點廢成金: 電漿電弧燒垃圾

專題報導 12/01/2006

垃圾掩埋場填滿之後,各國政府就需要處理垃圾的新辦法。《自然》雜誌亞洲特約撰述西拉諾斯基 (David Cyranoski) 造訪日本一處利用電漿科技,將廢棄物轉化為能源的工廠,探究這項化腐朽為神奇的垃圾處理技術,以及面對的挑戰。

成弘宙明 (Michiaki Shigehiro) 有個與眾不同的問題:他非常認真地說他很努力想找到足夠的垃圾。他已經平均每天看到一百噸的廢棄物了,但要是能看到兩倍的垃圾量會使他更開心。

成弘宙明是「生態谷歌志內」 (EcoValley Utashinai) 的一般商務經理,這是一家以日本北海道的偏遠城市歌志內市 (Utashinai) 命名的公司。 EcoValley 利用電漿電弧,也就是將氣室裡的氣體離子化,把溫度提升到攝氏一萬六千度(幾乎比太陽表面要熱三倍)的一大股電力,將堆積如山的垃圾轉化為能源。這項科技所費不貲,要處理掉大量的垃圾,才足以彌補 EcoValley 七十億日圓(折合新台幣二十億元)的投資額。

歌志內市沒辦法生產夠多的垃圾,不過日本其餘地區跟全世界的垃圾製造量可又太多了。日本每年大約要製造出五千萬噸的紙類、食物、塑膠等通稱為「都市固態廢棄物」 (municipal soild waste, MSW) 的各式垃圾,平均每人每天製造大約一公斤。美國在二○○五年製造出兩億兩千兩百萬噸的總垃圾量,每人平均垃圾量幾乎是日本的兩倍。都市固態廢棄物大多數的時候,不是堆在垃圾掩埋場就是焚燒掉,將污染物釋放到土壤或空氣裡,對納稅人造成可觀的負擔。

美國人掩埋每一噸的垃圾,根據所在區域的不同,要付出三十美元到八十美元不等的代價;焚燒垃圾每一噸平均則要付出六十九美元。對於像日本這類幅員較不遼闊的小國,當地政府掩埋或焚化垃圾的成本,每一噸更高達兩百美元到三百美元。垃圾掩埋場跟焚化爐還附帶有負面經濟效果,比方說讓附近的房地產跌價,一個處理不好還會造成環境危害。

EcoValley 背後的規劃者,認為他們可以利用電漿電弧科技,一勞永逸地解決所有的垃圾問題。都市固態廢棄物理論上含有等量煤礦三分之一到二分之一的能源,足以供應廠房運作,還可將剩餘電力賣給全國配電網;將氣化的廢棄物轉化為能源,可將廢棄物處置事業變成有利可圖,又對環境無害的生意。但是 EcoValley 的電漿廠是目前唯一在運作的主要都市固態廢棄物能源再生設施,而且它打從二○○二年開張以來,就一直努力要達到損益兩均。

有幾家公司認為,它們能夠根據日本的經驗加以改良,開始計畫設立它們自己的電漿電弧設施。位於美國亞特蘭大的「地質電漿」 (Geoplasma) 在佛羅里達州聖露西郡,興建一座比 EcoValley 大上十倍的廠房合約,已經進入最後階段。聖露西郡是個富裕的社區,不過附近一處大型的垃圾掩埋場讓它的房地產跌了不少。如果這個計畫成功,到了二○○九年,每天就可以處理二千七百噸的廢棄物。

位於康乃迪克州威爾頓市的「星辰環境科技」 (Startech Environmental) ,九月時宣布在巴拿馬建造一座每日可處理一百八十噸垃圾廠房的合約;加拿大安大略省的「普拉斯科能源集團」 (Plasco Energy Group) ,也在跟渥太華跟巴塞隆納市政府商議,興建類似大小的廠房。

焚燒垃圾

電漿電弧科技雖然有其前景,但尚未「點廢成金」;這些廠房若是興建起來,就將成為對這項科技的信任投票。業界人士對此相當樂觀,根據 Geoplasma 環境事務部主任希勒史塔德 (Hilburn Hillestad) 所言,由於「萬事具備」,這項科技將會日漸風行;所謂萬事具備,指的是政治界跟民眾對於污染物跟高漲的能源價格日漸關心。

電漿電弧其實是老把戲了,不過把它用在大規模廢棄物處理上卻有新意。美國航太總署 (NASA) 從一九六○年代開始,就在使用電漿電弧模擬太空載具重返大氣層時所面對的高溫,而現在電漿氣炬廣泛用於融化廢鐵或摧毀有害物質。不過到一九九○年代早期,像 Startech 跟賓州麥迪遜市的「西屋電漿」 (Westinghouse Plasma) 這些公司,才開始研發可用來焚燒垃圾的電漿電弧氣炬。

電漿電弧氣炬的製造過程,是先用一道強有力的電弧,將氣室裡的空氣離子化以製造電漿,然後在另一個缺氧的氣室裡,用製造出來的氣炬對都市固態廢棄物、焦炭跟石灰加熱。在這些條件下,電漿氣炬會將混合物加溫到攝氏一千五百度以上,這將使得都市固態廢棄物裡的無機物質玻璃化,而不會導致燃燒。剩下的無毒熔渣還可以當成建築材料,不過賣不到什麼好價錢就是了。

更重要的是,高熱可讓都市固態廢棄物裡的有機分子裂解。燃燒作用會產生大量的二氧化碳,但是在缺氧的環境底下,都市固態廢棄物會被轉化成主要由一氧化碳跟氫組成,稱為「合成氣」 (syngas) 的混合物。合成氣可以當成像天然氣一樣,用來推動空氣渦輪機;至於淨化氫本身則可以當成燃料使用。合成氣還可以進一步處理,以使跑進渦輪機或是散逸到大氣中的其他污染物如氮氧化物或戴奧辛之類,數量降到最低。

日本人應用這項科技,已獲得一些成功。歌志內的電漿廠每年可以產出三百萬千瓦的電力,全部用來運轉廠房。但是電漿廠的垃圾供給正逐漸減少:人口只有五千五百人的歌志內市,是全日本最小的「市」,這名稱還是五十年前,人口尚有四萬五千人的時候取得的。這座電漿電弧工廠並沒有對「垃圾危機」採取直接的應對行動,而是想要透過收取垃圾處理費,以及販賣電力跟熔渣的手段,刺激當地的經濟。它收到了垃圾處理費,不過電力跟熔渣卻賣得不怎麼樣。

平均來說,這座廠房只處理了該公司原先預期百分之六十的垃圾量。它還有營運上的問題:電漿氣炬本身沒有什麼狀況,但兩條作業線的其中一條經常停機維修。假使作業線全力運轉,也可能沒有足夠的垃圾可供處理,工廠在多數時刻只好把它關掉。

從別處弄來更多的垃圾是個辦法,但是沒幾個人會喜歡自己的家園,變成其他地方的垃圾場或焚化爐。成弘宙明說,大家對垃圾都沒什麼好印象。美國有些州會進口垃圾,收取賺錢用的小費;紐約跟多倫多這類大城市,將大部分的垃圾送出城外處理。但是日本沒什麼垃圾交易的機制,地方政府寧願自力更生,也不想把垃圾倒到別處。

美國佛羅里達州聖露西郡的垃圾掩埋場,已經堆了四百三十萬噸的垃圾;把這些垃圾清光光,可以多出一百六十畝的土地,並且使得當地房地產增值。 Geoplasma 每天會處理掉一千八百噸的新垃圾,以及九百噸來自垃圾掩埋場的舊垃圾,二十年內就可以讓掩埋場清潔溜溜,正好用來彌補四億二千五百萬美元的投資額。希勒史塔德表示,百分之八十的收入將來自能源銷售;該公司估計每天可產生十六萬千瓦的電力,其中十二萬千瓦會被賣掉。

垃圾交易

聖露西郡跟日本的廠房,用來將合成氣轉成電力能源的氣體渦輪機不同,可能會造成是否可以輸出更多能源的差別。歌志內的廠房使用一種便宜許多的蒸汽渦輪機,只能將大約百分之十五的能源轉化成電力; Geoplasma 則使用一部價值四千萬美元的氣體渦輪機,轉化能源的效率可達幾近百分之四十。

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◎參考本期環境與知識專題文章
.點廢成金? 電漿電弧燒垃圾
.安全呼吸的政治角力

【知識通訊評論半月刊四十九期】2006.12.01

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