再生能源:生質能源–化腐朽為能源

 
2004/11/09 吳耿東 | 工業技術研究院能源與資源研究所
李宏台 | 工業技術研究院能源與資源研究所
二○○一年全球初級能源供應分布 廢紙排渣固態衍生燃料樣品(工研院製) 芬蘭Lahti地區結合生質物氣化爐進行氣化混燒發電的電廠 使用生質柴油為燃料的巴士 臺北市山豬窟掩埋場沼氣發電系統
  • 二○○一年全球初級能源供應分布
  • 廢紙排渣固態衍生燃料樣品(工研院製)
  • 芬蘭Lahti地區結合生質物氣化爐進行氣化混燒發電的電廠
  • 使用生質柴油為燃料的巴士
  • 臺北市山豬窟掩埋場沼氣發電系統
 
什麼是生質能

近年來由於二氧化碳等會造成溫室效應的氣體排放遽增,引起全球暖化現象,使得熱污染問題廣受重視,於是如何尋求新且潔淨的生質能(biomass energy)以供未來使用,乃成為一個重要的議題。根據國際能源總署的統計,目前生質能是全球第四大能源,僅次於石油、煤及天然氣。生質能供應全球約14%的初級能源需求,也提供了開發中國家35%的能源,是目前最廣泛使用的再生能源。

生質能就是利用生質物經轉換所獲得的電與熱等可用的能源。生質物則泛指由生物產生的有機物質,例如木材與林業廢棄物如木屑等;農作物與農業廢棄物如黃豆莢、玉米穗軸、稻殼、蔗渣等;畜牧業廢棄物如動物屍體;廢水處理所產生的沼氣;都市垃圾與垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產生的沼氣;工業有機廢棄物如有機污泥、廢塑橡膠、廢紙、造紙黑液等。

生質能是一種再生能源,與風能、太陽能一樣具有取之不盡、用之不竭的特性。與其他再生能源比較,生質能的優勢包括技術較成熟、有商業化運轉能力、經濟效益較高、且因使用材料為廢棄物,故兼具廢棄物的回收處理與能源生產的雙重效益。而且,生質能可併用在傳統能源供應的架構中,例如生質柴油可與市售柴油混合使用、氣化系統可與汽電共生或複循環發電系統結合等。

國外生質能應用現況

截至二○○一年止,生質能供應全球約14%的初級能源,其中亞洲(不含中國大陸)占34.2%,非洲占23.9%,中國大陸占20.5%,經濟合作發展組織會員國(含歐美澳日等20國)則占13%。生質能約占全世界再生能源利用的80%。

以歐洲聯盟為例,至二○○一年歐盟生質能總產量占其再生能源的63%,由於歐盟國家森林資源豐富,加上政府不斷投入經費發展生質能發電的技術,預期至二○一○年,生質能源占再生能源的比率將增加至74 %。利用生質物發電的電量亦將由一九九五年的22.5 TWh(109千瓦小時)增加至二○一○年的230 TWh,占再生能源發電的26.4%。另據統計至二○五○年時,全世界將有90%的人口仍多居住在開發中國家,因此生質能的需求將大幅增加,預計至二○五○年時,生質能將提供全世界將近38%的燃料需求及17%的電力供應。

國內生質能應用現況

如同其他國家,生質能也是我國最主要的再生能源,其中又以廢棄物能源為主,包括都市垃圾、一般事業廢棄物、石油焦、廢輪胎、廢溶劑、有機廢液、油泥、污泥、黑液、廢紙排渣、廢輪胎、蔗渣、稻殼、裂解油、石油焦、以及垃圾掩埋場與厭氧廢水處理廠的沼氣等。目前國內每年六百萬噸的有機廢棄物,將扮演生質能應用的關鍵角色。因此,我國生質能應用應以廢棄物能源利用為推廣的主要目標。

生質能技術的種類

生質能利用的技術範圍相當廣泛,其轉換為能源的方式可概分為直接燃燒技術、物理轉換技術、熱轉換技術與化學/生物轉換技術。

直接燃燒技術是把廢棄物直接燃燒以產生熱能與電力,例如現有的大型垃圾焚化廠,以焚化垃圾發電。

物理轉換技術是把廢棄物經破碎、分選、乾燥、混合添加劑及成型等過程,製成易於運輸及儲存的固態衍生燃料,作為鍋爐、水泥窯的燃料,例如紙廠把廢棄物製成錠型的固態燃料,作為燃煤鍋爐的輔助燃料。

熱轉換技術是指把廢棄物利用氣化與裂解(液化)等熱轉換程序產生合成燃油或燃氣(瓦斯),作為燃燒與發電設備的燃料。例如從廢保麗龍或廢塑膠可回收燃油作為鍋爐的燃料;又如稻殼、能源作物或廢紙渣可產製合成燃氣,進行燃氣發電。

化學/生物轉換技術,是指經醱酵、轉酯化等生物化學轉換程序以產生沼氣、酒精、生質柴油、氫氣等,作為引擎、發電機與燃料電池的燃料。例如垃圾掩埋場廢棄物、工業或畜牧廢水經醱酵產生的沼氣可以發電;又如廢食用油經轉酯化反應可產製生質柴油,作為汽車的替代燃料等。

將生質物轉化為類似煤、油、天然氣的衍生燃料,易於儲運並可提高能源效率,降低污染,同時可與資源回收系統結合,節省廢棄物處理成本,使生質能技術極具市場競爭力。以下就介紹目前利用生質物發電較為成熟的各種技術。

固態衍生燃料技術

傳統的生質物/廢棄物能源利用多以直接燃燒或焚化產生熱量,再經由熱回收設備產生蒸氣或熱水。然而新的生質物/廢物能源利用技術須考量廢棄物複雜的種類及性質、廢棄物料源的穩定性、運輸與儲存的技術與經濟、相關法規的限制以及整體系統的能源與環保效益等因素。因此,除性能提升與成本降低外,把生質物/廢棄物轉化為不同形式的廢棄物衍生燃料(refuse derived fuel,RDF),乃成為主要的趨勢。在轉化為不同衍生燃料時,屬物理轉換技術的固態衍生燃料技術,即屬熱轉換技術的液化技術與氣化技術,被視為是高效率、低污染且可擴大廢棄物利用範圍的新技術。

固態廢棄物衍生燃料是把生質物/廢棄物在熱轉換前先進行破碎、分選、乾燥、混合添加劑及成型等過程,製成錠型燃料,再供燃燒、氣化、液化等利用。其主要特性為顆粒大小一致、熱值均勻(大約是煤的三分之二)、在常溫下可儲存6~12個月而不會腐化、易於運輸及儲存、可直接應用於機械床式的鍋爐、流體化床鍋爐及發電鍋爐等。

現階段國外多以都市垃圾為固態衍生燃料的來源。固態衍生燃料在應用上對環境、能源利用效率、污染防治費用等均優於直接焚化系統。目前歐盟各國所產製的固態衍生燃料總量已達每年三百萬噸。日本的發展也已有十年以上,自一九八八年第一座固態衍生燃料製造廠落成後,每年都有新的製造廠完工運轉,截至二○○二年底,已有53座固態衍生燃料製造廠在運轉中,預計至二○○五年將達62座。

在國內,工研院能資所已成功開發固態衍生燃料製造技術,並移轉給業者;同時,能資所在經濟部能源委員會的支持下也與花蓮縣政府合作,在豐濱鄉建造了國內第一座都市廢棄物固態衍生燃料製造示範廠,進行示範運轉。

液化與氣化技術

液化程序是指由生質物/廢棄物經無氧熱裂解製成液態燃料。液態衍生燃料多以分選過的廢塑膠或廢橡膠為料源,經過熱裂解產生油氣,再經過冷凝後成為合成燃油與燃氣。這項技術的優點是產品易於儲存運輸且系統容量不大,具經濟性;其缺點則在於因需維持燃油的產率,裂解溫度不能太高,大約是攝氏300~500度。另廢棄物中若含有重金屬與硫、氯等成分,會部分殘留在產品內,而限制產品的用途。同時廢棄物中若雜質過多或成分複雜,也會造成產品性質不穩定。就國內現況,納入資源回收的廢棄物與工廠下腳料等種類較單純的廢塑橡膠,都是液化合成燃油的適合料源。

新近發展的快速裂解技術是在高溫、缺氧狀態下,快速加熱廢棄物,並快速冷凝所產生的氣體,以獲得合成燃油,且其產品非僅限於能源產品,也可生產高附加價值的特用化學品。快速裂解的操作溫度略高於傳統方法,約在攝氏450~600度之間,停滯時間小於一秒。由於快速升溫、又迅速冷卻,避免了二次裂解,因此可獲取約達75%的最大液體產量,另伴隨有15%的產氣及10%的焦碳。根據國外的經驗,以廢棄木屑作為快速裂解進料時,液態產物產率可高達乾基進料重量的80%,而焦油與氣體則供應裂解系統運用,所以整個系統運作沒有其他廢棄物產生或污染排放。

氣化技術是指在高溫下進行非催化性的部分氧化反應,把含碳物質,如生質物/廢棄物或煤炭等,轉換成以氣態燃料為主可供利用的能源。經氣化反應所產生的可燃氣體包括一氧化碳、氫氣、甲烷等,可作為鍋爐與發電機組的燃料;另也有部分燃料油、焦碳、焦油、灰份等產物,可供作其他用途;此外,氣化所生產的燃氣,也可轉化為甲醇,使用在燃料電池中。

根據預測,在一九九九至二○○八年間,歐洲生質物/廢棄物氣化系統數量將占全球42 %。歐洲氣化技術市場增加的主要原因是由於歐洲地區的廢塑膠、廢汽車可燃物、廢電子產品可燃物等消費性廢棄物大量增加;另一方面,各工廠也希望藉由銷售廢棄物能源以獲取更大的利潤,因此應用氣化反應技術乃成為各國在處理廢棄物時不錯的選擇,同時也符合對環保的高度要求。

以生質物氣化後的合成燃氣作為鍋爐輔助燃料的混燒發電系統,其優點包括可處理廢棄物、可燒低熱值氣體、不需淨化氣體的設備、可減少空氣污染物的排放、可節省燃料成本、原有鍋爐改裝容易等。以荷蘭為例,現有的八座燃煤電廠已陸續增加生質物進行混燒,其他諸如美國、德國及中歐、北歐等國家也在積極發展中。

目前全球生質物與廢棄物氣化系統的發展正由示範階段跨入完全商業運轉階段。現階段全球以氣化混燒發電為主要發展目標,較受矚目的示範廠共有四座,包括澳地利的Zeltweg、芬蘭的Lahti、荷蘭的Amer及美國的Vermont。

沼氣利用技術

沼氣的產生主要是藉由細菌把廢棄物中的有機物質分解以得到可燃性氣體,主要成分是甲烷、二氧化碳及少量硫化氫。分解有機物的細菌可分為好氣菌與厭氣菌兩種,當氧氣充足時,好氣菌會把有機物分解,所產生氣體大都是二氧化碳,稱之為好氣發酵;相反地,若在缺氧狀態時,則由厭氣菌負責把有機物分解,產生沼氣,稱之為厭氣發酵。

沼氣是一種相當好的能源,甲烷含量約在50~80%之間,所含的熱值通常在5,000 千卡/立方公尺以上,屬中熱值氣體,且有抗爆等特性,極適合於燃燒或引擎的使用。
目前臺灣的沼氣來源以廢棄物為大宗,其種類包括畜牧廢水、家庭污水、城鎮垃圾及各行業廢水等四大類,其中,畜牧廢水以豬隻糞尿廢水為大宗;家庭污水以都市污水處理場為主;城鎮垃圾主要以垃圾掩埋場為主;各行業廢水(物)則來自食品業、紡織業、膠帶業等。

生質柴油技術

利用油脂作物或廢食用油與甲醇(或乙醇)進行轉酯化反應,可產生脂肪酸甲酯(或乙酯)及甘油等產物;經分離甘油後,以蒸餾去除未反應完全的油脂,產生與一般柴油品質相當的液態燃料,稱為生質柴油。反應後甲基酯化油產量約和原料相似,但增加副產物甘油,所有的成本主要來自廢食用油的費用,約占四分之三。由於使用生質柴油的引擎排氣不含鉛、二氧化硫、鹵化物,並能大幅降低碳煙、硫化物、未燃碳氫化合物、一氧化碳及二氧化碳,目前已成為世界各國積極發展的生質能。

自從一九八五年由奧地利在 Styria 建立首座轉酯化試驗工廠,成功地應用於農業後,已將生質柴油推展至全世界。目前比利時、法國、德國、義大利及美國等每年的生質柴油產量已超過十萬公噸,至於日本只有少量的生質柴油是以廢食用油為原料生產。

依國外的經驗,生質柴油可直接作為柴油的替代燃料,或以不同比例摻配於市售柴油中(一般建議摻配20%)。若摻配20%於市售柴油中可降低約20%的二氧化碳排放量;由於生質柴油中約含11%重量比的氧,故在燃燒中會改善燃燒效率。諸多文獻亦顯示,純生質柴油或添加生質柴油的油料,可大幅降低柴油引擎所排放的黑煙、未燃碳氫化合物、一氧化碳、以及多環芳香烴等毒性物質。

在國內,工研院能資所曾受美國黃豆協會的委託,從事與生質柴油應用相關的計畫,並與臺北市政府環保局合作進行道路測試,探討生質柴油對引擎及排放廢氣的影響。能資所亦與業界進行合作,在嘉義興建3,000 噸/年以上產量的生質柴油示範系統,並進行道路示範測試,另外也正研擬生質柴油國家標準規範中。

永續發展

生質能符合永續經營的理念,並非僅以處理為滿足,而是把生質物資源化與能源化,兼具能源與環保雙重貢獻。同時,生質能的應用也極具經濟效益,可在政府適度的推動下,由民間業者投資經營,形成一完整的體系,不僅可妥善解決地方的廢棄物問題,更能充分利用國內廢棄物資源,轉換為可用的能源,提升國內發電容量,這對能源幾乎全仰賴進口的我國將有極大的助益,也為臺灣永續發展建立良好的基礎。
 
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