城市固废和生活垃圾里蕴含着巨大的资源潜力。统计结果表明，随着生活水平的不断提高，我国城市固废生活垃圾中的高热值可燃物的比例在逐年增加，大大高于垃圾焚烧炉的最低设计热值水平，北方地区如山东和河南的垃圾热值分别为5983 kJ/kg和6259 kJ/kg，南方地区如广东、江苏和浙江的垃圾热值范围为7400 kJ/kg~8000 kJ/kg。城市混合生活垃圾中含有大量可以回收利用的饮料瓶、金属、纸皮等可再生资源，均可回收处理再利用；以厨余垃圾为主的易腐垃圾含量占比高达40%~60%，可作为生物质能源进行利用；其中占比最大的为高热值可燃物，可通过分选制备成为“可替代燃料(RDF/SRF)”以减少燃煤使用、节约能源。“可替代燃料(RDF/SRF)”作为城市垃圾减量化、无害化、资源化的崭新途径,其燃烧效率和化石燃料相近，但碳排放量更低(表1)，而且绿色环保、物美价廉。

表1. 可替代燃料(RDF/SRF)和化石燃料的热值和CO₂排放对比

城市固废生活垃圾的元素分析组分主要包括C、H、O、N、S、Cl等元素(表2)，尽管固废垃圾的含碳量比煤炭低，热值低于一般煤炭 [ 4 ] ；但固废垃圾中的H/C、O/C比高于煤炭，生活垃圾的挥发分含量高于煤炭，另外，生活垃圾中热转化的N、S污染物相对较少。以上特点决定了城市固废生活垃圾更加适宜采用热解气化方式进行减量化无害化处理。

表2. 固废垃圾物性数据

垃圾的热解是指在300℃~800℃无氧或缺氧的条件下，将固废垃圾中有机组分的大分子催化分解发生断裂，产生小分子气体、焦油和残渣有机物，其中小分子气体中就包含了氢气。热解反应温度在200℃及以下时，固废垃圾在炉内进行干燥，所含水分将逐渐挥发；在300℃~800℃无氧或者缺氧的情况下，固废垃圾中的有机物吸收热量发生热解反应，固废垃圾中的内在水分析出，纤维素、蛋白、脂肪等物质的大分子断裂分解成为小分子气体、焦油类有机液体以及固体状态的碳化合物 [ 4 ] 。

气化是在超过800℃的高温条件下，用气化剂(水蒸气、二氧化碳、空气、氧气等)将有机物高温分解转化为包含氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体成分的过程。900℃以上温度条件下，长链碳氢化合物和焦油等有机液体完全转化为CO、H₂、CH₄等有效气体；1300℃以上温度条件下，气化灰渣熔融为玻璃态 [ 5 ] 。热解气化过程中主要发生化学反应如图1所示。

热解过程中随温度升高，有机组分逐渐发生热裂解，大分子量的有机物裂解成小分子量的氢、甲烷、一氧化碳、丙酮、醋酸、焦油、生物炭等。热解温度越低，产气量越低。因此，气化制氢相较于热解制氢技术更具优势。

图1. 固废垃圾热解气化原理

垃圾热解气化后的碳转化率 [ 6 ] (CCE, Efficiency of Carbon Conversion)、低位热值 [ 7 ] (LHV, Lower Heating Value)和气体产率(Y, yield of gas)是评价气化反应的重要指标，计算方法如下 [ 8 ] [ 9 ] 。

固废垃圾热解气化直接燃烧是指在300℃~800℃的温度范围内进行固废垃圾热解气化反应，产生可直接燃烧的合成气和半焦等物质。热解气化直接燃烧工艺如图2所示。

图2. 旋转固定床热解气化直接燃烧系统

热解气化直接燃烧系统一般由气化炉和二次燃烧室(二燃室)构成。垃圾热解气化过程中气化炉内过量空气系数较小，贫氧条件下热解气化产生的合成气直接进入二燃室与空气混合进行完全燃烧反应，二燃室内的高温条件可分解二噁英前驱物，能够从源头抑制二噁英的排放。垃圾热解气化直接燃烧工艺目前已达到商业化或准商业化水平，主要有固定床、流化床、回转窑等固废垃圾热解气化直接燃烧处理方式。

气化熔融 [ 14 ] 技术是基于高炉原理发展而来，固废垃圾在气化炉的上部被干燥，下降到中部后垃圾被加热进行热分解气化，热分解气化的气体产物主要含有CO、H₂、CO₂等从顶部排出，制得的中热值可燃气体可用于发电、供热或作为化工原料，如图3所示。

图3. 固废垃圾气化熔融工艺

在气化炉的底部，通入纯氧或富氧空气，焦炭和垃圾热解后残余的碳燃烧产生大量热，可使温度最高达到1500℃，使底部的灰熔化，熔融渣从渣口中排出并被水急速冷却变成玻璃态，玻璃态残渣则作为建材使用。固废生活垃气化熔融技术具有资源循环利用率高，环境效益更佳等优势，是最具有发展潜力的新一代固废垃圾处理技术 [ 15 ] 。

美国早在1929年就开始了垃圾高温热解的实验研究。1967年Kisser和Friendmdii先后进行了均质有机废物和非均质废物(城市生活垃圾)的高温热解的实验研究，试验结果表明垃圾热解产生的气体能够作为燃料使用。欧洲主要根据不同垃圾的种类、不同的反应器类型和不同的运行条件，研究各种不同条件下热解气化产物的性质和组分，尤其重视不同系统在运行上的特点和问题。加拿大主要研究农业废弃物等生物质特别是木材的热解气化，二十世纪70年代末期开始了以大量存在的废弃生物质资源为目的研发计划，相继开展了生物质回转窑、流化床气化的研究。日本1973年开始进城市生活垃圾热解气化熔融技术的研究。

鉴于固废垃圾热解气化良好的资源化应用前景，发达国家一直投入大量人力物力推动此项技术的工业化应用。二十世纪90年代开始，等离子气化技术应用于固废垃圾的无害化处理。城市生活垃圾等离子体气化技术的核心是热处理技术，可分为直接等离子体气化和等离子结合常规气化技术。直接等离子气化是将等离子产生的2000℃的高温直接作用于固废垃圾促进热解反应，该工艺电耗高，产生的合成气成分主要是CO和H₂；等离子结合常规气化工艺是先将固废垃圾热解气化，气化产生的合成气经过等离子体高温重整可以将合成气中的部分焦油分解，该工艺相对直接等离子工艺功耗较低，但需要加入更多的O₂来维持温度，合成气中CO₂和N₂较多，合成气质量较差。

西门子西屋公司(现为Alter NRG的部门)采用直接等离子体气化技术 [ 16 ] ，等离子体气化系统主要由等离子气化炉和等离子炬组成。等离子炬的投入可使气化炉内温度达1200℃~1500℃，在此高温条件下能够将灰渣等无机废物转变成玻璃态渣，极高的气化温度和缺氧的环境避免了二噁英和呋喃等有毒物质的生成。由于等离子体产生的高温直接作用于垃圾气化，导致电耗较高。西门子西屋公司开发的等离子气化炉如图4所示。

图4. 西门子西屋公司开发的等离子垃圾直接气化装置

2000年以来，西屋公司在全世界推广等离子体固废处理技术，已经有4个项目取得成功，其中包括在日本建设的220 t/d用于处理城市生活垃圾和汽车废渣的等离子体气化工厂项目，和24 t/d处理城市生活垃圾和污水污泥工厂，运行数据见表3。

表3. 西屋公司日本示范装置运行数据

加拿大普拉斯科公司、英国APP (Advanced Plasma Power)公司、和采用的等离子与常规气化结合技术具有一定的优势，由于采用两步热解气化工艺，降低了电耗，系统经济性大大提高。加拿大普拉斯科两步法等离子热解气化制氢工艺流程如图5，垃圾含水率小于20%，气化效率80%~85%，垃圾处理量135吨/天，典型合成气组分见表4。

图5. 两步法等离子垃圾热解气化制氢工艺流程

表4. 两步法等离子热解气化制氢工艺合成气组分

国内在固废垃圾热解气化领域的研究相对较晚，热解气化技术落后于发达国家。20世纪90年代，中国科学院力学研究所开始进行等离子气化医疗废物和城市生活垃圾的研究，建成了两座危险废物的处理设备，设备的处理量达到5~10 t/d。广西环境保护科学研究院采用30 t/d的低温热解耦合等离子体工艺技术处理农村生活垃圾，热解温度650℃，每年可处理生活垃圾9900 t，热解碳化后废渣产率为12%，能有效抑制二噁英等有毒有害物质的生成。除此之外，华中科技大学、清华大学以及中山大学等机构对固体废物的等离子气化技术进行了研究 [ 17 ] 。

随着气候变化和温室效应的加剧，低碳氢能的重要性的得到提升，近年来多家企业和研究机构开始探索垃圾制氢技术的研究和产业化。据不完全统计，全球已有16个垃圾制氢产业化项目 [ 2 ] ，主要分布在欧洲、美国、日本等，这些项目大都处于规划或建设阶段。多数项目选择垃圾气化直接制氢，以产氢效率较高的不可回收塑料为主。每吨垃圾的氢气产量为40~100千克。国内企业也积极探索垃圾制氢，2021年，中国化学旗下五环公司在北京房山建成基于城市垃圾高温气化制氢、高温垃圾转化制氢油示范项目，日处理2吨分选后的城市生活垃圾。项目借鉴了现代高温煤气化的生产工艺，对城市垃圾进行干燥和压缩处理，采用纯氧燃烧、超高温气化的处理方式，可将垃圾直接气化，彻底消灭二噁英等有机化合物，之后经过洗涤、常压脱硫、压缩、变压吸附等过程转化为氢气，项目于2022年8月试运成功，打通了全系统流程，稳定产出了浓度99.9%的氢气。2024年2月，广东省佛山市南海区垃圾资源化项目开工建设，应用创新性的生活垃圾碳化气化制氢技术，项目达产后每天可处理生活垃圾约500吨，每小时可产生纯度达99.97%的绿氢超9100标立方米。

固体垃圾是放错地方的资源，是城市的“矿产”。研究表明，不同条件下基于热解气化的垃圾制氢方式的氢气产率范围较大，每千克可燃固体废弃物能生产氢气约20~178.7克，塑料和其他城市生活垃圾可能是未来垃圾制氢的主要原料 [ 18 ] 。据公开数据统计，2023年废塑料的废弃量高达7410万吨，其中回收量约为1860万吨，塑料垃圾总体回收率为25.1%。如果未被回收利用的5550万吨塑料垃圾全部用于制氢，按照每吨塑料产氢70千克计算，每年可生产氢气388万吨，约为2023年我国氢气总产量的9%。2023年全国城市生活垃圾清运量为2.66亿吨，如果全部用于制氢，按照每吨城市生活垃圾产氢40千克计算，每年可生产氢气1064万吨，约为2023年我国氢气总产量的24.7%。

由于固废垃圾含有生物源碳，其燃烧所产生的CO₂将参与大气碳循环，不会对生态圈的碳浓度产生净影响，同时垃圾中的生物源碳通过热解气化制氢可以替代传统化石燃料制氢的碳排放，可实现碳减排 [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] 。碳排放量与固废垃圾各组分碳含量直接相关，采用平衡法计算垃圾热解气化焚烧的碳排放。平衡法将混合垃圾分为惰性组分、生物源碳类型垃圾、化石源碳类型垃圾和水等4个组分，通过计算5个质量平衡方程和1个能量平衡方程，计算得到单位垃圾处理碳排放产生量为0.61 tCO₂/t，其中，化石源碳气化燃烧所产生的CO₂排放量为0.28 tCO₂/t，占45.9%，生物源碳气化燃烧所产生的CO₂排放量为0.33 tCO₂/t，占54.1%。化石源碳质量占比小，但其热值高，碳排放量大。生物源碳气化燃烧所造成的碳排放量占总排放量的50%以上。由于生物源碳的碳排放可视作碳减排量，因此垃圾热解气化制氢过程的碳减排量将非常可观 [ 22 ] 。

垃圾气化制氢的总生产成本约为28.74元/千克，其中垃圾热解气化的成本为13.80元/千克，合成气净化、氢气分离提纯的成本为14.94元/千克，形成规模效应后，成本有望降到20元/千克以下，与天然气等化石能源制氢技术成本相当。垃圾制氢项目的收入方面，除了氢气销售收入，还包括40~50元/吨垃圾处理费补贴、玻璃体灰渣销售收入，以及90~100元/吨的碳交易收入，能有效分摊制氢成本、降低氢气价格。

固废垃圾制氢具有重要现实意义：一是热解气化制氢过程不产生二噁英等有毒有害物质，处理后的气体和残渣均可利用，大大助推固废垃圾减量化、资源化、无害化处理；二是利用固废垃圾资源就地制氢，缓解局部资源短缺导致的制氢瓶颈。