廢棄物能源應用 The Utilization of the Waste Energy

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廢棄物能源利用 The utilization of the waste energy

廢棄物能源應用廢棄物能源應用 The Utilization of the Waste Energy

萬皓鵬主任Hou-Peng Wan, Ph.D

工業技術研究院能源與環境研究所新能源技術組生質物熱轉換研究室

April 21, 2009台灣 ۞ 台南 ۞ 國立成功大學


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內容• 前言• 廢棄物能源

– 廢棄物能源概述– 國內廢棄物質量與發展情形– 國外廢棄物能源發展趨勢

• 廢棄物能源製造與應用技術– 固態廢棄物衍生燃料 (solid refuse derived fuel)– 快速裂解 (Fast pyrolysis) 技術– 氣化 (Gasification) 技術– 熱化學轉換 (ThermoChemical) 新技術及趨勢

• 結語


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前言


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現今人類所面對的十大問題


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World GHG Emission中央研究院經濟研究所粱啟源博士：「目前台灣發一度電，大約要排出 0.63公斤的二氧化碳，日韓大約只有 0.42公斤左右」 (2009.4.)


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現今世界的能源狀況與展望… .


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熱門的能源議題… .• 自十八世紀工業革命以來，化石燃料被大量使用於創造人類

優質的生活，但是… .• 全球面對的問題：

– 傳統能源逐漸枯竭，能源供應的未來展望– 氣候變遷，導致溫室氣體減量需求日益增高

• 國內面對的問題：– 能源自主、安全及永續性– 低碳能源的需求、世界工業的競爭– 98 全國能源會議 ( 第三屆； 2009/4/15-16)

• 打造低碳社會邁向永續發展• 2050 年溫室氣體排放量降低至 2000 年的一半 • 台灣將朝「低碳家園」新境界邁進，而核能則是邁向低碳家園的過渡選項。

1998年第一次全國能源會議2005年第二次全國能源會議2009年第三次全國能源會議


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面對「能源」與「環境」雙重問題該如何解決？


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廢棄物能源概述


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生質能（ biomass energy 或 bio-energy ）我國「再生能源發展條例 ( 草案 ) 」

生質能定義為「國內農林植物、沼氣、一般廢棄物與一般事業廢棄物等，直接利用或經處理所產生能源」生質物 (biomass) 泛指由生物產生的有機物質，例如： -- 木材與林業廢棄物如木屑等 -- 農作物與農業廢棄物如黃豆、玉米、稻殼、蔗渣等 -- 畜牧業廢棄物如動物屍體、廢水處理所產生的沼氣 -- 垃圾與垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產生的沼氣 -- 工業有機廢棄物如有機污泥、廢塑橡膠、廢紙、黑液等

利用生質物，經過轉換可獲得的可用能源，如電與熱。

與生質能息息相關的廢棄物能源


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再生能源、生質能與廢棄物能源


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• 什麼是「廢棄物」？ ( 依據廢棄物清理法 )

一、一般廢棄物：由家戶或其他非事業所產生之垃圾、糞尿、動物屍體等，足以污染環境衛生之固體或液體廢棄物。

二、事業廢棄物：（一）有害事業廢棄物：由事業所產生具有毒性、危險性，其濃度或數量足以影響人

體健康或污染環境之廢棄物。

（二）一般事業廢棄物：由事業所產生有害事業廢棄物以外之廢棄物。

• 一般廢棄物 (都市垃圾 ) 組成：– 紙類– 纖維布類– 廚餘類– 塑膠類– 金屬類– 玻璃陶瓷類– 其他

廢棄物？資源？


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台灣地區都市廢棄物處理現況


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台灣地區事業廢棄物


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台灣地區農業廢棄物


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台灣地區各種廢棄物總量與潛能• 初步推估台灣地區具能源應用廢棄物總量約 1,850 萬噸 / 年：

- 都市廢棄物： 453 萬噸 / 年- 一般事業廢棄物： 1,182 萬噸 / 年- 農業廢棄物： 215 萬噸 / 年

p.s. 不包括林業廢棄物、農業不適用廢棄物、事業廢棄物再生資源廢棄物等。

• 透過新技術的開發、高能源轉換效率、合理的經濟成本及完整的政策配套，將可有效建立我國自主能源廢棄物及生質能源比例。


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國外廢棄物能源發展趨勢


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廢棄物能源

製造與應用技術


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廢棄物能源技術與應用關連圖


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廢棄物衍生燃料 (RDF) 製品分類 / 等級 / 能源效率


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第五類廢棄物衍生燃料Densified Refuse Derived Fuels

(d-RDF 5)

物理性操作，使生質物或廢棄物轉換為能源利用性高的燃料


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第五類廢棄物衍生燃料製造技術 (RDF-5)利用物理程序，將廢棄物中不可燃部分篩除，並將「不可回收且適宜燃燒的物質」壓縮造粒，以節省儲存運送成本，並降低燃燒生成之空氣污染物及提高能源使用效率。


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RDF-5 燃料分析


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第五類廢棄物衍生燃料應用優點 (RDF-5)


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第五類廢棄物衍生燃料製造與應用技術


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第五類廢棄物衍生燃料能源效益Net energy effect of RDF-5: Net energy effect of RDF-5:

1 tonMSW

0.5 ton RDF-5

RDF-5Power plant with η =30 %

Energy output

785 kWh

Net energy effect405 kWh/ton MSW

Energy input 380 kWh

1 tonMSW

MSWincinerator

with η =10 %

Energy output

279 kWh


1 tonMSW

0.5 ton RDF-5

RDF-5Power plant with η =30 %

Energy output

785 kWh


Energy input 380 kWh

1 tonMSW

MSWincinerator

with η =10 %

Energy output

279 kWh


Net Energy Effect: RDF-5/incinerator: 405/279 = 1.45


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國外 RDF-5 製造與應用情形


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國內第一座 RDF-5 燃料示範廠經濟部能源局、花蓮縣政府、工業技術研究院合作設置，於 2004 年正式啟用全台灣第一座都市廢棄物 RDF-5 燃料示範廠，將豐濱鄉每日生活垃圾，轉換為工業用替代燃料。


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花蓮豐濱 RDF-5示範廠系統圖


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台灣地區 RDF-5 製造廠發展現況• 現有第五類廢棄物衍生燃料製造 (RDF-5) 廠 (2009) ，總產能

18.3 萬噸 / 年，產值約 2.74億元 / 年，約替代 11.1 萬 kLOE/

年燃料，減少 CO2 排放約 31.3 萬噸 / 年。• 除豐濱 RDF-5都市廢棄物廠外，其餘均以事業廢棄物為主。• 未來配合環保署相關政策，可提高 RDF-5 技術之應用。


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• 工研院自民國 91 年起，執行經濟部能源局計畫期間，分別與學界及業界合作進行 RDF-5混燒測試，爐型包含 :

– 中小型氣泡式流體化床燃燒爐 (BFBC)– 商業化循環式流體化床汽電共生鍋爐 (CFBB CHP)– 商業化氣泡式流體化床汽電共生鍋爐 (BFBB CHP)– 水泥旋轉窯 (R.K.)– 商業化機械爐床蒸汽鍋爐– 商業化氣泡式流體化床蒸汽鍋爐

工研院能環所自 94 年起發展中小型 RDF-5流體化床蒸汽鍋爐，由 2008 年年中運轉迄今 (2009.4) 成功運轉超過 6,000小時。

國內目前已有 RDF-5專用汽電共生廠及蒸汽鍋爐正使用 RDF-5已取代煤炭。

國內 RDF-5 應用測試與應用情形


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RDF-5 技術展望• 創新產業價值：

– 使工業委外清運之廢棄物，轉製為可利用之能源，並替代化石燃煤使用，大幅降低工廠成本、提高競爭力，創造產業價值。

• 提供「後焚化爐時代」廢棄物高效率能源化之選項。


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快速裂解技術Fast pyrolysis (RDF-6)

熱化學操作，缺氧情形下，加熱使固態生質物或廢棄物分子斷鍊轉換為以

油品為主的能源利用燃料


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快速裂解系統 ( 液化合成燃油產製技術 )


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熱裂解技術重要參數• 生質物熱裂解技術可產生液體、氣體及固體燃料 • 快速裂解技術重要參數：

– 高熱傳速度：需要將進料先行研磨，以減少物料體積，增加熱傳面積。

– 溫度與時間：嚴格的溫度控制（ 500℃）與滯留時間 (<2 sec)。

– 避免二次反應：快速冷凝以避免二次反應。

Klass D.L.. Biomass for renewable Energy, Fuels and Chemicals. Academic Press, SanDie

go, 1998.

Milne T.A. et al. NREL Report NREL/TP-570-25357, NREL, 1998.


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生質物快速裂解技術


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生質原油 (Bio-Crude) 成分


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國內外技術產製生質原油的差異


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Limitation (Key Issues) of Fast Pyrolysis Application


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國內外發展趨勢• 解決 bio-FT多元進料問題：以 biomass為進料的 FT製程需解決多元進

料問題；與 fossil原料比較， biomass量小而多樣性；目前 FT gasifie

r進料相當單一性，可將 biomass轉成 bio crude再作為 gasifier進料，。

• 國內外發展：Shell 2005年正進行將 biomass經由 pyrolysis液化為 b

io crude的研究；國內中油煉研所亦著手進行 bio crude及 FT fuel的研究。

• 工研院技術發展：以快速裂解 (fast pyrolysis) 為核心技術，目前工研院已可將工業廢塑膠液化為油品，正朝向將 biomass作為料源之技術發展。


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生質物裂解油發展趨勢


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氣化技術Gasification (RDF-7)

熱化學操作，部分氧化情形，加熱使固態生質物或廢棄物斷鍊轉換為以 CO 及 H2 為主的能源利

用


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氣化技術 (Gasification)


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氣化程序 (Gasification Process)


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氣化程序及其產物之流程示意圖


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廢棄物透過氣化與傳統燃煤鍋爐混燒（ Co-firing ）


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生物轉換技術Bio-energy Transfer Technology


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沼氣利用技術


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沼氣來源與熱電應用技術沼氣來源

•畜牧廢水：豬隻糞尿廢水為大宗•家庭污水：都市污水處理場•城鎮垃圾：垃圾掩埋場為主•各行業廢水處理場：食品業、紡織業、膠帶業等


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熱化學轉換技術新趨勢及新技術- Bio-refinery Conception & Technology- Torrefaction Technology


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What is the Biorefinery


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Main physico-chemical phenomena during heating of lignocellulosic materials at pre-pyrolytic conditions (torrefaction)

Torrefaction - General process


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Torrefaction - Energy densification, condiations, and product qulaity


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Torrefaction 技術國外應用分析• 國外以 Biomass （木屑、木片）為進料：主要目的為降低運輸

成本與便利性、提高生質物應用於既有設備之適用性等。• 國外尚未完全商業化：

– Intrgro Earth Fuel (USA): 預計於 2009 年完成年產量 35 萬噸工廠– 4Energy Invest (Belgium): 年產能 3.8 萬噸，規劃 2009 年興建大規模

工廠– TOPELL (Netherlands): 2012 年規劃年產能 100 萬噸– BO2GO (Netherlands): 規劃於 2009 年興建年產能 7 萬噸工廠

Figure: Mark Stumborg, 2nd APEC Workshop on Establishment of the Guidelines for the Development of Biodiesel Standards in the APEC Region, Taipei (2008)


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結語


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萬皓鵬博士正研究員兼主任工業技術研究院能源與環境研究所

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