垃圾制氫技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

　　氫能全產(chǎn)業(yè)鏈包括“制—儲(chǔ)—運(yùn)—輸—用”五大環(huán)節(jié)，其中制氫是第一個(gè)重要環(huán)節(jié)。碳排放量較低的制氫方式有技術(shù)相對(duì)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(xué)分解水制氫等試驗(yàn)性方法。

　　近年來，垃圾制氫以其成本優(yōu)勢獲得了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)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(xiàng)目的氫氣成本36.4元/千克要低。形成規(guī)模效應(yīng)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(dāng)。

　　垃圾制氫項(xiàng)目的收入方面，除了氫氣銷售收入，還包括垃圾處理費(fèi)、殘?jiān)N售收入，以及可能的碳交易收入，能有效分?jǐn)傊茪涑杀?、降低氫氣價(jià)格。此外，垃圾制氫技術(shù)還具有重要現(xiàn)實(shí)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)生二噁英等有毒有害物質(zhì)，處理后的氣體和殘?jiān)衫谩?/p>

　　緩解局部資源短缺導(dǎo)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(gè)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(xué)和生物化學(xué)兩大類。

　　1、熱化學(xué)技術(shù)

　　熱化學(xué)技術(shù)顧名思義是基于熱化學(xué)過程的垃圾制氫技術(shù)，原理是有機(jī)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(jī)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(yīng)，反應(yīng)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(xué)技術(shù)

　　基于生物化學(xué)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(jī)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(jī)物產(chǎn)生氫氣，其他產(chǎn)物通常為有機(jī)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(yīng)時(shí)間、溫度、pH值、氫氣分壓等。由于微生物發(fā)酵施加的熱力學(xué)限制，較高的底物濃度將導(dǎo)致較低的氫氣產(chǎn)量。此外，過高的氫氣分壓對(duì)產(chǎn)率也有負(fù)面影響，及時(shí)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(xì)菌分解垃圾中的有機(jī)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(yīng)條件共同對(duì)氫氣產(chǎn)率施加影響。最佳的反應(yīng)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(xué)制氫的能源消耗強(qiáng)度遠(yuǎn)低于熱化學(xué)過程，但氫氣產(chǎn)率和反應(yīng)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(yīng)采用餐廚垃圾和污水污泥共同發(fā)酵的方式進(jìn)行，有機(jī)負(fù)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。