沼气中捕集的二氧化碳；能源利用率54%，余热回用于碳捕集；每年产甲烷1 000 t且纯度大于96%，消耗二氧化碳2 800 t
欧盟^[30]	高效电转甲烷项目	高温高压水蒸气电解制氢耦合二氧化碳加氢甲烷化工艺，甲烷产率达97%，可接入天然气管道运输；分别将电解水系统和二氧化碳甲烷化反应装置模块化，总能量转化率76%
德国	法尔肯哈根示范装置	2018年投运，有2 MW碱水制氢和1 MW二氧化碳甲烷化装置，以生物沼气厂和生物乙醇厂的二氧化碳为原料，甲烷产能57 m³/h，经天然气管道运输甲烷，余热供给当地工厂
瑞士	索洛图恩示范装置	2017年投运，利用光伏和水电，采用质子交换膜电解水制氢、生物法产甲烷，经天然气管网储运甲烷，二氧化碳源于污水处理厂
意大利	特罗亚示范项目	2018年投运，利用光伏进行1 000 kW碱水制氢和200 kW二氧化碳甲烷化装置，采用模块化甲烷反应器，从大气中捕集二氧化碳，余热回用于碳捕集

地区	名称	特点
德国^[29]	奥迪E-Gas 项目	2013年投运，最大的商业运营电转甲烷工程；利用海上风电耦合碱水制氢，采用胺碳捕集技术分离沼气中捕集的二氧化碳；能源利用率54%，余热回用于碳捕集；每年产甲烷1 000 t且纯度大于96%，消耗二氧化碳2 800 t
欧盟^[30]	高效电转甲烷项目	高温高压水蒸气电解制氢耦合二氧化碳加氢甲烷化工艺，甲烷产率达97%，可接入天然气管道运输；分别将电解水系统和二氧化碳甲烷化反应装置模块化，总能量转化率76%
德国	法尔肯哈根示范装置	2018年投运，有2 MW碱水制氢和1 MW二氧化碳甲烷化装置，以生物沼气厂和生物乙醇厂的二氧化碳为原料，甲烷产能57 m³/h，经天然气管道运输甲烷，余热供给当地工厂
瑞士	索洛图恩示范装置	2017年投运，利用光伏和水电，采用质子交换膜电解水制氢、生物法产甲烷，经天然气管网储运甲烷，二氧化碳源于污水处理厂
意大利	特罗亚示范项目	2018年投运，利用光伏进行1 000 kW碱水制氢和200 kW二氧化碳甲烷化装置，采用模块化甲烷反应器，从大气中捕集二氧化碳，余热回用于碳捕集

项目	生物甲醇	电制甲醇	生物电甲醇
生物质作用	原料	碳源	主要原料
绿氢作用	无	原料	补充原料
技术成熟度	成熟	待验证	较成熟
绿色认证	容易认证生物质，有成熟标准	认证绿氢+二氧化碳难，二氧化碳的认证缺乏标准	可实现认证生物质+绿氢，绿氢需要严格定义

项目	生物甲醇	电制甲醇	生物电甲醇
生物质作用	原料	碳源	主要原料
绿氢作用	无	原料	补充原料
技术成熟度	成熟	待验证	较成熟
绿色认证	容易认证生物质，有成熟标准	认证绿氢+二氧化碳难，二氧化碳的认证缺乏标准	可实现认证生物质+绿氢，绿氢需要严格定义

	研究机构	进展	时间	年产能/(t·a^–1)
国外	日本关电/三菱重工	中试	2009年	100
日本三井	示范工程	2009年	100
德国鲁奇/丹麦托普索	中试	2010年	3 600~72 000
冰岛碳循环国际公司	示范工程	2012年	1 000~4 000
德国科莱恩	示范工程/中试	2018年	10 000
英国约翰逊马泰	工业试验	2020年	100 000~1 700 000
国内	中国科学院山西煤化所	工业单管实验	2016年
上海高研院/海洋石油富岛公司	工业试验	2020年	5 000
中国科学院大连化物所	示范工程	2020年	1 000~6 000

	研究机构	进展	时间	年产能/(t·a^–1)
国外	日本关电/三菱重工	中试	2009年	100
日本三井	示范工程	2009年	100
德国鲁奇/丹麦托普索	中试	2010年	3 600~72 000
冰岛碳循环国际公司	示范工程	2012年	1 000~4 000
德国科莱恩	示范工程/中试	2018年	10 000
英国约翰逊马泰	工业试验	2020年	100 000~1 700 000
国内	中国科学院山西煤化所	工业单管实验	2016年
上海高研院/海洋石油富岛公司	工业试验	2020年	5 000
中国科学院大连化物所	示范工程	2020年	1 000~6 000

碳捕集转化一体化技术研究进展

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张真

热力发电 | 碳资源化利用与转化技术 2025,54(6): 28-37

收起

热力发电 | 碳资源化利用与转化技术 2025, 54(6): 28-37

碳捕集转化一体化技术研究进展

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张真

作者信息

中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华北电力试验研究院，北京　100040

张真（1993），女，硕士，工程师，主要研究方向为二氧化碳捕集与新能源耦合技术，zhangzhen@cdt-kxjs.com。

Research progress of integrated technology of carbon capture and conversion

Zhen ZHANG

Affiliations

North China Electric Power Test and Research Institute of China Datang Corporation Science and Technology General Research Institute Ltd, Beijing 100040, China

出版时间: 2025-06-25 doi: 10.19666/j.rlfd.202501014

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摘要

收起

在国家“双碳”目标的战略引领下，碳捕集技术正在大力发展，成为推动二氧化碳资源化利用及显著减少温室气体排放的重要技术。由于化石燃料存量逐渐减少和价格持续攀升，寻求新型环保绿色燃料成为当前的研究热点。通过碳捕集耦合可再生能源如风能、光伏等，将传统化石能源充分低碳利用并转化为具有高附加值的下游产品，如合成气、甲烷、甲醇、甲酸等，可以大规模实现低碳减排，减少能源和化工原料缺口，增加经济收益，带动绿色产业强劲增长，符合国家绿色环保战略规划。通过分析碳捕集转化一体化技术的研究现状、主流技术路线、主要设备及示范工程发展情况等，指出碳捕集转化一体化技术进一步研究与发展的方向，并对其工业应用前景作出展望。

关键词

碳捕集 / 合成气 / 甲烷 / 甲醇 / 甲酸

Abstract

收起

At present, under the guidance of the national dual-carbon target strategy, carbon capture technology is being vigorously developed and has become an important technology to promote the utilization of carbon dioxide resources and significantly reduce greenhouse gas emissions. As fossil fuel stocks gradually decrease and the prices continue to rise, the search for new environmentally friendly green fuel has become a research hotspot. By coupling renewable energy such as wind energy and photovoltaic with carbon capture, the conventional fossil energy is fully utilized and converted into downstream products with high added value, such as syngas, methane, methanol, formic acid, and so on, which can achieve large-scale low-carbon emission reduction, reduce the gap of energy and chemical raw materials, increase economic income, and drive the strong growth of green industry, and is in line with the national green environmental protection strategic plan. Based on the analysis on the research status, mainstream technology routes, main equipment and demonstration projects, the direction of further research and development of the integrated carbon capture and transformation technology is pointed out, and the prospect of its industrial application is prospected.

Key words

carbon capture / synthetic gas / methane / methanol / formic acid

引用本文

张真. 碳捕集转化一体化技术研究进展. 热力发电, 2025 , 54 (6) : 28 -37 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202501014

Zhen ZHANG. Research progress of integrated technology of carbon capture and conversion[J]. Thermal Power Generation, 2025 , 54 (6) : 28 -37 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202501014

正文

收起

随着化石燃料的大量消耗，全球的碳排放问题日益严峻。在此背景下国家提出了“双碳”目标，以期能推动能源结构转变，助力经济效益提升^[1]。2023年8月，国家发展改革委颁布《绿色低碳先进技术示范工程实施方案》，围绕“碳达峰、碳中和”“1+N”政策体系确定的目标任务，以能源、工业、建筑、交通等领域为重点，布局建设一批示范项目，全链条推进源头减碳、过程降碳、末端固碳的先进适用技术示范应用^[2]。因此，碳减排成为能源行业的首要任务。而碳捕集是以工业烟气为原料气，可以实现二氧化碳的转化和资源化利用，具有成本较低且对企业存在碳效益等优势，因此碳捕集技术的发展愈加快速。

碳捕集技术主要分为传统、新兴2种捕集方式，其中传统捕集法包括化学吸收、物理吸附、膜分离及低温分离等方法^[3]，而新兴捕集法包括直接空气捕集、富氧燃烧捕集及化学生物循环捕集法^[4]。在现有碳捕集技术基础上，提出了碳捕集耦合可再生能源实现转化一体化技术，即将碳捕集得到的二氧化碳与风电、光伏、水能等可再生能源进行工艺上的耦合，进而制备得到合成气、甲烷、甲醇及甲酸等高附加值化学品。

碳捕集转化一体化技术中二氧化碳转化的重点是其活化程度，实质是二氧化碳在催化剂作用下发生反应转换成活化态，并在适宜条件下与其他反应物发生反应转化为对应产物。该技术是将二氧化碳的捕集及转化过程耦合，捕集后呈吸附状态的二氧化碳无需解吸而直接转化，可节省大量碳捕集再生所耗能量，实现二氧化碳的捕集转化一体化。该技术可降低碳捕集能耗，实现协同降碳效应，有效提高二氧化碳再利用的经济附加值，提升可再生能源的消纳率，减少火力发电机组的调峰压力，实现能源的低碳利用，有助于建立完善的全链条低碳行业体系^[5-6]。

1　碳捕集耦合可再生能源制备合成气

收起

碳捕集耦合可再生能源制备合成气是指二氧化碳和水经绿电电催化转化成合成气，即一氧化碳和氢气的混合气。该方法属于可持续制备合成气的理想方法，具有无需液态产物分离、反应条件温和及无需抑制析氢反应等优势^[7-9]，成为研究热点，但当前电催化二氧化碳还原技术距大规模工业化盈利还有一定距离。

1.1　主流技术路线和主要设备

1.1.1　主流技术路线

碳捕集耦合可再生能源制备合成气的主流技术路线，是通过二氧化碳和水在催化剂作用下，利用绿电将其电解发生反应，生成合成气及其他副产物（图1）。

CO 2 + H 2 O ⇒ 催化剂 、 绿电 合成气及其他副产物

(1)

1.1.2　主要设备

碳捕集耦合可再生能源制备合成气的反应过程发生在气-固-液三相界面上，装置性能受电解液、电解装置及电极催化剂的共同影响^[10-11]。电解液大概分为卤化盐、碳酸氢钾、氢氧化钠等无机盐水溶液体系^[12-13]。二氧化碳电还原产合成气的电化学反应池有H型、连续流、固体氧化物及膜反应器电解池等类型（表1）。

1.2　示范工程发展情况

1.2.1　国外示范工程

2014年5月，以色列New CO₂ Fuels公司，建成利用二氧化碳和水制备合成气的工艺路线，设备连续运行约100 h，二氧化碳转化量达到15 kg/d，一氧化碳产量10 kg/d，氧气产量5 kg/d。

2023年5月，法国道达尔能源公司与Tree Energy Solutions公司合作，在美国研究开发了大规模二氧化碳电制合成气生产装置，投资约20亿美元，每年将生产10万~20万吨合成气。

2023年6月，韩国化学研究院与富兴工业公司合作开发的将二氧化碳转化为合成气技术，已在蔚山工业园区完成工厂的建设，每年可生产约8 000 t合成气。

1.2.2　国内示范工程

2023年，碳能科技公司研发的百吨级二氧化碳电解制合成气示范装置，应用于内蒙古伊泰化工，是全球首个二氧化碳电解制合成气示范装置，项目规模30~50 t/a，项目气源是煤气化二氧化碳，运行时长4 000 h。产品合成气中碳氢体积比0.52:1.00，直流电耗6.69 (kW·h)/m³。每年可处理30 t二氧化碳，生产45 km³合成气，副产22.5 km³氧气（标准状态，下同）。

2023年，中国科学院上海应物所与中海油气电集团，联合开发10 kW级高温共电解装置的高温共电解制备合成气的关键技术，该装置电解功率最高10.14 kW，二氧化碳单程转化率77.9%，合成气产生速率3.08 m³/h，合成气中H₂/CO体积比在1.3~4.8内调节，装置稳定运行达210 h。

2023年，国家能源北京低碳研究院与丹麦政府合作利用可再生能源的电力，将二氧化碳高效资源化制备成天然气，其过程是先通过固体氧化物电解池电解水与二氧化碳制取合成气。

1.3　制约因素

采用电化学方式还原二氧化碳生产合成气时，存在如下问题。

1）反应选择性差，易使得催化剂中毒、活性较低甚至失活^[14-15]。

2）受催化剂性能、反应条件及系统的限制，在制备合成气的比例选择时，目前技术无法在确保高电流密度的前提下实现精准调节^[16-17]。不同CO/H₂体积比对应的典型下游产物如表2所示。

3）总反应中的析氢副反应，对二氧化碳还原影响较大。

4）反应装置仍无法满足工业需求，如电极的耐久性、离子交换膜的性能、催化剂的稳定性等。

1.4　研究方向

1）当前研究方向是以研发价格低廉、活性稳定、反应高效及选择性强的催化剂为主，能起到能精确调节合成气比例的作用，进而推进碳捕集耦合可再生能源制备合成气技术的应用。

2）电解槽设计、电解质选择及电化学参数确定，研发新型结构电解槽，逐步实现降低传质阻力、反应长期稳定运行及产气比例精准调控等目标，加快二氧化碳与水进行电催化还原制备合成气的大规模工业化应用进程^[18]。

2　碳捕集耦合可再生能源制备甲烷

收起

二氧化碳与绿氢反应制备甲烷（图2），可将火电厂排放的二氧化碳资源化利用，提高我国燃料产量，同时甲烷可作为发电厂燃料，取代传统化石燃料如煤炭和天然气；另一方面，通过售卖甲烷，可以增加企业收入，产生较高的经济效益；同时每年捕集的大量二氧化碳，可以为我国减碳目标贡献力量，具有良好社会效益。

2.1　主流技术路线和主要设备

2.1.1　主流技术路线

制绿色甲烷主流技术路线主要包括：一是化学甲烷化，将绿氢与一氧化碳或二氧化碳结合发生甲烷化反应，反应通常在200~550 ℃、0.1~10.0 MPa条件下进行；二是生物甲烷化，将生物质厌氧发酵直接制备甲烷，食氢产甲烷菌在厌氧环境中发生代谢反应，将二氧化碳、氢气合成甲烷，温度在20~70 ℃之间，其中产甲烷菌生长温度分为中温（37~45 ℃）和高温（55~70 ℃）^[19]。表3为制甲烷的主要技术路线^[20-23]。

2.1.2　主要设备

碳捕集耦合可再生能源制备甲烷按反应器类型分为浆态床、固定床及流化床。固定床反应器作为传统反应器，通过在设备中填充固体催化剂实现非均相反应，包括等温、绝热2类，绝热式固定床反应器无需与外界进行能量交换，投资少，使用简便，在工业反应器中应用广泛。而流化床反应器和浆态床反应器在工业化使用时存在一定限制，目前暂未实现大规模应用^[24]。表4为制甲烷的主要设备。

2.2　示范工程发展情况

根据相关统计，到2019年，全球约有60个电转甲烷工业示范项目，受成本限制该技术工业化应用较少^[27]。目前我国在电转甲烷技术的应用方面仍处于实验室研发阶段。

2.2.1　国外示范工程

国外主要研究单位及技术能力见表5^[28-30]。

2.2.2　国内示范工程

根据文献[31]，二氧化碳加氢制甲烷是新兴技术，国内无商业运行项目，目前有需求但无示范工程，因此主要是基于欧洲现有的工业化应用进行技术、经济层面的评价。根据目前电解水制氢耦合二氧化碳甲烷化的工艺体系现状，推测48 MW连续负荷成本结构，电解水制氢、甲烷化和催化剂总投资约1 000欧元/kW，其中86.3%用于电解水制氢，且每年运维成本占投资成本约为10%^[32]。从二氧化碳加氢制甲烷技术的层面分析，氢气来源对合成甲烷价格的影响中，当煤炭、天然气价格分别为0.600元/m³、0.838元/m³时，相应的制氢价格分别为14.54元/kg、14.72元/kg，而风光电解水制氢价格为31.56元/kg^[33-34]。

2.3　制约因素

1）供氢成本较高，反应能耗需求较大，导致当前大部分二氧化碳甲烷化项目经济性较差，距离商业化运行差距较大^[35]。

2）二氧化碳加氢制甲烷反应对催化剂的要求较高，且研发难度较大^[36]。目前催化剂大致分为贵金属、非贵金属及非金属基，其中镍基催化剂具有储量大、价格低、氢吸附力强及甲烷产率高等优势，因此从活性、选择性和经济性等方面综合考量，其工业应用潜力极大并得到广泛研究^[37-38]。但镍基催化剂存在高温易导致催化剂失活，因而较难完成低温环境时稳定高效的甲烷化反应。

2.4　研究方向

二氧化碳加氢制甲烷反应的主要影响因素包括原料气中碳氢比值、催化剂和温度。由于二氧化碳甲烷化是一种高放热反应，因此低温条件有利于甲烷生成。目前研究人员仍在不断探索高效实现甲烷化反应的途径，如整合高温电解和甲烷化以实现有效的电转气项目，实现了超过75%的电转气效率。也有研究人员探究不同种类催化剂对甲烷化反应的催化作用。

3　碳捕集耦合可再生能源制备甲醇

收起

利用可再生能源分解水制绿氢，与二氧化碳制备得到的甲醇属于清洁能源^[39]。甲醇不仅能作为基础原料生产甲醛、乙酸及烃等化学品^[40]，还可作为燃料，具有能量密度高、运输储存方便的特点，此外甲醇也可作为氢气的载体通过重整反应重新释放出氢气。

“绿氢+二氧化碳”技术工艺（图3）流程短、原料成分简单，其原料配比也相对固定，每生产1 t甲醇约需绿氢0.19 t，可转化1.375 t二氧化碳，具备较高的二氧化碳消纳能力。加上运输等过程的碳排放后，“绿氢+二氧化碳”甲醇燃料全生命周期每吨甲醇排放约0.12~0.94 t二氧化碳。若采用绿电、绿氢、生物质供热等低碳方式进行供热，全生命周期理论上每吨甲醇排放可降至约0.12 kg二氧化碳，满足欧盟标准^[41]。

3.1　主流技术路线和主要设备

3.1.1　主流技术路线

当前生产绿色甲醇工艺主要分为生物甲醇、电制甲醇、生物电甲醇^[42]，其主要技术路线见表6。一是生物甲醇：经裂解或热解，将生物质转化成一氧化碳和氢气，通过变换装置调节合成气中碳氢比例来制备甲醇。二是电制甲醇：利用风光等可再生能源，电解水制绿氢，二氧化碳源于空气捕集或生物质产业得到，再由绿氢+二氧化碳合成甲醇。三是生物电甲醇：生物质气化+绿电制氢补氢来调节合成气中碳氢比例来合成甲醇，生物质与氢气的要求与前2种技术路径一致。但目前这3种技术路线都无成套及大规模应用。相比之下，电制甲醇各环节技术成熟度较高，但无大规模示范工程。

3.1.2　主要设备

1）反应器　是二氧化碳加氢制甲醇装置中的核心设备，用于将二氧化碳和氢气在一定温度和压力条件下合成甲醇。

2）分离设备　将产物中的甲醇从其他组分中分离出来，大多采用精馏塔。

3）压缩机　压缩原料气体，提高压力、流速，提高反应速率。

4）冷却器　冷却产物，利于后续分离精制。

5）储罐　储存原料气体、中间产物和最终产品。

3.2　示范工程发展情况

3.2.1　国外示范工程

2019年，德国建造的Pan-European Mef的二氧化碳项目，利用电解水制氢并回收燃煤发电站产生的二氧化碳，二氧化碳经净化后进入加氢装置，可年产约500 t甲醇。

2021年，冰岛碳循环公司建设的第一座二氧化碳加氢制甲醇装置已投入商业运营，项目包含碳捕集、制氢、压缩、甲醇合成及净化。地热发电的电解水制氢规模1 200 t/a，地热伴氢气捕集二氧化碳规模5 600 t/a，合成甲醇规模4 000 t/a^[43]。

2022年，智利二氧化碳加氢制绿色甲醇试点项目，包含风力发电、电解水制氢及直接空气二氧化碳捕集，甲醇规模为2022年一期720 t/a，2024年二期4.4万t/a，2026年三期44万t/a。

3.2.2　国内示范工程

二氧化碳加氢制甲醇技术目前还处于工业化初期阶段。表7为国内外主要研究单位及其技术能力^[44-45]。

1）2020年，中国科学院上海高研院和中海油富岛公司，联合建设二氧化碳加氢制甲醇示范工程项目，采用自主研发的新型纳米非贵金属催化剂及其放大生产工艺，建成年产5 000 t甲醇的二氧化碳加氢制甲醇示范项目。

2）2020年，兰州新区石化的全球首个千吨级甲醇示范工程投产，是中国科学院大连化物所李灿研发的锌锆氧物固溶体催化剂的一个示范工程。采用10 MW光伏、碱水制氢及碳捕集一体化技术合成甲醇，总投资约1.4亿元。每年消纳1 800万kW·h可再生能源电能，规模化产氢大于1 000 m³/h，产甲醇1 440 t/a。甲醇时空收率194 kg/(m³·h)，选择性高达98.5%，在有机相中摩尔分数为99.7%^[46]。

3）2021年，东方盛虹与冰岛碳循环公司共建世界首条“碳捕集利用-绿色甲醇-新能源材料”产业链项目。

4）2023年，西南化工研究院与鲁西化工，采用西南化工研究院自主研发的催化剂与低能耗专利工艺，建设5×10³ t/a二氧化碳催化加氢制甲醇中试装置，成功实现投料试车和现场考核。

3.3　制约因素

1）由于二氧化碳加氢制甲醇反应的复杂性及对高效、高选择性催化剂的需求，当前还未找到适合于大规模工业化应用的催化剂。

2）反应所需能量较大，转化率较低，副产物较多，导致纯化成本增加^[47-48]。

3.4　研究方向

1）目前催化剂大致分为铜基、铟基、贵金属及氧化物，为了提高二氧化碳的活化转化率，二氧化碳加氢制甲醇的反应温度通常大于300 ℃，但同时高温导致逆水气变换副反应加剧^[49]。因此需要研发二氧化碳活化能力较高、甲醇选择性好的催化剂，降低副反应和副产物。

2）二氧化碳加氢制甲醇工艺尚未实现规模化，主要是小型示范项目^[50]。因此，应加强技术革新，逐步实现产业链工业化。

4　碳捕集耦合可再生能源制备甲酸

收起

在碳捕集转化一体化的诸多产物中，甲酸可作为燃料电池及发展空间广阔的储氢介质，其氢气能量密度53 kg/m³，可贮存质量分数4.35%的氢。同时甲酸无毒、便于储存运输、用途较广、储存方便的化工原料，其经济价值远远高于甲醇、甲烷^[51-53]。

4.1　主流技术路线和主要设备

4.1.1　主流技术路线

通过碳捕集得到的二氧化碳和可再生能源制得的氢气，在催化剂作用下制备得到甲酸，该反应条件相对温和，原子利用率高。

阳极发生反应为：

CO 2 + 4 H + + 4 e − ⇒ 催化剂 2 HCOOH

(2)

阴极发生反应为：

2 H 2 O ⇒ 催化剂 O 2 + 4 H + + 4 e −

(3)

4.1.2　主要设备

碳捕集加氢制甲酸的流程如图4所示^[54]，主要包括碳捕集提纯、还原、转化、分离、储存等部分。

4.2　示范工程发展情况

4.2.1　国外示范工程

2023年，美国麻省理工学院与哈佛大学合作，将碳捕集的二氧化碳转化为甲酸盐，用于燃料电池和发电。该技术首先将二氧化碳转化为液态金属碳酸氢盐，然后在使用低碳电力的电解槽中，用电化学转化方式将其转化为液态甲酸钾或甲酸钠。

2024年，荷兰Avantium公司，将炼油厂排放的二氧化碳进行碳捕集，建造一个工业级全尺寸的电池堆，并通过电化学手段将其高效转化为甲酸。

4.2.2　国内示范工程

2023年，中国科学技术大学开发一种新型固态电解质反应器，在电流密度为200 mA/cm²条件下，将二氧化碳转化并制备得到无需产物分离的高纯度甲酸，可连续稳定运行达300 h。

2024年，安徽伏碳公司利用自主研发的装备，将碳捕集得到的二氧化碳，通过电转化利用技术制成百吨级的甲酸溶液。

4.3　制约因素

1）将惰性状态的二氧化碳加氢转化制甲酸，通常发生在温和反应状态下，但该反应条件对于二氧化碳的吸附、活化过程是一个难点^[55]。

2）当前反应多使用含铋、铅、铟、锡等金属种类的催化剂，但由于催化剂成本较高及转化率较低，导致技术成熟度和反应效率较低，阻碍了工程应用的进程^[56-57]。

4.4　研究方向

虽然二氧化碳加氢转化制甲酸的研究已取得较大进步，但受反应热力学及动力学的影响，仍存在甲酸产率少、反应稳定性低等难题，因此应加大对兼具活性、选择性及稳定性较高催化剂的研发力度，提高产物选择性及反应物转化率^[58]。

5　经济效益分析

收起

二氧化碳电催化还原产物的经济分析^[59-60]如图5所示。由图5经济分析可知：制备各种产物的成本由低到高依次为，甲酸<一氧化碳<甲醇<甲烷；而收益由高到低分别为，甲酸>一氧化碳>甲醇>甲烷。但是由于产物甲酸呈液态，从电解液中分离提纯的成本为0.6美元/kg，而产物合成气呈气态，可以利用变压吸附手段进行分离并提纯，其成本低至0.1美元/kg，因此综合分析制备合成气的经济可行性较高。

6　结论

收起

本文对比和总结了碳捕集转化一体化技术制备合成气、甲烷、甲醇及甲酸的研究进展，对于该一体化技术的发展方向，从科学和技术层面深入分析目前该技术存在的挑战，主要为催化剂的选择性与转化率、反应路径与动力学的分析、系统集成的工业化与稳定性。相应的内在根源是催化剂性能及反应机理的深入研究，由于各反应的催化剂性能都是制约技术发展的关键因素，并且反应机理的深入探究是实现催化剂优化及反应条件精准控制的基础。因此提出如下建议，以期能为该技术的工业化应用提供对策和路径方面的帮助。

1）深化微观层面的关键技术研究　应进一步探究反应机理、路径及构效关系等核心技术，特别是针对瞬态反应条件下，中间体形态、演化行为的研究，以及电解槽、催化剂的设计与精准调控途径的优化，这有助于探究化学反应本质，夯实一体化技术及指导有效优化设计反应系统。

2）强化实际工况下的工艺参数研究　当前工艺参数的研究多聚焦于理想状态，但在实际生产中，真实工况大多与理想状态存在较大差异。这种差异可能导致能耗攀升、时效下降、系统复杂性增加及设备故障。因此，迫切需要加强对实际工况下反应效率、耗能、工艺参数与过程优化的研究，准确了解系统运行状况，获取真实有效的数据，增强系统的稳定性和可靠性，为工业化应用提供坚实的依据与指导。

3）加快一体化技术的工业化进程　目前大部分的碳捕集一体化集成型技术仍处于实验室或工业示范的起步阶段，距离大规模工业化应用还有一定距离。为了加快该技术成熟度和商业化进程，需要在深化基础科学分析的基础上，强化实际应用时的工况研究，紧跟实际应用场景的发展趋势。此外，加强相关技术面对商业化、工业化的研究与应用也至关重要，对于促进该技术的成熟与完善，进而推动碳减排体系的发展，具有举足轻重的意义。

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2025年第54卷第6期

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doi: 10.19666/j.rlfd.202501014

接收时间：2025-01-06
首发时间：2026-03-05
出版时间：2025-06-25

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收稿日期：2025-01-06

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中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华北电力试验研究院，北京　100040

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

项目	H型电解池	连续流电解池	固体氧化物电解池	膜反应器电解池
温度/℃	<100	<100	600~1 000	400~800
催化剂	金属	金属	镍、钙钛矿	铁、合金
阳极	Pt	IrO₂	钙钛矿	Ni、SnO₂
优势	装置简单，成本低	减缓催化剂表面物质传输问题	全固态和模块化结构，能量密度高，易实现产物分离，价格低廉	槽压低、电流密度高、电阻低，催化体系稳定性高
劣势	传质效率低，电流密度最高为100 mA/cm²	稳定性低，有电解液溢流隐患，反应速率较低	性能差，耗电量大，传质效率低	交换膜为阳离子膜时，阴极易析氢；为阴离子膜时，阴极产物易向阳极迁移

项目

H型电解池

连续流电解池

固体氧化物电解池

膜反应器电解池

温度/℃

<100

600~1 000

400~800

催化剂

金属

镍、钙钛矿

铁、合金

阳极

IrO₂

钙钛矿

Ni、SnO₂

优势

装置简单，成本低

减缓催化剂表面物质传输问题

全固态和模块化结构，能量密度高，易实现产物分离，价格低廉

槽压低、电流密度高、电阻低，催化体系稳定性高

劣势

传质效率低，电流密度最高为100 mA/cm²

稳定性低，有电解液溢流隐患，反应速率较低

性能差，耗电量大，传质效率低

交换膜为阳离子膜时，阴极易析氢；为阴离子膜时，阴极产物易向阳极迁移

CO/H₂体积比	典型下游产物
纯CO	一氧化碳电子特气
≈1.0	氢甲酰化产品
0.5~1.0	费托合成品
≈0.5	甲醇
0.3~0.5	甲烷

CO/H₂体积比

典型下游产物

纯CO

一氧化碳电子特气

≈1.0

氢甲酰化产品

0.5~1.0

费托合成品

≈0.5

甲醇

0.3~0.5

甲烷

项目	化学甲烷化	生物甲烷化
优势	功率要求低，反应器体积小	对原料气高杂质耐受性高，反应灵活，成本低，操作温和，环境友好
劣势	对原料气杂质的耐受性低，反应器动态响应灵活性低	反应温度低，效率低，占地面积大，余热利用难
现状	处于实验室研发阶段
适用场景	电厂、沼气厂、污水处理厂	沼气厂、污水处理厂，无需经二氧化碳分离直接对沼气进行甲烷化的场合
应用情况	1）国能低研院，先通过固体氧化物电解池电解水与二氧化碳制合成气，再通过化学催化将合成气与未完全电解的二氧化碳转化为甲烷；2）中海油气电公司研发了分段式绝热固定床制甲烷工艺；3）云南电科院利用流化床技术，自主建造一套千瓦级甲烷化反应装置，30 h反应过程中甲烷产率约85%^[21]	1）李叶青研发连续搅拌反应器富氢气体一步法生物产甲烷化工艺^[22]；2）李东进行高温原位加氢产甲烷合成生物天然气^[23]

项目

化学甲烷化

生物甲烷化

优势

功率要求低，反应器体积小

对原料气高杂质耐受性高，反应灵活，成本低，操作温和，环境友好

劣势

对原料气杂质的耐受性低，反应器动态响应灵活性低

反应温度低，效率低，占地面积大，余热利用难

现状

处于实验室研发阶段

适用
场景

电厂、沼气厂、污水处理厂

沼气厂、污水处理厂，无需经二氧化碳分离直接对沼气进行甲烷化的场合

应用
情况

1）国能低研院，先通过固体氧化物电解池电解水与二氧化碳制合成气，再通过化学催化将合成气与未完全电解的二氧化碳转化为甲烷；2）中海油气电公司研发了分段式绝热固定床制甲烷工艺；3）云南电科院利用流化床技术，自主建造一套千瓦级甲烷化反应装置，30 h反应过程中甲烷产率约85%^[21]

1）李叶青研发连续搅拌反应器富氢气体一步法生物产甲烷化工艺^[22]；2）李东进行高温原位加氢产甲烷合成生物天然气^[23]

分类	设备名称	特点
化学甲烷化	高效移热等温床	温度低于300 ℃时反应效率高，高于550 ℃时催化剂易烧结失活
流化床反应器	适用于大规模强放热过程
浆态床反应器	在长时间运行和停车时保持等温环境，灵活性强，可适应动态性要求^[25]
蜂窝结构反应器	温度易调控，磨耗较低，适于波动性操作
微通道反应器	结构紧凑，传热和传质性能好，反应性能可增加10%~20%
生物甲烷化	连续搅拌反应器	当前最成熟的反应器，有较多示范工程^[26]
滴流床反应器	能耗低，传质效率高
鼓泡塔反应器	液相体积分率高，高达90%
膜反应器	能耗低，清洗简单，运行花费低

分类

设备名称

特点

化学甲烷化

高效移热等温床

温度低于300 ℃时反应效率高，高于550 ℃时催化剂易烧结失活

流化床反应器

适用于大规模强放热过程

浆态床反应器

在长时间运行和停车时保持等温环境，灵活性强，可适应动态性要求^[25]

蜂窝结构反应器

温度易调控，磨耗较低，适于波动性操作

微通道反应器

结构紧凑，传热和传质性能好，反应性能可增加10%~20%

生物甲烷化

连续搅拌反应器

当前最成熟的反应器，有较多示范工程^[26]

滴流床反应器

能耗低，传质效率高

鼓泡塔反应器

液相体积分率高，高达90%

膜反应器

能耗低，清洗简单，运行花费低

地区	名称	特点
德国^[29]	奥迪E-Gas 项目	2013年投运，最大的商业运营电转甲烷工程；利用海上风电耦合碱水制氢，采用胺碳捕集技术分离沼气中捕集的二氧化碳；能源利用率54%，余热回用于碳捕集；每年产甲烷1 000 t且纯度大于96%，消耗二氧化碳2 800 t
欧盟^[30]	高效电转甲烷项目	高温高压水蒸气电解制氢耦合二氧化碳加氢甲烷化工艺，甲烷产率达97%，可接入天然气管道运输；分别将电解水系统和二氧化碳甲烷化反应装置模块化，总能量转化率76%
德国	法尔肯哈根示范装置	2018年投运，有2 MW碱水制氢和1 MW二氧化碳甲烷化装置，以生物沼气厂和生物乙醇厂的二氧化碳为原料，甲烷产能57 m³/h，经天然气管道运输甲烷，余热供给当地工厂
瑞士	索洛图恩示范装置	2017年投运，利用光伏和水电，采用质子交换膜电解水制氢、生物法产甲烷，经天然气管网储运甲烷，二氧化碳源于污水处理厂
意大利	特罗亚示范项目	2018年投运，利用光伏进行1 000 kW碱水制氢和200 kW二氧化碳甲烷化装置，采用模块化甲烷反应器，从大气中捕集二氧化碳，余热回用于碳捕集

地区

名称

特点

德国^[29]

奥迪E-Gas
项目

2013年投运，最大的商业运营电转甲烷工程；利用海上风电耦合碱水制氢，采用胺碳捕集技术分离沼气中捕集的二氧化碳；能源利用率54%，余热回用于碳捕集；每年产甲烷1 000 t且纯度大于96%，消耗二氧化碳2 800 t

欧盟^[30]

高效电转甲烷项目

高温高压水蒸气电解制氢耦合二氧化碳加氢甲烷化工艺，甲烷产率达97%，可接入天然气管道运输；分别将电解水系统和二氧化碳甲烷化反应装置模块化，总能量转化率76%

德国

法尔肯
哈根示
范装置

2018年投运，有2 MW碱水制氢和1 MW二氧化碳甲烷化装置，以生物沼气厂和生物乙醇厂的二氧化碳为原料，甲烷产能57 m³/h，经天然气管道运输甲烷，余热供给当地工厂

瑞士

索洛图恩示范装置

2017年投运，利用光伏和水电，采用质子交换膜电解水制氢、生物法产甲烷，经天然气管网储运甲烷，二氧化碳源于污水处理厂

意大利

特罗亚示范项目

2018年投运，利用光伏进行1 000 kW碱水制氢和200 kW二氧化碳甲烷化装置，采用模块化甲烷反应器，从大气中捕集二氧化碳，余热回用于碳捕集

项目	生物甲醇	电制甲醇	生物电甲醇
生物质作用	原料	碳源	主要原料
绿氢作用	无	原料	补充原料
技术成熟度	成熟	待验证	较成熟
绿色认证	容易认证生物质，有成熟标准	认证绿氢+二氧化碳难，二氧化碳的认证缺乏标准	可实现认证生物质+绿氢，绿氢需要严格定义

项目

生物甲醇

电制甲醇

生物电甲醇

生物质作用

原料

碳源

主要原料

绿氢作用

无

原料

补充原料

技术成熟度

成熟

待验证

较成熟

绿色认证

容易认证生物质，有成熟标准

认证绿氢+二氧化碳难，二氧化碳的认证缺乏标准

可实现认证生物质+绿氢，绿氢需要严格定义

	研究机构	进展	时间	年产能/(t·a^–1)
国外	日本关电/三菱重工	中试	2009年	100
日本三井	示范工程	2009年	100
德国鲁奇/丹麦托普索	中试	2010年	3 600~72 000
冰岛碳循环国际公司	示范工程	2012年	1 000~4 000
德国科莱恩	示范工程/中试	2018年	10 000
英国约翰逊马泰	工业试验	2020年	100 000~1 700 000
国内	中国科学院山西煤化所	工业单管实验	2016年
上海高研院/海洋石油富岛公司	工业试验	2020年	5 000
中国科学院大连化物所	示范工程	2020年	1 000~6 000

研究机构

进展

时间

年产能/(t·a^–1)

国外

日本关电/三菱重工

中试

2009年

100

日本三井

示范工程

2009年

100

德国鲁奇/丹麦托普索

中试

2010年

3 600~72 000

冰岛碳循环国际公司

示范工程

2012年

1 000~4 000

德国科莱恩

示范工程/中试

2018年

10 000

英国约翰逊马泰

工业试验

2020年

100 000~1 700 000

国内

中国科学院山西煤化所

工业单管实验

2016年

上海高研院/海洋石油富岛公司

工业试验

2020年

5 000

中国科学院大连化物所

示范工程

2020年

1 000~6 000