固體廢物高溫氣化制氫項目經(jīng)濟性分析

趙耀輝 吳世平

摘要：伴隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展，固體廢物長期處理不善造成嚴重的環(huán)境污染，制約工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，對城市固體廢物進行高效減量化、資源化和無害化處置，有助于提升資源化利用水平，促進城市綠色發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟建設(shè)，而氫能作為一種資源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一，氫能開發(fā)利用技術(shù)取得重大突破，為實現(xiàn)零排放的能源利用提供重要解決方案，將氫能產(chǎn)業(yè)與固體廢物處置技術(shù)進行深度耦合可有效緩解城市固體廢物處理疑難問題。

關(guān)鍵詞：高溫氣化；固體廢物制氫；綠色低碳

DOI：10.12433/zgkjtz.20232748

2022年固體廢物產(chǎn)生量約40億噸，其中固體廢物已成為破壞環(huán)境的主要原因之一，隨著社會不斷發(fā)展和公眾環(huán)保意識的增強，妥善處置固體廢物已成為綠色健康發(fā)展的核心因素。近些年，空氣污染、溫室效應(yīng)日益嚴重，為有效解決環(huán)境污染問題，如何獲取清潔且來源廣泛的能源，受到越來越多的關(guān)注；同時為應(yīng)對能源危機、加快能源轉(zhuǎn)型，國家發(fā)展改革委和能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，明確了氫能是未來國家能源體系的組成部分，是構(gòu)建綠色、低碳產(chǎn)業(yè)體系重點發(fā)展方向。統(tǒng)籌推進氫能“制儲輸用”全鏈條發(fā)展，如何將區(qū)域固體廢物處理與氫氣應(yīng)用場景相結(jié)合，構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系，打造新的增長點顯得尤為重要。由于來自不同國家和地區(qū)的固體廢物組成差異較大，構(gòu)成成本及產(chǎn)生熱值不同，本文以機場固體廢物為研究對象。

一、固體廢物處置技術(shù)

（一）焚燒技術(shù)

目前，針對固體廢物的處理主要有三種方式，即填埋、堆肥和焚燒。但隨著固體廢物產(chǎn)生量逐年增加，許多地方已出現(xiàn)了無地可埋、無處可堆的局面，目前焚燒工藝是作為一種主流的處理工藝，一般由三個子系統(tǒng)組成，分別為預(yù)處理、燃燒、煙氣處理與余熱利用。在預(yù)處理方面，主要表現(xiàn)為對前置處理過程的要求和預(yù)干燥技術(shù)的應(yīng)用。焚燒技術(shù)煙氣處理系統(tǒng)主要包含酸性氣體（SO2、HCI、HF）和顆粒物凈化兩個單元，并通過采用爐內(nèi)加石灰共燃、煙氣中噴入干石灰、噴入石灰乳濁漿等方法凈化酸性氣體。但由于焚燒溫度問題，產(chǎn)生二惡英和呋喃等致癌物質(zhì)，同時焚燒產(chǎn)生的飛灰和殘渣中富含有毒有害重金屬物質(zhì)，容易造成污染，不達標排放問題仍存在。

（二）高溫氣化技術(shù)

高溫氣化技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種處理新技術(shù)，是指采用熱解氣化及高溫熔融方法，在高溫狀態(tài)下將固體廢物熱解氣化分解和熔融，以高溫實現(xiàn)垃圾無害化、資源化、減量化處理。由于固體廢物中大部分物質(zhì)為有機廢物，通過高溫有機物可以熱解氣化為合成氣（CO和H2），無機物經(jīng)過高溫熔融可轉(zhuǎn)化為玻璃體渣，該項技術(shù)在處理過程中產(chǎn)生純凈水、鹽和鋅副產(chǎn)品，與一般焚燒技術(shù)不同，采用高溫氣化技術(shù)，幾乎能將有機物完全轉(zhuǎn)化成合成氣，而無機物則可變成無害且性質(zhì)穩(wěn)定的玻璃體渣，可實現(xiàn)處理過程的“零排放”，契合“無廢城市”“零填埋”理念，具有顯著環(huán)保優(yōu)勢。

（三）兩種技術(shù)在制氫效率差異

對于機場熱值較高的固體廢物，若采用焚燒工藝處置，存在明顯資源化不足、工藝路線不合理的問題。按熱值3000kcal/kg計算，固體廢物作為原料通過高溫氣化技術(shù)每噸固體廢物將產(chǎn)生562Nm3（約50kg）氫氣；以垃圾作為燃料通過焚燒發(fā)電產(chǎn)生480度電，換算為同等規(guī)模的氫氣約100Nm3（約9kg），且高溫氣化技術(shù)利用熱解反應(yīng)產(chǎn)生合成氣，整個處理過程接近煙氣零排放，具有效率高、能耗低、安全且無二次污染的特點。

二、高溫氣化技術(shù)路線

（一）原料特性

機場是相對獨立的行政管轄區(qū)域，機場固體廢物主要來源是客運大樓及往來飛機垃圾，一般經(jīng)集中預(yù)處理后再外運填埋，垃圾來源穩(wěn)定，其中，廚余垃圾占比約23%，紙張占比約25%，不可回收物占比約42%，金屬、塑料、木材、玻璃等占比約10%。上述有機固體廢物中所含的碳、氫比例偏高可達80%以上，故具有較高的制造富氫氣體的潛能。

（二）技術(shù)流程

高溫氣化技術(shù)是一種兩步法熔融熱解氣化技術(shù)，將固體廢物中的有機成分熱解氣化和無機成分熔融進行結(jié)合，完全燃燒轉(zhuǎn)化可燃成分的同時，熔融氣化后的無機灰渣，并回收灰渣中的有價金屬、熔融渣等有用物質(zhì)的一種固體廢物綜合處理技術(shù)。

固體廢物經(jīng)抓斗起重機上料進入固體廢物壓縮進料機中，通過高壓、液壓將散料壓縮成密實的包塊狀塊料，并通過液壓缸將壓縮塊料推入脫氣通道中。在脫氣通道中，壓縮后的固體廢物塊料在近乎無氧的環(huán)境下被連續(xù)間接加熱，從而發(fā)生無氧熱解反應(yīng)，有機成分脫氣揮發(fā)，經(jīng)過反應(yīng)處理后，被完全碳化并進入熱解氣化爐高溫反應(yīng)堆。由于脫氣產(chǎn)生的碳和含碳化合物在水蒸氣豐富、1600℃～2000℃溫度的環(huán)境中，與氧氣發(fā)生部分氧化反應(yīng)而轉(zhuǎn)化生成以CO和H2為主的合成氣。合成氣在高溫狀態(tài)下，能有效將生成的二惡英和呋喃等大分子有機物分解破壞，此后合成氣離開熱解氣化爐，進行噴水和水浴激冷，將合成氣溫度迅速降低到100℃以下，在這個過程中，有效避開了二惡英的生成區(qū)間，同時合成還原性氣體，能遏制和減緩二惡英的生成，從而保證激冷后合成氣中幾乎不含二惡英和呋喃。激冷后的合成氣進一步進入洗滌塔，充分洗滌除去合成氣中攜帶的粉塵和鹵化物。經(jīng)洗滌除塵后的合成氣用引風機送至下游凈化工序，進一步凈化處理后用于發(fā)電或生產(chǎn)化工產(chǎn)品。

（三）應(yīng)用現(xiàn)狀

高溫氣化技術(shù)將生活、商業(yè)、工業(yè)和其他特殊垃圾通過無間斷的循環(huán)過程，高溫熱解氣化有機成分并直接熔化無機成分，從而獲得合成氣體、可用玻璃狀礦物質(zhì)、富含鐵的金屬。20世紀80年代初，國外開始對熱解技術(shù)研究，主要針對二惡英處理。20世紀90年代該項技術(shù)已在德國、日本、意大利等國家逐步應(yīng)用。目前，該技術(shù)在世界范圍內(nèi)共有1個實驗工廠和8個運行工廠，還有多個項目處于前期研究階段。

（四）制約因素

高溫氣化技術(shù)有機結(jié)合了發(fā)展氫能與固體廢物資源化利用?，F(xiàn)階段，氫能大規(guī)模商業(yè)化還存在諸多困難。如氫氣安全儲存和運輸方面，效率、安全性和成本經(jīng)濟性之間的平衡關(guān)系尚未解決。我國氫能利用基礎(chǔ)設(shè)施明顯不足，輸送氫氣管道建設(shè)規(guī)模還有很大差距。另外，長距離運輸方案也受限于城市已有地下管線敷設(shè)現(xiàn)狀，安全輸送也需經(jīng)過嚴謹?shù)恼撟C。目前，用現(xiàn)有天然氣管道長距離輸送氫氣，管道中氫氣比例已逐步達到24%，即每輸送100m3摻氫天然氣，其中就包括24m3的氫氣，有效降低了氫氣遠距運輸成本。

三、項目實施關(guān)鍵點

（一）氫氣儲運與加注

目前，氫氣主要通過高壓罐車運氫、低溫液化運氫、有機液體運氫、管道運氫等多種方式，總體氫氣儲存及運輸成本高、風險大且服務(wù)半徑有限。機場垃圾制氫項目主要適用于機場內(nèi)部巴士、牽引車、調(diào)度車及附近車輛等，運營環(huán)境相對封閉，且氫源、加氫點、氫能車輛駐停站均在同一區(qū)域，同時考慮到現(xiàn)有氫氣應(yīng)用場景等因素，在實際應(yīng)用中無大規(guī)模氫氣存儲及運輸需求，因此基于項目經(jīng)濟性考慮，采用管道輸送方式在相對封閉的環(huán)境內(nèi)短距離轉(zhuǎn)運氫氣，氫氣的加注通過設(shè)立高壓氫氣加注站，緩存上游氣化裝置產(chǎn)出氫氣，用于機場氫能動力車輛供氫。

（二）應(yīng)用場景

垃圾制氫裝置建成后每天產(chǎn)生穩(wěn)定量的氫氣，氫氣去化是實現(xiàn)項目經(jīng)濟閉環(huán)的重要途徑，政府和社會資本方要積極開拓氫氣的應(yīng)用場景。以機場氫能源大巴為例，5kg的氫氣可使氫能源大巴行使100km，500噸/天垃圾可產(chǎn)生氫氣25 000kg氫氣，可供1 500輛大巴行使300km，目前氫能大巴的市場銷售價格為150～200萬/臺，通過配置同等規(guī)模的機場大巴、牽引車等或?qū)τ诠腆w廢物垃圾氣化項目給予政策補貼，為保證垃圾制氫產(chǎn)生氫氣的應(yīng)用場景。

四、經(jīng)濟性分析

（一）收入構(gòu)成

1.氫氣銷售收入是項目主要回款來源

目前垃圾制氫的成本價格較高，且氫能源汽車的應(yīng)用場景尚未完全建立，地方政府或合作方應(yīng)根據(jù)氫能產(chǎn)量配置同等規(guī)模的氫能源大巴是項目成功實施的關(guān)鍵。

2.垃圾處理收入

垃圾經(jīng)分類管理后大量剩余垃圾直接填埋處置，收入主要包括填埋處置成本和垃圾運費等。同時也要考慮通過高溫氣化技術(shù)節(jié)約垃圾填埋場占地的機會成本。

3.與項目相關(guān)的政府補助

（1）生產(chǎn)建設(shè)補貼。項目屬于綠色低碳環(huán)保的新能源項目，地方政府為項目前期建設(shè)提供補貼。

（2）固定資產(chǎn)補貼。目前，我國氫能巴士應(yīng)用場景較少，其售單價高于柴油及電動巴士，為鼓勵氫能巴士的前期布局，地方政府對采購單位給予一定額度的購車補貼。

（3）生產(chǎn)運營補貼。當氫氣未完全去化時，地方政府按成本價向項運營主體支付運營成本。

（4）對于項目生產(chǎn)所需要的水、電、燃氣等市場采購價格給予一定的政策優(yōu)惠。

（二）成本構(gòu)成

1.直接成本

通過垃圾制氫的成本價格較高，主要通過外購燃料和動力成本維持反應(yīng)爐高溫狀態(tài)，同時對垃圾擠壓產(chǎn)生的滲濾液經(jīng)過凈化處置。高溫制氫成本主要包括裝置的建設(shè)安裝成本、生產(chǎn)運營成本，建設(shè)安裝成本主要包括裝置采購、設(shè)計安裝等成本，生產(chǎn)運營成本主要包括原料及輔材、外購燃料、外購動力、人工和裝置折舊等成本。同時隨著固體廢物規(guī)模的擴大，制氫的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)明顯，能有效降低制氫單公斤成本。

2.機會成本

垃圾氣化將降低填埋場占用土地的機會成本，目前各地方政府垃圾填埋場主要集中在城市周邊地區(qū)，隨著城市化進程的加快，部分垃圾填埋廠周邊土地逐漸升值或用于商業(yè)開發(fā)，通過垃圾氣化技術(shù)為城市發(fā)展節(jié)約土地資源，節(jié)省占用土地的成本。

3.不同工藝的制氫成本

目前，市場上氫氣的應(yīng)用成本主要包含制造成本、運輸成本、加注成本。在氫氣制造成本方面，煤制氫成本約0.5～1.0元/Nm3，天然氣制氫成本約1.5～2元/Nm3，工業(yè)副產(chǎn)氫成本約1～2元/Nm3，電解水制氫成本約3.5～5元/Nm3，而在氫氣上車價格中，氫氣運輸成本和加注成本占比很高。以北京冬奧會為例，燕山石化制氫成本約25元/kg（2.3元/Nm3），氫氣上車價格為85元/kg（7.6元/Nm3）。另外，吉林電力氫能示范裝置上車氫氣價格為125元/kg（11.2元/Nm3）。

五、結(jié)論和建議

以固體廢物為原料制氫對于垃圾的無害化、資源化、減量化處理和氫能的清潔化發(fā)展具有重要意義，本文通過高溫氣化制氫技術(shù)路線、項目實施關(guān)鍵點及經(jīng)濟性進行分析，得出以下結(jié)論。

固體廢物制氫與傳統(tǒng)的焦爐氣提氫、天然氣提氫等相比具有良好的社會效益和環(huán)保效益，但產(chǎn)業(yè)化推廣在技術(shù)完備基礎(chǔ)上要有良好的經(jīng)濟效益，需要通過工藝優(yōu)化降低生產(chǎn)成本，發(fā)揮好規(guī)模效應(yīng)以降低成本；同時要加大氫能源汽車的應(yīng)用場景布局，在初期需要地方政府給予相關(guān)的政策支持與補貼。

固體廢物高溫氣化制氫項目應(yīng)優(yōu)先布局土地資源緊缺的城市地區(qū)，在經(jīng)濟性評價時除要考慮項目建設(shè)成本、運營成本外，還需考慮通過固體廢物高溫制氫項目節(jié)約土地資源的機會成本。該項目布局初期應(yīng)考慮氫氣儲運對項目經(jīng)濟性的影響，優(yōu)先考慮城市機場、公交場站、城市出租車等相對獨立運營區(qū)域，通過短距離管道運輸方式實現(xiàn)氫氣運輸，避免長距離輸送，降低運輸成本。

關(guān)于項目合作模式。固體廢物高溫氣化制氫項目實施有三種合作模式：由社會資本方負責項目的投資、建設(shè)及運營等工作，地方政府匹配固體廢物來源，并確保產(chǎn)生的氫氣全部用以銷售；地方政府與社會資本方共同組建合資公司參與本項目投資建設(shè)運營等工作，雙方根據(jù)合資公司運營情況參與分紅；地方政府作為項目投資方，社會資本方作為EPC（Engineering Procurement Construction）實施項目，由地方政府委托社會資本方或三方機構(gòu)負責項目運營管理等工作。

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作者簡介：趙耀輝（1990），男，河南省周口市人，碩士，中級經(jīng)濟師，研究方向為投資項目審核。

吳世平（1990），女，湖北省宜昌市人，碩士，中級經(jīng)濟師，研究方向為企業(yè)內(nèi)部審計。