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高溫電漿處理光電產業廢棄物技術

報告人：詹德炬

泰程環境科技有限公司

報告時間：93年07月13日

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內容摘要

一.緣起

二.處理技術介紹

三.處理系統介紹

四⋅處理效果及評估

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緣起

市場需求：

1.國內光電產業發展蓬勃，廢棄物處理技術需求迫切2.歐盟新規定 將衝擊各項電子電機產品

2005年起廠商需回收電機電子廢棄物回收的WEEE指令限制其內含有害物質的RoHS指令

4,112.4

4,445.4

6,309.37,302.1

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

2000 2001 2002(e) 2003(e) 年別

產

值

：

新

台

幣

億

元

光電元件 顯示器 光儲存 光輸出 光輸入 光通訊 光學元件與器材 光電應用

5.40%

27.80%

36.30%

1.70%

19.20%

3.20%

4.90%1.40%

4.80%

37.70%

35.30%

1.40%

15.20%

1.20%

3.50%1.00%

4.60%

37.60%

37%

1.20%

14.70%

1.10%

3%

0.90%

24.70%

92.70%

37.90%14.1%

12.10%

-47.60%

-0.50%

3.30%

12.30%

15.40%

21.10%

0%

12.00%3.60%

-0.70%

2.40%

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處理技術面

1.現有處理技術(1)熱處理

焚化處理

(2)化學法乾濕式處理

2.各項處理均有可能之二次污染問題3.目前市場上並無可以完全一次處理有害廢棄物的技術4. 高溫電漿處理有毒廢棄物 ｢一次處理 ｣

乾淨徹底 經濟安全 無二次公害

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電漿是什麼?

• 物質的第四態• 高溫狀態下能導引電流的游離氣體

• 自然界的閃電為電漿狀態

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自然界電漿成因三部曲

ECosmic Ray

Atom

(一) 宇宙射線造成第一個電子

(二)電場加速使電子撞擊其他原子產生其他電子

(三)程序持續而原子們繼續被游離

Nebula

Shock Wave

Star

太空中的電漿狀態佔據超過99%以上的宇宙

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電漿存在現象例舉

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四種物質狀態之各項性質比較

狀態

溫度

分子空間之關係

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電漿原理與技術

電漿: 部份離子化的部份離子化的““氣體氣體”” ((或物質的第四態或物質的第四態)),「把帶正電的粒子與帶負電的電子以大約一樣的密度存在，並在電性上大致保持中性分布的粒子集團」。

要產生電漿必須把束縛在原子中的電子游離出來，可藉由電子在電場中加速，使帶有極高動能的電子撞擊氣體原子或分子而產生離子化反應。可以下列反應式來表示：

e-：帶負電荷的電子α2：分子

α：原子

α*：受激態的原子α+ ：帶正電荷的離子

h：Planck常數ν：放射光波的頻率

e-+α2→2α+e-

e-+α→α*+e-

e-+α2→2α++ 3e-

e-+α* →α++ 2e-

e-+α+→α+ hν

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電漿原理與技術(cont.)

高溫電漿處理廢棄物過程可視為能量轉換能量轉換的現象。當電漿的活化成份衰變，廢棄物與衰變中的電漿物質交互作用，廢棄物便被離子化、熱解、衰變並在最終被完全破壞掉。

電漿用在燃燒分解的用途上可分為高週波電漿及電弧電漿。

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傳統焚化爐技術與電漿處理技術之比較

傳統焚化爐技術 電漿處理技術

處理廢料對象 僅能處理可燃性物質 可燃性、非然性、金屬與非金屬物質均可

前處理步驟 必須先分類、裝箱 視進料種類與型態，可桶裝進料，適當配比混合

處理過程 熱解、氧化 熱解、氧化、熔融

熱 源 燃料、空氣、廢料釋熱 電能、電漿氣體、燃料、空氣、廢料釋熱

添加物 灰渣須添加固化劑作為固化體或利用高溫熔融固化 利用廢料配比或添加玻璃形成物以形成玻璃質固化體

灰渣特性 灰渣之有毒物質濾出率極高，須再固化或微波處理 玻璃質固化體濾出率極低，必要時金屬可以回收

減容比 約1：40~50 從1：20~30至80~90（視處理對象而異）

廢氣特性 廢氣量大、飛灰多、氮氧化物濃度較低 廢氣量少、飛灰少、氮氧化物濃度較高

灰渣固化裝置 需水泥、柏油或微波固化設備 不需要

固化體品質法規 已建立 不完備

全程處理後減容比 經固化後，實際減容比約為1：12 從1：10至1：300（視處理對象而異）

商業化過程 已商業運轉數十年，運轉經驗豐富 2002-2003年開始處理放射性廢料

總 評

☆只能處理可燃性物質，需投資各項前、後處理設備

☆最終減容比較低，故需固化處理

☆已商業化運轉多時，技術成熟；相關法規非常完備

☆可處理多種物質，毋須重複投資各項處理設備

☆單就有機可燃物而言，實際減容比非常大

☆商業化運轉實績較少1995, 20021995, 2002年年

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焚化與電漿處理之比較

一般焚化爐 AC電漿處理

中心溫度 1600～1800 oc 6000～10,000 oc

熱處理室溫度 1000～1400 oc 1600 ～3500 oc

操作原理 有氧燃燒 分子解離(無氧)

處理原理 不完全燃燒 完全分解，離子化氣體

氧氣需求程度 極高 不需氧氣

產生氣體 戴奧辛,咈南, NOx CO2,H2O,N2

產生固體 有毒灰燼(飛灰,底灰) 玻璃化熔渣(可資源化)

合成氣體

(可用於發電)產生量低 產生量高

80％-90％

廢棄物減容 85％-95％

(灰燼需再處理)

85％-95％

(灰燼不需再處理)

石化燃料 需要 不需要

佔地空間 使用空間大 佔地小且機動性強

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電漿處理的優點

熱處理效率高

可選用惰性,還原性或氧化性工作氣體

不用石化燃料,對空氣需求低 – 只有少於15%傳統焚化爐的需氧量

能量密度高,使反應器更小

不使用有污染顧慮的附屬設備

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傳輸式、非傳輸式直流電漿火炬

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AC電漿簡介使用交流電產生電弧進而產生電漿

電能轉熱能效率高 80% － 90%以上

啟動快

電極壽命長

體積小

無須特別之維修技術

可靠度高

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電漿處理技術的特性

利用電漿產生之極高能量，將廢棄物完全游離成簡單的中性氣體離子,原子與分子及無機熔渣。高溫電漿處理技術可一次完全處理廢棄物針對光電產業含DVD染料,OLED材料,OPC材料等成分廢棄物採用交流式電漿火炬開發處理技術平台及處理系統

直流式電漿 交流式電漿

調整功率之電子系統昂貴、複雜 使用標準三相電壓

設置費用較高 設置費用較低

維修技術需求高，可靠性低 設計單純

電漿束窄，電熱能轉換效率低

（25%～35%）擴散式火炬，電、熱能轉換效率高（80％～90％）

操作成本高，操作功率調整頻寬窄

（3：1）操作成本較DC低30％～60％可操作功率頻寬較廣（約10比1）

可用之工作氣體種類有限制 可用之工作氣體種類多，廢氣、固態小顆粒皆可

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高 溫 電 漿 應 用 範 圍 及 發 展 現 況 表應用 項目 國外 國內

電焊

金屬熔鍊

表面處理

真空濺鍍

焚化爐飛灰熔融 歐,美,日已有實廠 可行性學術研究中

本公司已規劃進行本土之可行性分析研究計畫中

毒性廢棄固、液體 可行性學術研究中及本公司積極研究發展中

毒性氣體 可行性學術研究中

無

熔渣回收再利用 美,日已有應用實績及相關研究

可行性學術研究中及本公司積極研究發展中

引擎動力

反雷達偵測

美俄研發中近成功階段

氫核融合電力 歐,俄,美,日學術研發中

廢水殺菌及處理

歐,美,俄,日已有實廠

放射性廢料減容

土質改良及土壤污染復育

材料研發

汽電共生

工業普遍 尚未普及

歐,美,日已有實廠 核研所(試運轉中)

美已有實地測試及整治實績

歐,美,俄已有實例太空科技無

美,歐有實廠能源無

環保應用18

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熔渣可資源化

Si

O+

O+

O+ O+

(M+:與SiO2鍵結之重金屬)

Si

O Si

M++

O

Si

O Si

M+

O Si

O Si

O

Si

O Si

M++

O

O(M++:重金屬)

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玻璃化土壤之穩定性

玻璃化土壤與天然火山

玻璃相近且滲漏度與

Pyrex 玻璃相近0

1

2

3

4

5

6

Cor

rosi

on R

ate

g/cm

2 -d

x 10

5

Material

Soxhlet Corrosion Rates ofVarious mateirals

Pyrex

Vitrified

Soil

Granite

Marble

Bottle

Glass

Based on data from “In Situ Vitrification of Transuranic Wastes; PNL-4800, March 1987

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先期研究成果

計畫名稱：AC電漿技術處理生技及光電產業廢棄物之先期研究

處理之廢棄物模擬試樣為:(1)有機電激發光顯示器(OLED)材料(2)有機感光鼓(OPC)材料(3)DVD-R 染料

證實經電漿熔融處理後，各模擬廢棄物之分子結構均已被破壞，形成對環境無害且可被資源化再利用的玻璃質熔岩。

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先期研究成果(續)

圖一 OLED模擬試樣經電漿處理後之熔岩外觀。圖二 OPC模擬試樣經電漿處理後之熔岩外觀。

圖三 DVD-R模擬試樣經電漿處理後之熔岩外觀。

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初步電漿處理成果

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先期研究後之延續成果

一、專利申請(一)申請案號：92122695

專利名稱：以高溫電漿處理含有鈦氧花氰有機廢棄物方法

申請案號：CFP-015006專利名稱：MELTING PLASMA METHOD FOR

TREATMENT OF ALQ3 ORGANIC WASTE

(二)申請案號：92118264專利名號：以高溫電漿處理含有三-(8-羥基奎口林

基)鋁之有機廢物的方法申請案號：CFP015061專利名號：METHOD OF USING HIGH TEMPERATURE PLASMA TO

DISINTEGRATE WASTE CONTAINING TITANYL PHTHALOCYANINE.

(三)撰稿中尚有二篇。

二、引進15KW電漿處理系統

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廢晶片處理實驗

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15仟瓦交流式電漿示範操作情形

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250仟瓦交流式電漿

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交流式(AC)電漿處理系統

六大主要部份

廢棄物前處理

熱處理

副產物處理

電力產生

系統控制

水電供應系統

廢棄物前處理

AC 電漿熱處理爐

電水

空氣

容渣可用於建築業

氣體精製.

少量含微粒鹽水

CO +H2合成氣

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系統方塊圖

電漿反應器1至8具10kW AC Plasma 火炬,視處理需求而定

電力供應Power Generator:

廢氣處理（符合環保署要求）

冷卻水Chilled Water:

工作氣體Working Gas:

飼入機制

水Water

氣體之降溫及重組、中和Gas Cooling and Scrubbing

NaOH+ NH3

火炬控制器

中央控制系統

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已商業化之廢棄物電漿處理系統(3-10噸/天)

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有機廢棄物電漿處理系統

已商業化運轉

處理成本低

潔淨無灰

可處理各種不同有毒廢棄物

通過加州空污標準

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自動化安全控制系統

全自動化控制啟動

停機

內建式測試功能

排放監測

緊急停機

熱屏蔽

全時監測系統

符合全美50州之排放標準

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系統設計之原則

廢棄物種類

有機或無機

熱含量

產生數量

適用之電漿種類

廢棄物低有機含量 高有機含量

合成氣體

低量高量 低量

雙石墨電極 AC 電漿

AC 電漿在氫氣下操作以減少氧化物生成

RF, LF, Microwave

雙石墨電極 蒸氣及 AC 電漿

AC 電漿

RF, LF, Microwave

高量

銷毀

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規格及處理效果

處理容量 200...600 公斤/小時

電極壽命 200小時

處理量 500...1000 噸/小時

比功率 1...3度電/公斤廢棄物

功率 600 千瓦

操作廠面積 200 平方公尺

AC電漿處理系統規格 測試結果

含氯有機化合物的移除率 (過氯乙烯perchlorethylene, 三氯乙烯trichlorethane)

99.9999%

氮氧化合物NOx concentration in combustion gas

< 2 mg/m3

一氧化碳CO < 4 mg/m3

鹽酸HCl concentration < 0.001 mg/m3

無自由氯 No free chlorine

無戴奧辛 No dioxins found in combustion gas

無有機物質（少量殘渣中）No organic substances found in mineral residue (ash)

Method sensitivity = 10 ppm

ppm為百萬分之一

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營運成本分析

項目 電漿技術 焚化技術設置成本 電漿

系統

約290萬/噸/日 約400萬/噸/日

維修及操作成本 1200元/T 1073元/T

飛灰處理成本 0 一般固化 約700元/T

電力產生率 12.54MW/h/T 5.2MW/h

電力回收率 70% 10-30%

年運轉天數 355天 310天

資源回收效益 有 (熔渣可製建材及手工藝品,以提高回收效益)

底灰可攙入水泥製程但仍有環保問題(日本已有滲漏案例)

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高溫電漿處理光電產業廢棄物技術電漿原理與技術電漿原理與技術(cont.)傳統焚化爐技術與電漿處理技術之比較電漿處理的優點傳輸式、非傳輸式直流電漿火炬AC電漿簡介熔渣可資源化玻璃化土壤之穩定性初步電漿處理成果交流式(AC)電漿處理系統有機廢棄物電漿處理系統自動化安全控制系統系統設計之原則規格及處理效果