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二氧化碳減量:二氧化碳的捕獲與分離

二氧化碳幾乎已成為當今溫室氣體的代名詞,除自然產生外,主要來自燃燒。因此,要完全減緩地球暖化現象,必須想辦法抓住二氧化碳。
 
 
 
二氧化碳除自然界自然產生外,其餘主要來自燃料如石油、天然氣與煤炭。經由燃燒,燃料中的碳元素和空氣中的氧反應生成二氧化碳與水,排放到大氣中而造成地球暖化現象。

要減少二氧化碳的排放,最簡單的方法就是節約能源,這是大家都做得到的。小從個人生活,住家與商業大樓,大到工廠與工業區,都能減少電力與燃料的使用。

除此之外,可多開發並使用高效率的產品,逐步把老舊、效率低的發電廠更新為高效率的發電廠。也應該多使用含碳量低或無碳的再生能源,如風能、太陽熱能與太陽光電、生質能(如有機廢棄物、垃圾衍生燃料、沼氣、生質作物等)、地熱、水力等。在交通方面除應多利用大眾運輸系統外,也應發展與使用省能汽車,如複合汽車(即油電複合車輛)、電動汽車、氫能汽車等。

以上提到的各種方法都會對減少二氧化碳排放有所貢獻,但仍無法達成把二氧化碳的排放量降低到西元1990年排放水準的目標。因此必須想辦法抓住二氧化碳,不讓它逸散到大氣中,才能夠完全減緩地球暖化現象,這種方法稱為捕獲技術。

目前商業化的捕獲技術能夠把90%以上的二氧化碳抓住,因此是最有效減少二氧化碳排放的方法。但以最常利用的乙醇胺(monoethanolamine, MEA)吸收二氧化碳為例,會耗用許多能源,去除每公噸二氧化碳約需花費50~70美元,由於價錢昂貴,尚未被普遍採用,未來研發改進空間極大。

捕獲二氧化碳的方法,可依燃料轉換成熱能與電能的方式,區分為燃燒後、燃燒前與富氧燃燒3類。

燃燒後捕獲是在排放廢氣中把二氧化碳捕獲,是目前從大氣中捕獲二氧化碳的主要方法。由於燃燒後排放的廢氣中二氧化碳濃度不高,以煤炭或石油為燃料時,二氧化碳排放濃度僅約12~18%,若是以天然氣為燃料,二氧化碳排放濃度更僅有3~8%,因此必須利用化學吸收劑從廢氣中把二氧化碳捕捉住,使得捕獲成本偏高。

另一種方法是在燃燒之前捕獲,也就是由源頭直接產生高濃度的二氧化碳。一般是利用稱為氣化的技術,在高溫爐內以95%的氧氣為助燃劑,且僅提供完全燃燒所需氧氣量的三分之一至五分之一。由於在缺少氧氣的環境下,燃料中的碳與氫原子經熱分解後,再經由一連串複雜的放熱與吸熱反應,會生成約含40~60%的一氧化碳與20~35%的氫氣的可燃性混合氣體,通常稱為合成氣。

若把這合成氣做為燃燒或發電用的燃料,燃燒後排放廢氣中的二氧化碳濃度就可高達40~60%。這時再利用捕獲技術把二氧化碳濃縮至90%以上,顯然較直接燃燒後的低濃度二氧化碳的捕獲來得經濟。

氣化生成的合成氣,可再利用水轉化反應,使一氧化碳與水蒸氣反應轉化成氫氣與二氧化碳,再使氫氣與二氧化碳分離。氫氣可做為燃料電池或引擎等的燃料,二氧化碳則可直接壓縮封存或再利用。

還有一種由燃燒源頭直接產生高濃度二氧化碳的方法,就是利用富氧燃燒。一般燃燒是以空氣提供燃燒所需的氧氣,氧氣濃度僅約21%,若改以高濃度或95%以上的氧氣,則稱為富氧燃燒或純氧燃燒。這時燃料中的碳與氫在純氧中燃燒,由於少了空氣中的氮氣,燃燒後的廢氣含有90%以上的二氧化碳,便不需要再經由二氧化碳捕獲或分離程序,就能直接把二氧化碳壓縮封存或再利用。目前富氧燃燒技術仍在研究發展中,距離實際應用尚遠,還有待大家繼續努力。

二氧化碳捕獲分離技術,大致可分為吸收、吸附、低溫、薄膜分離等方法。吸收是目前最常用於捕獲燃燒後低濃度二氧化碳的方法,主要是利用鹼性的吸收劑與二氧化碳反應,稱為化學吸收。由於化學吸收後分子的鍵結較強,通常必須再利用高溫蒸氣使二氧化碳釋出,同時也回收吸收劑再利用。

若二氧化碳被物理吸收劑藉由分子間引力(凡得瓦力或靜電)吸收而無化學反應發生,稱為物理吸收。物理吸收程序最常利用冷的甲醇與甘油做為吸收劑。物理吸收一般用於二氧化碳分壓高於0.5 MPa時,特別適合煤炭氣化的合成氣。另外,也有結合化學與物理吸收的優點而發展出來的吸收程序,稱為複合吸收。

吸附方法主要是用於合成氣程序中,先將氣化所生成的一氧化碳與水蒸氣轉化成氫氣與二氧化碳,再使氫氣與二氧化碳分離。這方法是利用固體吸附劑如分子篩和活性碳,由於氫氣與二氧化碳的吸附能力不同,而達到分離的目的。

吸附分離程序主要可分為變壓吸附與變溫吸附。變壓吸附是利用氣體在高壓時的吸附量較低壓時大很多,而以周期性的壓力變化程序(高壓吸附、低壓脫附)達到分離的目的。變溫吸附則是在同樣的壓力下,因氣體的吸附量隨溫度變化(低溫吸附、高溫脫附),而可用來分離氣體混合物。工業上多以雙塔操作模式進行,即設有兩個吸附塔,當一塔進行吸附時,另一塔則進行脫附,如此連續不斷反覆交錯,而達到連續分離的目的。

低溫方法是一項商業化技術,像常看到的乾冰,就是利用兩階段壓縮冷凝的方法把二氧化碳液化或固化成乾冰。若再以蒸餾的方法,可把二氧化碳由液化或固化的不純物中分離出來,做為再利用的原料。

利用薄膜分離氫氣與二氧化碳,一直是大家研究的重點之一,被認為是未來能大幅降低二氧化碳捕獲費用的希望。在日常生活中最常見到的是以薄膜做為濾材。一般用來分離氫氣與二氧化碳的薄膜,可分成緻密性陶瓷、多孔性陶瓷、金屬薄膜(以鈀金屬為基礎材料)與聚合物薄膜4類。

緻密性陶瓷薄膜只允許氫氣穿過,有100%的氫氣選擇性。但由於薄膜孔隙非常細小,使氫氣穿透速率較其他薄膜低,且在高濃度二氧化碳與水蒸氣存在時呈現不穩定現象。另一種是多孔性陶瓷薄膜,材料便宜且氫氣穿透速率較其他薄膜高,但對氫氣選擇性不高且製造困難。這類薄膜技術具有未來大型化應用的可行性,是目前研究發展的重點之一。

第3種是金屬薄膜,具有100% 的氫氣選擇性。二氧化碳與水蒸氣不會影響薄膜特性,且在低溫下,氫氣的流通量較陶瓷薄膜高。但鈀金屬價格過高,在氫氣中熱循環易脆與變形。第4種是聚合物薄膜,是目前唯一商品化的薄膜,在高濃度二氧化碳與水蒸氣存在下具穩定性,但禁不起大於攝氏150度的操作溫度。目前發展中的複合材料,可應用於從合成氣中分離二氧化碳。

二氧化碳捕獲與分離除了採用吸收、吸附等分離原理外,美國近年來也發展一些新的捕獲技術。一種利用低溫把二氧化碳與水形成冰狀水合物的方法,可使二氧化碳從氣體混合物中分離,最後把冰狀的二氧化碳水合物加熱融解後,就可獲得幾乎純的二氧化碳。

另外有一種化學吸收方法,利用石灰(CaO)吸收二氧化碳形成石灰石(CaCO3)的碳酸化放熱反應,釋出的熱量可做為石灰石在飢燒分解成二氧化碳與石灰時所需要的熱量,如此循環反覆操作,以提高廢氣中二氧化碳濃度,近年來也特別引起大家的興趣。最主要的原因是目前最常用的醇胺類吸收劑,吸收二氧化碳後須利用外加的能源,才能使二氧化碳與吸收劑分離再生。因此減少再生所耗用的能源,就成為學者們努力的目標之一。

經由石灰提濃後的二氧化碳可經由壓縮封存,或與蛇紋石進行化學反應,形成穩定的碳酸鎂。我國東部有著豐富石灰石與蛇紋石,可利用石灰石發展相關捕獲封存技術,解決未來二氧化碳的排放問題。但石灰因微孔隙易造成堵塞影響反應性,經由循環再生程序後,轉化率快速遞減,這是研究改善的重點。

目前我國因應二氧化碳減量策略,主要是以提升能源效率與擴大再生能源和天然氣使用為主。但再生能源受本身自然環境的限制,無法大量取代化石能源,而屬低碳的天然氣幾乎完全仰賴進口,售價昂貴且易受國際市場影響,若大量使用將對國內電價與能源價格造成影響。在仍需大量使用石油與煤炭的條件下,適當地結合二氧化碳捕獲與封存技術,減少火力電廠的二氧化碳排放,已是未來無法避免的課題,也是各先進國家積極投入研發,以有效大量去除二氧化碳排放的關鍵技術。

目前不論何種二氧化碳捕獲分離技術,所需花費的成本仍然太高,距離廣泛應用的經濟目標,還有一段尚待努力的空間。我國身為地球村的一員,二氧化碳減量是你我共同的責任,讓我們一起努力吧。
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