學習資源搜尋

廢棄物熱處理與發電

2021-03-15
王偉成 教授

陳相欣 博士生

國立成功大學航空太空工程所


近年來垃圾產生量及空氣汙染問題日益嚴重,隨著民眾對於環境保護意識日漸高漲,現今成為台灣民眾日趨關注的議題,大量的垃圾如果採用掩埋或焚燒等都是不可持續進行的,對於固體廢棄物的處理,環保當局著重於民生廢棄物,醫療廢棄物以至事業廢棄物的處理,其中,塑膠垃圾的回收及處理佔了很大的比例。由英國衛報的調查指出,自二十世紀中發展塑膠製品以來,人類已經生產消耗掉83億噸的塑膠製品[1],並且數據逐年上升。當人們享受塑膠製品帶來的便利時,隨之而來的即是其使用壽命即垃圾處理的問題,由聯合國環境署資料顯示2015年共生產約70億噸的塑膠垃圾,只有9%被回收,12%被焚燒,剩餘的79%則進入了掩埋場及自然環境中[2]。根據台灣行政院環保署統計,台灣平均垃圾清運量至105年已較歷史最高減少64.71%、垃圾回收率達58%,仍有4成的垃圾沒有被回收,而其中占比最高的即為塑料製品,保守估計平均每年產出廢塑膠大約有162萬公噸。

表1 廢塑膠之分類。

1.廢塑膠再利用

廢塑膠之成分主要由碳、揮發物、水分以及灰分組成,不同種類塑膠其比例組成也有所不同,美國塑膠工業協會將其分類為7類標號來代表不同的塑膠材質,如表1所示其中7大標誌之 1~6均屬於熱塑性塑膠,而其餘的屬於熱固性塑膠,現今廢塑膠以成為未來最大的環境影憂之一,在自然分解的情況下,塑膠袋需花10年至30年、錫罐需花50年、電池需花50年至100年、鋁罐需花100年至200年、錫紙需花200年、最普遍的寶特瓶則得花450年之久;然而,世界每年製造約90億噸塑膠,因此如何消耗或安全之在利用已然成為世界共同努力之目標。目前對於廢塑膠處理方法分為三種:(1) 再生造粒 (2) 焚化 (3) 熱裂解。

三種處理技術中,再生造粒須經過嚴格的分類和清洗,再製作成二次塑膠粒子,其品質不如原料,並且品質會隨次數降低,最多就4 ~ 5次,而焚化法其熱和能源轉換效率皆很低,且造成的空氣污染也相對嚴重,故以熱裂解技術作為廢塑膠處理,是最符合目前政府提倡循環經濟之政策的,並且國際上已將廢棄物以熱裂解處理轉換能源視為可持續性之技術[3-6],國外已經有熱裂解整合再生廠,為結合熱裂解系統與燃氣循環之整合系統,針對廢棄物進行發電[7]。

圖1 連續式流體化床之熱裂解系統。

 

2.熱裂解處理

熱裂解處理技術依不同反應器可分為,固定床、流體化床以及連續式熱裂解。其中,流體化床之熱裂解屬於快速熱裂解,整個連續式流體化床之熱裂解系統,如1所示,其作動原理是藉由流量控制器操控恆定流速的氮氣從反應容器下方灌入,當流速達到一定程度時,容器中的金屬氧化物粉末將呈現流體化的現象,金屬氧化物則作為導熱物質,如:二氧化矽,而廢棄物經由前處理烘乾及切碎,並利用進料裝置使廢棄物碎料進入反應容器裡,與二氧化矽進行反應,它可以促進與廢棄物之間有更好的混合效果、高熱量與質量傳遞效率,已成為現今生質物、工業廢塑膠以及城市廢棄物轉化為再生能源的製程方法之一[8],而此技術產生的固體、液體以及氣體產物可以經過專業儀器進行分析,並且將產物資源化再利用,2為經由熱裂解處理的裂解油。

圖2 熱裂解油品。

3.裂解油優化成燃料油

以熱裂解油作為再生或輔助燃油,因為某些性質不利於燃燒,而且某些成分,如聚氯乙烯(PVC)中含有氯、輪胎(橡膠)含有硫皆導致空氣污染問題發生,所以需要將熱裂解油進行油品改質,而加氫處理來進行改質是最好的途徑,對於生質裂解油可以進行脫氧、PVC裂解油進行脫氯、輪胎裂解油進行脫硫,油品改質的系統,如3所示,經過改質後的油品,其成分與性質近似於燃料油或柴油,並且能與柴油混溶進行使用,改質後的燃料油,如4所示。

圖3 油品改質系統。

4.發電

常見的發電裝置可分為發電和動力兩部分,藉由熱裂解油或優化後的替代燃油,在鍋爐或者內燃機內進行燃燒,以用來帶動動力裝置,將熱能轉換成動能,而發電設備都大同小異,再藉由動力裝置產生的動能經發電設備來發電,並供應給民生或工業用電,假如使用鍋爐來進行燃燒,也能將產生的蒸氣供應給學校、醫院或食品公司等使用,目前國內外皆有成功的案例。

圖4 改質完後的替代燃油。

結論

目前絕大部分回收仍是傳統「降級回收」,廢塑膠經過嚴格的分類和清洗,再做成二次塑膠粒子,品質還不如原物料。而且頂多只能循環4、5次,而另一種傳統處理廢棄物方式,如掩埋法及焚燒法,對於環境造成的污染也很大,故發展廢棄物熱裂解技術是對的,對於廢棄物資源永續發展之循環經濟目標是重要且必須的,它可以將廢棄物轉化為高附加價值的合成氣、電力或燃油。回收後之廢棄物重新導入製油程序中,具經濟價值之固態產物可以藉由分離得到,液態產物經由處理可引入內燃機進行發電,其廢熱亦可回收再利用,或伴隨廢氣導入燃氣循環之燃燒室中,最後以燃氣渦輪機做功,可大幅減少所需能源,並增進整體系統熱效率。

近年來,政府大力推廣綠色能源及循環經濟,大大地鼓勵民營電廠及汽電共生的應用,根據資料顯示,在工業供電的電量及價格是影響成本一大部分,特別是尖峰時節,倘若能利用廢棄物轉換成燃料,建立自主性中小型發電廠並搭配合適之位置,不僅在減少廢棄物且降低對環境污染,更能達到循環經濟的目的,其次,亦能解決現今海洋廢塑膠過多的問題。

 

參考文獻

[1] (2017). Plastic pollution risks 'near permanent contamination of natural environment'  [Online]. Available: https://www.theguardian.com/environment/2017/jul/19/plastic-pollution-risks-near-permanent-contamination-of-natural-environment.

[2] (2018). This World Environment Day, it’s time for a change  [Online]. Available: https://www.unenvironment.org/interactive/beat-plastic-pollution/.

[3] A. Adrados, I. De Marco, B. M. Caballero, A. López, M. F. Laresgoiti, and A. Torres, "Pyrolysis of plastic packaging waste: A comparison of plastic residuals from material recovery facilities with simulated       plastic waste," Waste Management, vol. 32, no. 5, pp. 826-832, 2012.

[4] S. Al-Salem, A. Antelava, A. Constantinou, G. Manos, and A. Dutta, "A review on thermal and catalytic pyrolysis of plastic solid waste (PSW)," Journal of Environmental Management, vol. 197, pp. 177-198, 2017.

[5] A. K. Panda, R. K. Singh, and D. Mishra, "Thermolysis of waste plastics to liquid fuel: A suitable method for plastic waste management and manufacture of value added products—A world prospective," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, no. 1, pp. 233-248, 2010.

[6] S. Wong, N. Ngadi, T. A. T. Abdullah, and I. M. Inuwa, "Current state and future prospects of plastic waste as source of fuel: A review," Renewable and sustainable energy reviews, vol. 50, pp. 1167-1180, 2015.

[7] B. D’Alessandro, M. D’Amico, U. Desideri, and F. Fantozzi, "The IPRP (Integrated Pyrolysis Regenerated Plant) technology: from concept to demonstration," Applied energy, vol. 101, pp. 423-431, 2013.

[8] 劉. 楊仁泊. (2017). 臺灣熱裂解處理廢塑膠再利用製油技術介紹  [Online]. Available: https://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:c66T3La00FQJ:https://riw.tgpf.org.tw/ReadFile/%3Fp%3DTechArticle%26n%3Dac467da2-99fd-44cd-8494-5e85ea923717.pdf+&cd=3&hl=zh-TW&ct=clnk&gl=tw.

關鍵字