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流體化技術:廢棄物衍生燃料的使用

在倡議節能減碳的今天,採用高效率的氣泡式流體化床鍋爐,並以廢棄物為燃料,是可同時達到節能、環保、經濟等多重目標的重要做法之一。
 
 
 
廢棄物與能源利用

現代人每天生活中或多或少都會產生廢棄物,廢棄物的資源回收就成為相當重要的工作。環保署的資料顯示,由民國 92 年至 97 年的垃圾清運量和垃圾組成特性分析結果,發現垃圾中可回收再利用物質的數量有大幅減少的趨勢,如紙類減少 22.7%、廚餘類減少 46.9%、塑膠類減少 29.9%。全國垃圾回收率也由民國 92 年的 19.7%,提升至 97 年的 43.2%。可見我國垃圾強制分類和資源回收工作,已獲得民眾普遍配合且成效卓著。

然而,垃圾中有很多不適合回收但又具有熱能應用價值的物質,如不適合回收的紙製衛生用品、非公告回收的塑膠項目、行道樹樹枝,甚至農業廢棄物(如稻稈、果樹殘枝)、工業廢棄物(如紙廠散漿廢棄物、廢泡棉),必須以能源和環保角度思考最佳的加值化技術和處理方法,以達到廢棄物穩定化和高效率能源應用的目的。

廢棄物能源利用兼具替代化石能源和廢棄物處理的雙重優點。廢棄物若沒有良好的應用或處理,會對環境產生相當大的危害和影響,例如露天燃燒產生空氣汙染、生質垃圾掩埋和森林廢木腐壞逐漸產生沼氣,進而造成火災或溫室效應加劇等。因此,廢棄物能源是所有再生能源中,唯一若不積極使用會造成環境直接衝擊的能源。

廢棄物衍生燃料(refuse derived fuel, RDF)技術是把廢棄物,包括都市垃圾、一般事業廢棄物、農業廢棄物等,利用物理或熱化學等方法,轉製為性質均一燃料的技術。依據處理程序的不同,RDF 可分為 7 類,即 RDF-1 至 RDF-7。隨著處理程序的提升,所產生的 RDF 燃料等級越高,代表能得到的熱能回收也越高、汙染也越低。

一般而言,把廢棄物送入焚化爐焚化並做熱能回收,是屬於 RDF-1 的應用,以發電效率而言,約 10 ~ 20%。隨著分選、破碎、乾燥等物理程序的增加,廢棄物中不可燃或不適燃的物質逐漸減少,性質逐漸均一,最後壓製為固態的燃料棒,廢棄物就由 RDF-1 提升品質至 RDF-5(稱為「第五類廢棄物衍生燃料」)。

透過無氧中溫(約攝氏 300 ~ 500 度)的加熱裂解技術,把廢棄物轉製為油品,稱為 RDF-6。透過高溫(約攝氏 800 ~ 900 度)部分氧化的氣化技術,把廢棄物轉製為合成燃氣(如氫氣、一氧化碳、甲烷等),則稱為 RDF-7。

簡言之,如果把一般家戶所收集到的垃圾不經分類(RDF-1)直接送入焚化爐中燃燒,可以回收的電能效率會小於 20%。反之,若經過衍生燃料技術的轉換,垃圾廢棄物提供的可用能源,能使發電效率達到 30% 以上。

第五類廢棄物衍生燃料

「第五類廢棄物衍生燃料」(RDF-5),是藉由破碎、分選、乾燥、摻配、造粒等程序,把廢棄物轉化成性質均一且容易儲運的固體燃料。一般垃圾經過轉化變為 RDF-5 後,在使用上較一般生垃圾具有:燃料尺寸、大小、形狀和性質較為均一,含水率低,熱值高(約為煤炭的 2/3 以上)、容易儲存和運輸、燃燒產生的汙染低、燃燒效率高等優點。

我國 RDF-5 技術的發展,主要是由工業技術研究院(工研院)主導,自 1999 年起,在經濟部能源局委託下,發展以都市垃圾和一般事業廢棄物為原料的製造和應用技術。RDF-5 製造技術的發展重點,在於以處理成本低、能源投入少和燃燒二次汙染排放少的方式,開發把各種廢棄物製成高品質 RDF-5 的製程。

2001 年,經濟部能源局和工研院完成 200 kg/hr 處理量的 RDF-5 先導實驗廠,並在花蓮縣豐濱鄉建造一座以都市廢棄物為原料,處理量 1,000 kg/hr  的 RDF-5 製造示範工廠,2004 年 6 月正式運轉。至 2009 年為止,工研院 RDF-5 技術已成功進行 6 家次的專利和一般技術授權,協助廠商設置了 4 座 RDF-5 製造廠。目前臺灣地區總 RDF-5 產能一年近 18 萬公噸,所產生的燃料提供汽電共生鍋爐、蒸氣鍋爐做為替代煤炭使用。

目前 RDF-5 雖然已屬於一般燃料,但它的組成畢竟是由廢棄物而來,因此 RDF-5 燃料的應用技術是廢棄物衍生燃料應用是否成功的關鍵。在 RDF-5 應用技術方面,主要考量包括廢棄物經過篩選、重組之後,燃燒效率是否提升,汙染物生成和排放是否降低,對於原有燃燒系統是否造成不穩定等。

工研院已分別在不同形式的多座鍋爐進行 RDF-5 與煤炭混燒和全燃燒的測試,也成功開發了一座 RDF-5 中小型氣泡式流體化床鍋爐。綜合測試結果顯示,既設鍋爐若不經修改,約可採用 30% 以下的 RDF-5 和煤炭混燒;若針對 RDF-5 設計的鍋爐,則可達到 100% 的燃燒,同時可達到系統穩定、各項汙染物排放都符合環保法規所訂的標準。

RDF-5 的特性

RDF-5 主要由農林、工業或都市廢棄物,經過適當的處理後所製成。換言之,一般生質物或廢棄物的基本化學性質仍然存在,但可藉由不同的分離程序,使 RDF-5 成分中不適燃或不可燃的物質減少。

一般而言,RDF-5 具有以下特性,而這些特性會影響應用系統(如氣泡式流體化床鍋爐)和周邊設施的設計。

外觀與物性 廢棄物經分離、壓縮、乾燥後製造成為 RDF-5,較原料源形狀更均一、更緊密,可節省運送成本,且較容易進料和運輸。RDF-5 成品一般是以卡車運輸,運輸過程須避免雨水淋溼使其受潮變質。

在 RDF-5 製造量少的情況下,可用太空包袋裝,並以堆高機堆成數層保管。但在 RDF-5 生產量大的情形下,儲存於儲藏槽中會比較適宜。若 RDF-5 製造廠位於使用廠附近,也可直接由製造廠輸送至使用廠。

分解腐敗性 RDF-5 是經乾燥處理的廢棄物,依據日本 TR 規範,含水率要求在 10% 以下。此外,為了避免 RDF-5 受到微生物的作用而腐敗(尤其是含有廚餘的都市垃圾製成的 RDF-5),除需注意儲存處須乾燥外,一般會在製程中添加石灰石或消石灰。石灰石或消石灰的添加主要是防腐敗,在燃燒過程中也可做為脫硫或脫氯的反應物。

燃料熱值與特性 RDF-5 具有較原料源更均一、安定的燃燒特性,可單獨或和煤炭、木屑等混合燃燒。一般家庭垃圾製成的 RDF-5 的熱值約 4,000 ∼ 5,000 kcal/kg,一般事業廢棄物所製造的 RDF-5 的熱值可高達 6,500 kcal/kg,相當於褐煤的熱值。RDF-5 的形狀和發熱量與煤炭、木屑類似,又都是固體燃料,因此比較容易混合燃燒。惟因 RDF-5 的組成中,揮發物的比率遠比煤炭高,因此燃燒速率較煤炭快,會左右 RDF-5 在鍋爐中燃燒的機制和溫度分布。

燃燒汙染物的控制 製作加工 RDF-5 燃料時,可添加消石灰等做為脫氯劑,在燃燒時會抑制硫、氯系氣體產生,因此所產生的廢氣安定,容易控制。然而,石灰添加量過多會降低發熱量和增加灰渣。此外,RDF-5 畢竟是用在燃燒程序中,因此燃燒機組後端適當的空氣汙染防治設備,仍是不可或缺的組件。

燃燒應用特性 RDF-5 和石油、天然氣等比較,在搬運、保管、供給等處理上較複雜,但和煤炭等燃料比較,又較為簡單。使用 RDF-5 必須有固體燃料燃燒用的鍋爐,如爐格式燃燒爐、流體化床式燃燒爐等。此外,適當的空氣汙染防治設備和灰渣的妥善處理,是非常重要的要求。

氣泡式流體化床鍋爐

傳統的鍋爐多採用化石燃料,如煤炭、重油、柴油、天然氣、液化石油氣等。一般而言,傳統鍋爐的燃料性質均一,燃燒效率高,且應用技術成熟。近年來生質能源和廢棄物能源利用逐漸受到重視,開發適用於新燃料且能達到高效率、低汙染的燃燒系統,就成為積極研發的目標。

氣泡式流體化床鍋爐(bubbling fluidized bed boiler, BFBB),主要是以氣泡式流體化床燃燒爐結合水管鍋爐結構所組成。氣泡式流體化床水管鍋爐,主要結構及目的為:(1)風箱:用以蓄積流體化/燃燒用空氣的壓力,以達成使砂床流體化的目的。(2)氣體分布器:商業化系統多布設數十、甚至數百個噴嘴,使風箱氣體均勻分布於砂床中,以使其流體化。(3)流體化床:一般以矽砂做為床質,其主要優點在於低成本、耐磨等。固定碳及部分揮發分,在此處透過氣體分布器所產成的氣泡與氣體混合進行燃燒。為達控溫目的,這一區常裝設噴水裝置或熱傳管。(4)乾舷區:位於流體化床上方,揮發性物質主要在這裡燃燒,大部分燃料在離開乾舷區前燃盡,因此常在乾舷區供應分段燃燒的空氣,這一區並含有部分被淘失(elutriation)的砂子。一般氣泡式流體化床水管鍋爐於乾舷區末端區域,常會設置水管牆,以吸收流體化床及乾舷區的輻射熱。(5)燃盡氣體出口:位於乾舷區末端,主要目的是排出燃燒後產生的煙道氣,其設計需兼顧防止粒子淘失。(6)對流熱傳區:這裡布設一定熱傳面積的水管,主要目的在以對流及傳導方式吸收煙道氣中的熱量。(7)其他部分:包括循環鍋爐水的水鼓、氣鼓;燃燒系統、公用設備(風機、泵浦)、自動控制設備等。

針對 RDF-5 燃料的物理和化學特性,在設計和操作氣泡式流體化床鍋爐時,必須有以下的考量:

燃燒機制的改變和調整 依據燃料成分分析的結果,RDF-5 的揮發分遠高於煤炭,因此當燃燒 RDF-5 時,主要以揮發分燃燒為主。根據試驗結果,燃燒 RDF-5 時,揮發分受熱後會在進料點附近大量釋出。這時若氧氣含量充足,會使得燃燒的火焰大部分集中在進料進入爐室區,燃料的燃燒快速,因此高溫區集中在進料附近,若空氣分配不佳,容易形成局部高溫。

反之,當煤炭燃燒時,因環境溫度的上升,會先開始乾燥(水分脫除),然後進行裂解(揮發分揮發)和燃燒。當揮發分燃燒後,固定碳再緩慢燃燒,因此底部空氣的分布是左右燃燒是否完全的關鍵因素。

在既有的固體燃料鍋爐中,如要改用 RDF-5,就必須針對燃燒控制做適當的調整,包括空氣的調整、燃燒速率的調整、進料模式等,如此才能有效率地使用 RDF-5 燃料。

溫度的控制 一般而言,當含高揮發分的燃料進入流體化床的砂床內時,會迅速釋放揮發物,且和氧氣反應,進而燃燒放熱。因此,氣泡式流體化床的空氣配比(一次空氣/二次空氣/三次空氣等)就變得相當重要。

以氣泡式流體化床燃燒來說,在特定砂床粒徑和比重下,為達到良好的流體化,空床氣速必須達到一定的大小。但過多的一次空量會提供燃料充足的燃燒氧,進而使大部分的燃料在床內燃燒而釋放熱量,這時極有可能使砂床溫度過高(> 950°C)。若燃料以生質物或廢棄物為主,往往含有較多的低熔點的鹼金屬或鹼土金屬,砂床溫度過高容易造成砂床結渣,進而使得系統停機。

為避免氣泡式流體化床在燃燒 RDF-5 等高揮發分含量的生質物時,可能造成床砂溫度過高的危險,一般可採用床內設置熱傳管以移除過多的熱量。熱傳管的形式包括盤管型、水平管型及垂直管型,另外又可分為固定式、移動式等,可依不同設計者的理念而定。

床內熱傳管設計所需考量的因素,有熱傳面積、結合鍋爐汽水鼓的水/汽輸送設計、砂床內磨蝕、溫度結構等。傳熱管的面積多寡須視操作範圍、燃料特性等多項因素決定,以工研院所開發的 RDF-5 氣泡式流體化床鍋爐為例,燃燒以廢紙排渣所製作的 RDF-5 時,床內釋熱量約占總釋熱量的 55%。在了解床內釋熱量後,便可計算所需的傳熱面積,進而設計傳熱管。

氣體分布器的設計 氣體分布器是流體化床設計的關鍵,主要功能是使床砂混合均勻。專業書籍對於氣體分布器雖有原則性的設計準則,但必須經過實際測試和驗證後,才能達到最佳化的設計。

氣體分布器由數根鼓風口所組成,其設計的主要考慮參數包括壓損(氣體分布器、砂床重量等)、流體化行為(氣泡性質、行為)、氣體速度(流體化行為)、床內熱傳(溫度)、材料和使用壽命等。而氣體分布器每支鼓風口的孔口大小和角度,是依所需要的氣速設計的,主要考量因素包括單一鼓風口流體化範圍、磨蝕、漏砂、經濟成本等。鼓風口的數量和布設方式,則依據布氣經驗、排砂、流體化行為、熱傳行為、砂床周界行為等因素設定。

腐蝕與積灰 以廢棄物或 RDF-5 為燃料燃燒時,由於 RDF-5 中氯、硫或一些金屬類含量較一般傳統化石燃料高,燃燒後有可能生成氣態汙染物(如氯化氫、硫氧化物等),而對原有系統(尤其是鍋爐的爐管)造成潛在的危機。

氣泡式流體化床鍋爐的燃料燃燒後的氣體溫度在攝氏 850 ~ 1,000 度左右,流經鍋爐內各階段的熱交換裝置(如過熱器、節熱器、空氣預熱器等),至煙囪排出大氣前的溫度約為攝氏 150 ~ 170 度,因此會對各項裝置產生不同的熱衝擊。

在攝氏 320 ~ 800 度高溫時,會對鍋爐爐管產生高溫腐蝕。高溫腐蝕主要包括金屬管材的硫化和氯化現象,發生原因是廢氣中的硫氧化物和金屬作用形成硫化鐵,或廢氣中的氯化氫和金屬作用形成氯化鐵,使金屬材料失去氧化保護層而腐蝕。此外,一些鹽類也是促成高溫腐蝕的重要因素。

一般工業用鍋爐火側的金屬設備,常由於進氣吸入鹽分和燃油中含有腐蝕性元素,經高溫燃燒後氧化生成低熔點產物,並以熔融顆粒形式黏附在管材表面上,促進金屬基材的高溫腐蝕,造成機件異常損壞。因此,在現有鍋爐中使用 RDF-5 時,須特別針對腐蝕防治做相關的調整與改善。

此外,因為 RDF-5 燃料的複雜性和灰分特性,燃燒後的灰分常易黏結在鍋爐耐火材料內壁上,或黏結在傳熱管管壁上。前者會造成氣流通道狹隘,使氣體流速加快,造成燃燒不完全或磨蝕現象;後者會造成傳熱效果不佳、腐蝕、氣體流道狹隘等問題。因此,適當的吹灰裝置的設置和使用時機,在燃燒RDF-5燃料時較使用煤炭時要求更高。

流體化床是高效率的反應器,廣泛應用於不同領域。在燃燒領域方面,因高熱傳和質傳效率而廣被固體燃料燃燒的鍋爐系統所採用。廢棄物衍生燃料可把廢棄物轉製為低汙染、高效率的再生燃料,結合氣泡式流體化床鍋爐的高效率燃燒,為廢棄物和生質能源的應用開創嶄新的一頁。
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