WSP觀點/碳捕捉後封存技術(CCS)於固體廢棄物之可行性初探

​根據IEA(International Energy Agency, 國際能源總署)於2016年提出的《能源技術展望報告》指出，減碳方案有六項，可以分為：核能、再生能源、碳捕存、發電效率提升與能源轉換、終端能源轉換、終端利用效率提升。其中，碳捕存為成本最低且技術較成熟的減碳方案。

根據IEA(International Energy Agency, 國際能源總署)於2016年提出的《能源技術展望報告》指出，減碳方案有六項，可以分為：核能、再生能源、碳捕存、發電效率提升與能源轉換、終端能源轉換、終端利用效率提升。其中，碳捕存為成本最低且技術較成熟的減碳方案。透過碳捕獲的方式，捕獲人為產生的二氧化碳，並利用碳封存方法，讓二氧化碳與大氣處於長期隔絕的狀態中(若是使用地質封存的方式，可以做到封存數千年，甚至是永久性封存二氧化碳)，讓大氣層內的溫室氣體濃度維持穩定，降低全球暖化。 

捕獲的二氧化碳，透過高壓進行壓縮，轉換為液態，透過管線、船舶等方式運輸至封存場址進行封存。封存方式可分為：地質封存、海洋封存、礦化封存三種。地質封存，意思是將二氧化碳注入到深部地層的岩石孔隙內，如耗竭油氣層、深部鹽水層、煤層等；海洋封存，是指將二氧化碳注入海洋，使其溶解入海水或是形成固態二氧化碳水合物、液態二氧化碳湖等；礦化封存，則是使二氧化碳與金屬氧化物(如氧化鎂、氧化鈣)進行反應，形成碳酸鹽類礦物(如碳酸鎂、碳酸鈣)，本文以「礦化封存」應用於垃圾焚化廢棄物可行性進行初步探討。 
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我國都市垃圾處理已經全面以焚化處理為主，而焚化灰渣一般分為底渣及飛灰，焚化飛灰由於性質複雜，毒性高，因此偏向於安定化處理，其相關之再利用技術仍處於「待實場驗證」的階段；焚化底渣毒性相對較低，且產出量較大，主要處理方式已由掩埋逐漸轉為再利用處理。焚化底渣經過磁選、篩分等處理程序，可回收鐵金屬及有價之非鐵金屬等物質，篩選後之焚化底渣，即可做為道路工程級配料、瀝青混凝土級配料、製磚替代料等用途。經過多年的研究，焚化底渣的再利用產品已逐漸增多，近年來本國內研究積極開發多種焚化底渣再利用產品，包括人工輕質骨材、常重骨材、水泥生料添加料、多孔陶瓷材料、耐火石膏板等。 

底渣為多孔性粒料，具有高比表面積的特性，其材料可做為路基、堤防等材料，底渣之化學元素組成中約有80~90 %是由O、Si、Fe、Ca、Al、Na、K和C所組成；其中少部份為Mg、Ti、Cl、Mn、Ba、Zn、Cu、Pb、Cr佔0.1～1 ％；微量部份(小於0.1 ％)由Sn、Sb、V、Mo、As、Se、Sr、Ni、Co、Ce、Ag、Hg、B、Br、F和I所組成。過去研究結果顯示，粗底渣以Si的含量百分比最高，細底渣則以Ca含量最高，全底渣中以Si和Ca含量為最高，其次為Fe。 

本文將藉由焚化底渣高Ca之特性，與廢氣中CO2進行碳酸化於表面反應形成碳酸鈣化合物，藉以做為碳封存方式，達成減碳、減少重金屬溶出及增加底渣再利用方式。 
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碳酸化主要為利用鹼土金屬與二氧化碳形成碳酸鹽沉澱，其過程可分為兩種模式，「直接碳酸化」及「間接碳酸化」，藉由氣體或液體中碳酸根離子CO32-與鈣離子反應生成碳酸鈣結晶，並沉積在固體廢棄物表面。 

「直接碳酸化」又稱為「氣固碳酸化」反應，是指二氧化碳氣體直接與礦石原料發生氣/固反應生成碳酸鈣之過程中，反應溫度是影響氣固碳酸化反應的重要因素，若要使氣固碳酸化反應加快，必須降低反應物之活化能，當反應進行時，先提高溫度給予反應所需之反應熱，所需之活化能較低，因此反應將會因溫度提高而加快，當氧化鈣與二氧化碳進行碳酸化反應時，若要促使其反應加快，則必須先給予其所需之反應熱，才能促使碳酸化加快(程士豪，2008)。 

「間接碳酸化」又稱為「液/固沈澱反應」，是指在溶液介質中進行反應，主要是由二氧化碳溶解於水中形成碳酸，藉由碳酸的作用，矽酸鹽類逐步溶解出Ca、Mg陽離子，再與碳酸根離子反應並形成碳酸鹽類沉澱物。據O’Connor在研究中所提出的水中碳酸化反應式；首先將二氧化碳曝於水中，形成碳酸根離子並釋出氫離子，並立即解離生成碳酸氫根HCO3-及碳酸根CO32-離子。而液固碳酸化過程中亦有影響碳酸化程度的變數存在，如溫度的上升也間接影響到二氧化碳溶於水中的效率；而底渣中含有大量之Ca/Mg等鹼性金屬，易與碳酸根進行沉澱反應，影響水中二氧化碳含量。Ukwattage et al.(2013)於研究指出，含鈣之無機固體廢棄物於間接碳酸化反應過程，二氧化碳會藉由擴散機制進入固體內部，形成碳酸化反應，由外而內逐漸碳酸化，其過程包含三個部分：鈣離子的溶出、二氧化碳溶解於水中形成碳酸根及碳酸氫根、形成碳酸鹽類。
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圖1  液固碳酸化反應示意圖（Ukwattage et al.,2013） 
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​一般自然界之碳酸化反應速率較緩慢，二氧化碳捕獲效率低落，無法應用於大量排煙之工廠。依工研院於2018年研發之「超重力旋轉填充床」，係將碳酸化技術結合鹼性固體廢棄物與廢水充分混合形成泥漿，將富含高鹼度與鈣離子之廢水透過幫浦注入超重力系統，與煙道氣二氧化碳進行間接式碳酸化反應，由於大量鈣離子將從鹼性固體廢棄物溶出，其高鹼度具備碳酸化反應之條件，鈣離子與碳酸根離子會形成碳酸鈣結晶沉澱，並沉積在固體廢棄物表面。 

添加少量碳酸化反應後之產物製作成波特蘭水泥，可提升其抗壓強度，反應後產物可取代部分水泥，製成水泥砂漿或混凝土等建材，並克服原廢棄物再利用困境，包括：重金屬溶出、吸水膨脹、高鹼度等(Chen et al., 2016)。鹼性固體廢棄物通過加速碳酸化後，對其中重金屬(特別是鉛、鎳、鎘等)滲出，具有約束與減少的效果。反應後之產物可透過其他工序分離，進一步再利用於基礎建設、道路鋪面、水泥填料或海拋供海洋生物使用，提高經濟可行性。依工研院設計建置之Bench-scale加速碳酸化系統，容積處理量100~300 L，實質減碳量達 1 kg-CO2/hr。 

依據工研院實廠案例，採碳酸化技術減碳量可達1 kg-CO2/hr，顯示以礦化技術進行碳捕獲封存應用於廢棄物再利用化應為可行之應用技術，然後續應將成本及效率最佳化做為考量因素，結合煙道廢氣中二氧化碳及垃圾焚化後高鈣產物結晶進行碳封存，促進實廠化並落實循環經濟發展，達成減碳及廢棄物資源再利用化。 

參考資料: 

1. 建立超重力碳酸化技術發展儀控自動化(陳則綸、趙鈺麟等，2018) 
2. 【碳捕捉、利用與封存減碳解決方案】固碳降碳排－加速碳酸化固碳技術(工業技術研究院)。 
3. 垃圾焚化底渣碳酸化浸漬穩定之研究(2014)