氫能全產(chǎn)業(yè)鏈包括“制—儲—運—輸—用”五大環(huán)節(jié)，其中制氫是第一個重要環(huán)節(jié)。碳排放量較低的制氫方式有技術(shù)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(zhì)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(yōu)勢獲得了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關注。垃圾氣化制氫的總生產(chǎn)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(guī)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(shù)成本相當。
圖源Pexel
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(shù)還具有重要現(xiàn)實意義：
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(tǒng)垃圾處理方式相比，氣化占地面積小，不產(chǎn)生二惡英等有毒有害物質(zhì)，處理后的氣體和殘渣均可利用。
緩解局部資源短缺導致的制氫瓶頸。鑒于部分地區(qū)垃圾量大、分布廣泛，以垃圾為原材料制氫，有助于各地區(qū)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(fā)，發(fā)展垃圾制氫具有積極的意義。那么垃圾制氫現(xiàn)在發(fā)展如何了？
一、垃圾制氫技術(shù)研究現(xiàn)狀
根據(jù)技術(shù)原理的不同，垃圾制氫技術(shù)可分為熱化學和生物化學兩大類。
1、熱化學技術(shù)
熱化學技術(shù)顧名思義是基于熱化學過程的垃圾制氫技術(shù)，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。
圖 垃圾熱解-重整兩階段制氫簡化流程
熱化學技術(shù)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(yōu)勢在于減量化，可以最大程度保留垃圾填埋場的空間。據(jù)測算，熱化學處理后，垃圾質(zhì)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(shù)的垃圾制氫方式的氫氣產(chǎn)率范圍較大，每千克可燃固體廢棄物能生產(chǎn)氫氣約20——178.7克。氫氣產(chǎn)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(chǎn)物氫氣的濃度為41.65%，氫氣產(chǎn)率為178.7g/kg。
2、生物化學技術(shù)
基于生物化學過程的垃圾制氫技術(shù)，原理是利用微生物分解垃圾中的有機物以產(chǎn)生氫氣，典型的過程包括光發(fā)酵和暗發(fā)酵。
暗發(fā)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(chǎn)生氫氣，其他產(chǎn)物通常為有機酸、醇、丙酮以及CO2。
影響氫氣產(chǎn)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(fā)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(chǎn)量。此外，過高的氫氣分壓對產(chǎn)率也有負面影響，及時移除產(chǎn)生的氫氣有助于提高氫氣產(chǎn)率。隨著氫氣分壓的增加，乳酸和乙醇等其他產(chǎn)物的濃度增加，氫氣合成減少。
光發(fā)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(chǎn)生氫氣。
光轉(zhuǎn)換效率、微生物菌株、垃圾類型以及反應條件共同對氫氣產(chǎn)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(chǎn)率和反應速率較低。
研究結(jié)果表明，各類市政污泥和餐廚垃圾發(fā)酵制氫的氫氣產(chǎn)率約為8.6——174.6mL/gVS。氫氣產(chǎn)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(fā)酵的方式進行，有機負荷為20gVS/L，發(fā)酵溫度為35℃，初始pH為6.0，總碳轉(zhuǎn)化效率為63.3%，能量轉(zhuǎn)化效率為56.6%，氫氣產(chǎn)率為174.6mL/gVS。
二、垃圾制氫產(chǎn)業(yè)化進展
隨著氫能重要性的提升，近年來許多企業(yè)開始探索垃圾制氫產(chǎn)業(yè)化。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球已有16個垃圾制氫產(chǎn)業(yè)化項目，主要分布在歐洲、美國、日本等，詳情如圖所示。
圖2 全球垃圾制氫項目
我國是世界第一制氫大國，2019年氫氣產(chǎn)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(yè)副產(chǎn)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(xiàn)大規(guī)模供給。
國內(nèi)企業(yè)也積極探索垃圾制氫，已成為該領域的“先行者”。
2019年，三環(huán)集團等企業(yè)達成“高環(huán)保超高溫城市垃圾轉(zhuǎn)化制氫油項目”合作協(xié)議，項目采用純氧燃燒、超高溫氣化的方式處理城市垃圾，所產(chǎn)生氫氣可滿足1000輛氫燃料電池大巴日常使用。
2021年，東方鍋爐與重慶市潼南區(qū)簽訂了垃圾發(fā)電耦合制氫及氫能示范項目合作意向書，建成后有望成為我國首個垃圾制氫產(chǎn)業(yè)化示范項目。
進入2022年，隨著“十四五”時期“無廢城市”建設工作的啟動，越來越多企業(yè)進入垃圾制氫領域。
城康氫碳新材料宣布在湖北省襄陽市投建“垃圾制氫+碳資源化”綠氫綠碳工廠，采用城市垃圾資源化制沼氣、沼氣資源化制氫固碳的兩階段反應方式，設計年處理城市固廢30萬噸，減少碳排放35萬噸，年產(chǎn)高純度綠氫550噸、炭黑1650噸，預計年內(nèi)建成。
瀚藍環(huán)境宣布年內(nèi)將在佛山市南海區(qū)建設餐廚垃圾制氫項目，以餐廚垃圾和滲濾液產(chǎn)生的沼氣以及綠色工業(yè)服務中心鋁灰處理項目中的富氫氣體作為原料氣，設計年處理沼氣2400噸，產(chǎn)氫氣2200噸，減少碳排放量100萬噸。
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(chǎn)業(yè)發(fā)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(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)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(yōu)勢突出，但不可忽視的是，垃圾中的有機物經(jīng)高溫氣化將產(chǎn)生大量CO2。這也意味著，要讓垃圾制氫變得低碳環(huán)保，碳捕集封存利用不可或缺。2021年12月，美國初創(chuàng)企業(yè)Mote宣布，將在2024年前建成一座利用木質(zhì)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(jié)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(chǎn)率，進而影響制氫能源利用效率。
3、垃圾質(zhì)量不達預期
我國城市生活垃圾與發(fā)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(wěn)定性和經(jīng)濟性，以及污染物的達標排放存在影響。同時，垃圾原料性質(zhì)是垃圾氣化反應器和系統(tǒng)的主要設計依據(jù)，若直接引進國外主流技術(shù)，可能出現(xiàn)水土不服的情況。
4、氣化技術(shù)有待進步
垃圾氣化制氫是在垃圾氣化技術(shù)上衍生出的新技術(shù)，而垃圾氣化技術(shù)對產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎要求較高。國外對垃圾氣化技術(shù)的研究起步比較早，在熱分選氣化技術(shù)和等離子體氣化技術(shù)等領域有較多積累，已研發(fā)出工業(yè)級技術(shù)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(chǎn)物合成氣用于發(fā)電。然而，我國等離子體氣化技術(shù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展中起到重要的支撐作用。研發(fā)大規(guī)模、低成本、低碳排放量的制氫技術(shù)是氫能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的前提條件，是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。從我國垃圾原料性質(zhì)、制氫技術(shù)進展等看，可以從垃圾分類、制氫技術(shù)裝備研發(fā)、碳捕集封存利用技術(shù)創(chuàng)新、項目試點示范等方面推進我國垃圾制氫研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進程。
