林聖倫 教授

正修科技大學

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環境挑戰一、減碳、空污及能源使用挑戰

聯合國開發計畫組(UNPD)以2015年為基準，我國人均CO₂排放量達11.9噸居全球第八，其中用電排放則佔了近50%，須積極減量。我國現今推動電力機動車輛，目的為降低區域環境污染及健康衝擊，而我國電力結構發展乃以天然氣電替代煤發電，並逐步解除對核電依賴，此策略仍持貢獻成碳排放，若再將運輸及能源之碳排轉嫁於電力業，應審慎評估總體CO₂排放增量，或開發出商用淨碳排放低之集約或區域發電方式。化石燃料使用伴隨空氣污染物排放，包含受法令規範之粒狀物、氮氧化物、一氧化碳、硫氧化物及未燃總碳氫化合物等，與非傳統管制但對人體具急性與累積性健康危害者，包含醛酮、苯、多環芳香烴、戴奧辛、持久性污染物、細微粒、超細微粒及各類新興污染物等。這些環境衝擊已持續影響氣候及人類生存環境，造成極端氣候、更多心血管、呼吸系統疾病、早夭現象等，除了由法制及自發行為面降低能源浪費外，低污染排放的燃料選用，而全球相對應之能源政策，亦以開發低但及污染物排放的替代能源做為電力供應為一致性方向。

環境挑戰二、生質燃料的挑戰

鑒於國內暫不會改變以燃燒技術提煉化學能作為其他能源利用的型態，生質燃料柴油或酒精可能是第一個聯想到的替代方案，其中第一代生質能源為現今已商業化者，其原料生產將與糧食作物及雨林競爭土地的問題持存在，各界積極改良第二代及第三代生質能源技術。第二代生質能源主要係利用農林廢棄物等作為原料，非食品且非刻意栽種能源作物，可透過發酵反應製造各類化合物，其中較有名者為ABE發酵，產物以醇、丁醇及丙酮可做為化石燃料替代，但其純化將額外耗能並衍生污染排放。第三代生質燃料亦係透過微生物轉化纖維素等廢棄物之資源化技術，產物多屬親脂性，與水分離較為容易，目前技術可透過篩選特定菌株或基因轉殖工程，使微生物將纖維素高效轉化為短練碳氫化合物，此結果穩固且確立了短期內以生質燃料部分替代石化燃料的地位，但仍存有商業化量產成本高的門檻。

環境挑戰三、塑膠廢棄物去化處理挑戰

塑膠材料於生活中及各產業發展扮演至為重要的腳色，與日俱增的需求累積塑膠廢棄物(PSW)產生，並增加焚化及掩埋負擔，即便歐洲施行循環經濟多年，塑膠類製品之生命週期能僅有1–50年。

截至2016年所有收集的塑膠廢棄物仍有27.3%以掩埋的形式處理，另於開發中國家則多以掩埋處理，我國處理塑膠廢棄物於少部分回收再製聚合材料外，不均質者多以焚化處理，焚化法可大幅減低垃圾之質量約80%及容積率約90%，全台大小垃圾焚化爐之設置處理量介於300~1800噸/天，實為我國人民帶來福祉。然而各類垃圾焚化爐於操作時亦會造成氮氧化物、硫氧化物、粒狀物、無機鹽類、重金屬及有機空氣污染物等排放，其中戴奧辛之排放影響極受重視，乃因其對人類之暴露、健康及致癌風險影響。

 

圖1 機械化學共磨程序(MCCMP)示意圖。

 

彈性能源化技術

若能開發使用PSW做為發電能源技術，將可整合處理前述三環境挑戰。PSW的能資源循環處理可分為下列幾種類型：(1)一級再利用(產線內再利用)：PSW可在產線內做為加熱燃料源增加產率；(2)二級再利用(機械性回收)：使用機械力將PSW重新拉伸、破碎並與新聚合原料混拌均勻成為新原料，以降低生產成本。(3)三級再利用(化學方法)：透過化學或熱化學方法將PSW轉化為聚合物材料的一部分，或成為聚合物單體原料，重新投入塑膠生產循環中。(4)四級再利用(能源回收)：使用燃燒的方式將PSW質量轉化為蒸氣、熱或電力。以歐洲為例，回收再利用與能源回收比例近十年來成長分別至31.1%及41.6%。

PSW熱質接近市售汽柴油，理論上可做為焚化爐產生蒸氣、熱能及發電的重要原料，然而需要非常嚴格的操作(低彈性)，而經濟成本投入與廢棄物減容、發電三者須要達成平衡，而這些考量主要來源自廢棄物來源種類隨時間不穩定，以致其成分、熱質、有害成分與水分等跳動，而增加實際操作面的困難。現今有數種PSW經濟增值處理方式在近年來相繼被研究，包括糖解、水解、裂解、胺解、汽化及氫化。其中裂解可於惰性氣態環境中，藉由熱流控制，將長鏈有機化合物在有觸媒(觸媒裂解)或無觸媒(熱裂解)下降解為更短或更單純的有機化合物，其操作過程需要較長的停留時間、較低的熱能持續供應，而產生如焦油、焦炭及組合氣等具高熱質的產物，此相較於焚化法更具應用彈性，然而基於大量PSW處理需求的層面來說，則須加快其處理流程，因此過去研究則選用高壓環境進行裂解(>10 atm)，但又增加了製程所需能源消耗。國內已有研究團隊將裂解程序整合至焚化處理製程中，先將PSW透過機械化學共磨程序(MCCMP)處理(如圖一)，去除廢棄物中可能成為空氣污染物前驅物之成分，並進入二階段燃燒，第一階段透過多重燃燒器設計，同時達成高溫無焰燃燒與熱熔環境回收無機金屬，再將所產生之組合氣利用富氧燃燒動態控制，充分回收熱能並抑制污染排放，兼具裂解技術對PSW性質要求的高度彈性及焚化處理的高效率。

 

圖2 廢棄物裂解–焚化–熱熔整合處理程序示意圖。

 

綜合前述，過去能源汲取技術及廢棄物處理為不相交的二條製程生命週期，將分別產生相應能源消耗與衍生污染問題，因此將高碳排放與環境衝擊的線性生命週期轉化為首尾相連的循環過程，同步處理複雜環境挑戰的綜合思維至關重要。