近期,垃圾制氫一詞出現(xiàn)的頻次漸漸高了起來,國內(nèi)外熱度趨勢漸漲。其實(shí),垃圾制氫在我國并非首次出現(xiàn)。
2019年,我國首個(gè)垃圾轉(zhuǎn)化制氫項(xiàng)目就在武漢落地了,收集垃圾焚燒過程產(chǎn)生的氫氣并制成氫油。
2021年9月,東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司傳出消息,與重慶市潼南區(qū)人民政府簽訂垃圾發(fā)電耦合制氫及氫能示范項(xiàng)目合作意向書,這將是國內(nèi)首個(gè)商業(yè)化垃圾制氫示范項(xiàng)目。
近日,全球首個(gè)“垃圾制氫+碳資源化”綠氫綠炭工廠建成,落地襄陽,該項(xiàng)目是全球首個(gè)采用“城市垃圾資源化制沼氣-沼氣資源化制氫固碳-加氫站”工藝建設(shè)的綠氫綠炭工廠示范項(xiàng)目。
那么,垃圾如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能制氫呢?
垃圾制氫簡述
垃圾發(fā)電耦合制氫,是在處理垃圾的過程中,直接對其進(jìn)行熱解氣化,獲得氫氣。當(dāng)前,我國原生生活垃圾的平均含水量為50%-60%,不僅增加了企業(yè)煙氣治理的成本,還降低了發(fā)電量。垃圾氣化制氫過程中,原生垃圾的含水量不影響物料氣化,反而能夠幫助提高合成氣中有效氣的含量。
目前,垃圾處理方式主要是填埋或者焚燒發(fā)電,我國城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒最主要的技術(shù)是爐排爐和循環(huán)流化床爐焚燒,這類設(shè)備具有投資大、運(yùn)行成本高的特點(diǎn),多用于規(guī)模較大的城鎮(zhèn)生活垃圾處理。
垃圾制氫經(jīng)濟(jì)效益
在歐洲,垃圾處理公司,每處理一噸廢物能賺取15-20歐元。如果從焚燒轉(zhuǎn)向這套垃圾制氫工藝,將帶來每噸20歐元至200歐元的利潤。
美國加州的Ways2H公司,成立于2019年,正在研發(fā)的氫氣生產(chǎn)系統(tǒng),使用的原料垃圾品種很多,木屑、城市垃圾、污水、污泥、醫(yī)療垃圾、飛機(jī)運(yùn)營和乘客產(chǎn)生的垃圾,在公司的車間里都能變成氫氣,1噸的垃圾可生產(chǎn)出40——50公斤的氫氣。
業(yè)界普遍認(rèn)為,垃圾熱解氣化制氫的成本有望降到20元/千克以下,即與天然氣制氫技術(shù)成本相當(dāng),更有附加價(jià)值——每噸氫氣將減少20到30噸CO2排放量,可見潛力可期。
具體地,來算筆賬。垃圾制氫的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)包括制氫成本、設(shè)備折舊、稅金、人工以及各項(xiàng)稅費(fèi)、合理利潤,目前每千克氫氣生產(chǎn)成本在合理的原材料價(jià)格和電價(jià)的前提下,煤制氫約10元/千克,天然氣、石腦油、重油、甲醇制氫約17元/千克,工業(yè)副產(chǎn)氫回收提純約21元/千克,電解水制氫約30元/千克。
在不計(jì)算垃圾處理補(bǔ)貼的情況下,采用熱解氣化制氫技術(shù),合成氣凈化、制備高純氫工段氫氣的成本為14.94元/千克,氣化工段純氫制造成本為13.8元/千克。因此,生活垃圾制備高純氫氣的總生產(chǎn)成本約28.74元/千克。在計(jì)算垃圾處理補(bǔ)貼的情況下,垃圾制氫的成本還會進(jìn)一步下降。形成規(guī)模效應(yīng)后,垃圾熱解氣化制氫的成本有望降到20元/千克以下,與天然氣制氫技術(shù)成本相當(dāng)。由此可見,生活垃圾熱解氣化制氫技術(shù)很有應(yīng)用潛力。
另外,相較化石能源制氫,生活垃圾制氫的原料來源更廣、碳排放更低,環(huán)保效益顯著。資料顯示,利用垃圾熱解氣化制氫,每噸氫氣減少的二氧化碳排放量約23——31噸。
垃圾制氫,如何進(jìn)行?
1、等離子體輔助氣化
盧森堡科技公司Boson Energy開發(fā)了一種等離子體輔助氣化過程,該過程利用極高的溫度將廢物分解成氫、二氧化碳和熔化的泥漿,這些泥漿會凝固成藍(lán)色/灰色的玻璃狀巖石。
粗略粉碎的廢物進(jìn)入一個(gè)垂直的反應(yīng)器,由能夠產(chǎn)生高達(dá)7000°C溫度的電動等離子火炬從底部加熱。因?yàn)榉磻?yīng)堆頂部的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于底部,因此廢物在流向底部的過程中會經(jīng)過不斷增加的熱區(qū),每個(gè)溫度區(qū)都發(fā)揮著自己的重要功能。在最上面的區(qū)域,廢物被干燥和加熱。然后,它向下移動到更熱的區(qū)域,在那里發(fā)生熱解(在沒有氧氣的情況下通過加熱分解)。生物可降解物質(zhì)變成熱解氣體,是氫、一氧化碳和輕烴(主要是甲烷)的混合物。在下一個(gè)區(qū)域,剩余的物質(zhì)——碳和無機(jī)材料,被蒸汽氣化,所有這些步驟中釋放的氣體結(jié)合成一種氫和一氧化碳的混合物。
然后,離開反應(yīng)器的氣體經(jīng)過蒸汽重整和水煤氣變換過程,將剩余的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫁D(zhuǎn)化為額外的氫氣和二氧化碳。最后一步是將合成氣分離成氫氣和二氧化碳。留下的是少量的剩余氣體,由氮、一些二氧化碳和一小部分碳?xì)浠衔锝M成,用作生產(chǎn)蒸汽的能源。剩下的物質(zhì)主要是無機(jī)灰和礦渣,落入底部的玻璃化室,在那里它被等離子火炬加熱到1500-2000°C進(jìn)入熔融狀態(tài)。這種類似熔巖的液體被提取出來,冷卻成一種惰性的玻璃狀物質(zhì),Boson給它取了一個(gè)名字“IMBY巖石”。
圖 垃圾制氫獲得的玻璃狀巖石
該工藝獲得的氫氣、“綠色二氧化碳”和玻璃巖均可以被出售以賺取利潤。該工藝每噸廢棄物將產(chǎn)生大約100公斤的負(fù)碳?xì)錃猓⑶颐繃嵥璧目稍偕娏χ皇撬娊猱a(chǎn)生綠氫的六分之一。惰性玻璃巖可用作水泥、混凝土和道路建設(shè)的工業(yè)集料。
2、沼氣制氫
城康氫碳新材料科技有限公司將在湖北省襄陽市建成全球首個(gè)“垃圾制氫+碳資源化”綠氫綠炭工廠,這是全球首個(gè)采用“城市垃圾資源化制沼氣——沼氣資源化制氫固碳——加氫站”工藝建設(shè)的綠氫綠炭工廠示范項(xiàng)目,該項(xiàng)目成功將污泥與餐廚合并處置、制沼氣、沼氣制氫,制氫過程同步固碳生產(chǎn)炭黑、石墨、石墨烯。
圖 沼氣主要成分
沼氣的主要成分如圖所示,沼氣經(jīng)過凈化提純后可以得到甲烷濃度為95%以上的生物甲烷,能夠替代常規(guī)天然氣用作民用燃料或工業(yè)用途。沼氣制氫工藝包括水蒸氣重整法制氫、干重整法制氫、部分氧化重整法制氫、自熱重整法制氫、催化裂解法制氫和化學(xué)鏈重整制氫等。各種工藝簡單對比如下圖所示。
圖 沼氣制氫工藝對比。資料來源北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)
國內(nèi)外均認(rèn)為蒸汽轉(zhuǎn)化法制氫是以甲烷為原料生產(chǎn)工業(yè)氫為最佳方案,目前,通過甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法制取的氫氣約占?xì)錃饪偖a(chǎn)量的一半,可通過吸附強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)二氧化碳原位脫除,提高制氫產(chǎn)率。沼氣提純后制取的生物甲烷可用做蒸汽轉(zhuǎn)化的原料,將兩種工藝結(jié)合可實(shí)現(xiàn)從沼氣轉(zhuǎn)化為氫氣的過程,同時(shí),將沼氣先提純再蒸汽轉(zhuǎn)化的技術(shù)工藝流程較長,將沼氣直接蒸汽轉(zhuǎn)化制氫可以縮短工藝流程,從而降低投資與運(yùn)行成本。
工藝一 沼氣提純與生物甲烷制氫
(1)沼氣提純制生物甲烷
沼氣提純制取生物甲烷主要方法有變壓吸附法、膜分離法、水洗法等路線,其中膜分離法以提純成本低、甲烷回收率高、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)勢占據(jù)重要地位,以液化空氣集團(tuán)先進(jìn)事業(yè)技術(shù)部的沼氣膜提純技術(shù)為例,該技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展成熟可靠,兩級膜分離系統(tǒng)甲烷回收率約96%——98%,三級膜分離系統(tǒng)甲烷回收率約99%,四級膜分離系統(tǒng)的甲烷回收率能夠達(dá)到99.5%以上,產(chǎn)品甲烷濃度可以在95%——99%左右,根據(jù)需要控制。
膜分離法的基本原理為沼氣經(jīng)脫硫、脫水、增壓、凈化后,在合適的溫度與壓力條件下,利用沼氣分離膜的選擇性滲透作用將甲烷和二氧化碳分離。具體工藝如圖所示。
圖 提純制生物甲烷
(2)甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制氫
甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化+PSA提純制氫技術(shù)成熟,工業(yè)中有大量應(yīng)用。基本原理為天然氣經(jīng)過增壓、加氫脫硫、蒸汽重整、一氧化碳變換、PSA等步驟,讓甲烷與水蒸汽在催化劑與高溫環(huán)境下反應(yīng)生成氫氣并提純,得到純度為99.9%以上的氫氣。主要工藝過程如下所示。
圖 甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制氫
(3)沼氣提純與甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化聯(lián)用
沼氣膜分離法制取的生物甲烷中,主要組分及含量為如圖所示,與常規(guī)天然氣相比,甲烷含量基本一致,滿足作為SMR制氫原料的條件。在兩級膜分離工藝中,由于相對較低的甲烷回收率,提純尾氣中的甲烷濃度約為4%——8%,該尾氣仍然具有一定的熱值,可以與PSA尾氣混合后作為天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化爐加熱燃料,原料沼氣中的甲烷基本可以全部利用。
圖 生物甲烷主要組分
在三級、四級膜提純工藝中,甲烷的回收率較高,提純尾氣中的甲烷濃度約為1%——2%,該部分尾氣熱值較低,如果與PSA尾氣混合做燃料,該部分甲烷燃燒產(chǎn)生的熱量可能低于增加的廢氣帶走的熱量,一般直接排放,難以有效利用。且相較于兩級膜分離,三級、四級膜分離需要配置的沼氣膜數(shù)量幾乎翻倍,提高了其投資成本,同時(shí)由于沼氣膜數(shù)量增加后循環(huán)氣量更大,增加了電耗,同樣將提高其運(yùn)行成本。
工藝二:沼氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫
將沼氣先提純再蒸汽轉(zhuǎn)化的技術(shù)工藝流程較長,將沼氣直接蒸汽轉(zhuǎn)化制氫可以縮短工藝流程,從而降低投資與運(yùn)行成本,沼氣蒸汽重整工藝流程如下所示:
3、其他制氫方式
不同國家選擇的制氫工藝有所不同,除了上述兩種,還有其他垃圾制氫方式。
在英國,PowerhouseEnergy開發(fā)了一種名為“分布式模塊化發(fā)電”(DMG)的技術(shù),該技術(shù)將塑料、報(bào)廢輪胎和其他通常不可回收的廢物轉(zhuǎn)化為合成氣,可用于制造氫、電力和化學(xué)物質(zhì)。每回收40噸垃圾(相當(dāng)于裝滿兩輛垃圾車),就會產(chǎn)生2噸燃料電池級氫氣,81MWh的電力可并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)或提供私人用電,也可用于社區(qū)供熱或區(qū)域供熱和制冷。垃圾中分解出來的合成氣被用來為這個(gè)過程提供動力,使其成為一個(gè)自我維持的系統(tǒng)。
2021年,日本計(jì)劃在東京灣附近興建一座垃圾制氫工廠,每天可處理1噸干污泥,生產(chǎn)40——50千克氫氣,足以為10輛乘用車提供燃料。目前,該工廠建設(shè)部分已經(jīng)完工。據(jù)悉,除廢水、污泥外,該工廠還可處理塑料、紙張、城市固體垃圾和其他垃圾,將垃圾加熱至高溫,使其轉(zhuǎn)化為氣體,然后從中提取純氫。該設(shè)施通過閉環(huán)過程生產(chǎn)燃料。其工藝特點(diǎn)為以氧化鋁球?yàn)榧訜彷d體,在熱解爐中將氧化鋁球加熱至高溫并使其與垃圾接觸,從而產(chǎn)生富含氫氣的氣體。
澳大利亞籌備的第一座垃圾制氫工廠將通過移動噴射水平氣化技術(shù),專注于生產(chǎn)供家庭使用的氫。該技術(shù)可以減少氫的存儲和運(yùn)輸成本,破除阻礙氫成為零排放能源載體的主要障礙。
美國生物科技集團(tuán)計(jì)劃的一家垃圾制氫工廠,位于洛杉磯北部城市蘭開斯特。該廠可把廢棄塑膠、紙張、輪胎與紡織品轉(zhuǎn)化成氫氣,預(yù)計(jì)在明年底投運(yùn)、2023年全面生產(chǎn)。該廠采用的技術(shù)是在高溫電漿炬中注入富氧氣體,讓廢棄物在氣化反應(yīng)區(qū)域的催化室被分解成分子化合物,逐漸冷卻后生成富含氫氣的合成氣。集團(tuán)預(yù)計(jì),該廠每天可以制造11000千克綠氫,是現(xiàn)有綠色制氫廠的3倍以上,每生產(chǎn)1噸氫氣可減少23至31噸碳排放,其成本已經(jīng)可與天然氣制氫媲美。據(jù)悉,該制氫廠還將幫助蘭開斯特每年省下210萬至320萬美元垃圾處理費(fèi)用。
2021年9月,東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司與重慶市潼南區(qū)人民政府簽訂了垃圾發(fā)電耦合制氫及氫能示范項(xiàng)目合作意向書,將環(huán)保和氫能結(jié)合到一起,建成后有望成為中國首個(gè)商業(yè)化垃圾制氫示范項(xiàng)目。
投資機(jī)構(gòu)預(yù)測,目前全球氫能市場總價(jià)值約1200億美元,到了2050年這一數(shù)字有望超過10000億,制氫作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié),正迎來發(fā)展的新機(jī)遇,垃圾制氫作為當(dāng)下新晉的節(jié)能減碳的方式,未來還有待檢驗(yàn)。
參考資料
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