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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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從廢棄物中提煉燃煤、燃油

蔣士棋

昔日的垃圾大戰,是全民記憶猶新的痛,也促成今日台灣資源回收效率達到世界第一,然而在回收之後,垃圾可以回饋人們什麼?工研院獲得2012年國家發明創作獎的「固態衍生燃料製造方法及其系統」,從廢棄物中提煉燃料,這名符其實的垃圾煉金術,將引領產業轉型,朝向生態永續發展的理想邁進。

電影《回到未來》的最後一幕中,駕著時光機從未來回到現在的布朗博士,從垃圾堆裡撿出樹葉、紙張、廚餘還有一個沒喝完的可樂罐,丟入時光機裡權充燃料,隨即帶著男女主角飛往三十年後的未來。現在,這個科幻電影裡虛構的情節,已經能在現實生活中成真。

在台灣,垃圾問題曾經是從政府到人民的最痛。1997年時,桃園縣中壢市的垃圾因為掩埋場已達飽和,其他掩埋場也不願意接納,被棄置在中壢市街頭。期間縣長呂秀蓮雖然也有找各縣市幫忙解決,卻因為民意反彈,每每都碰到鐵板,環保團體還因此提議,罷免中壢市長方力脩,釀成為時期超過一個月的垃圾大戰。

為了徹底解決解決掩埋場過度飽和的問題,環保署決定在各縣市廣建焚化爐,來取代早已不敷使用,又可能對環境造成危害的掩埋場;同時也開始大力推動資源分類回收。其中,時任台北市環保局長的沈世宏(現任環保署署長)更從2000年開始,大力推動垃圾費隨袋徵收政策,期待能夠一舉降低全國性的垃圾危機。

回收減廢 讓垃圾真正地再被利用

沒想到,推動資源回收的垃圾減量效果,遠遠超出預期。根據環保署的統計數據顯示,2000年時全國資源回收(不計廚餘回收)的處理量,從85萬噸大幅攀升至305萬噸,但同一時間內,全國的垃圾清運量卻從787萬公噸驟減至361萬公噸,減少了將近60%。

現在,垃圾過量的老問題雖然少了,但是卻出現了垃圾不夠燒的新問題。首先,全台灣每人每日的垃圾產生量,從2000年的1.04公斤,到去年時只剩下0.88公斤,在一般廢棄物的垃圾量大減之後,為了維持營運效率,焚化爐還得要收進事業廢棄物來焚燒升營運績效,如2004年時,事業廢棄物占全國垃圾焚化進場量不過20%出頭,但到了今年八月底,事業廢棄物的占量已經大幅攀升至35%,顯示焚化爐對事業廢棄物的依賴越來越深;但另一方面,全國焚化爐又因為即將屆滿使用期間而紛紛面臨除役,此時該不該為了日漸減少的垃圾量,再花一大筆預算重建焚化爐,也相當令人頭痛。

在工研院綠能與環境研究所副組長萬皓鵬眼中,這反而是一項新機會。因為,憑藉著甫獲得2012年國家發明創作獎的「固態衍生燃料製造方法及其系統」技術,丟棄不要的垃圾也能變成寶貴的能源。

「 花錢處理垃圾的時代應該要結束了,未來要讓垃圾產生真正的價值!」因此,萬皓鵬思考的方向,就是在既有的環境與技術限制下,提升能源使用效率並降低成本,以擴大廢棄物的應用層面。

他所指的,就是透過物理轉換以及熱化學轉換技術,讓原本只能在焚化爐裡燃燒發電的廢棄物,加值化成為固態或液態的生質燃料。物理轉換指的是將各種廢棄物在常溫至攝氏100℃左右,透過破碎、分選、乾燥、摻配、造粒的程序,不必破壞化學結構,就能夠製作成外觀呈現圓筒狀的「固態廢棄物衍生燃料」(Densified Refuse Derived Fuel,又稱RDF-5)。

就地取材!垃圾、稻稈、漂流木都能變燃煤、燃油

如果把處理的溫度拉高,就進入了化學轉換的領域。萬皓鵬補充,對於台灣常見的生質材料(biomass),如稻稈、廢木材,經過攝氏250℃至350℃的焙燒(Torrefaction),在常壓、缺氧環境下處理三十分鐘後,就能轉變成固體的生質煤(bio-coal)。如果再更進一步採用快速裂解技術(Fast Pyrolysis),把處理溫度提升至攝氏400℃至550℃間,投入的生質材料則會轉變成液態的生質油品(bio-oil)。

簡言之,不論焙燒、裂解、還是製作成RDF-5,目的都是讓廢棄物的使用價值能夠向上提升。其中,最主要的價值,就是增加能源的產生效率。萬皓鵬分析,一般焚化爐收進廢棄物後,多半以超過攝氏八百度的高溫直接燃燒成灰渣,再將產生的熱能發電出售,但因為廢棄物的組成份子複雜,而且還得負擔高溫燃燒的成本,每公噸垃圾的淨發電量只有279到370度左右,但同樣質量的垃圾轉製成RDF-5後,淨發電量立刻提升至405度,效益提升了1.1至1.5倍,遠遠超過直接焚化的效果。

其次,廢棄物製成生質燃料後,應用層面也更加寬廣。一般廢棄物要產生能量,必須集中至焚化爐燃燒產生熱能,再轉換成電能出售,使用管道相當單一;然而,製作成生質燃料後,就可以直接供給一般工業使用,如焙燒產生的生質煤,就能夠用於粉煤鍋爐系統中與煤炭混合燃燒,直接取代化石煤炭,而裂解生成的生質油則可以直接使用或透過油品改質以及開發副產品,包括燃煤電廠、汽電共生廠、蒸汽鍋爐甚至內燃機都能使用。換句話說,《回到未來》電影中拿樹葉、紙張、廚餘等廢棄物作為汽車燃料的故事情節,在現實生活中要成真,絕對不是痴人說夢的幻想。

談起開發的過程,萬皓鵬認為,最困難的部分並不是突破技術門檻,而是地域環境差異及讓產業認同並一起投入。他舉例,同樣是開發生質燃料,國外曾經有學者開發出以雞內臟提煉出燃油的技術;「可是在台灣,動物內臟可是鹽酥雞攤販的熱門商品,是可以拿來食用的,不像西方國家都是丟棄不要的垃圾;要是我們沒有注意這些區域差異特性,產業應用的價值就很有限了。」

因此,在設計生質燃料的操作系統時,萬皓鵬也特別注意台灣的在地特性。例如每年稻作收割後都會產生的稻稈,以及颱風過境後出現的漂流木,都可以用來製作RDF-5,然而稻稈的重量輕而且體積大,而漂流木則是形狀不規則,都不利於長途運輸,而且兩者也都有季節性的問題,因此,新能源技術組想出的解決方案,是開發移動式的RDF-5的製造設備,直接用貨櫃車運到產地生產,來降低運輸成本。

「對農民來說,稻稈如果露天燃燒可能會被罰款,但放在田裡當肥料,可能還沒腐化就被雨水沖刷出來了;現在可以做成生質燃料,也為他們解決不少問題。」萬皓鵬說。

焚化爐轉型 將工業廢棄物煉成生質能源

對於將本求利的企業來說,則是早早就切入這項能夠廢棄物變黃金的技術。如國內的主要工業造紙龍頭廠,2009年時就安裝了一條RDF-5的生產線,以廢紙排渣為原料,一年可以生產將近一萬噸的RDF-5,目前共有兩條生產線,每年的RDF-5的產量可以達到15萬噸;另一個大力投入RDF-5 生產的紙廠,則是擁有私家掩埋場的廣源造紙,過去以掩埋方式處理廢紙排渣,萬皓鵬笑說,廣源引進RDF-5 的製造技術後,才發現這些廢棄不要的垃圾竟然變成了燃料的原料。「現在他們不但不掩埋了,還持續把過去埋的廢紙渣再挖出來,做成RDF-5替代紙廠原需外購的煤炭使用出售。」

現在,連環保署也看上這項物理分選的前處理技術。其實,早在2004年,工研院就在花蓮設置了第一座都市垃圾的RDF-5示範廠,每小時可以有一噸的垃圾處理量;萬皓鵬指出,環保署現在正計劃引入機械分選製程,以及裂解、焙燒等技術,讓台灣的24座焚化爐逐步轉型成為生質能源中心,而經濟部能源局也在積極研發及推動生質燃料與能源產業應用,目的都是希望讓台灣的生質能源能夠更有效率的運用。

從2001年工研院接受經濟部能源局委託,進行RDF-5技術開發到現在,已經在生質燃料領域耕耘了超過十年。在這段時間當中,萬皓鵬還記得,為了要讓其中的裂解技術具備商業應用價值,必須要達成72小時連續運轉的目標。其中,當系統從8小時、24小時逐步朝72小時前進時,又剛好碰上颱風侵襲以及停電的雙重打擊。「我們當時是讓所有人輪班操作,每個人都不希望自己當班時讓系統停止運轉。」萬皓鵬很感謝整個研發團隊,靠著這種「不能停在我手裡」的信念,連續運轉的目標順利達成,現在包括中鋼、中油、大愛感恩科技等業者,都對這項技術有高度興趣。

從早期的垃圾大戰,到後來的垃圾量大減,垃圾處理的問題在台灣從未消失,只是一再轉變。過去人人對垃圾是避之唯恐不及,即使蓋了焚化爐,還是得花一筆錢來處理掉,直到現在有了RDF-5與生質物的裂解、焙燒技術後,所謂的垃圾才真正有了變成黃金的可能。

尤其,對於地狹人稠,能源有限的台灣來說,讓每一份物力都發揮最大效益,而非把資源浪費在無用的事物上,才是永續發展的最重要原則;工研院的生質燃料技術,正好為「永續發展」這個課題,下了最好的範例。

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