電漿熔融技術處理焚化爐灰渣之實例探討

morris_2007

一、技術原理


(一)電漿原理
       電漿係指一部份離子化的〝氣體〞，其〝氣體〞內的組成有帶正電荷的離子、帶負電荷的電子及不帶電的原子及分子等。電漿的產生是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，被撞擊的氣體原子或分子被解離為一個帶正電子與一個電子，此解離反應結果便產生兩個自由電子，此兩個電子會再被加速而撞擊其它氣體分子或原子，使其解離後可產生四個自由電子，由此連續反應將反應區域的氣體電漿化。氣體電漿化的初期，氣體被解離的速率大於電子與離子結合成中性氣體的速率，當解離速率與結合速率相等時，電漿中的電子與離子濃度便為定值，形成穩定電漿的平衡狀態。
              
　　電漿中的離子與電子因電場作用加速，而產生極高的速度與動能，且以溫度的形態表現。電漿一般以氣體壓力可區分為高溫電漿(＞0.132atm)及低溫電漿(＜1.32×10-3atm)。低溫電漿表示內部的氣體粒子數相當少，彼此碰撞的機率小，因此電子在平均自由路徑（mean free path）甚大的狀態下，可被電場加速至高動能，其電子溫度可高達30,273 0K；而當壓力＞0.132atm時，因電子、離子和中性粒子間的碰撞次數遽增，彼此間的能量充分地互相傳遞，使各粒子的溫度趨於一致，而成為一熱力平衡狀態的電漿。
                     
(二)電漿熔融技術
       電漿用在燃燒分解（及熔融）的用途上可分為高週波電漿（Radio Frequency Generated Plasma）及直流電弧電漿（DC Arc-Generated Plasma）。前者利用高週波電磁場反覆加速電子撞擊中性原子或分子，而產生能量，後者則是藉離子撞擊陰電極產生二次電子提供能量。目前用於廢棄物處理是以直流電弧電漿作為熱源，在此僅就其操作原理作概要說明。

　　直流電弧電漿是由電漿火炬所產生，基本上是利用火炬中噴出的氣體使兩電極間的放電效應穩定化，即上述反應中，氣體內電子－離子對的生成速率與結合速率相等。就電弧產生的方式以及兩個電極位置的不同，電漿火炬又可分為傳輸式（transferred）與非傳輸式（non-transferred）兩種。前者火炬中只有一個電極，另一個為被處理物，故電漿的生成是從火炬中的電極一直延伸至被處理物。而非傳輸式電漿火炬則是兩個電極皆置於火炬內，因此，電漿的產生只在火炬中，但為了處理被處理物，火炬中必須有高壓氣體將電漿吹出火炬之外，即使如此，電漿的起始與終點皆在火炬內的兩極之上。

　　一般電漿熔融系統之主要設備包括六大部份：1.進料系統；2.電漿處理主體室；3.電漿火炬系統（包括電源供應系統、火炬傳動系統、儀表控制系統等）；4.二次燃燒室；5.廢氣處理與排放系統；6.熔渣排出系統。此外，亦包括氣體流量控制、氣體供應系統、冷卻系統、溫度、爐內外壓差及廢氣監控系統等次要附屬設備。

　　通常廢棄物電漿熔融處理體系亦需搭配類似焚化爐之污染防治設備，以提升其處理能力及適用性（如圖1所示）。為了避免高溫電漿熔融爐內的氣體外逸，爐內氣壓必須保持負壓狀態。在廢棄物進入電漿處理一次爐，爐內高溫能使廢棄物進行後續的物理化學變化。從一次爐排出的氣體則被導入二次燃燒室，滯留時間約＞2秒，使有機物能完全轉換成CO2及H2O。最後再經空氣污染防制設備處理後排放至周界大氣，而廢棄物熔融後之爐渣已無害、安定化，可作為資源再利用。

                  
二、電漿熔融處理技術現況
                        
(一)電漿熔融技術處理有害廢棄物之現況
       近年來，各國研究機構及廠商開始積極將高科技電漿熔融技術轉移至民生或環保用途，目前電漿處理技術發展較成熟的國家，包括：美國、加拿大、法國、英國、瑞士、日本及以色列等，其中美國洛克希德集團下的Retech公司、西屋環境公司（Westinghouse Environmental Service）、法國航太公司（Aerospatial Espace & Defence）、英國Tetronics公司及以色列EER公司等之電漿處理技術，皆已達商業化運轉的階段。

       目前先進國家運用電漿熔融技術處理有害事業廢棄物之發展上，已有相當之運轉實績，如表1及表2所示。


(二)先進國家電漿熔融爐技術
1.美國

       美國早於1986年即運用電漿熔融技術模擬處理放射性廢棄物，至今已有多座電漿熔融處理廠商業運轉，處理之廢棄物種類甚廣，包括放射性廢棄物、焚化爐灰渣、重金屬污泥及土壤、感染性事業廢棄物、有毒廢液等有害事業廢棄物，目前美國發展電漿熔融技術且成功商業運轉之公司主要有Westinghouse Electric Corporation; Retech Incorporated；Vitrify North America 及SAIC（Science Application International Corporation）等，其中Retech, Inc.發展之PACT（Plasma Arc Centrifugal Treatment）處理系統已廣泛運用在處理焚化爐灰渣、感染性醫療廢棄物、污染底泥及土壤，以下將針對Retech, Inc.,電漿熔融爐技術處理廢棄物之現況作一概述：
                        
(1)PACT技術簡介
Retech公司開發之專利技術PACT處理系統係利用傳輸型電弧電漿火炬（Transferred Arc Plasma Torch）產生1,400～1,700℃之高溫，直接加熱一定量之金屬及其氧化物以形成熔渣浴，而此一高溫熔渣浴則保留在轉速為10～50 rpm之離心式爐體內，作為熔融處理之液體浴，在爐內負壓之環境下，進一步處理其他有害事業廢棄物。

(2)PACT處理系統流程
PACT處理系統除了爐體之設計運用採電漿火炬離心式運轉，而非固定爐床式之外，其相關之週邊系統設備，如進料系統、能源回收系統、空氣污染防制系統均與一般焚化系統並無太大差異。

(3)PACT處理系統實廠現況
目前除了美國運用Retech's PACT systems 處理有害事業廢棄物之外，PACT之技術亦成功地在歐洲運轉，如德國國防部運用於處理化學污染土壤。有關PACT實廠運轉之系統規格彙整如表3。
                          


2.瑞士
瑞士（Swiss）於1990年即運用Retech's PACT技術處理有害事業廢棄物，而於1998年位於蘇黎士（Zurich）之瑞士公司DAE Technologies, inc.正式成功研發出獨特之電漿產生系統(Plasma Generating Systems)，並運用於處理感染性醫療廢棄物及有害事業廢棄物，以下則針對DAE公司電漿熔融技術處理廢棄物之現況作一概述：


(1)電漿技術簡介


DAE之電漿技術主要包括下列三項：
●電漿產生系統（AC Plasma Generation Systems）：DAE運用微波（Microwaves）及高週波（Radio-frequency）技術開發之電漿產生器（Plasma Generators）。
●現址電漿熔融處理系統（In-situ Plasma Arc Vitrification System）：DAE係利用非傳輸型之電漿電弧火炬（non-Transferred Plasma Arc torches）於污染現址（土壤）直接進行污染物之處理，本項技術已被美國能源部(U.S Department of Energy) 運用於處理受有機化學污染之土壤。
●石墨電極技術（Dual Graphite Electrode Technology）：DAE以石墨材料(Carbon materials)開發之特殊電極，可有效延長電極使用之壽命，目前已成功運用於金屬冶煉工業多年。

  (2)DAE電漿熔融處理系統說明

DAE運用已獲得專利之電漿電弧火炬(Plasma Arc torch) 及石墨電極技術(Graphite Electrode Technology)作為廢棄物處理系統，稱為電漿熱破壞與回收系統(Plasma Thermal Destruction and Recovery；PTDR），本項處理技術重點主要為廢棄物裂解（Pyrolysis）及氣化（gasification）過程，在電漿持續之高溫操作條件下，可確保所有複雜之有機化合物被破壞並可控制污染物之形成，進一步產生可資利用之合成氣體（Synthetic gas）。

(3)PTDR處理系統實廠現況

自1998年起DAE公司之技術團隊已成功地在美國環保標準最嚴格之加州建造PTDR系統之廢棄物熔融爐，並商業運轉。有關位於加州San Diego之實廠系統規格簡述如表4。
                          
3.日本

日本近來為解決垃圾焚化爐灰渣之問題，積極著手開發熔融處理技術，並已獲得相當之成果，而針對電漿熔融處理技術，由日本川崎重工（KHI）、川崎製鐵（KSC）及東京電力共同開發之灰渣電漿熔融爐，已在千葉市北谷津（Kitayatsu）設置一日處理量24噸之熔融中心，另田熊公司（TAKUMA）公司自1992年著手於底灰以及底灰和飛灰的混合灰渣為對象開發石墨電極電漿熔融爐以來，經過多次試驗，於1998年達到每天處理25噸焚化灰的規模，其開發經過如表5所示。

以下將就TAKUMA電漿熔融爐技術處理焚化灰渣之現況作一概述：

(1)電漿熔融技術簡介

TAKUMA之電漿熔融技術為使用直流電，主電極內（石墨中空電極）通入電漿氣體（N2），爐底電極與主電極間加電壓，則以熔渣為介質而發生電漿弧光（Plasma-Arc）。

由電漿弧光產生的輻射熱、對流傳熱、電子引起的傳熱等，將連續供給的被熔融物順序熔融。而熔渣為導電體，電漿電流通過時發生的電阻熱，也可被熔融所利用。其熔融爐構造如圖2。



(2)石墨電極電漿處理系統流程

TAKUMA設計之電漿熔融爐係利用垃圾焚化爐發電之電力，灰渣經進料系統進入熔融爐進行熔融，廢氣經二次燃燒室後直接進入急速冷卻塔，以防止戴奧辛產生，然後進入空氣污染防制系統，而熔渣則進入後段收集系統，以利再利用。

(3)TAKUMA電漿爐實廠現況

TAKUMA針對焚化爐灰渣之處理，已成功運用石墨電極電漿技術於1997年設置電漿熔融實證設備，並於1998年1月正式運轉。有關其25t/d之實證爐處理系統規格簡表如表6。

4.其他先進國家

除上述歐美國家及日本之外，另法國、加拿大、瑞典、英國、澳洲、以色列等先進國家及國內核能研究所亦開發出電漿熔融爐技術，以下僅作一簡述如表7所示。
                          

http://proj.moeaidb.gov.tw/environet/publication/monthly19_m2.htm