TWI730754B - 一種使有機廢棄物產生能量的方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示了一種使有機廢棄物產生能量的方法，其包括下列步驟(1)，將一有機廢棄物進行一前處理；步驟(2)，將該前處理之有機廢棄物在一少氧條件下進行一加熱處理加熱至一最高溫度，在溫度600℃以下時，使用一第一種升溫速度，且在超過溫度600℃時，使用一第二種升溫速度；步驟(3)，將該加熱處理之有機廢棄物分解成一氣態物質。該方法藉由兩段式升溫速度控制，分解產生的固體、液體、氣體產物皆為可利用的資源。尤其氣體產物可以提高，因此也提升可作為燃料的能量。

Description

一種使有機廢棄物產生能量的方法

本發明係有關於一種將有機廢棄物製成再生資源的方法，更特別係有關於一種將有機產生之廢棄物進行微波熱裂解產生能量的生成方法。

常見的有機物質是人類所需，因此也產生了相當多的有機廢棄物。未經妥善處理之有機廢棄物，不僅造成蚊蠅滋生、疫病傳播，影響環境衛生，並造成防疫上的困擾。習知有機廢棄物處理方式為堆肥掩埋，利用土壤中之微生物將有機廢棄物進行醱酵處理。然而堆肥掩埋過程處理時間長，有生物安全及污染土壤和地下水的疑慮。另一習知處理有機廢棄物為焚化方式，除產生臭味等空氣污染，甚至可能產生有害氣體，例如世紀之毒一戴奧辛等。

另一方面，有機生質物在少氧條件及高溫條件下與水蒸氣進行反應，可轉化生成以氫氣、一氧化碳、二氧化碳及甲烷為主的一混合氣體材料。該混合氣體稱為合成氣(syngas或synthesis gas)，本身為一種燃料，可用於發電，或加工處理，成為合成燃料。將合成氣經過純化處理後，可使造成設備腐蝕的酸性氣體與導致設備阻塞的焦油等雜質去除，便可使用於效率較高之燃氣鍋爐、內燃機或燃氣渦輪機以回收電力。特別的是，使有機廢棄物產生能量是達成「碳中和(carbon neutral)」的一種技術。因此，將有機廢棄物適當回收處理利用，製成合成氣，具有資源再利用的效果。

習知生產合成氣之方式，是利用氣化技術將含碳的原料，例如煤、天然氣、石油、煉油渣油和有機物質等，在限制氧氣及高溫環境下，與水蒸氣進行反應，除產生可燃之合成氣氣體，同時也會得到焦油等副產物。然而，目前習知合成氣生產方式為氣化技術，依其反應溫度區分為氣化熔融及氣化燃燒兩類。氣化熔融實績廠受限於高操作成本及高溫操作的影響，設備故障率高，年運轉率通常低於80%；而氣化燃燒技術對於進料廢棄物要求高均質性，處理含水率過高之廢棄物會導致合成氣之熱值降低。因此氣化技術除對於廢棄物波動性忍受度低，對於前處理設施的能源損耗需再評估，且有產生焦油與戴奧辛等問題尚待解決。此外，目前並無特別針對有機產生之廢棄物製成合成氣的較佳方式。

有鑒於此，有必要提出一種快速且環保將有機廢棄物製成合成氣的方法。

為解決上述問題，本發明的主要目的係提供一種有機廢棄物處理方法，係針對有機產生的有機廢棄物進行微波熱裂解，並取得氣體產物，亦即合成氣。為了有效得到高量與高熱值的合成氣，且避免過多的焦油與戴奧辛產生，本發明提出兩段式微波功率與加熱時間的控制。

為達到本發明的目的，本發明提供一種使有機廢棄物產生能量的方法，其特徵在於包括如下步驟：步驟(1)，將一有機廢棄物進行一前處理；步驟(2)，將該前處理之有機廢棄物在一少氧條件下進行一加熱處理加熱至一最高溫度，在溫度600℃以下時，使用一第一種升溫速度，且在超過溫度600℃時，使用一第二種升溫速度；步驟(3)，將該加熱處理之有機廢棄物分解成一氣態物質。

根據本發明之一特徵，步驟(2)中之該加熱處理係將該前處理後之有機廢棄物在該少氧條件下加熱至一最高溫度在800-1000℃之間。

根據本發明之一特徵，在步驟(2)中之該第一種升溫速度大於該第二種升溫速度。

根據本發明之一特徵，在步驟(2)中之該第一種升溫速度為該第二種升溫速度的1.5倍以上。

根據本發明之一特徵，在步驟(1)中之該前處理係將該有機廢棄物進行一除水處理與一破碎處理。

根據本發明之一特徵，該除水處理係選自機械脫水或乾燥脫水之一，將該有機廢棄物含水率降低至70-50%。

根據本發明之一特徵，該破碎處理係將有機廢棄物破碎至10mm以下。

根據本發明之一特徵，步驟(2)中之該少氧條件下係選自使用限制進氣設計或通入惰性氣體之一。

根據本發明之一特徵，步驟(2)中之該加熱處理係採用微波加熱處理。

根據本發明之一特徵，在溫度600℃以下時，使用一第一種微波功率，且在超過溫度600℃時，使用一第二種微波功率，且該第一種微波功率大於該第二種微波功率。

本發明之有機廢棄物製成合成氣的方法具有以下功效：1 使用微波加熱處理的熱效率極高，合成氣的生產效率佳；2 使用微波加熱處理的耗能極低，且無煙霧與臭味等問題； 3 使用微波加熱處理有機廢棄物，由於可快速升溫，對於廢棄物波動性忍受度較高，且能避開戴奧辛產生之溫度區間200-400℃。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1顯示本發明之一種有機廢棄物產生能量的方法的流程圖。

雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於本文中說明者係為本發明可之較佳實施例。熟習此項技術者將瞭解，本文所特定描述且在附圖中繪示之裝置及方法係考量為本發明之一範例，非限制性例示性實施例，且本發明之範疇僅由申請專利範圍加以界定。結合一例示性實施例繪示或描述之特徵可與其他實施例之諸特徵進行結合。此等修飾及變動將包括於本發明之範疇內。

為達到本發明的目的，本發明提供一種使有機廢棄物產生能量的方法。現請參考圖1，其顯示本發明之一種有機廢棄物產生能量的方法的流程圖。該方法包括下列步驟：步驟(1)，將一有機廢棄物進行一前處理；步驟(2)，將該前處理之有機廢棄物在一少氧條件下進行一加熱處理加熱至一最高溫度，在溫度600℃以下時，使用一第一種升溫速度，且在超過溫度600℃時，使用一第二種升溫速度；步驟(3)，將該加熱處理之有機廢棄物分解成一氣態物質。

有機廢棄物泛指的是動物、植物、微生物之殘體或是其自然活動產生的廢棄物質，如生產或消費過程所產生的無用、不要或丟棄的物質，包括氣態、液態及固態廢棄物。有機廢棄物種類可分為事業有機廢棄物、 農業有機廢棄物與民生有機廢棄物三大類。事業有機廢棄物來自：食品工廠、釀酒、廠屠宰場、餐廳、市場、醫院、飯店、生物污泥...等。農業有機廢棄物來自：花園、蔬果、養菇場、農場、林木業、養雞場、養牛場、養羊場...等。民生有機廢棄物來自：廚餘、政府機關、軍事單位、學校、監獄、社區...等。其中，禽畜類包含雞、鴨、鵝、豬、牛或羊等，而禽畜廢棄物係指，在養殖禽畜時，或在屠宰禽畜時所產生的各式廢棄物，包含污泥或污水。例如養殖雞、鴨、鵝、豬、牛或羊時候的禽畜排泄物，飼料殘渣等，或是屠宰時禽類羽毛、血水、下腳料、不可食用的部分等。未經處理的禽畜廢棄物其含水量可能高達100%。

在步驟(1)中，該前處理係將該有機廢棄物進行該除水處理至與該破碎處理。先將該有機廢棄物之含水率降低至70-50%，可縮短後續加熱至600℃之時間，且後續為與水蒸氣反應生成可燃氣體，需控制適當水含量，較佳的，將該有機廢棄物之含水率降低至65-50%，以產生熱值較高之可燃氣體。並將該除水之有機廢棄物破碎至10mm以下，以及增加反應物加熱時的均勻性。

在步驟(1)中，該除水處理係指將該有機廢棄物之含水率降低，可選自機械脫水或乾燥脫水之一。機械脫水原理主要可分為真空過濾脫水、壓濾脫水及離心脫水三大類。真空過濾脫水又稱為減壓過濾，利用抽氣減壓裝置將下腔的空氣部分抽除，造成壓力差，使液體在重力與壓力差的雙重作用下加速過濾，以達到快速分離液體與固體沉澱物之目的；壓濾脫水由由機架、濾板、濾布等機件組成，待處理物壓送接觸濾布時，較大顆粒在濾布孔洞前產生架橋作用行成濾餅而達固液分離效果；離心脫水主要藉由高速旋轉產生的離心力作用下，固體顆粒被甩貼在內壁上，形成固體層，藉此達脫水效果。乾燥脫水採加熱處理方式，例如通過曝曬乾燥、熱風乾燥、火爐加熱、電熱乾燥、微波乾燥等，一般乾燥至100℃至150℃ 高溫，時間約10分鐘到30分鐘，可使該有機廢棄物水分蒸發，達到該有機廢棄物之除水目的。較佳地，為了達到快速除水，在本發明的一實施例中，該除水處理係採用微波乾燥，以將該有機廢棄物之含水率降低至70-50%。

在步驟(1)中，該破碎處理係將有機廢棄物破碎至較小的尺寸。由於有機廢棄物不是均質材料，不同的形狀和結構會影響熱傳，進而影響熱裂解效果，因此需將較大型之有機廢棄物破碎，以能均勻混合之尺寸為佳。破碎方式採機械處理，可選用粉碎機、破碎機及絞碎機等。該破碎處理係將有機廢棄物破碎至10mm以下，較佳係至5mm以下。

需注意的是，步驟(1)中該前處理不限定先進行除水處理，再進行破碎處理，即可以先進行破碎處理，再進行除水處理，並不改變本發明的精神，與改變合成氣產生的結果。

其中，步驟(2)中之該加熱處理係將該前處理後之有機廢棄物在該少氧條件下加熱至一最高溫度在800-1000℃之間。且在步驟(2)中，藉由控制微波功率，該第一種升溫速度大於該第二種升溫速度。在步驟(2)中，該第一種升溫速度為10℃/每秒以上；較佳地，該第一種升溫速度為30℃/每秒以上；最佳地，該第一種升溫速度為50℃/每秒以上。而該第一種升溫速度為該第二種升溫速度的1.5倍以上，較佳地，該第一種升溫速度為該第二種升溫速度的2倍以上。藉此可以提高該加熱處理之有機廢棄物分解成該氣態物質的比例。

在步驟(2)中，該少氧條件下係選自使用限制進氣設計或通入惰性氣體之一。熱裂解是一種將有機物質在高溫、無氧或少氧條件下，分解成合成氣、生物油和可燃氣的熱化學反應過程。該少氧條件係指加熱過程中，加熱腔體內的氧氣量少於一般空氣的氧氣量，該少氧條件是指該氧氣量為一般空氣氧氣量的三分之一以下，較佳地，該少氧條件是指該氧氣量 為一般空氣氧氣量的十分之一以下。該少氧條件也可以透過限制進氣設計，亦即加熱腔體在反應過程，只有抽氣，而沒有進氣。藉由開始氧氣消耗完畢，沒有後續氧氣補充達到限制進氣設計。該少氧條件也可以持續通入惰性氣體，例如氮氣或氬氣，其流量速度與加熱腔體的容量成正比。

在步驟(2)中之該加熱處理裝置係選自窯、高溫爐、裂解爐、氣化爐或微波加熱設備。窯可依其能量來源分為柴窯、電窯、瓦斯窯，升溫速度慢，且需要使用大量能量，且氣體產物不易收集。高溫爐是一種常見的增溫裝置，其基本構造是將反應槽的四周加上加熱器以達到高溫，但高溫爐內存在溫度梯度，加熱並不均勻。裂解爐可分為管式與電熱式，其中管式裂解爐內的流體沿固體壁面流動，在爐內壁面形成了一個熱傳阻力之流動邊界層，且管壁容易結焦，造成熱傳損失；而電熱式裂解爐則因爐內存在溫度梯度，加熱並不均勻。氣化爐依其反應溫度區分為氣化熔融及氣化燃燒兩類，其中氣化熔融受限於高操作成本及高溫操作的影響，設備故障率高，年運轉率通常低於80%；而氣化燃燒對於進料要求高均質性外，產生之飛灰產量將較焚化處理技術高出二到三倍，需要利用集塵器捕捉收集並做後續處理。較佳係，本發明使用微波加熱設備，有別於一般傳統加熱程序，能量是以傳導、對流或輻射的方式，由物質表面傳遞到物質內部，容易有加熱不均勻的現象，微波是透過分子作用力以電磁場方式傳遞，是一種經由電磁場轉換為熱能的能量轉換程序，物質透過吸收及反射的方式，由物質內部傳遞到物質表面，加熱更為均勻。且微波加熱技術升溫快速，比起其他電熱設備更加節能。

在步驟(2)中，該加熱處理裝置係微波加熱設備。該微波加熱處理係將該破碎處理後之有機廢棄物在該少氧條件下加熱至600-1000℃之間。微波是一種電磁波，微波加熱乃利用輻射原理，透過介質表面進入物質內部，介質將吸收之微波能轉換成熱量而達到加熱之目的。較佳地，該 微波加熱處理係將該破碎處理後之有機廢棄物在該少氧條件下加熱至600-900℃之間，可獲得熱值較高的氣體產物。所需要的微波功率與加熱腔體的容量以及所處理的有機廢棄物重量有關，在本發明中，為了達到有效的溫度範圍，該微波加熱處理的微波功率的範圍係：有機廢棄物重量在100公斤以下用4KW到6KW，有機廢棄物重量在100公斤至300公斤時用6KW到9KW，有機廢棄物重量在300公斤至1000公斤時用9KW到15KW。

需注意的是，為了有效得到高品質的合成氣，且避免過多的焦油等副產物產生，在步驟(2)中包含：在溫度600℃以下時，使用第一種微波功率，控制縮短一第一段加熱時間使快速升溫至600℃；在超過溫度600℃時，使用第二種微波功率，且在溫度達到最終設定溫度前，持續慢速加熱一第二段時間。在溫度600℃以下時，使用一第一種微波功率，且在超過溫度600℃時，使用一第二種微波功率，且該第一種微波功率大於該第二種微波功率。

例如，有機廢棄物重量在100公斤至300公斤時，用6KW到9KW，在溫度600℃以下時，第一種微波功率為9KW；在超過溫度600℃時，使用第二種微波功率為6KW，且在溫度達到最終設定溫度前，持續慢速加熱至達最終設定溫度。這種兩段式微波功率與加熱時間的控制方式，很容易由腔體的電控設計達到，並且有效地得到高品質的合成氣，且避免過多之焦油等副產物產生。該微波加熱處理係採用一頻率在915MHz或2450MHz之一微波功率。

在步驟(3)中，將該反應後分解之該氣態物質收集後進行一後續處理，以生成一產生能量材料。其中，不可冷凝之氣態物質係指合成氣，該後續處理係選自可直接燃燒該合成氣，以產生能量應用於動力機械上使用或發電利用；可透過費希爾-特普希反應(Fischer-Tropsch process)製成合成燃料；或可經過純化處理後，將造成設備腐蝕的酸性氣體及導致設備 阻塞的焦油等雜質去除，因而可使用在效率較高之燃氣鍋爐、內燃機或燃氣渦輪機以回收電力。

可冷凝之氣態物質經過後續的冷凝處理，會形成液態產物，亦即生質油，將其進行煉製，最常見之製程為轉酯化反應(Transesterification)，可得生質柴油(Biodiesel)，可取代石化柴油作為引擎或鍋爐燃料，且具有燃燒效率高、排氣污染低、潤滑性佳、低碳等優點。

本發明之將有機廢棄物製成合成氣的方法之第一實施例，將取得之50Kg有機廢棄物採機械脫水之離心脫水機進行除水至含水率60%。將該除水處理之有機廢棄物以粉碎機進行破碎至10mm大小。將該破碎處理後之有機廢棄物置於通入惰性氣體之無氧環境中，進行微波加熱處理，微波加熱處理過程在最終達目標溫度900℃。在溫度600℃以下時，第一種微波功率為6KW；在超過溫度600℃時，第二種微波功率為4KW，且在溫度達到900℃前，持續緩慢加熱至達900℃。微波加熱處理設備連結氣體收集裝置，將氣體通過冷凝裝置以收集生質油；不可冷凝之氣體經過導管收集至儲存容器，即取得該合成氣材料。

本發明之將有機廢棄物製成合成氣的方法之第二實施例，將取得之200Kg有機廢棄物採乾燥脫水之大型烘箱進行除水至含水率50%。將該除水處理之有機廢棄物以粉碎機進行破碎至5mm大小。將該破碎處理後之有機廢棄物置於限制氣體進入之限氧環境中，進行微波加熱處理，微波加熱處理過程在最終達目標溫度800℃。在溫度600℃以下時，第一種微波功率為9KW；在超過溫度600℃時，使用第二種微波功率為6KW，，且在溫度達到900℃前，持續緩慢加熱至達900℃。微波加熱處理設備連結氣體收集裝置，將氣體通過冷凝裝置以收集生質油；不可冷凝之氣體經過導管收集至儲存容器，即取得該合成氣材料。

本發明之有機廢棄物製成合成氣的方法具有以下功效： 1 使用微波加熱處理的熱效率極高，合成氣的生產效率佳；2 使用微波加熱處理的耗能極低，且無煙霧與臭味等問題；3 使用微波加熱處理有機廢棄物，由於可快速升溫，對於廢棄物波動性忍受度較高，且能避開戴奧辛產生之溫度區間200-400℃。

雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種使有機廢棄物產生能量的方法，包含下列步驟：步驟(1)，將一有機廢棄物進行一前處理；步驟(2)，將該前處理之有機廢棄物在一少氧條件下進行一加熱處理加熱至一最高溫度，在溫度600℃以下時，使用一第一種升溫速度，且在超過溫度600℃時，使用一第二種升溫速度，該少氧條件下係選自使用限制進氣設計或通入惰性氣體之一；步驟(3)，將該加熱處理之有機廢棄物分解成一氣態物質。
2. 如請求項1之一種使有機廢棄物產生能量的方法，其中該少氧條件是指該氧氣量為一般空氣氧氣量的三分之一以下。
3. 如請求項1之一種使有機廢棄物產生能量的方法，其中在步驟(2)中之該第一種升溫速度大於該第二種升溫速度。
4. 如請求項1之一種使有機廢棄物產生能量的方法，其中在步驟(2)中之該第一種升溫速度為該第二種升溫速度的1.5倍以上。
5. 如請求項1之一種使有機廢棄物產生能量的方法，其中在步驟(1)中之該前處理係將該有機廢棄物進行一除水處理與一破碎處理。
6. 如請求項5之一種使有機廢棄物產生能量的方法，其中該除水處理係選自機械脫水或乾燥脫水之一，將該有機廢棄物含水率降低至70-50%。
7. 如請求項5之一種使有機廢棄物產生能量的方法，其中該破碎處理係將有機廢棄物破碎至10mm以下。
8. 如請求項1之一種使有機廢棄物產生能量的方法，其中步驟(2)中之該加熱處理之裝置係選自窯、高溫爐、裂解爐、氣化爐或微波加熱設備。
9. 如請求項1之一種使有機廢棄物產生能量的方法，其中步驟(2)中之該加熱處理係採用微波加熱處理。
10. 如請求項9之一種使有機廢棄物產生能量的方法，其中在溫度600℃以下時，使用一第一種微波功率，且在超過溫度600℃時，使用一第二種微波功率，且該第一種微波功率大於該第二種微波功率。

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