廢棄物碳化資源回收處理技術

工研院環安中心研究員　金順志

 

　　事業廢棄物處理處置的重點是將廢棄物予以安定化、減量化、無毒化，因此焚化法及熱裂解法等熱處理已成為廢棄物回收處理的主流。但若以資源及能源回收的觀點而言，以焚化法處理廢棄物雖可將廢熱回收，惟仍未能善加利用廢棄物中的潛在能源與可回收之資源，實不宜以焚化法處理之。因此，目前廢棄物熱處理技術之發展趨勢，已漸由焚化技術轉型為廢棄物碳化處理技術，使有機物質進行碳化反應，並回收其能源及可再利用之資源化產物。如此，對資源貧瘠的台灣地區而言，不僅可降低對外來資源之依賴程度，也可有效減少廢棄物處理負荷，並將延長垃圾掩埋場之使用年限。

 

　　由於部分有機物質之碳成分轉化為含碳物質，除可做為替代燃料，並可因處理過程降低CO₂排放量，符合全球管制CO₂減量之趨勢。因此近年來，世界先進各國紛紛將研究重點轉為以碳化技術來處理各種廢棄物。

 

　　建立事業廢棄物碳化資源化廠規劃、設計、建造及操作運轉時，必須具備以下的資料及數據，以做為設計時之重要參數，如：廢棄物組成分析；廢棄物貯存方式、進料方式及進料量規劃；操作溫度及加熱方式；系統氣密性與缺氧量；反應時間；底灰與飛灰組成分析；產生之煙氣組成與煙氣量；空氣污染防治設備流程配置；系統操作運轉、維護與故障排除；及經濟效益評估。

 

　　工研院環安中心於88年度「事業廢棄物碳化資源化技術」研究計畫項下，設立一座50 kg/hr小型廢棄物碳化試驗爐，以取得碳化反應之關鍵設計及操作數據。該碳化試驗爐除了夾層式之碳化爐外，尚包括工研院既有之旋轉窯焚化系統之二次爐、降溫塔、半乾式除酸塔、袋式集塵器、誘引風車及煙囪等空氣污染防治設備。希望藉由工研院之設計技術，並配合國內相關爐體及機械製造業，將碳化系統技術與設備國產化，提供業者本土化之碳化系統。進一步解決日趨嚴重之事業廢棄物處理問題，同時擺脫對國外技術之依賴，而降低投資成本。

 

 

　　碳化反應可分為低溫與高溫兩種。在200~500℃低溫時，整個程序是以反應速率控制，因其在低溫狀態下碳化反應所需要的活化能很大，故其反應速率很慢。而在800℃以下高溫時，則由擴散速率控制程序之進行。

 

　　碳化反應本質上屬熱裂解反應，乃將固態或液態有機物質在缺氧環境下予以加熱（通常在400~600℃），促使有機物質之化學鍵結斷裂或破壞，所產生之化學分解反應。產生斷鍵反應後，部分有機物質之分子鏈會在適當環境進行重組，形成新的有機物質。另外，部分有機物質則保持低分子形態，經過一系列的物化學反應後，產生包括氣相之碳氫化合物、水蒸汽、以及含固定碳之焦碳與灰分之固體殘留物。若再經過適當的冷凝程序，氣相部分產品會以液態之油與水的形態出現。反應後，產生包括氣相之碳氫化合物、水蒸氣、及含固定碳之焦碳與灰分之固體殘留物。若再經過適當的冷凝程序，氣相部分產品會以液態之油與水的形態出現。

 

　　以加熱方式區分，碳化反應可分為直接與間接加熱碳化。其中直接加熱碳化反應所得之揮發性有機氣體，因被計量空氣中的氮氣稀釋，故所得之熱值較低。而以間接加熱碳化方式所得之揮發性有機氣體，因無被空氣中氮氣稀釋之考量，故具有較高之熱值。

 

　　碳化反應產生之有機氣體若不將之氧化燃燒，而將其冷凝，則可回收油、水混合物。再加以蒸餾程序處理，便可得各種油品，為資源化重要產物。由上述可知，碳化反應操作溫度之選擇，除須考量廢棄物本身之反應性外，更需視所欲得產品之成分而定。至於揮發性氣體成分與碳化操作溫度，則較無關聯性。

 

　　由於碳化反應為吸熱反應，故其反應器內之熱傳方式及效率，即為碳化反應設備選擇之首要考慮條件。其中，以間接加熱方式進行碳化操作，所得產品之品質較直接加熱方式為佳，但缺點為其熱傳效果較差，所消耗能源相對較多。故碳化反應設備之選擇，應綜合考量其產物品質及其經濟性等條件。

 

 

　　本系統測試時係以廢汽車廢棄物、破碎電線、印刷電路板、泡綿、電線屑、廢輪胎、廢橡膠、廢電線電纜、廢電路板等為對象，處理流程如圖2所示。碳化爐規格及設定之操作條件為：碳化爐處理量50kg/hr；內容積1.5m³以上；操作溫度300~600℃（視廢棄物種類而定）；碳化反應器尺寸 2.3mL x 0.9mΦ。其爐體構造採雙套筒式，內層材質為SUS 310，外層內壁砌SK-34耐火磚以隔絕高溫。內層安置攪拌器，使所有廢棄物獲得均勻的溫度以順利完成碳化反應。其進料口及排渣口以雙閘門式刀閥之啟閉動作，避免過量之空氣進入爐內影響碳化品質。此外，該系統亦需具有自動進料及排灰裝置；固態殘渣分選設備，以提高資源化產品之利用率；以及初步之煙氣冷凝設施，藉此探討煙氣冷凝液回收再利用之價值。

 

 

　　破碎電線、印刷電路板、紫色泡綿、電線屑、廢輪胎及廢橡膠等混合廢棄物，碳化反應後氣、固、液三相重量百分比分別為：固體57.7%~59.9%，液體15.5%~18.6%，氣體21.8%~26.8%。升溫速率較快者，氣體產生量較少，冷凝液較多。相對地，升溫速率較慢者，氣體產生量較多，冷凝液較少。碳化後收集的冷凝液不溶於水，為黑褐色液體，熱值約9,800 kcal/kg。

 

　　泡綿、電線屑、廢輪胎、廢橡膠等可燃物較多的廢棄物，其碳化前後重量損失較大約45%~62%。損失的部分，氣態主要為碳氫化物變成氫氣、甲烷、乙烷等分子量小的氣體；液態主要為苯、甲苯、芳香族等分子量大的液體。適當之操作溫度範圍為300~600℃，滯留時間則為1~1.5小時。

 

　　廢汽車廢棄物碳化後固體物質約含焦碳成分30％，含碳率43％，焦碳熱值4,000 kcal/kg以上。且鐵、鋁等金屬物質因尚未達氧化程度，皆可做為資源再利用的材料。一般而言，碳化反應較焚化技術更能有效回收廢棄物中所含之資源與能源（回收效率各為90％及60％以上）。氣體物質可直接回收利用外，亦可經冷凝程序轉換成可儲存的液態可燃物質，增加碳化物質回收利用之彈性。本項技術可大幅降低CO₂之排放，符合國際間對CO₂減量之趨勢。

 

 

　　廢棄物中具有回收價值之金屬物質，但因這些金屬物質與塑膠材質緊密結合，不易以機械或物理方式將之分離，故應用碳化資源化技術將塑膠材質脆化分離。且金屬物質在碳化之低溫環境下未受氧化，可直接回收做為原物料使用。所以事業廢棄物碳化資源化技術之建立，對廢棄物之資源回收具有相當的經濟效益。