集成生物质发酵与 CCUS 的绿色甲醇生产：路径、案例与减排效益

志刚 宿(大庆油田化工有限公司，中国)

摘要

在“双碳”目标背景下，传统甲醇生产的碳减排压力日益增大。本文提出并分析了一种以农业废弃物（秸秆、粪污）为原料，通过厌氧发酵制取生物天然气（Bio-SNG），继而合成绿色甲醇的创新技术路径，并深度耦合碳捕获、利用与封存（CCUS）技术，构建完整的“从生物质到绿色化学品”的负碳产业链。文章结合化工有限公司的产业实践，详细阐述了基于高固含量卧式塞流式发酵反应器的核心技术优势，其单位容积产气率可达6.0 Nm³/(m³·d)以上。重点分析了该路径的全生命周期碳足迹，其生物天然气的碳强度低至-124.45 g CO2eq/MJ，具备显著的“负碳”属性。论文进一步探讨了副产物CO2的捕集与利用策略，以及绿色甲醇产品通过国际ISCC EU认证所带来的市场竞争力。研究表明，该技术为天然气化工发展提供新路线，也为我国炼化行业探索了一条资源化利用农林废弃物、保障能源安全、实现深度减排的可行路径。关键词生物质厌氧发酵；生物天然气（Bio-SNG）；碳足迹；ISCC认证；绿色化工【作者简介】宿志刚（1982-），中国辽宁开原人，本科，工程师，从事化工生产方面研究。1 引言甲醇作为关键的化工平台分子和潜在的清洁燃料，其绿色化生产是化工行业脱碳的核心议题之一。化工有限公司作为中国石油旗下的重要炼化企业，积极践行国家“双碳”战略与中石油“清洁替代、战略接替、绿色转型”的部署，依托黑龙江省丰富的生物质资源，开创性地布局了以农业废弃物制生物天然气，进而生产绿色甲醇的产业路径。2024年10月15日,绿色甲醇获得国内首个ISCC EU认证（国际可持续发展与碳认证）。2025年5月17日，首批绿色甲醇通交付加注流程，打通从秸秆粪污加工-绿色甲醇生产-运输-集货-加注-燃料入船等各环节，做到ISCC认证全流程通畅，确保“生物质绿色甲醇”性质不变。本文旨在系统性地论述该技术路线的工艺原理、核心优势、减排效益及发展前景，以期为行业提供可借鉴的“大庆案例”。2 技术路径与核心工艺技术总览以秸秆、粪污等废弃物的生物质为原料，采用干式厌氧发酵技术，生物质秸秆和粪污从反应器一端送入，在反应器内经过26天的反应发酵时间，从反应器另一端引出。罐内发酵固含量为22%-25%，同时定期监控反应物30-40:1的碳氮比条件。生物质原料以塞流式向前横向推进，从厌氧反应器顶部收集产生的沼气导入储气包中，经提纯后，获得生物天然气，送入甲醇生产工厂。生物天然气通过CNG管束车卸至甲醇装置原料气管线，进入甲醇生产装置，工艺上采用纯氧二段炉生产技术，低温氧化锌脱硫、二段蒸汽转化、低压合成、三塔精馏的工艺路线生产甲醇。中国每年产生约8.65亿吨秸秆资源，其中可收集量达7.34亿吨，但利用率仅为11.8%。畜禽粪污量38亿吨，综合利用率60%，有40%未处理，造成了严重的农业面源污染。生物质甲醇技术，可将秸秆、畜禽粪污等废弃物转化为化工基础原料，实现资源化利用。绿色甲醇凭借其环保特性和认证优势，在国内外市场都获得了广泛认可。在国内市场，产品主要供应给高端化学品制造商和新兴的绿色燃料领域。特别是在制药、电子级化学品等对原料纯度要求严格的行业，绿色甲醇因其优异的品质和稳定的供应获得了客户青睐。同时，随着我国绿色燃料标准的逐步完善，绿色甲醇作为清洁燃料组分在船用燃料、燃料电池等领域的应用前景广阔。绿色甲醇虽然生产成本略高于传统甲醇，但市场售价高出传统甲醇，毛利率显著提升。更长远地看，随着全球碳定价机制的推广和碳税政策的实施，绿色甲醇的经济优势将进一步凸显。除了直接的经济效益，绿色甲醇项目还带来了显著的社会效益和环境效益。核心创新：最核心的创新点在于原料替代，即用有机废弃物替代传统化石燃料作为生产原料。在生产工艺方面，公司优化两种原料气掺混比例，试验摸索催化剂最佳反应参数，提高反应收率，最大程度降低产品单耗。公司成功完成了ISCC EU（国际可持续发展和碳认证）绿甲醇产品认证工作。ISCC是全球公认的可持续性认证体系，其认证过程严格评估产品的原料来源、生产工艺、碳排放等全生命周期环境影响。获得该认证意味着绿色甲醇产品符合欧盟严格的可持续发展标准，为企业产品进入国际市场扫清了技术壁垒。这一认证工作本身也是技术创新的重要组成部分，包括建立完整的碳足迹核算体系、原料溯源系统等。该技术路线的实现，为国内绿色甲醇的生产开辟了一条技术成熟、可推广路径。绿色甲醇合成经净化提纯后的生物天然气通过蒸汽重整或自热重整转化为满足甲醇合成要求的合成气，随后在催化剂作用下合成粗甲醇，并经精馏得到产品级绿色甲醇。此过程的技术集成与优化是保障最终产品经济性的关键。技术优势国内生产绿色甲醇主要有三种路径，分别是生物质发酵路径与生物质气化路径、生物质二氧化碳加氢路径。三者在可持续性和环保方面具有显著优势，能够有效利用可再生资源，减少对化石燃料的依赖，并具有碳中和的潜力。然而，技术成熟度方面，生物质气化的工艺流程较长，涉及多个反应步骤和设备，尤其是气化炉对入炉生物质原料要求苛刻，适应性相对较差，需要复杂的预处理过程，容易积灰或结焦、碳转化率低、对操作条件和技术要求较高，且原料供应的稳定性和气化效率的提高仍是需要解决的问题，这也限制了其技术推广，国内暂时还没有成熟的、长周期运行的工业化装置。生物质二氧化碳加氢技术中可再生能源电力溯源方面，要求电网需要独立电网，风光电的波动性对系统的稳定运行提出了更高要求，为了解决这一问题，需要开发更高效的电源管理系统和储能设备，以实现能源的平稳输出和稳定供应。但电解槽、电源管理系统和储能设备的成本较高，导致整个系统的初始投资和运行维护费用居高不下，这是制约项目发展的关键点。相比之下，生物质发酵生物天然气重整法制甲醇技术生产工艺成熟、可靠性强，原料采用农畜废弃物来源充足，大规模生产能够有效降低单位产品的成本，即有助于实现碳减排更有利于环境保护。3 绿色低碳与 CCUS 属性分析3.1 全生命周期“负碳”属性该技术的绿色低碳属性根植于其全生命周期（LCA）分析，贯穿“原料—过程—产品—末端”各环节，形成系统性的碳减排与移除能力。·原料碳中和：秸秆等生物质在生长过程中通过光合作用吸收大气中的CO2，其作为原料使用时，所释放的碳本质上属于近期大气碳的再循环，不会额外增加大气碳总量，与化石能源动用地质历史时期储存的碳有本质区别。这种基于生物质的碳循环，构成了典型的短期闭环碳循环体系，是能源系统脱碳的重要路径之一。·过程负排放：以粪污为原料，厌氧发酵过程在密闭环境中进行，不仅避免了自然发酵产生的大量甲烷（CH4）排放（其全球变暖潜势GWP为CO2的21-28倍），而且将有机物转化为沼气。根据国际可持续碳认证（ISCC EU 205）方法计算，生物天然气的碳强度低至-124.45 g CO2eq/MJ。该负值表明，每提供1兆焦耳的能量，不仅在直接燃烧环节实现近零排放，更因避免甲烷排放和生物碳循环特性，实现了124.45克二氧化碳当量的净环境移除，即“负排放”。这使其成为少数兼具能源供应与碳移除功能的技术。[2]全生命周期核算生物质甲醇碳排放值(-48.31 g CO2eq. per MJ), 减排比例达到151%。· CCUS闭环：在生物天然气净化单元，可分离出高纯度的CO2副产品。这部分CO2源于生物质，属于生物源二氧化碳，其捕集实质上是将近期从大气中固定的碳进行分离和富集。高浓度CO2可作为产品直接出售，用于驱油提高采收率、食品加工、或作为工业原料。更具前瞻性的是，它可以与可再生能源电解水制取的“绿氢”合成e-甲醇等化学品，从而将碳元素长期固化在产品中，形成“利用”环节的闭环，实现了CCUS中的“U”（利用）向“S”（封存）的延伸，提升了整个价值链的碳固定能力。[3]3.2 显著的减排效益以10万吨/年甲醇消耗的生物天然气量计算，其能量相当于同等体积的化石天然气，可直接替代后者，实现上游开采、运输等环节的间接减排。仅计算厌氧发酵回收利用CH4（避免其直接散逸）和副产品CO2得到利用所避免的排放，年减排量即可达约150万吨CO2当量，减排效益显著。若进一步考虑其下游应用场景——例如，所产天然气或后续合成的e-甲醇用于替代目前以煤为原料生产的甲醇——由于完全避免了煤炭从开采到转化过程中的巨大碳排放，其全链条的减排效益将更为惊人，有望扩大一个数量级，成为颠覆传统高碳化工路径的绿色方案。3.3 循环经济与 ESG 价值生产生物天然气不仅产出绿色能源，还每年副产优质有机肥。这些有机肥回归农田，可部分替代化肥，有助于减少化肥生产过程中的能耗与排放，并改善土壤结构、增加土壤有机质、促进土壤碳汇，构建了“农业废弃物—工业转化—农业应用”的绿色闭合循环。这种循环经济模式全面提升了企业的ESG（环境、社会和治理）表现：在环境（E）维度，实现了负碳能源、污染减排与资源循环；在社会（S）维度，促进了农村就业、改善了乡村环境；在治理（G）维度，展现了企业应对气候变化的战略与管理能力。这为企业主动应对欧盟碳边境调节机制（CBAM）等国际“碳关税”政策、满足全球供应链日益严格的低碳要求奠定了坚实基础，并将其转化为可持续的竞争优势与品牌价值。[4]4 案例实践：化工有限公司的产业化应用化工有限公司开展本项目具备得天独厚的优势：资源禀赋：黑龙江省年产秸秆超亿吨，大庆及周边地区玉米、水稻秸秆可获得量超200万吨/年，牛粪资源丰富，原料保障度高。技术认证先行：公司已率先完成ISCC EU认证，熟悉国际绿色认证规则，具备了向欧盟等高溢价市场出口绿色甲醇的资质。产业协同：产品绿色甲醇可作为公司现有装置的原料，提升整体绿色化水平；副产品CO2可就近用于大庆油田驱油，实现“就地利用”。政策强力支持：项目符合《“十四五”可再生能源发展规划》、《产业结构调整指导目录》等多个国家级鼓励类政策，享受秸秆离田等补贴。[5]5 挑战与展望尽管技术前景广阔，但仍面临挑战：原料收储运体系的成本控制、高可靠性装备的国产化、绿色产品市场溢价的不稳定性等。未来展望：技术迭代：通过基因编辑技术优化菌种效率，探索厌氧发酵直接制氢等前沿方向。产业链延伸：利用绿色甲醇和CO2为原料，向下游拓展生产绿色航空燃油（SAF）、碳酸二甲酯（DMC）等更高附加值产品。碳交易金融：积极参与国内碳市场交易，将显著的负碳效益转化为实实在在的经济收益，由于减碳效果显著，可助推“零碳工业园区”建设。6 结语以厌氧发酵生物天然气为核心原料生产绿色甲醇，并深度融合CCUS的技术路径，是一条被实践证明可行、减排效益极其显著的绿色化工发展道路。已有的产业化探索表明，该技术能够将丰富的生物质“废料”转化为高价值的绿色能源和化学品，完美契合“双碳”目标要求，兼具环境效益、社会效益与经济效益。对于拥有类似资源禀赋的传统炼化企业而言，此“大庆模式”提供了向绿色低碳转型的宝贵经验与成功范本，有望在我国现代煤化工与石油化工的深度脱碳进程中发挥重要作用。参考文献[1] 汪丹峰, 陈新庆, 王健, 等. 通过自发电与可再生能源电力降低秸秆制甲醇全生命周期碳排放[J]. 能源转换与管理， 2024, 309: 118453.[2] 吴志聪, 刘志成, 张凯, 等. 一种基于生物质脱碳和CO2加氢的碳中和动力与甲醇多联产系统: 热力学与经济性分析[J]. 能源，2024， 299: 131475.[3] 苏广灿, Zulkifli N W M, 刘丽, 等. 基于甘蔗渣热解、物理活化、化学链与甲醇合成的甲醇与活性炭负碳联产[J]. 能源转换与管理， 2023, 293: 117481.[4] 朱玉，罗宇，杨帅，等. 碳排放限制下小麦秸秆制船用燃料甲醇的潜在解决方案：能量、㶲、经济与环境综合比较分析[J]. 应用能源， 2025, 378: 124691.[5] 许光文. 流态化两段气化技术破解生物质气化焦油难题及其在绿色甲醇合成中的应用前景[J]. 生物质化学工程， 2024, 58(3): 1-10.

关键词

生物质厌氧发酵；生物天然气（Bio-SNG）；碳足迹；ISCC认证；绿色化工

参考

汪丹峰, 陈新庆, 王健, 等. 通过自发电与可再生能源电力降低秸秆制甲醇全生命周期碳排放[J]. 能源转换与管理， 2024, 309: 118453.

吴志聪, 刘志成, 张凯, 等. 一种基于生物质脱碳和CO2加氢的碳中和动力与甲醇多联产系统: 热力学与经济性分析[J]. 能源，2024， 299: 131475.

苏广灿, Zulkifli N W M, 刘丽, 等. 基于甘蔗渣热解、物理活化、化学链与甲醇合成的甲醇与活性炭负碳联产[J]. 能源转换与管理， 2023, 293: 117481.

朱玉，罗宇，杨帅，等. 碳排放限制下小麦秸秆制船用燃料甲醇的潜在解决方案：能量、㶲、经济与环境综合比较分析[J]. 应用能源， 2025, 378: 124691.

许光文. 流态化两段气化技术破解生物质气化焦油难题及其在绿色甲醇合成中的应用前景[J]. 生物质化学工程， 2024, 58(3): 1-10.

DOI: http://dx.doi.org/10.12345/hgyjxjz.v4i5.39417