垃圾制氫 “綠”從何來

作為公認的清潔能源，氫能“去碳化”已經成為老生常談的問題，氫氣本身只產生水，但部分氫氣的生產過程卻不那么“清潔”。灰氫，也就是化石能源制氫，目前仍占我國氫能產量的50%以上，要實現灰氫到綠氫的升級，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注。

垃圾制氫簡述

目前我國垃圾處理方式主要是通過填埋或燃燒。垃圾焚燒的過程中，產生的熱量可以回收再利用，但這一方式也會產生二次污染化合物和重金屬飛灰等，需要配備煙氣處理設施。垃圾填埋雖然操作簡單，但十分占用土地，容易污染環境。

垃圾制氫則可以避免這些問題。

通過1600℃的高溫，垃圾原料中的有機物直接氣化成合成氣體。通過洗滌分離儲存，避免飛灰產生。

重金屬等有害物質經過高溫處理后，可以實現無公害的玻璃化，不會產生二次污染。

垃圾制氫對于城市來說是一種雙贏的方式。通過垃圾制氫，城市垃圾變成了“城市礦產”，不僅解決了城市所需的清潔能源不足問題，還為降低了垃圾處理費用，所產生的玻璃體還可以用于城市的建設，助力打造整潔優美的城市面貌。另一方面，垃圾制氫所占用的土地面積較小，對于一些土地稀缺的城市是更優的垃圾處理方式。

技術原理

常見垃圾制氫技術有氣化法、熱解法和厭氧發酵法等，其中氣化法是有機廢棄物和氣化介質發生熱化學反應，轉化為CO和H2合成氣的方法。這一方法技術較為成熟，經濟價值較高，是當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。根據氣化介質的不同分為O2氣化、空氣氣化、H2O氣化等方式。氣化反應溫度越高，氣化速率越快，H2產出率越高。氣化法常見催化劑如下。

 

 

有研究結果表明，適合的催化劑可以有效提高原料的H2產率。

另外，廚余垃圾制備氫氣主要采用厭氧發酵法，工業上應用較多的是“兩步法”。根據《污泥餐廚垃圾不同混配比厭氧發酵產氫產甲烷》計算，廚余垃圾經發酵后產生沼氣，沼氣提純后再制備氫氣。每噸廚余垃圾平均產生69立方米沼氣，對應45立方米甲烷。根據《天然氣制氫工藝介紹及成本分析》計算，每立方米甲烷約產生2立方米氫氣，最后得出1噸廚余垃圾可轉化為90立方米氫氣。

厭氧發酵法的另一種工藝是通過改變催化劑、反應條件、反應物的配比在發酵時盡可能多的產出氫氣和甲烷，但這種工藝目前還停留在實驗室階段。

歷史與現狀

中國化學開創了垃圾制氫加氫一體站的先河，采用“垃圾制氫-氫油儲氫-氫氣加注”的工藝為垃圾制氫開辟了新賽道。

 

 

從2019年以來，國內垃圾制氫發展平穩前進，各企業陸續開展實踐項目，總體水平與國外處于“并跑”狀態。

 

 

據央視網報道，國內首個垃圾制綠氫示范項目所應用的等離子氣化技術氫氣回收率大于75%，1噸生活垃圾產生20-40t氫氣，經濟效益可達1600元，同時助力城鎮垃圾的屬地化處理。

 

 

近日，瓦爾登技術集團有機垃圾制綠氫中試生產線取得新突破，自主研發的甲烷連續裂解工藝及甲烷裂解高效催化劑，實現了甲烷一步熱解制備氫氣。與高溫熱裂解法（1200℃）和熔融金屬裂解法（900-1100℃）相比，應用催化劑能夠降低熱解溫度（550-700℃），甲烷單程轉化率達到70-85%，每天可產氫氣1000kg，可產固體碳3600kg。

面臨的問題

想做到既要“綠”，又要省，垃圾制氫技術還有很多技術難關需要突破。

首先是溫度的控制，垃圾完全制氫需要1600℃的高溫，需要純氧、空氣分離機以及更多能源的參與，相對來說成本高了很多。

經計算，在不考慮電價和原材料的前提下，各種制氫方法的成本如下。

 

 

可見目前垃圾制氫成本只比電解水低一點，與其他種類制氫無法相比。但在形成規模效應后，成本可能會下降到20元/kg。

此外，垃圾制氫受還成分影響，對于垃圾制氫來說，垃圾的熱值最好在1500大卡以上，含水量在35%以下。目前國內城市生活垃圾呈現含水量大、熱值低的特點，導致焚燒無法達到最大值。對這一問題，國內的垃圾處理水平還需要提升，國內的垃圾分類制度對垃圾制氫的發展有極大的好處，但部分城市對此并不重視，最終產生分類成本，制氫成本也在無形中增加。

未來展望

目前垃圾制氫還處于中試階段，垃圾制氫產業化要從氫能應用端來看，保證氫能的消納是垃圾制氫產業化的保障，垃圾制氫成本要高很多，如果不能消納無法參與市場。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業中占比有限，但相對來說綜合價值較高，是一種值得推廣的新技術。