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流體化技術:流體化床與生質能

做為生質能的轉換工具,流體化床有很多優點。生質物經流體化床氣化爐處理產生的合成氣,可用於發電,或再轉化為其他生質燃油等化學品,兼具能源和環保雙重貢獻。
 
 
 
生生不息的生質能

根據國際能源總署的最新統計,目前生質能是全球第4大能源,僅次於石油、煤及天然氣。生質能供應全球約 9.8% 的初級能源,也提供了開發中國家約 35% 的能源,是現今最廣泛使用的一種再生能源,約占世界所有再生能源應用的 80% 左右。

生質能的基本觀念,來自利用過程中的二氧化碳淨排放為零。當植物行光合作用時,吸收陽光、二氧化碳和水分後產生氧氣,並促進植物的生長;然後再將植物做為燃料時,在產生能源的過程中,所釋放的二氧化碳又回到大氣中,形成一個沒有增加二氧化碳淨排放的循環。因此,生質能被列為再生能源的一種。

依據 2009 年 7 月 8 日正式公告實施的「再生能源發展條例」第 3 條第 2 款的定義,生質能是「農林植物、沼氣及國內有機廢棄物直接利用或經處理所產生之能源」。上述可轉換為生質能源的生質物,則泛指由生物產生的有機物質,包括木材和林業廢棄物,如木屑等;農作物和農業廢棄物,如黃豆、玉米、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;都市垃圾和垃圾掩埋場與下水道汙泥處理廠所產生的沼氣;工業有機廢棄物,如有機汙泥、廢塑橡膠、廢紙、黑液等。

由生質物轉換為生質能源的程序,一般可分為熱化學轉換技術(如燃燒、氣化、裂解反應等)和物理化學/生物化學轉換技術(如轉酯化、發酵等)兩大類,而流體化床可做為燃燒、氣化、裂解反應等熱化學轉換技術的載具。本文特別介紹流體化床氣化技術應用於生質能領域的現況和發展。

千變萬化的氣化技術

氣化技術始於 17 世紀中葉的歐洲,1669 年 Thomas Shirley 首次以碳氫化合物進行較粗略的氣化實驗。30 年後,Dean Clayton 由煤的熱裂解實驗得到合成氣。在歷經近百年的發展後,Robert Gardner 於 1788 年獲得了第ㄧ個關於氣化的專利,而 1792 年英國人 William Murdock 首次點燃合成燃氣供屋內照明用。此後,氣化的合成氣就被用於烹飪、取暖等。

第ㄧ個氣化爐成形於 1812 年,使用油為燃料。1840 年,世界首座商業用途的氣化爐建於法國,大規模使用氣化技術產氣則是在 1850 年代的英國倫敦,利用煤炭氣化生產所謂的「town gas」(即煤氣)供照明等利用。從此 town gas 的生產與使用一直持續增加,後來才被天然氣和較便宜的化石燃料所取代。1878 年首次成功地把合成燃氣用在發電上,1901 年蘇格蘭人 J.W. Parker 更利用合成燃氣做為汽車引擎燃料,氣化技術便進入一個新的紀元。

全球第ㄧ座商業化流體化床就是一座氣化爐,是由德國巴斯夫(BASF)公司的 Fritz Winkler 於 1921 年所發明的,1922 年取得專利,並於 1926 年設置在德國 Leuna 小鎮,使用煤炭為原料製備合成氣發電。在 1929 年,全球已有 5 座流體化床氣化爐,總發電量已達 10 萬瓩。

氣化技術的應用在 20 世紀初有相當不錯的發展,但不敵石油工業的興起而逐漸衰退,因此在 1950 年代被稱為「被遺忘的技術」。氣化技術的再次興起是在 1970 年代之後,由於能源危機,使得煤炭氣化再度受到重視。而在同時,因歐洲伐木等事業帶來環境的問題,使得氣化技術開始利用木屑等生質物做為氣化原料,開啟了生質物氣化技術的發展,更大量應用在能源較缺乏的發展中國家。歷經近 30 年的發展,現今生質物氣化技術已是極具潛力的替代能源技術,可同時解決環境汙染和能源短缺的問題。

所謂「氣化」,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、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,主要包括一氧化碳、氫氣、甲烷等,可直接做為鍋爐和發電機組的燃料,供應所需的蒸氣和電力。此外也會產生燃料油、焦碳、焦油、灰分等產物,可作其他用途,如特用化學品等。氣化所生產的合成氣,可再轉化製成生質燃油等其他產品。

上述的部分氧化,是指反應時所用的空氣量(即含氧量),比完全燃燒所需要的計量空氣(100%)少,約在 20% 至 40% 之間。而進行非催化性部分氧化反應的介質,一般是空氣、氧氣、氫氣、水蒸氣,或其混合物等。若空氣量是零,即在無氧加熱的狀況下,就稱作裂解程序。

氣化反應的程序主要可分為 4 個階段。第ㄧ階段是乾燥,去除反應物(即原料)所含的水分,溫度約為攝氏 100 ~ 150 度。在這個階段,反應物並未被分解。

第二階段是裂解反應,就是使反應物熱分解,溫度約為攝氏 150 ~ 700 度,會產生氣體、揮發性焦油或燃料油和焦碳殘留物。

第三階段是氧化反應,是使裂解產生的焦碳、焦油和氣體氧化或部分氧化,是一種燃燒放熱反應,溫度約為攝氏 700 ~ 2,000 度。

第四階段是還原反應,在缺氧的狀況下進行高溫的化學反應。由於是吸熱反應,因此溫度較氧化反應階段低,約為攝氏 800 ~ 1,100 度。這部分的熱源可以由氧化(燃燒)階段提供。

水煤氣(一氧化碳和氫氣)是氣化反應後可利用的主要產物。理論上,若原料內含碳部分完全氣化並轉化為一氧化碳等可燃氣體,其殘餘物就只是灰渣和焦碳(即未燃碳)。用氣化技術處理生質物有不少優點,包括可有效回收和利用生質物所蘊藏的能量;所需空氣量較直接燃燒時少,除塵設備投資低;氮氧化物和二氧化碳產量少,汙染較少;由於反應是部分氧化,剩餘氧很少,可避免產生戴奧辛前驅物氯酚。

流體化床氣化爐

典型的流體化床氣化爐是由一個內襯耐火材料的反應爐構成,並把砂子或其他惰性物等介質放在氣體分布板上,藉由氣體的注入使介質均勻懸浮分布在氣體中,即流體化。而經破碎處理的生質物,則在高熱傳且混合均勻的流體化介質帶動下,進行氣化反應。

與其他形式的氣化爐相比,流體化床氣化爐在操作條件、應用範圍及模組規模上都有優勢,如燃料使用彈性大、連續操作容易、床溫均勻、氣固混合良好、具高熱傳與質傳效率、低汙染排放、規模放大容易等。一般而言,目前小型的氣化爐大多採用固定床式的氣化爐,中大型的氣化爐則大多採用流體化床技術。

世界各國在生質物氣化技術的發展上,除小型的固定床外,約有五分之四的氣化爐採用流體化床形式。歐洲是發展廢棄物氣化技術最積極的地區,其他各國都在密切注意歐洲在氣化技術上的發展,除了因為歐洲一向在環保方面有良好的聲譽外,也是因為歐洲已成為全球生質物/廢棄物氣化技術最大的市場。估計在 1999 至 2008 年間,歐洲廢棄物氣化系統數量占全球 42%,其他地區分別是日本 18%,北美 17%,東南亞 10%,拉丁美洲5%。

歐洲氣化技術市場增加的主要原因,是由於英國和北歐地區的都市廢棄物大量成長,而且廢塑膠、廢汽車可燃物、廢電子產品可燃物等後消費性廢棄物也大量增加。另一方面,在工業廢棄物的處理上,各工廠都希望利用廢棄物轉換為能源加以利用,而廢棄物處理業者也希望藉由銷售廢棄物能源獲取更大的利潤。因此,利用氣化反應把生質物/廢棄物轉換為能源的技術,成為歐洲各國在處理廢棄物時一項不錯的選擇,也符合歐洲對環保的高度要求。

目前氣化應用最為可行且最具市場潛力的方式是氣化混燒發電,也就是先把生質物氣化後所產生的合成氣送入燃煤(油、氣)鍋爐內做為輔助燃料,來產生電力或熱能。這方式的優點包括:可處理廢棄物、可燒低熱值氣體、不需淨氣設備、可降低溫室效應氣體和空氣汙染物排放、可節省燃料成本、原有鍋爐等設備改裝容易等。在氣化混燒系統中,以位於芬蘭拉第(Lahti)的 70 MWth 循環式流體化床氣化示範廠最受矚目。

1976 年,Lahden Lämpövoima Oy. 建造了一座 138 MWe 的 Benson 型貫流式粉煤鍋爐發電廠後,接受歐盟計畫資助 300 萬歐元,由 Foster Wheeler 公司負責建造一座 70 MWth 的循環式流體化床生質物氣化爐(總造價是 1,100 萬歐元),並和原粉煤鍋爐系統結合,於 1998 年 3 月正式運轉。這工廠的主要效益在於可直接氣化含水量較高的生質物,而產生的低熱值粗合成氣也可直接用於現存的燃煤鍋爐,使它成為一座相當成功的生質物氣化示範廠。

這座循環式流體化床生質物氣化爐,內徑 2 公尺,外徑 4 公尺,床質是石英砂和石灰石各半,爐內溫度是攝氏 850 ~ 900 度,產出的低熱值合成氣和進入氣化爐的新鮮流體化空氣進行熱交換。目前使用的主要生質燃料(含水量約為 50 ~ 20%),包括樹皮、木屑、廢枕木、廢輪胎,以及回收性燃料,每年約占 30%,大都來自原始回收的廢棄物,組成是 5 ~ 15% 塑膠(不含 PVC)、20 ~ 40% 一般廢紙、10 ~ 30% 紙板和 30 ~ 60% 木材廢料,合計取代 15% 的煤炭燃料,每年可節省 130 萬歐元,投資回收年限約 9 年。

其他國外成功運轉的生質物流體化床氣化爐,尚有位於瑞典 Värnamo 的 Metso Power 的 35 MWth 循環式流體化床生質物氣化爐,它產製的合成氣再注入一水泥窯進行混燒。又如位於美國 Burlington 的 40 MWth 循環式流體化床生質物氣化爐,也是在一座 50 MWe 鍋爐中混燒發電。奧地利 Güssing 的 8 MWth 循環式流體化床生質物氣化爐,則是一熱電共生系統,目前加裝了合成氣轉換費托(Fischer-Tropsch)生質柴油的反應器,進行相關測試。

未來需求與展望

現階段發展的生質物氣化系統仍然還有改善空間,例如焦油的去除和轉換、合成氣品質、生質物來源、經濟性等障礙。未來會朝向以氣化合成氣製備運輸燃料或化學品等生物精煉技術的多元性利用方面發展,前景可期,在這方面流體化床會繼續扮演關鍵的角色。

國內目前只有工業技術研究院能源與環境研究所進行過大規模的流體化床氣化技術研發,學界也僅有少數研究在進行,尚未建置商業用生質物氣化爐。然而,以國內最常使用的汽電共生粉煤鍋爐為例,只要加裝一座生質物氣化爐,就能使粉煤鍋爐有處理生質物/廢棄物的能力,並能充分利用國內生質物資源轉換為可用的能源,提升國內再生能源的利用。
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