根据国际可再生能源署建议，将甲醇分为绿色甲醇、蓝色甲醇、灰色甲醇和棕色甲醇。其中棕色、灰色和蓝色甲醇属于不可再生甲醇，绿色甲醇属于可再生甲醇，分类见图1。

不可再生甲醇主要依赖化石原料(如天然气、 煤或焦炉气)，其核心技术为合成气催化转化工艺。可再生甲醇的制备主要包括生物甲醇和电制甲醇。生物甲醇以生物质为原料，通过气化或热化学转化生成富氢合成气，再经催化合成。电制甲醇则依托可再生能源电力电解水制氢(绿氢)，并与工业排放或直接空气捕集的二氧化碳催化合成。不可再生甲醇短期内仍占据市场主导地位，但其可持续发展高度依赖CCUS技术的集成应用，随着可再生能源成本下降，可再生甲醇有望在2030 年后成为化工和交通领域脱碳的重要选择。

1.1 化石能源制甲醇工艺

全球甲醇年产量已达9800万吨，其中几乎全部依赖于化石燃料(天然气或煤炭)。过去十年间，甲醇产量呈现显著增长态势，增幅接近100%，其中中国贡献了主要增量。据预测，若维持当前发展趋势，至2050年全球甲醇年产量将达到5亿吨。如果完全依赖化石燃料制取，预计将导致每年新增15亿吨二氧化碳排放。从生产工艺来看，全球约65%的甲醇生产采用天然气转化工艺，其余35%主要依赖煤气化工艺。值得注意的是，中国凭借其丰富的煤炭资源优势，煤炭制甲醇工艺占比高达60%-70%。

甲醇生产工艺主要包含合成气制备和甲醇合成两个关键环节。以煤炭为原料时，合成气通过气化工艺制得，该工艺结合了部分氧化和高温蒸汽处理(操作温度范围为800-1800℃，具体取决于工艺路线和原料特性)。天然气制合成气则主要采用蒸汽重整、部分氧化重整、自热重整或其组合工艺，这些工艺同样属于高温过程(＞800℃)。相较而言，煤气化所得合成气需要进行更为复杂的预处理，包括去除焦油、灰尘和无机物等杂质。为实现最佳合成效果，合成气中氢气和一氧化碳的比例应至少调节至2:1。由于煤的氢碳比较低，所得合成气富含碳氧化物而氢气不足，因此需要通过水气变换反应增加氢气含量。该过程产生的部分二氧化碳通常直接排放至大气。相比之下，天然气原料杂质较少且易于分离，同时具有更高的氢气/二氧化碳比率，因此所需的合成气调节步骤较少。从碳排放强度来看，天然气制甲醇工艺具有明显优势，其每千克甲醇生产的二氧化碳当量排放约为0.5 kg，而煤制甲醇工艺的排放强度则高达2.6-3.8 kg。在水气变换工序之后，合成气通过铜、氧化锌或氧化铝催化剂的催化过程转化为甲醇。随后，粗甲醇需经过蒸馏提纯，以去除合成过程中产生的水分及其他副产物。

图2 化石能源生产甲醇技术路线

1.2 可再生甲醇

随着全球气候变化问题日益严峻，人们开始积极寻求绿色能源解决方案，以可持续方式生产的可再生甲醇被视为实现化工和运输行业去碳化的重要途径之一。生物甲醇和电甲醇虽然来源于可再生资源，但其化学性质与化石燃料基甲醇完全相同，并且在整个生命周期中显著降低温室气体的排放。

生物甲醇生产工艺主要包含生物质气化合成技术路径(见图3)。在生物质气化合成工艺中，原料(包括农林废弃物、能源作物等)首先在600-900℃ 的温度范围内进行气化反应，生成合成气，经过净化处理后，合成气在铜基催化剂作用下发生甲醇合成反应。该工艺的关键技术参数主要涉及气化温度、气化剂类型(空气、氧气或蒸汽)以及合成气中氢气和一氧化碳的比例(最佳值为2.0-2.2)。研究表明，与传统化石燃料路线相比，生物甲醇生产工艺可减少全生命周期碳排放达70%。此外，该工艺具有原料来源多样化的优势，可利用农作物残余物、林业废弃物及城市有机垃圾等多种生物质资源。然而，该技术在实际应用中仍面临若干挑战，包括原料收集成本较高、气化过程中焦油处理困难等问题。因此，未来研究应着重于气化炉结构的优化设计、高效催化剂的开发以及系统集成度的提升等方面。

图3 可再生甲醇生产技术路线

电甲醇生产工艺是一种将二氧化碳通过电化学还原转化为甲醇的绿色化工技术。该工艺首先从工业废气中捕获并纯化二氧化碳，同时利用去离子水作为电解原料，在电解槽中通过直流电分解水生成氢气。氢气作为还原剂与二氧化碳在电化学反应器中生成甲醇和水。整个工艺依赖可再生能源(如太阳能、风能)提供电力，以降低碳足迹并实现可持续发展。与传统化石燃料路线相比，电甲醇生产工艺可降低全生命周期碳排放达80% 左右。尽管该技术在减少温室气体排放方面具有显著优势，但其经济性仍受限于电解水和二氧化碳还原的高能耗以及催化剂成本。未来，电甲醇工艺有望成为绿色化工领域的重要发展方向。

生物电甲醇是一种基于生物质能与电化学技术相结合的绿色甲醇生产工艺，具有显著的低碳排放与高可持续性特征。在传统生物甲醇生产过程中，生物质通过气化制备合成气，但由于氢气与一氧化碳的比例较低，需要通过水煤气变换反应调整合成气组分，该过程会生成大量二氧化碳并直接释放至大气中，导致碳利用率降低。研究表明，传统生物甲醇生产工艺中，原料中仅有约50% 的碳最终转化为甲醇，其余碳则以二氧化碳形式排放，这不仅降低了生物质资源的利用效率，还增加了环境负担。为提高碳利用率，一种具有潜力的解决方案是将传统生物甲醇生产工艺与电甲醇生产工艺相结合。在该混合工艺中，通过电解水制氢技术提供氢气，并与生物质气化过程中产生的二氧化碳进行催化反应，进一步合成甲醇。这种方法能够将生物质中几乎100% 的碳转化为甲醇产品中的碳，显著提升碳利用效率，同时减少二氧化碳排放。此外，结合可再生能源电力驱动的电解水制氢技术，可进一步降低全生命周期碳排放，实现真正的绿色甲醇生产。这种混合工艺不仅优化了生物质资源的利用效率，还为生物甲醇与电甲醇的协同发展提供了新的技术路径，具有重要的学术价值和应用前景。

甲醇下游需求分为新兴需求和传统需求，新兴需求指近年来开始发展的烯烃、燃料、制氢和汽油四大类，传统需求包含甲醛和冰醋酸等传统化工品。2024 年全球甲醇需求结构中，甲醛和燃料分别占比20%和18%，而烯烃的占比高达30%，其中中国甲醇制烯烃占总需求的50%以上。

2.1 甲醇制备烯烃

甲醇制烯烃(Methanol to Olefins，MTO)是将甲醇转化为低碳烯烃(如乙烯和丙烯)的化工过程。乙烯和丙烯作为现代石化工业的基础原料，可通过聚合、烃化、水合、氧化、氯化、氨氧化、羰基化及齐聚等反应生成一系列高附加值化学品。中国煤炭资源丰富，煤制烯烃路线贡献了国内丙烯产能的24%，乙烯产能的20%。当前，全球丙烯消费量年增长率约为6%，乙烯的需求增长率约为3.4%。丙烯和乙烯长期处于供需紧张状态，其价格高度依赖原油市场波动，而甲醇制烯烃的技术路线有望打破这种依赖性，使甲醇成为仅次于石脑油的烯烃生产原料，从而进一步推动石化行业的可持续发展。表1所示为目前典型的MTO工艺及其技术特点。

表1 MTO典型工艺

2.2 甲醇作为燃料

甲醇可以直接作为燃料使用或与汽油混合使用以及用于生产生物柴油、甲基叔丁基醚(MTBE)和二甲醚(DME)等。近年来，甲醇作为燃料的直接使用量增长迅速，从2000年的不到1% 增加到目前的14%以上。尽管甲醇的体积能量密度仅为传统汽油或柴油的50%，但其高效燃烧特性使其既可以单独使用(纯甲醇，100% 浓度)，也可以与汽油混合形成M85燃料(85%甲醇与15%汽油的混合燃料)。研究表明，甲醇作为燃料在发动机性能方面具有显著优势，甲醇发动机的峰值效率接近43%，并且在更广泛的速度和负载范围内能够保持40% 以上的效率，这一表现优于传统的柴油发动机。甲醇燃料的广泛应用不仅得益于其高效的燃烧特性，还因其在减少环境污染方面的潜力。相比汽油、压缩天然气(CNG)和液化石油气(LPG)等传统燃料，M100纯甲醇燃料在氮氧化物和颗粒物(PM)排放方面表现出显著且稳定的减排效果，尤其是在减少有害气体排放方面具有明显优势。随着全球对清洁能源需求的增加，甲醇作为一种低碳燃料，在交通运输和工业领域的应用前景广阔。然而，甲醇的低能量密度和储存运输的技术挑战仍需进一步研究和解决，以充分发挥其作为替代燃料的潜力。

二甲醚(DME)作为一种清洁燃料，其燃烧特性与柴油相比具有显著优势。研究表明，二甲醚的十六烷值(55-60)高于柴油(40-55)，这意味着其在燃烧过程中具有更好的自燃性能，能够有效减少点火延迟时间，从而提升燃烧效率并降低排放。此外，二甲醚的分子结构中不含碳-碳键，燃烧时产生的颗粒物(PM)和未燃碳氢化合物(UHC)显著低于柴油，这使其在减少烟雾和有害气体排放方面表现出色。二甲醚与柴油混合燃料的研究结果表明，随着二甲醚掺混比例的增加，燃烧过程中的氮氧化物和颗粒物排放显著降低。具体而言，当二甲醚掺混比例达到30% 时，NOx 排放减少了约15% ，颗粒物排放降低了近30%。这一现象主要归因于二甲醚的高氧含量(34.8%)，其在燃烧过程中促进了更完全的氧化反应，减少了不完全燃烧产物的生成。此外，二甲醚的低沸点(-24.9℃)和高蒸气压使其在喷射过程中更易雾化，进一步优化了燃烧过程，从而提高了热效率并降低了燃料消耗。然而，二甲醚作为柴油替代品也面临一些技术挑战。二甲醚的高蒸气压和低能量密度(约为柴油的60%)对储存和运输提出了更高要求，需要开发专用的高压容器和基础设施。

甲醇作为全球化工领域不可或缺的基础原料，在能源、化工、医药等多个领域具有广泛的应用前景。随着全球能源转型和可持续发展的需求日益迫切，甲醇作为一种绿色能源和化工原料，其重要性愈发凸显。随着绿色甲醇生产技术的不断进步和政策的支持，甲醇有望在化工和能源领域发挥更加重要的作用，为实现全球碳中和目标提供重要支持。未来研究需聚焦于全生命周期碳排放评估、多技术路径耦合优化及跨行业协同机制设计，以释放甲醇在可持续发展中的最大潜力。