垃圾制氫技術研發與產業化進展
- 分類：行業資訊
- 發布時間：2022-08-16
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氫能全產業鏈包括“制—儲—運—輸—用”五大環節，其中制氫是第一個重要環節。碳排放量較低的制氫方式有技術相對成熟的電解水制氫和甲醇重整制氫，以及生物或生物質制氫、垃圾制氫、太陽能光解水制氫、熱化學分解水制氫等試驗性方法。
近年來，垃圾制氫以其成本優勢獲得了學術界和產業界的關注。垃圾氣化制氫的總生產成本約為28.74元/千克，其中垃圾氣化工段成本為13.80元/千克，合成氣凈化、氫氣分離提純工段成本為14.94元/千克。按照這一測算，垃圾制氫成本比我國已建電解水示范項目的氫氣成本36.4元/千克要低。形成規模效應后，成本有望降到20元/千克以下，與天然氣等化石能源制氫技術成本相當。
垃圾制氫項目的收入方面，除了氫氣銷售收入，還包括垃圾處理費、殘渣銷售收入，以及可能的碳交易收入，能有效分攤制氫成本、降低氫氣價格。此外，垃圾制氫技術還具有重要現實意義：
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助推垃圾處理減量化、資源化、無害化。與填埋、堆肥和焚燒等傳統垃圾處理方式相比，氣化占地面積小，不產生二噁英等有毒有害物質，處理后的氣體和殘渣均可利用。
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緩解局部資源短缺導致的制氫瓶頸。鑒于部分地區垃圾量大、分布廣泛，以垃圾為原材料制氫，有助于各地區豐富氫能來源、增加氫氣供給、緩解用氫緊張。
從這兩個角度出發，發展垃圾制氫具有積極的意義。那么垃圾制氫現在發展如何了？
一 垃圾制氫技術研究現狀
根據技術原理的不同，垃圾制氫技術可分為熱化學和生物化學兩大類。
1、熱化學技術
熱化學技術顧名思義是基于熱化學過程的垃圾制氫技術，原理是有機物在缺氧、高溫條件下被分解為以氫氣、一氧化碳、甲烷為主的合成氣；無機物則被熔化成金屬和玻璃體渣，用于路基、建材等的原材料。典型的熱化學過程包括熱解和氣化，熱解可用于氣化之前，以提高原料的熱值。
熱化學技術適用于可燃固體廢棄物，它是垃圾中的可燃組分，常見的可燃固體廢棄物包括紙類、塑料類、木料類、織物類以及垃圾衍生燃料。熱化學過程在垃圾處理方面的優勢在于減量化，可以最大程度保留垃圾填埋場的空間。據測算，熱化學處理后，垃圾質量減少70%~80%，體積減小約80%~90%。
研究成果表明，不同條件下，基于熱化學技術的垃圾制氫方式的氫氣產率范圍較大，每千克可燃固體廢棄物能生產氫氣約20~178.7克。氫氣產率最高的研究來自Wu和Williams，垃圾種類為聚丙烯塑料，制氫方式為熱解（500℃）與氣化（900℃）兩階段反應，反應過程中加入了Ni-Mg-Al作為催化劑，產物氫氣的濃度為41.65%，氫氣產率為178.7g/kg。
2、生物化學技術
基于生物化學過程的垃圾制氫技術，原理是利用微生物分解垃圾中的有機物以產生氫氣，典型的過程包括光發酵和暗發酵。
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暗發酵制氫是指在常壓、缺氧、黑暗條件下，通過厭氧菌分解垃圾中的有機物產生氫氣，其他產物通常為有機酸、醇、丙酮以及CO2。
影響氫氣產率的因素很多，包括底物類別、底物濃度、菌株種類、反應時間、溫度、pH值、氫氣分壓等。由于微生物發酵施加的熱力學限制，較高的底物濃度將導致較低的氫氣產量。此外，過高的氫氣分壓對產率也有負面影響，及時移除產生的氫氣有助于提高氫氣產率。隨著氫氣分壓的增加，乳酸和乙醇等其他產物的濃度增加，氫氣合成減少。
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光發酵制氫是指在常壓、厭氧、光照條件下，通過光合細菌分解垃圾中的有機物產生氫氣。
光轉換效率、微生物菌株、垃圾類型以及反應條件共同對氫氣產率施加影響。最佳的反應條件主要取決于菌株種類，通常溫度為35~37℃，pH為5~7左右。生物化學制氫的能源消耗強度遠低于熱化學過程，但氫氣產率和反應速率較低。
研究結果表明，各類市政污泥和餐廚垃圾發酵制氫的氫氣產率約為8.6~174.6mL/gVS。氫氣產率最高的研究來自Cheng等，反應采用餐廚垃圾和污水污泥共同發酵的方式進行，有機負荷為20gVS/L，發酵溫度為35℃，初始pH為6.0，總碳轉化效率為63.3%，能量轉化效率為56.6%，氫氣產率為174.6mL/gVS。
二 垃圾制氫產業化進展
隨著氫能重要性的提升，近年來許多企業開始探索垃圾制氫產業化。據不完全統計，全球已有16個垃圾制氫產業化項目，主要分布在歐洲、美國、日本等，詳情如圖所示。
我國是世界第一制氫大國，2019年氫氣產量約3342萬噸，占全球總量的37.13%。其中，煤制氫、天然氣制氫、工業副產氫等方式占比分別達到63.54%、13.76%、21.18%，電解水制氫總量約50萬噸，僅占1.50%。低碳、清潔的氫氣尚未實現大規模供給。
垃圾制氫作為一種新興的低碳氫供給方式，也有望在我國氫能產業發展中起到重要的支撐作用。
三 當前面臨的主要問題
當前垃圾制氫技術研發及產業化面臨的主要問題主要有以下四個方面。
1、減碳仍是難題
雖然垃圾制氫的優勢突出，但不可忽視的是，垃圾中的有機物經高溫氣化將產生大量CO2。這也意味著，要讓垃圾制氫變得低碳環保，碳捕集封存利用不可或缺。2021年12月，美國初創企業Mote宣布，將在2024年前建成一座利用木質廢料、配備有碳捕捉與封存裝置的制氫工廠，從全生命周期來看，該制氫工廠有望成為全球首個“零碳”綠氫工廠。
2、能源利用效率偏低
制氫過程需要消耗能源，從能源利用的角度看，垃圾制氫效率遠低于甲烷蒸汽重整、水電解等方式。研究結果表明，垃圾氣化、甲烷蒸汽重整、水電解制氫的熱效率分別為35%~50%、70%~75%和75%~80%。垃圾的種類、尺寸、形狀和含水量等因素都會影響反應器效率和氫氣產率，進而影響制氫能源利用效率。
3、垃圾質量不達預期
我國城市生活垃圾與發達國家城市生活垃圾差異較大，廚余含量高、含水率高、熱值低，對項目運行的穩定性和經濟性，以及污染物的達標排放存在影響。同時，垃圾原料性質是垃圾氣化反應器和系統的主要設計依據，若直接引進國外主流技術，可能出現水土不服的情況。
4、氣化技術有待進步
垃圾氣化制氫是在垃圾氣化技術上衍生出的新技術，而垃圾氣化技術對產業技術基礎要求較高。國外對垃圾氣化技術的研究起步比較早，在熱分選氣化技術和等離子體氣化技術等領域有較多積累，已研發出工業級技術設備。例如，美國西屋等離子體公司在20世紀90年代就取得較大進展，并于2003年在日本建設了220噸/天的用于處理生活垃圾和汽車廢渣的等離子體氣化工廠，產物合成氣用于發電。然而，我國等離子體氣化技術直到2018年才進入工程應用階段。
垃圾制氫作為一種新興的低碳氫供給方式，也有望在我國氫能產業發展中起到重要的支撐作用。研發大規模、低成本、低碳排放量的制氫技術是氫能實現產業化的前提條件，是氫能產業發展亟待解決的問題。從我國垃圾原料性質、制氫技術進展等看，可以從垃圾分類、制氫技術裝備研發、碳捕集封存利用技術創新、項目試點示范等方面推進我國垃圾制氫研發與產業化進程。
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