固体废物高温气化制氢项目经济性分析

赵耀辉 吴世平

摘要：伴随着经济飞速发展，固体废物长期处理不善造成严重的环境污染，制约工业生产和国民经济的可持续发展，对城市固体废物进行高效减量化、资源化和无害化处置，有助于提升资源化利用水平，促进城市绿色发展和循环经济建设，而氢能作为一种资源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一，氢能开发利用技术取得重大突破，为实现零排放的能源利用提供重要解决方案，将氢能产业与固体废物处置技术进行深度耦合可有效缓解城市固体废物处理疑难问题。

关键词：高温气化；固体废物制氢；绿色低碳

DOI：10.12433/zgkjtz.20232748

2022年固体废物产生量约40亿吨，其中固体废物已成为破坏环境的主要原因之一，随着社会不断发展和公众环保意识的增强，妥善处置固体废物已成为绿色健康发展的核心因素。近些年，空气污染、温室效应日益严重，为有效解决环境污染问题，如何获取清洁且来源广泛的能源，受到越来越多的关注；同时为应对能源危机、加快能源转型，国家发展改革委和能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，明确了氢能是未来国家能源体系的组成部分，是构建绿色、低碳产业体系重点发展方向。统筹推进氢能“制储输用”全链条发展，如何将区域固体废物处理与氢气应用场景相结合，构建绿色低碳产业体系，打造新的增长点显得尤为重要。由于来自不同国家和地区的固体废物组成差异较大，构成成本及产生热值不同，本文以机场固体废物为研究对象。

一、固体废物处置技术

（一）焚烧技术

目前，针对固体废物的处理主要有三种方式，即填埋、堆肥和焚烧。但随着固体废物产生量逐年增加，许多地方已出现了无地可埋、无处可堆的局面，目前焚烧工艺是作为一种主流的处理工艺，一般由三个子系统组成，分别为预处理、燃烧、烟气处理与余热利用。在预处理方面，主要表现为对前置处理过程的要求和预干燥技术的应用。焚烧技术烟气处理系统主要包含酸性气体（SO2、HCI、HF）和颗粒物净化两个单元，并通过采用炉内加石灰共燃、烟气中喷入干石灰、喷入石灰乳浊浆等方法净化酸性气体。但由于焚烧温度问题，产生二恶英和呋喃等致癌物质，同时焚烧产生的飞灰和残渣中富含有毒有害重金属物质，容易造成污染，不达标排放问题仍存在。

（二）高温气化技术

高温气化技术是近年发展起来的一种处理新技术，是指采用热解气化及高温熔融方法，在高温状态下将固体废物热解气化分解和熔融，以高温实现垃圾无害化、资源化、减量化处理。由于固体废物中大部分物质为有机废物，通过高温有机物可以热解气化为合成气（CO和H2），无机物经过高温熔融可转化为玻璃体渣，该项技术在处理过程中产生纯净水、盐和锌副产品，与一般焚烧技术不同，采用高温气化技术，几乎能将有机物完全转化成合成气，而无机物则可变成无害且性质稳定的玻璃体渣，可实现处理过程的“零排放”，契合“无废城市”“零填埋”理念，具有显著环保优势。

（三）两种技术在制氢效率差异

对于机场热值较高的固体废物，若采用焚烧工艺处置，存在明显资源化不足、工艺路线不合理的问题。按热值3000kcal/kg计算，固体废物作为原料通过高温气化技术每吨固体废物将产生562Nm3（约50kg）氢气；以垃圾作为燃料通过焚烧发电产生480度电，换算为同等规模的氢气约100Nm3（约9kg），且高温气化技术利用热解反应产生合成气，整个处理过程接近烟气零排放，具有效率高、能耗低、安全且无二次污染的特点。

二、高温气化技术路线

（一）原料特性

机场是相对独立的行政管辖区域，机场固体废物主要来源是客运大楼及往来飞机垃圾，一般经集中预处理后再外运填埋，垃圾来源稳定，其中，厨余垃圾占比约23%，纸张占比约25%，不可回收物占比约42%，金属、塑料、木材、玻璃等占比约10%。上述有机固体废物中所含的碳、氢比例偏高可达80%以上，故具有较高的制造富氢气体的潜能。

（二）技术流程

高温气化技术是一种两步法熔融热解气化技术，将固体废物中的有机成分热解气化和无机成分熔融进行结合，完全燃烧转化可燃成分的同时，熔融气化后的无机灰渣，并回收灰渣中的有价金属、熔融渣等有用物质的一种固体废物综合处理技术。

固体废物经抓斗起重机上料进入固体废物压缩进料机中，通过高压、液压将散料压缩成密实的包块状块料，并通过液压缸将压缩块料推入脱气通道中。在脱气通道中，压缩后的固体废物块料在近乎无氧的环境下被连续间接加热，从而发生无氧热解反应，有机成分脱气挥发，经过反应处理后，被完全碳化并进入热解气化炉高温反应堆。由于脱气产生的碳和含碳化合物在水蒸气丰富、1600℃～2000℃温度的环境中，与氧气发生部分氧化反应而转化生成以CO和H2为主的合成气。合成气在高温状态下，能有效将生成的二恶英和呋喃等大分子有机物分解破坏，此后合成气离开热解气化炉，进行喷水和水浴激冷，将合成气温度迅速降低到100℃以下，在这个过程中，有效避开了二恶英的生成区间，同时合成还原性气体，能遏制和减缓二恶英的生成，从而保证激冷后合成气中几乎不含二恶英和呋喃。激冷后的合成气进一步进入洗涤塔，充分洗涤除去合成气中携带的粉尘和卤化物。经洗涤除尘后的合成气用引风机送至下游净化工序，进一步净化处理后用于发电或生产化工产品。

（三）应用现状

高温气化技术将生活、商业、工业和其他特殊垃圾通过无间断的循环过程，高温热解气化有机成分并直接熔化无机成分，从而获得合成气体、可用玻璃状矿物质、富含铁的金属。20世纪80年代初，国外开始对热解技术研究，主要针对二恶英处理。20世纪90年代该项技术已在德国、日本、意大利等国家逐步应用。目前，该技术在世界范围内共有1个实验工厂和8个运行工厂，还有多个项目处于前期研究阶段。

（四）制约因素

高温气化技术有机结合了发展氢能与固体废物资源化利用。现阶段，氢能大规模商业化还存在诸多困难。如氢气安全储存和运输方面，效率、安全性和成本经济性之间的平衡关系尚未解决。我国氢能利用基础设施明显不足，输送氢气管道建设规模还有很大差距。另外，长距离运输方案也受限于城市已有地下管线敷设现状，安全输送也需经过严谨的论证。目前，用现有天然气管道长距离输送氢气，管道中氢气比例已逐步达到24%，即每输送100m3掺氢天然气，其中就包括24m3的氢气，有效降低了氢气远距运输成本。

三、项目实施关键点

（一）氢气储运与加注

目前，氢气主要通过高压罐车运氢、低温液化运氢、有机液体运氢、管道运氢等多种方式，总体氢气储存及运输成本高、风险大且服务半径有限。机场垃圾制氢项目主要适用于机场内部巴士、牵引车、调度车及附近车辆等，运营环境相对封闭，且氢源、加氢点、氢能车辆驻停站均在同一区域，同时考虑到现有氢气应用场景等因素，在实际应用中无大规模氢气存储及运输需求，因此基于项目经济性考虑，采用管道输送方式在相对封闭的环境内短距离转运氢气，氢气的加注通过设立高压氢气加注站，缓存上游气化装置产出氢气，用于机场氢能动力车辆供氢。

（二）应用场景

垃圾制氢装置建成后每天产生稳定量的氢气，氢气去化是实现项目经济闭环的重要途径，政府和社会资本方要积极开拓氢气的应用场景。以机场氢能源大巴为例，5kg的氢气可使氢能源大巴行使100km，500吨/天垃圾可产生氢气25 000kg氢气，可供1 500辆大巴行使300km，目前氢能大巴的市场销售价格为150～200万/台，通过配置同等规模的机场大巴、牵引车等或对于固体废物垃圾气化项目给予政策补贴，为保证垃圾制氢产生氢气的应用场景。

四、经济性分析

（一）收入构成

1.氢气销售收入是项目主要回款来源

目前垃圾制氢的成本价格较高，且氢能源汽车的应用场景尚未完全建立，地方政府或合作方应根据氢能产量配置同等规模的氢能源大巴是项目成功实施的关键。

2.垃圾处理收入

垃圾经分类管理后大量剩余垃圾直接填埋处置，收入主要包括填埋处置成本和垃圾运费等。同时也要考虑通过高温气化技术节约垃圾填埋场占地的机会成本。

3.与项目相关的政府补助

（1）生产建设补贴。项目属于绿色低碳环保的新能源项目，地方政府为项目前期建设提供补贴。

（2）固定资产补贴。目前，我国氢能巴士应用场景较少，其售单价高于柴油及电动巴士，为鼓励氢能巴士的前期布局，地方政府对采购单位给予一定额度的购车补贴。

（3）生产运营补贴。当氢气未完全去化时，地方政府按成本价向项运营主体支付运营成本。

（4）对于项目生产所需要的水、电、燃气等市场采购价格给予一定的政策优惠。

（二）成本构成

1.直接成本

通过垃圾制氢的成本价格较高，主要通过外购燃料和动力成本维持反应炉高温状态，同时对垃圾挤压产生的渗滤液经过净化处置。高温制氢成本主要包括装置的建设安装成本、生产运营成本，建设安装成本主要包括装置采购、设计安装等成本，生产运营成本主要包括原料及辅材、外购燃料、外购动力、人工和装置折旧等成本。同时随着固体废物规模的扩大，制氢的规模经济效应明显，能有效降低制氢单公斤成本。

2.机会成本

垃圾气化将降低填埋场占用土地的机会成本，目前各地方政府垃圾填埋场主要集中在城市周边地区，随着城市化进程的加快，部分垃圾填埋厂周边土地逐渐升值或用于商业开发，通过垃圾气化技术为城市发展节约土地资源，节省占用土地的成本。

3.不同工艺的制氢成本

目前，市场上氢气的应用成本主要包含制造成本、运输成本、加注成本。在氢气制造成本方面，煤制氢成本约0.5～1.0元/Nm3，天然气制氢成本约1.5～2元/Nm3，工业副产氢成本约1～2元/Nm3，电解水制氢成本约3.5～5元/Nm3，而在氢气上车价格中，氢气运输成本和加注成本占比很高。以北京冬奥会为例，燕山石化制氢成本约25元/kg（2.3元/Nm3），氢气上车价格为85元/kg（7.6元/Nm3）。另外，吉林电力氢能示范装置上车氢气价格为125元/kg（11.2元/Nm3）。

五、结论和建议

以固体废物为原料制氢对于垃圾的无害化、资源化、减量化处理和氢能的清洁化发展具有重要意义，本文通过高温气化制氢技术路线、项目实施关键点及经济性进行分析，得出以下结论。

固体废物制氢与传统的焦炉气提氢、天然气提氢等相比具有良好的社会效益和环保效益，但产业化推广在技术完备基础上要有良好的经济效益，需要通过工艺优化降低生产成本，发挥好规模效应以降低成本；同时要加大氢能源汽车的应用场景布局，在初期需要地方政府给予相关的政策支持与补贴。

固体废物高温气化制氢项目应优先布局土地资源紧缺的城市地区，在经济性评价时除要考虑项目建设成本、运营成本外，还需考虑通过固体废物高温制氢项目节约土地资源的机会成本。该项目布局初期应考虑氢气储运对项目经济性的影响，优先考虑城市机场、公交场站、城市出租车等相对独立运营区域，通过短距离管道运输方式实现氢气运输，避免长距离输送，降低运输成本。

关于项目合作模式。固体废物高温气化制氢项目实施有三种合作模式：由社会资本方负责项目的投资、建设及运营等工作，地方政府匹配固体废物来源，并确保产生的氢气全部用以销售；地方政府与社会资本方共同组建合资公司参与本项目投资建设运营等工作，双方根据合资公司运营情况参与分红；地方政府作为项目投资方，社会资本方作为EPC（Engineering Procurement Construction）实施项目，由地方政府委托社会资本方或三方机构负责项目运营管理等工作。

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作者简介：赵耀辉（1990），男，河南省周口市人，硕士，中级经济师，研究方向为投资项目审核。

吴世平（1990），女，湖北省宜昌市人，硕士，中级经济师，研究方向为企业内部审计。