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環保資訊月刊 第140期 2009年12月出刊

【專題】 淨煤技術與空氣污染
淨煤技術與空氣污染

   

陳維新

 國立台南大學綠色能源科技學系

教授

一、煤炭與環境

煤炭(圖一)堪稱為目前地球上最豐富的化石燃料。在發現與利用石油之前,煤炭是最重要的燃料,也是工業革命最重要的動力來源。自從石油與天然氣廣泛開採後,煤炭的重要性乃逐漸下降。但根據英國石油公司 (BP) 發表於20096月之統計年報「Statistical Review of World Energy」,世界初級能源至2008年底的推估顯示,全球石油蘊藏量約可維持42年使用量、天然氣約60年、而煤炭則可達122年。換言之,石油及天然氣兩種傳統化石燃料在未來數十年內將面臨耗竭的窘境。相較於石油,煤炭除蘊藏量較豐富及價格較低廉外,其生產主要來自政治穩定國家,如美國、中國、印度及澳洲等。因此,以能源長期供應的觀點來看,煤的重要性將日益增加。

 

圖一 煤炭外觀

 

目前煤炭主要應用於火力發電及鋼鐵業的煉焦製程。以台灣2008年為例,共消耗40,800千公秉油當量的煤炭,佔初級能源總消耗量的34.67%;其中發電、煉焦及其他工業部門各佔76.59%、9.20%及14.21%。煤炭的利用雖然產生諸多的電力並提升生活品質,但也衍生出許多環境污染的問題。煤炭的使用以燃燒為主要方法,由於煤炭中含有硫分、灰份及其他微量重金屬(如HgPdSn…),其燃燒過程會產生空氣污染物而造成環境及生態系的破壞,並嚴重威脅人體及動植物的健康。煤炭燃燒除排放一氧化碳、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)及粒狀污染物(PM)外,也會衍生酸雨、汞污染及熱污染等問題。此外,煤炭屬於高碳氫比之燃料,雖然熱值極高,其碳成分最後將轉化成二氧化碳並排放到大氣中。二氧化碳雖不屬於空氣污染物,但卻會造成大氣的溫室效應,進而產生全球暖化現象。全球暖化已成為國際上最重要的議題,二氧化碳排放的減量也已成為國際社會最具挑戰的目標。例如,聯合國2009127-18日將於丹麥哥本哈根舉辦第15次締約國大會(Fifteenth Conference of the Parties, COP-15),其目的即在於討論2012年京都議定書失效後,新的議定書內容,以進一步抑制並降低二氧化碳的排放。

二、淨煤技術

燃煤火力電廠(coal fired power plant)是二氧化碳的最大排放源之一,也是全球暖化的主要原兇。然而,如前所述,煤炭蘊藏量仍然十分豐富,其具有熱值高、便於開採運輸、成本較低及來源穩定等優點,因此短期內不可能放棄使用。在當前二氧化碳排放減量的壓力下,如何乾淨使用煤炭乃成為能源開發之重要課題,因而淨煤技術(clean coal technology)的發展深受矚目。

「淨煤技術」係指更有效率地燃燒或使用煤炭,並減少硫氧化物、氮氧化物、甚至二氧化碳的排放。因此,廣義的淨煤技術包含洗煤、高效率的燃燒技術、燃煤電廠的污染控制以及二氧化碳捕捉與封存等。洗煤屬於前燃燒(pre-combustion)燃料處理階段,可有效去除硫分及重金屬等成分,因而降低使用後空氣污染物的排放;高效率的燃燒技術屬於燃料燃燒中階段,是目前淨煤技術開發主流;污染控制以及二氧化碳捕捉與封存則屬於後燃燒(post-combustion)階段,污染控制目前已廣泛應用於工業界,二氧化碳捕捉與封存相關技術的開發則正方興未艾。

關於高效率的燃燒技術主要包含:

(1)超臨界粉煤燃燒(Supercritical Pulverized Coal Combustion, SPCC):依據熱力學原理,提升蒸汽壓力為提高燃煤鍋爐蒸汽機組發電效率方法之一。傳統蒸汽機組發電效率約為35%左右。蒸汽臨界壓力約22 MPa250 atm),超臨界粉煤燃燒乃將蒸汽壓力提高至蒸汽臨界壓力以上,例如25 MPa;而若將蒸汽壓力提高至30 MPa左右,則稱為超超臨界燃燒(ultra-supercritical combustion),其可將機組發電效率提高至42%以上。但超臨界或超超臨界粉煤燃燒還須配合後燃燒之除硫、脫氮及除塵等空氣污染防制設備

(2)增壓流體化床燃燒(Pressurized Fluidized Bed Combustion, PFBC):將流體化床燃燒爐體加壓,產生的蒸汽用以推動複循環機組中蒸汽渦輪機發電,加壓後燃燒氣經過初步除塵後,則可用來推動氣渦輪機發電而達成複循環發電。第一代PFBC以氣泡式流體化床(bubbling fluidized bed)為主體;第二代PFBC則以循環式流體化床(circulating fluidized bed)為主體,並於系統中增加一氣化爐。依據美國能源部推估,若第二代PFBC技術成熟,發電效率可達45%左右。

(3)氣化複循環系統(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC):IGCC不是將煤炭直接燃燒,而是以氣化方式將煤炭轉化為合成氣,經過除硫、除氮及除塵後,再送進氣渦輪機發電,餘熱回收並加熱水使成蒸汽後,再銜接蒸汽渦輪機發電,發電效率可達45%左右。IGCC是一種將煤炭氣化、合成氣淨化及結合複循環發電機組的先進動力系統,在獲得高發電效率的同時,能解決燃煤污染排放之問題,因此是一種極具潛力的淨煤技術。

(4)氣化燃料電池整合系統(Integrated Gasification Fuel Cells, IGFC):此係IGCC加上燃料電池(IGCC + Fuel Cell)之整合發電系統,將煤炭氣化所生成之合成氣作高溫燃料電池之燃料以發電,其預估之效率可達60%以上。由於IGCC系統已獲得技術驗證,因此IGFC能否實現並投入運轉的關鍵是燃料電池的開發及與IGCC之整合。

三、氣化複循環系統

如前所述,氣化複循環系統兼具高發電效率及優越環保特性,且已獲得實廠技術驗證,因此在美國及歐洲(荷蘭、英國及西班牙)等先進國家皆極力推廣中。不同於超臨界粉煤燃燒及增壓流體化床燃燒,氣化複循環系統中煤炭之反應主要以「氣化(gasification)」形式行。氣化是一種非催化之不完全氧化反應,其基本原理乃在高溫及不充分氧化劑環境下,使燃料與空氣 ( 或氧氣 ) 進行不完全或部分燃燒,甚至通入蒸汽參與反應,以產生富燃料氣體(fuel-rich gas XE "富燃料氣體 (fuel-rich gas)" ,氣化後產氣成分主要包含一氧化碳 (CO)、氫氣(H2)與部分甲烷(CH4),前兩者即俗稱之合成氣 (synthesis gas or syngas) XE "合成氣 (synthesis gas or syngas)" 」。合成氣的用途甚廣,其可用於生產多種產品如工業氣體、化學原料、液化天然氣之替代品、氫及甲醇燃料,甚至做為燃料電池之燃料來源。合成氣亦可應用於汽渦輪機系統、直接將鐵還原、採用高電熱輸出比之氣渦輪機汽電共生系統等。此外,氣化系統可在燃氣燃燒之前,先將污染物移除,故其污染較燃燒程序低且處理較容易。雖然氣化發電系統的設備成本比燃燒發電系統高,不過氣化程序所需的後續污染防治設備則比燃燒程序少。

整體而言,IGCC主要設備包括燃料供給系統、氧氣製造廠、氣化爐、產氣淨化系統、熱回收、灰渣處理以及複循環發電系統等部分。其中複循環發電統包含氣渦輪機發電機組及蒸汽渦輪機發電機組,圖二所示即為燃煤IGCC之流程圖。首先,將煤炭或燃料研磨成細粉,和氧氣廠所提供的氧氣一併送入氣化爐中;氣化爐內的溫度高達攝氏700~1,600°C,壓力在1~68個大氣壓力下;煤炭在氣化爐中經由不完全燃燒而產生煤氣。煤炭在氣化爐內之化學反應與煤炭品質、氧化劑、壓力、溫度、氣化爐式及進料方式等有密切的關係。氣化爐中所產生的煤氣因含有硫化物、氮化物及粒狀污染物等,必須經由產氣淨化系統予以清除,成為乾淨的煤氣,以供複循環機組使用。電廠中氣渦輪機發電約佔60%,蒸汽輪機約為40%

圖二 IGCC流程圖

 

IGCC的重心在於氣化系統。氣化爐可分成三類:(1)固定床或移動床(fixed or moving bed);(2)流體化床(fluidized bed);及(3)挾帶床或懸浮床(entrained or suspended bed)。固定床堪稱為最早及最普及的方法,也是商業化應用最多的技術。商業上著名的LurgiBritish Gas Lurgi(簡稱為BGL)氣化爐即屬之。固定床的優點在於相關技術十分成熟,且熱損失較低;其缺點在於固氣混合不均勻,溫度分佈不均,且在較低溫下之煤熱分解產生焦油極難清除。至於流體化床,床內煤粒子僅佔一部份,其他粒子則有煤灰、沙、硫分吸附劑(如石灰石)。流體化床操作溫度須控制在熔渣點(slagging temperature)以下,以避免煤灰的燒結(sintering)進而失去流體化。商業上常見的流體化床形式氣化爐有HT WinklerU-GasKellogg KRW等。流體化床的優點包括較低的操作溫度、適中的煤炭停留時間、煤粒尺寸範圍的限制較小等,缺點在於運轉溫度範圍小,通常需低於煤之灰分融點並高到避免焦油產生之間。關於挾帶床,其乃將煤粉末化(pulverized)並直接吹送至爐中。由於其顆粒甚小,煤粉將懸浮爐中以進行氣化反應,並在高溫環境下於數秒時間內完成。正因氣體與煤粉的停留時間甚短,因此挾帶床的溫度需控制在熔渣點以上,以得到較高的碳轉換率。挾帶床內溫度十分均勻,氣體和煤氣之間幾乎沒有溫度差異,且固氣混合情況優於固定床及流體化床,因此目前挾帶床為發電機組主要採用的氣化爐形式。知名公司如Texaco(現為GE所併)、ShellE-GasDestec)等所發展之氣化爐及Koppers-Totzek process皆屬之。其優點在於爐體較小且幾何形狀較簡單,適用於所有煤種,並具有較高的煤處理率。

煤氣化過程所產生的污染明顯地不同於煤燃燒,其主要差異在於氣化時所造成的富燃料條件使得煤中硫分轉變成硫化氫(H2S)及少量的COSCS2,而非二氧化硫。相較於燃燒所產生的硫氧化物,硫化氫及COS較容易以商業化技術從生成氣體中移除,甚至回收硫分,因此煤炭氣化之環保特性甚優於傳統的粉煤燃燒電廠。為去除合成氣中的硫分,可在氣化爐中加入石灰石或白雲石以與硫化氫反應;石灰石或白雲石亦可與二氧化碳反應,從而降低溫室氣體的排放。至於硫分的回收,則可藉由Claus程序之二階段氧化步驟達成。Claus程序約可將96%的硫分回收,但在經濟的操作條件下,進行反應前硫化氫的濃度不得高於15%。氣化與燃燒的另一差異在於還原條件下,氣化幾乎沒有氮氧化物(NOx)的產生,煤中氮元素則轉變成NH3HCN。然而當合成氣作為燃料時,由於氣體的燃燒其仍會形成氮氧化物。

世界上第一座IGCC電廠係1972年於德國LunenKellermann電廠所建,容量為170 MW的示範裝置,其採用了5Lurgi固定床氣化爐,但由於設計及運轉過程有諸多不成熟之處,因此循環輸出功率及效率皆低於設計值,乃於試驗完成後即停止運轉。而後,1984年美國於加州Cool Water計畫中,成功發展100 MW之氣化複循環示範工程。該工程採用Texaco之水煤漿進料系統,並以99%的純氧作為氧化劑,成功運轉27,100小時,在當時被譽為「全球最潔淨之燃煤電廠(The world’s cleanest coal-fired power plant)」。之後,美國其他地區、英國、日本、西班牙及荷蘭等亦相繼啟動IGCC示範工程,因此,IGCC至今已充分獲得各國技術驗證。

另一方面,雖然IGCC主要以煤炭為燃料,但也有以石油焦、污泥、瀝青、殘渣油及生質物作為燃料。由於生質物能源化屬於再生能源的一環,因此生質物之IGCC也正開發中。圖三所示為位於瑞典Varnamo,以生質物 ( 木材 ) 作為燃料的IGCC示範廠之外觀,其中反應器部分係裝置壓力式循環流體化床氣化爐(pressurized circulating fluidized bed gasifier

 

圖三 位於瑞典Varnamo以木材為燃料的IGCC示範廠

(資料來源:Stahl, K., “Biomass IGCC at Varnamo-Past and Future,”

GCEP Energy Workshop, Stanford University, 2004.

四、 氣化複循環系統未來展望

綜觀以上說明可知,IGCC的優點包含有:

(1)高發電效率:由於IGCC應用複循環系統,目前其效率已達42~46%,未來相關技術問題的解決及操作優化的進步後,效率將可超過50%。

(2)極佳環保性:由於IGCC係採用前燃燒處理方式去除污染物,克服了煤炭因直接燃燒產生的環境污染問題,其粒狀污染物的排放極低,除硫率可達98%,除氮率90%,且因發電效率高,二氧化碳排放可減少25%,並較容易配合二氧化碳的捕捉與封存。

(3)綜合利用煤炭及其他燃料資源:由於IGCC係以氣化為手段,且可使用石油焦、污泥、瀝青、殘渣油及生質物為燃料,所產生的產氣除可直接燃燒用於發電外,合成氣也可依據實際需求作為化工原料及產品,達到煤炭及其他燃料資源綜合利用目的。

(4)耗水及廢棄物處理量較少:相較於傳統蒸汽渦輪機發電,IGCC可減少30~50%的耗水量,產氣脫硫後可得元素硫或硫酸,進行資源回收,灰分及微量金屬熔融形成熔渣後,可固化有害物質,減少環境污染,甚至將熔渣資源化。

目前IGCC的主要缺點是建廠成本較高及系統複雜,因此其較適用於大容量機組,且煤的含硫量不宜過低(>3%)。隨著未來IGCC技術日漸成熟及商業運轉,甚至燃料電池應用日漸廣泛後,相信投資成本將逐步降低。美國能源部及工業界已於伊利諾州之Mattoon合資,建立一座煤炭氣化發電暨二氧化碳封存電廠。該創新計畫名為「未來發電(FutureGen)」,由非營利機構「來發電工業聯盟公司(FutureGen Industrial Alliance Inc.)」執行。該項計畫共投資約十億七千三百萬美元,目標在於建立最先進之煤炭電廠,去除用煤所衍生之環境污染問題,並將二氧化碳完全捕捉與封存,達到零排放之境界。

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