TWI472380B - Waste disposal method - Google Patents

Description

廢棄物處理方法

本發明係關於一種廢棄物處理方法，特別是關於一種添加含氧載體以增加產氣效率的廢棄物處理方法。

我國目前主要處理廢棄物流程為先經資源回收後，不可回收部分由焚化處理，焚化殘渣再以衛生掩埋處置。而回收過後之有機廢棄物，則是利用直接燃燒、物理轉換、熱轉換與化學/生物轉換等技術轉換成為再生能源。目前臺灣在都市固體廢棄物處理上，使用的方法包括了焚化處理、掩埋廢棄、汽熱共生發電等。早期處理以掩埋為主，但其處理方法需使用大量的土地，且後續問題繁多，如：滲出水、沼氣、掩埋場監控和後續復育再利用等。所以至今主要處理方法還是以焚化燃燒為主，焚化主要是將廢棄物轉化成為較為簡單的物質如：CO、H₂ O及CO₂ 等物質和部份的熱能，但伴隨有戴奧辛及飛灰、灰渣等後續衍生問題仍待處理。因此未來如何取代焚化與掩埋處理和避免焚化所造成的污染仍是有待發展的重點。另外，目前各國皆面臨的環境問題包括使用化石燃料造成全球暖化，因此，如何減少二氧化碳等溫室氣體排放也是亟待發展的課題之一。

國內目前處理廢棄物主要還是使用焚化方式為主，雖然有單獨利用電漿處理廢棄物之技術，但先前技術中並無任何有關與溫室氣體共同混合處理產生能源燃料之技術。

為解決習知技術之問題，本發明之一目的即是提供一種廢棄物處理方法，包括；(A)提供一電漿熱處理設備；(B)投入一待處理之廢棄物至該電漿熱處理設備，並以500至800℃之間的溫度範圍對該廢棄物進行氣化熱裂解處理；(C)在熱處理過程中添加至少一種含氧載體；(D)該廢棄物經過熱處理後至少產生一預定量之可燃性氣體。

較佳地，其中該含氧載體係為水氣及二氧化碳其中之一或其組合，其添加方式包含單獨添加水氣、單獨添加二氧化碳、或同時添加水氣及二氧化碳。

較佳地，其中該水氣之添加量係介於1至100%相對溼度，該二氧化碳之添加量係為介於1至80%體積濃度。

較佳地，其中該水氣係由該廢棄物本身所提供。

較佳地，其中該二氧化碳之提供形式包括：內含於該廢棄物之二氧化碳、回收自熱氣化熱裂解處理之過程中所產生的任何二氧化碳及固態吸附之二氧化碳。

較佳地，其中該電漿熱處理設備之電漿型態包括：熱電漿、冷電漿、高週波電漿、火炬電漿、微波電漿、非傳輸型電漿及傳輸型電漿。

較佳地，其中該廢棄物包括林業廢棄物、農業廢棄物、家庭廢棄物、畜牧業廢棄物及工業有機廢棄物。

較佳地，其中該廢棄物之形態包括：粉狀、顆粒狀、磚狀、 原柱狀或不規則狀。

較佳地，其中該廢棄物包括乾式廢棄物、濕式廢棄物及半乾式廢棄物。

較佳地，其中該廢棄物之投料方式為批次式投料或為連續式投料。

經由本發明所採用之技術手段，裂解棄物有機物質產生的CO、H₂ 、CH₄ 等氣體之效果較傳統熱裂解爐為佳。本發明提出之電漿氣化裂解廢棄物結合水氣及二氧化碳，針對產氣組成及濃度方面來看，此三種混合物有相當相輔相成之結果。藉由本發明利用熱電漿於水氣含氧條件下氣化廢棄物，在過程中同時處理溫室氣體二氧化碳，可以同時處理廢棄物及二氧化碳，產生之產品亦可以作為氣體或液體燃料及原料，未來於產業應用上具有極大潛力。

本發明主要提供一種廢棄物處理方法，包括；(A)提供一電漿熱處理設備；(B)投入一待處理之廢棄物至該電漿熱處理設備，並以500至800℃之間的溫度範圍對該廢棄物進行氣化熱裂解處理；(C)在熱處理過程中添加至少一種含氧載體；(D)該廢棄物經過熱處理後至少產生一預定量之可燃性氣體；其中該含氧載體係為水氣及二氧化碳其中之一或其組合，其添加方式包含單獨添加水氣、單獨添加二氧化碳、或同時添加水氣及二氧化碳；其中該水氣之添加量係介於1至100%相對溼度，該二氧化碳之添加量係為介於1至80%體積濃度；其中該水氣係由該廢棄物本身所提供； 其中該二氧化碳之提供形式包括：內含於該廢棄物之二氧化碳、回收自熱氣化熱裂解處理之過程中所產生的任何二氧化碳及固態吸附之二氧化碳；其中該電漿熱處理設備之電漿型態包括：熱電漿、冷電漿、高週波電漿、火炬電漿、微波電漿、非傳輸型電漿及傳輸型電漿；其中該廢棄物包括林業廢棄物、農業廢棄物、家庭廢棄物、畜牧業廢棄物及工業有機廢棄物；其中該廢棄物之形態包括：粉狀、顆粒狀、磚狀、原柱狀或不規則狀；其中該廢棄物包括乾式廢棄物、濕式廢棄物及半乾式廢棄物；較佳地，其中該廢棄物之投料方式為批次式投料或為連續式投料。

本發明中之前置程序的都市固體廢棄物蒸煮分選技術，屬於機械熱處理方法中的一種。蒸煮處理程序主要藉由於高壓反應容器中通入飽和蒸汽，將混合垃圾置於高溫水中進行水解。由於木質纖維類的水解程度是半纖維素大於纖維素在大於木質素，其主要是將溫度控制於半纖維素水解溫度，而保留纖維素及木質素等熱值較高之物質，並軟化塑膠。蒸煮系統最早是應用於醫療以及手術廢棄物的消毒過程，在高溫高壓的滅菌釜中，利用蒸氣伴隨的溫度及能量使得微生物被消滅，而達到消毒滅菌的目的。

本發明之後置程序的熱裂解設備為電漿火炬，屬於熱電漿的一種，其中心高達10,000℃以上的熾熱溫度可產生1,400-1,650℃的高溫操作環境，其強烈之熱輻射使得熱傳效率優於傳統火焰，高溫反應區之反應速率亦比燃燒快十倍以上，以技術產生CO、H₂ 、CH₄ 等氣體之效果較傳統熱裂解佳，可供燃料發電利用或是做為加熱設施的燃料使用。熱裂解原理乃在高溫及不充分氧化劑 的環境下，使燃料與空氣(或氧氣)進行不完全或部分燃燒，而通入水蒸汽反應可以增加可燃性氣體產量，如合成氣(CO+H₂ )及部分焦油。

本發明所使用之技術屬於熱轉換技術，將有機廢棄物於電漿環境下，與二氧化碳及水氣進行熱裂解氣化形成合成氣，可再經由其他技術轉換變成熱能、電能和機械能。或是更進一步可形成液體燃料，如FT柴油、甲醇、乙醇、二甲基醚、液化石油氣等。本發明之熱源供應設備為電漿火炬，屬於熱電漿的一種，其中心高達10,000℃以上的熾熱溫度可產生1,400-1,650℃的高溫操作環境，其強烈之熱輻射使得熱傳效率優於傳統火焰，高溫反應區之反應速率亦比燃燒快十倍以上，以此技術裂解廢棄有機物質產生的CO、H₂ 、CH₄ 等氣體之效果較傳統熱裂解爐為佳。本發明提出之電漿氣化裂解廢棄物結合水氣及二氧化碳，針對產氣組成及濃度方面來看，此三種混合物有相當相輔相成之結果，缺一不可。因此，本發明提出利用電漿火炬進行氣化熱裂解廢棄物及其過程中輔以水蒸氣及二氧化碳之程序為本發明之重點。本電漿火炬系統為小型非傳輸型直流式系統，使用電漿為背景氣體純度99.99%下的氮氣電漿，本套設備流程圖說明如下：

實驗裝置簡介

參閱第10圖，其顯示以下實施例使用之電漿系統之組成元件。此電漿系統為10 kW小型非傳輸型直流式電漿火炬系統，其各元件依序介紹如下： 氮氣瓶1(Nitrogen cylinder)：為電漿系統提供工作氣體(氮氣)，氣體純度為99.99%，氮氣電漿的優點是便宜且穩定。

電源供應與冷卻系統2(power supply chopper and cooling system)：此部分提供電漿火炬所需之電壓、電流的控制面板以及回流管線所需之冷卻系統。

流量控制器3(gas flow rate controller)：此部分可控制鋼瓶流入之流量，流量大小影響到氣體出來的濃度及電漿火炬的電壓。

溫度監測系統4(thermo detector)：檢測電漿火炬內部爐體的溫度。

投料裝置5：樣品置於此處，達到目標溫度即可將樣品以推桿推入反應槽中。

坩鍋6：置於爐體內部，收集氣化後的殘渣。

電漿火炬7：此處產生高溫電漿。

出口管線8：此部分為氣體的出口管線，採樣口的位置在冷卻水管的上方，產氣在此進行收集。

蒸餾水9：提供重組之水氣。

蠕動幫浦10：控制通入蒸餾水的流量。

質量流量計11：控制通入二氧化碳的流量。

氣體分析儀器12(GC-TCD/GC-MS)：針對氣化氣體特性，選用GC-TCD及GC-MS分析氣體種類及氣體濃度，做定性與定量分析。

實施例

本發明實施例為將家庭生活廢棄物經前處理程序分離出有機 纖維及無機物，使用方式為利用焚化廠蒸氣進行蒸煮分離程序，藉由此程序可以簡單篩分出如玻璃、鐵絲和塑膠固體等物質出來。分離出純度很高之有機纖維物之後，取樣壓錠，方法為使用訂製的圓筒狀鋼製模具，壓錠製成燃料錠(內徑1 cm、高5 cm)後，燃料錠先以105±5℃的溫度烘乾兩小時，最後將燃料錠放置於乾燥皿中備存，隨後進行實施例之程序。將上述之燃料錠投入電漿反應器中進行氣化裂解，並同時通入蒸汽及二氧化碳，樣品每批次反應投料約10 g，使用的操作溫度為873 K，產生氣體以1公升採樣袋收集，每30秒採一袋，採樣體積約500到800 mL之間，之後使用GC-TCD及GC-MS分析主要氣體，並換算氣體濃度及回收率，將氣體做定量及定性分析。實驗結果發現濃度最高點皆出現在0.75至1.25 min之間，超過95%以上氣體產物均在5 min內產生，因此之後實驗以採集前5 min氣體產物進行分析比較。

以下分為實施例一及二，分別比較不同操作條件下廢棄物電漿氣化裂解之結果。實施例一為廢棄物氣化裂解與水氣輔助氣化裂解之比較。實施例二為廢棄物氣化裂解與二氧化碳協同水氣輔助廢棄物氣化裂解之比較。分別探討單獨添加水氣及二氧化碳協同水氣對於電漿氣化裂解廢棄物產生燃氣及合成氣之影響。本實施例的主要產氣為CO、H₂ 、CH₄ 及CO₂ ，分析後可得各氣體濃度(ppmv)，經由理想氣體方程式(PM=ρRT)進行換算後，可以得知每個氣體樣品各自產量(mg)，隨後可進行各氣體產率、比例、氣化率、回收率等分析。詳細說明如下：

實施例一、廢棄物氣化裂解與水氣輔助氣化裂解之比較

廢棄物單獨進行電漿氣化裂解的產氣濃度圖結果如第1圖所示。同樣實驗條件下，輔助通入3mL min^-1 之水氣結果則如第2圖所示。□代表H₂ 濃度、◇代表CO濃度、△代表CH₄ 濃度、X代表CO₂ 濃度。

由第2圖可以發現CO及H₂ 的濃度比起第1圖有大幅的上升，最高濃度分別為20.6及22.3 vol.%。其他氣體方面，CH₄ 最高濃度約為1.82 vol.%，CO₂ 最高濃度為2.14 vol.%。推測會在添加水氣的環境下，水氣與碳發生水煤氣反應(water-gas reaction)，使得H₂ 及CO濃度劇增，CO又在與水氣發生水-氣轉化反應(water-gas shift reaction,WGS)，導致H₂ 及CO₂ 濃度亦明顯增加；另外樣品產生的CH₄ 在與水氣發生CH₄ 重組反應(Steam methane reforming reaction)，導致CH₄ 濃度下降。各反應式如下：水煤氣反應(water-gas reaction)C+H₂ O → CO+H₂

C+2H₂ O → CO₂ +2H₂

水氣轉化反應(water-gas shift reaction)

甲烷重組反應(Steam methane reforming reaction)

實施例二、廢棄物氣化裂解與二氧化碳協同水氣輔助廢棄物氣化裂解之比較

廢棄物協同水氣與二氧化碳同時電漿氣化裂解的產氣濃度圖結果如圖3所示，□代表H₂ 濃度、◇代表CO濃度、△代表CH₄ 濃度、X代表CO₂ 濃度。

由圖3可以發現，氣體最高濃度皆出現在0.75分鐘，各氣體的產出，除了CO₂ 外，皆比單獨廢棄物氣化裂解及廢棄物協同水氣氣化裂解都還要高。合成氣方面，CO最高濃度高達21.26 vol.%，H₂ 最高濃度可達23.17 vol.%。在其他氣體方面，CH₄ 的最高濃度高達2.26 vol.%，CO₂ 則達1.95 vol.%(尚未扣除通入之CO₂ )。據此可以推測，CO及H₂ 的劇增是因為水煤氣反應的關係，但CH₄ 卻沒有因此減少，推測可能是因通入的水氣及CO₂ 導致樣品在產氣時，瞬間產氣量過大，氣體停留時間較長，樣品產生的CO與H₂ 因而發生甲烷化反應，導致CH₄ 的增加。

實施例一及二質量平衡結果整理如表1及2所示。另外，在表1及2中有額外通入二氧化碳的部分，在計算產率的部分已經將額外通入的二氧化碳扣除，因此才可以得知實際產生的二氧化碳產量。針對此結果，詳細討論如下：

1.探討同時通入水氣及二氧化碳對各氣體產率變化

探討比較同時添加水氣及二氧化碳的H₂ 產率變化如圖4所示。A為單獨廢棄物；B為廢棄物+水氣；C為廢棄物+水氣+二氧化碳。在圖中A點的產率為2.20 wt%，添加水氣後上升至B點的4.27 wt%，當添加水氣及二氧化碳時，產率為4.09 wt%。氫氣稍微下降。

圖5為同時添加水氣及二氧化碳的CO產率變化圖。最高點為同時添加水氣及二氧化碳的C點，數值為47.85 wt%，接著為只添加水氣的B點，數值為40.88 wt%，最低為單獨廢棄物的A點，數值為32.78 wt%。顯示同時添加水氣及二氧化碳大幅增加CO產量。

圖6為同時添加水氣及二氧化碳的CH₄ 產率變化圖。濃度最高為同時添加水氣及二氧化碳的C點，數值為2.15 wt%，接著是單獨廢棄物的A點，數值為1.29 wt%，最低為添加水氣的B點，數值為1.14 wt%。顯示同時添加水氣及二氧化碳大幅增加CH₄ 產量。

圖7為同時添加水氣及二氧化碳的CO₂ 產率變化圖。最高點為只添加水氣的B點，數值為14.73 wt%，其次為同時添加水氣及二氧化碳的C點，扣除通入CO₂ 後，數值為8.99 wt%，接著最低 是單獨廢棄物的A點，數值為5.25 wt%。顯示添加水氣會明顯增加CO₂ 產量，但添加額外CO₂ 後將會降低CO₂ 產量。但與傳統氣化爐技術相比較，此技術產生之CO₂ 量均為低量。此結果呈現出此技術之特殊與新穎性。

圖8為同時添加水氣及二氧化碳的合成氣(CO+H₂ )總和產率變化圖。最高點為同時添加水氣及二氧化碳的C點，數值為51.95 wt%，接著為只添加水氣的B點，數值為44.97 wt%，最低是單獨廢棄物的A點，數值為34.36 wt%。雖然H₂ 產率最高為B點，但是就整體合成氣產率來看，最高濃度為C點，且為只單獨廢棄物氣化裂解的1.51倍，為只添加水氣的1.16倍。因此，證明同時添加水氣及二氧化碳之電漿氣化裂解技術有相當高之產率突破性。

圖9為同時添加水氣及二氧化碳的燃氣(CO+H₂ +CH₄ )產率變化圖。最高點為同時添加水氣及二氧化碳的C點，數值為54.10wt%，接著為只添加水氣的B點，數值為46.10 wt%，最低是單獨廢棄物的A點，數值為35.66 wt%。故同時添加水氣及二氧化碳除可以增加合成氣的產量外，亦可以增加氣態瓦斯(CH₄ )的產量。增加倍率為1.52倍。

依據以上實施例及各實驗結果，以此技術裂解棄物有機物質產生的CO、H₂ 、CH₄ 等氣體之效果較傳統熱裂解爐為佳。本發明提出之電漿氣化裂解廢棄物結合水氣及二氧化碳，針對產氣組成及濃度方面來看，此三種混合物有相當相輔相成之結果。藉由本發明利用熱電漿於水氣含氧條件下氣化廢棄物，在過程中同時處理溫室氣體二氧化碳，可以同時處理廢棄物及二氧化碳，產生之產品亦可以作為氣體或液體燃料及原料，未來於產業應用上具有 極大潛力。由此可知，本發明所提供之廢棄物處理方法確具產業上之利用價值，惟以上之敘述僅為本發明之較佳實施例說明，凡精於此項技藝者當可依據上述之說明而作其它種種之改良，惟這些改變仍屬於本發明之精神及以下所界定之專利範圍中。

1‧‧‧氮氣瓶

2‧‧‧電源供應與冷卻系統

3‧‧‧流量控制器

4‧‧‧溫度監測系統

5‧‧‧投料裝置

6‧‧‧坩鍋

7‧‧‧電漿火炬

8‧‧‧出口管線

9‧‧‧蒸餾水

10‧‧‧蠕動幫浦

11‧‧‧質量流量計

12‧‧‧氣體分析儀器

第1圖為電漿氣化裂解廢棄物各氣體產氣瞬間濃度圖；第2圖為電漿氣化裂解廢棄物協同水氣添加各氣體產氣瞬間濃度圖；第3圖為電漿氣化裂解廢棄物協同添加水氣及二氧化碳各氣體產氣瞬間濃度圖；第4圖為同時添加水氣及二氧化碳的H₂ 產率變化圖；第5圖為同時添加水氣及二氧化碳的CO產率變化圖；第6圖為同時添加水氣及二氧化碳的CH₄ 產率變化圖；第7圖為同時添加水氣及二氧化碳的CO₂ 產率變化圖；第8圖為同時添加水氣及二氧化碳的合成氣(CO+H₂ )總和產率變化圖；第9圖為同時添加水氣及二氧化碳的燃氣(CO+H₂ +CH₄ )產率變化圖；第10圖顯示電漿系統之組成元件。

1‧‧‧氮氣瓶

2‧‧‧電源供應與冷卻系統

3‧‧‧流量控制器

4‧‧‧溫度監測系統

5‧‧‧投料裝置

6‧‧‧坩鍋

7‧‧‧電漿火炬

8‧‧‧出口管線

9‧‧‧蒸餾水

10‧‧‧蠕動幫浦

11‧‧‧質量流量計

12‧‧‧氣體分析儀器

Claims (8)

1. 一種廢棄物處理方法，包括；(A)提供一電漿熱處理設備；(B)投入一待處理之廢棄物至該電漿熱處理設備，並以500至800℃之間的溫度範圍對該廢棄物進行氣化熱裂解處理；(C)在該熱氣化熱裂解處理之過程中添加至少一種含氧載體，其中該含氧載體為水氣及二氧化碳之組合，其添加方式包含同時從外部添加入水氣及二氧化碳；(D)該廢棄物經過熱氣化熱裂解處理後至少產生一預定量之可燃性氣體。
2. 如專利申請範圍第1項所述之廢棄物處理方法，其中該水氣之添加量係介於1至100%相對溼度，該二氧化碳之添加量係為介於1至80%體積濃度。
3. 如專利申請範圍第1項所述之廢棄物處理方法，其中該二氧化碳之提供形式包括：回收自熱氣化熱裂解處理之過程中所產生的任何二氧化碳及固態二氧化碳及固態吸附之二氧化碳。
4. 如專利申請範圍第1項所述之廢棄物處理方法，其中該電漿熱處理設備之電漿型態包括：熱電漿、冷電漿、高週波電漿、火炬電漿、微波電漿、非傳輸型電漿及傳輸型電漿。
5. 如專利申請範圍第1項所述之廢棄物處理方法，其中該 廢棄物包括林業廢棄物、農業廢棄物、家庭廢棄物、畜牧業廢棄物及工業有機廢棄物。
6. 如專利申請範圍第1項所述之廢棄物處理方法，其中該廢棄物之形態包括：粉狀、顆粒狀、磚狀、原柱狀及不規則狀。
7. 如專利申請範圍第1項所述之廢棄物處理方法，其中該廢棄物包括乾式廢棄物、濕式廢棄物及半乾式廢棄物。
8. 如申請專利範圍第1項所述之廢棄物處理方法，其中該廢棄物之投料方式為批次式投料或為連續式投料。