作為公認(rèn)的清潔能源，氫能“去碳化”已經(jīng)成為老生常談的問(wèn)題，氫氣本身只產(chǎn)生水，但部分氫氣的生產(chǎn)過(guò)程卻不那么“清潔”。灰氫，也就是化石能源制氫，目前仍占我國(guó)氫能產(chǎn)量的50%以上，要實(shí)現(xiàn)灰氫到綠氫的升級(jí)，就要做到制氫全路徑零碳，而在這一背景下，垃圾制氫這一小眾路線引起人們的關(guān)注。
垃圾制氫簡(jiǎn)述
目前我國(guó)垃圾處理方式主要是通過(guò)填埋或燃燒。垃圾焚燒的過(guò)程中，產(chǎn)生的熱量可以回收再利用，但這一方式也會(huì)產(chǎn)生二次污染化合物和重金屬飛灰等，需要配備煙氣處理設(shè)施。垃圾填埋雖然操作簡(jiǎn)單，但十分占用土地，容易污染環(huán)境。
垃圾制氫則可以避免這些問(wèn)題。
通過(guò)1600℃的高溫，垃圾原料中的有機(jī)物直接氣化成合成氣體。通過(guò)洗滌分離儲(chǔ)存，避免飛灰產(chǎn)生。
重金屬等有害物質(zhì)經(jīng)過(guò)高溫處理后，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)公害的玻璃化，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。
垃圾制氫對(duì)于城市來(lái)說(shuō)是一種雙贏的方式。通過(guò)垃圾制氫，城市垃圾變成了“城市礦產(chǎn)”，不僅解決了城市所需的清潔能源不足問(wèn)題，還為降低了垃圾處理費(fèi)用，所產(chǎn)生的玻璃體還可以用于城市的建設(shè)，助力打造整潔優(yōu)美的城市面貌。另一方面，垃圾制氫所占用的土地面積較小，對(duì)于一些土地稀缺的城市是更優(yōu)的垃圾處理方式。
技術(shù)原理
常見(jiàn)垃圾制氫技術(shù)有氣化法、熱解法和厭氧發(fā)酵法等，其中氣化法是有機(jī)廢棄物和氣化介質(zhì)發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為CO和H2合成氣的方法。這一方法技術(shù)較為成熟，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，是當(dāng)前垃圾制氫的主要方式。
氣化法的效率受氣化劑、氣化溫度以及催化劑的影響。根據(jù)氣化介質(zhì)的不同分為O2氣化、空氣氣化、H2O氣化等方式。氣化反應(yīng)溫度越高，氣化速率越快，H2產(chǎn)出率越高。氣化法常見(jiàn)催化劑如下。
有研究結(jié)果表明，適合的催化劑可以有效提高原料的H2產(chǎn)率。
另外，廚余垃圾制備氫氣主要采用厭氧發(fā)酵法，工業(yè)上應(yīng)用較多的是“兩步法”。根據(jù)《污泥餐廚垃圾不同混配比厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷》計(jì)算，廚余垃圾經(jīng)發(fā)酵后產(chǎn)生沼氣，沼氣提純后再制備氫氣。每噸廚余垃圾平均產(chǎn)生69立方米沼氣，對(duì)應(yīng)45立方米甲烷。根據(jù)《天然氣制氫工藝介紹及成本分析》計(jì)算，每立方米甲烷約產(chǎn)生2立方米氫氣，最后得出1噸廚余垃圾可轉(zhuǎn)化為90立方米氫氣。
厭氧發(fā)酵法的另一種工藝是通過(guò)改變催化劑、反應(yīng)條件、反應(yīng)物的配比在發(fā)酵時(shí)盡可能多的產(chǎn)出氫氣和甲烷，但這種工藝目前還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。
歷史與現(xiàn)狀
中國(guó)化學(xué)開(kāi)創(chuàng)了垃圾制氫加氫一體站的先河，采用“垃圾制氫-氫油儲(chǔ)氫-氫氣加注”的工藝為垃圾制氫開(kāi)辟了新賽道。
從2019年以來(lái)，國(guó)內(nèi)垃圾制氫發(fā)展平穩(wěn)前進(jìn)，各企業(yè)陸續(xù)開(kāi)展實(shí)踐項(xiàng)目，總體水平與國(guó)外處于“并跑”狀態(tài)。
據(jù)央視網(wǎng)報(bào)道，國(guó)內(nèi)首個(gè)垃圾制綠氫示范項(xiàng)目所應(yīng)用的等離子氣化技術(shù)氫氣回收率大于75%，1噸生活垃圾產(chǎn)生20-40t氫氣，經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)1600元，同時(shí)助力城鎮(zhèn)垃圾的屬地化處理。
近日，瓦爾登技術(shù)集團(tuán)有機(jī)垃圾制綠氫中試生產(chǎn)線取得新突破，自主研發(fā)的甲烷連續(xù)裂解工藝及甲烷裂解高效催化劑，實(shí)現(xiàn)了甲烷一步熱解制備氫氣。與高溫?zé)崃呀夥ǎ?200℃）和熔融金屬裂解法（900-1100℃）相比，應(yīng)用催化劑能夠降低熱解溫度（550-700℃），甲烷單程轉(zhuǎn)化率達(dá)到70-85%，每天可產(chǎn)氫氣1000kg，可產(chǎn)固體碳3600kg。
面臨的問(wèn)題
想做到既要“綠”，又要省，垃圾制氫技術(shù)還有很多技術(shù)難關(guān)需要突破。
首先是溫度的控制，垃圾完全制氫需要1600℃的高溫，需要純氧、空氣分離機(jī)以及更多能源的參與，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本高了很多。
經(jīng)計(jì)算，在不考慮電價(jià)和原材料的前提下，各種制氫方法的成本如下。
可見(jiàn)目前垃圾制氫成本只比電解水低一點(diǎn)，與其他種類制氫無(wú)法相比。但在形成規(guī)模效應(yīng)后，成本可能會(huì)下降到20元/kg。
此外，垃圾制氫受還成分影響，對(duì)于垃圾制氫來(lái)說(shuō)，垃圾的熱值最好在1500大卡以上，含水量在35%以下。目前國(guó)內(nèi)城市生活垃圾呈現(xiàn)含水量大、熱值低的特點(diǎn)，導(dǎo)致焚燒無(wú)法達(dá)到最大值。對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的垃圾處理水平還需要提升，國(guó)內(nèi)的垃圾分類制度對(duì)垃圾制氫的發(fā)展有極大的好處，但部分城市對(duì)此并不重視，最終產(chǎn)生分類成本，制氫成本也在無(wú)形中增加。
未來(lái)展望
目前垃圾制氫還處于中試階段，垃圾制氫產(chǎn)業(yè)化要從氫能應(yīng)用端來(lái)看，保證氫能的消納是垃圾制氫產(chǎn)業(yè)化的保障，垃圾制氫成本要高很多，如果不能消納無(wú)法參與市場(chǎng)。也有專家表示，伴隨著電解水制氫的普及，垃圾制氫在氫能源產(chǎn)業(yè)中占比有限，但相對(duì)來(lái)說(shuō)綜合價(jià)值較高，是一種值得推廣的新技術(shù)。
