有机固体废物处理与氢能源联合应用技术前瞻

2020-08-11姚军

科技与创新 2020年12期

关键词：合成气制氢废物

姚军

（武汉凯迪电力工程有限公司设计部，湖北武汉 430223）

有机固体废物处理与氢能源联合应用技术前瞻

姚军

（武汉凯迪电力工程有限公司设计部，湖北武汉 430223）

通过分析固体废物处理和氢能源技术应用现状，初步阐述了两者联合应用的可能性，并初步描述了固体废物制氢及氢气后处理工程所包括的重要的工艺系统，指出了两者联合应用的优点和缺陷，同时阐明了下一步调研的方向。

固体废物；氢能源；新能源；发电技术

1 引言

固体废物是人们生活和经济活动中产生的区别于气态、液态废物的统称。随着社会经济的不断发展和公众对于生活环境的日益关注，固体废物的处理日益受到重视。同时，由于空气污染的日益严重和温室效应的逐渐显现，依靠燃烧化石燃料（煤、石油等）来发电的传统发电行业受到了各种新能源发电技术的挑战。这些新能源技术包括风力发电、光伏发电、光热发电、波浪能发电、潮汐能发电、生物质发电等。而氢能源作为一种非常清洁且来源广泛的二次能源，也受到越来越多的关注。

2 固废处理定义及分类

固体废物是指人类在生产建设、日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固态、半固态废弃物质。从广义上讲，根据物质的形态划分，废物包括固态、液态和气态废弃物。固态废物主要来源于人类的生产和消费活动。进入经济体系中的物质，仅有10%～15%以建筑物、工厂、装置、器具等形式积累起来，其余都变成了废物。固体废物分类的方法有多种，按其组成可分为有机废物和无机废物；按其形态可分为固态废物、半固态废物和液态（气态）废物；按其污染特性可分为危险废物和一般废物等。根据《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》可分为城市生活垃圾、工业固体废物和危险废物[1]。

3 固废处理的现状

目前，固体废物的处理方式主要有填埋、焚烧、热解等工艺。填埋技术需要占用大量的土地，对于耕地日益紧缺的中国国情明显不是固体废物处理的最佳选择，而且填埋后处理的要求也很多。对于有机固废，填埋后废物中的有机质会在厌氧条件下发酵，产生的恶臭气体、甲烷等必须得到妥善处理。此外，为了防止固体废物填埋场污染地下水，必须设置渗滤液处理系统。因此固体有机废物的处理越来越倾向于焚烧和热解工艺。

对于焚烧工艺，一般是先对收集到的固体废物进行前期处理，然后送到各种焚烧炉内进行焚烧处理。焚烧设备包括炉排型焚烧炉、炉床型焚烧炉、流化床焚烧炉、回转窑等。为了满足环保排放要求，焚烧炉产生烟气的下游需要配置烟气净化处理设备及烟气热量回收设备。

对于热解工艺，一般是先通过前期处理工艺对收集到的固体废物筛选、破碎等，然后在热解炉内还原性的条件下将固体废物中的有机成分热解。热解产生的合成气体在热解炉下游设置的二燃室内燃烧。为了避免二燃室后部烟道内重新生成二噁英类物质，二燃室下游需要设置急冷塔。

相比于焚烧工艺，热解工艺由于是在还原性气氛中进行热解反应，因此NOx生成量较少，产生的烟气量少。同时，热解产生的合成气体是有价值的化工产品。

4 氢及氢气性质

氢元素是储量非常丰富的元素。在原始太阳系中，氢所占的比例按重量计为75.6%，其次为氦，占23.8%，宇宙几乎是由氢和氦组成的[2]。由于氢气的化学性质较活泼，因此，地球上大部分氢元素均是以化合态存在于地球的地壳和水体中，特别是海洋中储存了大量的以液态水形式的氢元素。

氢气无色、无臭、无味，比空气轻，相对密度为0.07（空气为1），氢气泄漏后会迅速向高处扩散，氢气与空气混合容易形成爆炸性混合物。氢气在空气中的爆炸范围较宽，为4%～75%（体积分数）。氢气极易燃烧，氢气点火能量很低，在空气中的最小点火能为0.019 mJ，在氧气中的最小点火能为0.007 mJ，一般的撞击、摩擦、不同电位之间的放电、各种爆炸材料的引燃、明火、热气流、高温烟气、雷电感应、电磁辐射等都可点燃氢-空气混合物。更重要的是氢气燃烧时的火焰没有颜色，肉眼不易察觉[3]。氢气的上述危险性质对其利用产生了巨大的局限。

5 氢能应用现状

目前，氢气的应用主要集中在利用氢燃料电池发电和交通运输领域。

日本丰田公司已经研发并上市了氢燃料汽车MIRAI，该车采用压缩氢气作为动力。氢气被储存在车内2 个碳纤维高压氢气瓶中，一次充氢可以行驶约500 km，充氢时间约5 min。氢燃料电池是使用氢气和空气中的氧气作为反应物，电池反应产物是纯水，可以直接饮用，该车使用的技术可以做到零排放。

此外，美国的FUELCELLENERGY 公司和日本丰田公司合作建设美国长滩港的可再生能源项目，该项目利用附近的农作物厌氧发酵产生甲烷（CH4），然后生成的甲烷可以在经过重整后生成氢气。氢气被丰田公司用来作为固定线路氢燃料电池车辆的燃料，运行状态下无碳排放，仅仅生成水。多余的氢气会被固定的氢燃料电池用来发电。

氢气是一种非常环保的燃料，目前限制氢能应用的问题主要存在于制氢成本、氢气贮存和分配、氢气使用的安全性等方面。

6 固废处理和氢能源联合应用的可能性

由于固体废物、危险废物中大部分是有机废物，可以通过对收集到的固体废物的分选等预处理操作尽可能提高固体废物中的有机成分；然后通过热解工艺，将有机废物生成合成气（CO 和H2），同时非有机废物在高温下形成炉渣，控制热解炉内温度可以使炉渣形成玻璃态废渣，达到固体废物彻底无害化、有毒物质无浸出的目的。同时，生成的合成气经过净化后，可以利用水煤气转化反应（Water-gas shift reaction）将合成气中的一氧化碳（CO）转化为氢气。利用固体废物热解制氢的工艺流程如图1 所示。

图1 固体废物热解制氢的工艺流程图

图1 中，整个工艺系统可以分为5 个部分，现分述如下：①固体废物预处理系统。该部分主要作用是将收集到的固体废物分选和破碎，并把固体废物制备成粒度适宜于热解的颗粒，提高热解反应的效率。②热解反应炉。热解反应炉是整个系统的核心部分，可以将有机废物在还原性的条件下热解为合成气体（CO 和H2）。③合成气净化系统。由于热解炉内部是还原性工况，固体废物中如果含有硫元素将生成硫化氢（H2S）气体，固体废物中的氯元素将生成盐酸（HCl）气体。为了避免后续设备腐蚀，生成的粗合成气体必须经过净化处理，净化系统可以通过将合成气中的硫化氢（H2S）气体通过氧化生成硫单质而回收硫元素。④水煤气转化反应系统。经过净化的合成气体可以在水煤气转化反应器内进行反应，根据CO+H2O→CO2+H2，在适宜温度和特定催化剂条件下制氢。同时，借助有机胺类物质将生成的二氧化碳（CO2）不断从反应体系中提取出来，可以促使该反应向正向完全反应。洗脱下来的二氧化碳（CO2）将会在有机胺类物质的再生过程中排放到大气中。⑤氢气干燥及净化系统。以上步骤中生成的氢气（H2）中含有水和少量其他气体，仍旧需要配置氢气干燥、净化设备来保证氢气的品质。

上述系统描述中，没有包括热解反应炉需要的空气分离系统、除渣系统等，因反应器需要特定温度，各个换热系统也没有涉及。

采用固体废物制氢的优点是非常明显的，现分述如下：①采用固体废物制氢可以与氢燃料电池汽车联合应用。利用现有的市政垃圾收集、危险废物收集网络等设施，可以方便地将固体废物收集转化为清洁能源。在使用氢气作为燃料的情况下，无温室气体排放，同时利用热解反应消除了固体废物。热解反应生成的合成气是水煤气转化反应的原料，整个工艺流程可以接近烟气零排放，仅仅有少部分废水、废渣需要处理和排放。②目前，制约氢燃料电池汽车应用的一个主要因素是氢气的贮存、运输和分配。由于固体废物特别是市政固体废物的生成负荷和氢气的需求负荷是一致的，因此固体废物制氢与氢燃料电池汽车联合应用可以有效消纳城市固体垃圾，减少对固体废物填埋处理、焚烧处理的依赖。固体废物制氢项目可以在城市周边建设，即消纳城市垃圾又为氢燃料电池汽车提供氢气。③上述系统中各个工艺均可采用成熟的工艺和技术，技术风险较小。在氢燃料电池汽车方面，国内也有许多可以提供成熟产品的厂家可以选择。

但该方案也存在许多不确定的因素：①项目工艺流程复杂，设备较多，投资巨大。该项目除一般固体废物热解气化工艺外，还涉及空气分离、合成气净化、水煤气转换反应、氢气干燥和净化等工艺。由于各个工艺均需要在特定的温度、压力、催化剂等条件下进行，需要很多特殊反应器及换热器，这必将导致工程造价过高。②目前，氢燃料的技术应用存在风险。比如国家不推广使用氢燃料电池汽车，则联合应用的效果会大打折扣。产生的氢气仅可能作为一般的工业原料，或利用大型燃料电池发电，产生的直流电经过逆变换和调制后送入电网使用。③制氢过程中合成气（CO 和H2）全部转变为氢气（H2），同时向大气中排放二氧化碳（CO2）。因此，该种联合应用技术仍然需要向大气中排放二氧化碳。