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石化與生活:不用石油的石化

工業化讓生活出現前所未有的進步與便利,但產生的二氧化碳也造成了氣候暖化。如何減少二氧化碳的排放,以及降低其在大氣中的濃度,是目前亟待解決的問題。
 
 
 
二氧化碳減量

二氧化碳雖非如硫氧化物等法定空氣汙染物會危害身體健康,但它在大氣中濃度升高所造成的溫室效應,會促使冰山融化、海平面上升、陸域面積減少。此外,環境溫度的變化也會使氣候及生態產生不可逆的反應,危及地球上所有的生物。

二氧化碳的排放與經濟成長有相當的關聯性,目前已開發國家有京都議定書來明訂各國的減量目標。在方法上,以提升能源使用效率為最主要的目標,並大力投入風力、太陽能、生質能等再生能源的研究及發展,訂定政策及法規增加再生能源的使用比率,以及減少煤炭、石油等化石燃料的使用。

在再生能源尚未能大幅取代傳統化石燃料前,各國仍需在傳統能源架構下追求經濟發展。以日本為例,雖然近十幾年來工業部門的二氧化碳排放量呈現下降的趨勢,但住商部門反而迅速成長,為避免二氧化碳減量對經濟的衝擊,不得不採用造林及向外購買碳排放量等京都機制,以達成減量的目標。

目前再生能源的發展中,有一項是以植物為原料製成生質柴油和汽油。植物行光合作用吸收大氣中的二氧化碳,把它製成燃料後再排放到大氣中,理論上不會增加二氧化碳的排放。目前各國多已開始供應生質能源,但仍處於政府規定或補助階段,成本尚難與化石燃料匹敵。

既然化石燃料可以用生質燃料取代,當然也能以生質塑膠取代石化塑膠,例如以玉米為原料的聚乳酸材質的生鮮托盤、蛋盒等供一次使用的盛盒,在堆肥環境下可完全分解,更具有環境相容性。以植物為原料的石化、塑膠產品,可把植物吸收的二氧化碳固定,減少大氣中二氧化碳的濃度,誰說工廠一定會排放二氧化碳?但目前這類產品仍有成本問題需要克服。

先進國家如美國、英國及歐盟等已投入煉油、石化廠的進料生質化研究,國際上把這未來式的生質煉油、石化及化學的綜合廠稱作生質精煉整合中心(biorefinary complex),並希望能在未來,至少在石油枯竭前,使全球使用傳統能源架構的煉油、石化廠徹底轉型,以降低大氣中二氧化碳的排放。這計畫能否成功的關鍵,在於商業化製程的建立及政府的政策支持。

生質精煉整合中心

發展背景

在工業上,任何打算取代現有技術的新製程,不僅在成本上須受嚴格檢視,進料供應及產品銷售也須有良好的銜接規劃。進料甚至要求能更便宜、更有彈性、生產更高等級的產品,整體設計更需因應目前的環保趨勢採用最佳技術,包括整合製程及汙染控制技術,做產品生命週期評估,以綠色會計使企業經營的外部成本內部化。

外部成本內部化是目前經濟與環保的爭議焦點。舉例來說,環保署自 1995 年起對工廠開徵空汙費,就是以法令針對工廠所排放對環境有影響的物質,以量計費。在這之前,企業並不會在乎究竟排放了多少汙染物,以及排放的汙染物對環境的影響有多大。未來國內擬課徵的能源稅或國外的碳稅,就是要把目前排放不收費的二氧化碳等企業外部環境成本,加以收費以變成內部成本。

因此,能源密集產業的未來發展,受二氧化碳相關稅賦的影響甚大,尤其是以石油為原料的煉油、石化業。而相關稅賦課徵的強度、時程,各國政府也會視國際、國內壓力、經濟衝擊、技術成熟程度與取得等因素而訂定。

對於開發中國家如中國、印度等,目前並無遵守國際公約所訂的二氧化碳減量義務,經濟發展模式也仍步著先進國家的舊路,煉油、石化、發電、鋼鐵、水泥等基礎工業蓬勃發展,二氧化碳排放量急速增加,連中東產油國也做起煉油及石化的生意,蓋廠並把產品銷到亞洲地區。

值得一提的是,不管已開發國家的排放量有多大,當國內失業率居高不下、經濟蕭條時,輿論就會怪罪政策限制二氧化碳排放導致產業外移。這樣的爭議全球迭起,再加上地球還剩多少石油可以開採的問題,在在令人憂心。生質精煉整合中心能夠提供發電、製造油品、石化及化學品等,也能取代目前的石油及解決二氧化碳排放問題,並可以在石油耗竭後接續供應,看起來是個不錯的解決方案。

概念

傳統的煉油、石化中心的架構,以我國、韓國、日本等石油進口國來說,原油以海運進口供應煉油廠進行分餾等程序,生產汽、柴油等能源產品,以及輕油等石化最前端產品。前者供應汽、機車使用,後者則再經輕油裂解等程序,生產乙烯、丙烯等石化基本原料。這些原料再經聚合反應生產聚乙烯(PE)的粒狀產品,PE 再經加工最終製成日常生活常用的 PE 塑膠袋,或做為燃料電池中的隔離膜等重要元件。

第 1 代的生質柴油工廠是以單一工廠進行產品供應,目前製程已演進到可以用酵素取代傳統鹼性製程生產生質柴油主產品,以及高純度甘油副產品,並進一步分餾及萃取出高附加價值產品,如維生素 A、E 等醫藥保健品。

第 2 代的生質精煉整合中心則擴大第 1 代廠家的規模成為整合性工廠群,在類似目前煉油、石化一體的石化中心架構下,除生產供交通等用途的生質柴油、汽油,以及供氫能使用的氫氣等生質燃料外,更進一步生產類似石化基本原料的生質平台中間體,例如 2 個碳的乙醇、3 個碳的乳酸等。然後接續生產類似橡膠、塑膠、人纖等生質化學品,例如醋酸乙酯等綠色溶劑,取代目前會造成臭氧問題的石化來源的碳氫化合物溶劑。

另外,更下游的食品、醫藥、化妝品、電子、材料等用途的高值化學品,也能在中心內生產。全廠區的電、熱等能源,則另設汽電共生廠,進料是使用中心內的生質廢棄物,經乾燥後燃燒產生高壓蒸氣,推動蒸汽渦輪或蒸汽引擎進行汽電共生。

基本製程架構

生質精煉整合中心在製程上首先須面臨的是生質原料的供應與進料處理,也就是把目前煉油廠進料的原油改為植物進料。然而植物不能像石油可經過漫長的壓縮、加熱等轉化過程,且其能源密度低,必須經過進料前處理,因此要維持生質原料的穩定供應,其困難度遠較煉油工業的石油高。此外,在料源方面除了需有較大種植面積的腹地外,尚需進口已經破碎、研磨等的原料,經前處理後成為緊實及較高碳密度的生質原料,以期在後續製程中節省能耗,並使料源分散,降低對該地區食用作物的衝擊。

能源作物經過進料前處理後,可先進行萃取及分離程序,獲得高價的蛋白質、油及多醣類,再加工成為高分子、保健食品、醫藥品及其他特殊化學品。舉例來說,一般稻草/麥稈中約含有 1% 植物蠟,可經萃取分餾得到植物固醇,它具有降低膽固醇的功能,目前已用在保健食品中。

經前項程序後剩下的可分為纖維素及半纖維素原料,以及穀粒原料兩種,準備進入生物化學主程序:水解、發酵反應,生產出具有類似石化基本原料的生質化學品。

水解又稱糖化,在進入主程序前,一般會針對纖維素及半纖維素原料做前處理,以加速或活化主程序的反應。在穀粒原料部分,目前則可以溼式分離法使穀皮和胚芽、蛋白質等具高經濟價值的物質先與澱粉分離。

在蛋白質部分,可經加工製成食品級乳化劑等,其中蛋白黏膠質可用於非食品用途,製作黏著劑及塗層。從穀皮中可萃取出阿拉伯木聚糖膠高分子體,是耐熱性凝膠,可做為醫藥用途的慢速釋放劑。穀仁含有相當量的胚芽油,可經萃取獲得,所含高非飽和脂肪酸可使用於化妝品工業。與傳統石化中心相較,這些高經濟價值產品能大幅提升中心的競爭力。

經前處理的穀粒澱粉類原料及纖維素原料,再分別利用特定酵素進行水解反應,以產出能進行下一階段發酵反應的葡萄糖及五碳糖。穀粒澱粉類原料的處理是目前生質酒精工廠一般採用的製程,纖維素原料的處理則因纖維素有強韌的細胞壁和結晶性,技術商業化困難,是發展的瓶頸。

經過水解反應得到的葡萄糖及五碳糖,隨即進行發酵的生物程序,例如葡萄糖可採用傳統的酵母產出生質乙醇、3-羥基丙酸等,具有與目前石化基本原料類似的 2 碳、3 碳等生質化學品,甚至可以進一步生產目前石化路徑難以製造的化學品。

原料中尚有木質素一項,在處理上,目前認為可轉換成芳香烴如酚化學品,惟仍在研究階段,可規劃做為汽電共生廠的生質燃料。

另尚有熱化學主製程,以氣化反應進行高溫氧化生產合成氣,即氫氣與一氧化碳的混合物,可接續生產甲醇,或接續以 Fisher-Tropsch 合成技術及加氫裂解程序,生產合成柴油、煤油、輕油等有價值的碳氫化合物,具有替代傳統煉油廠的潛力。目前商業化的合成氣是以煤或天然氣等為進料生產得到的,主攻氫氣市場,使用於氨工業及石油煉製程序中。

生質原料在進行氣化反應前,一般建議先進行熱裂解反應,即在高溫缺氧的情形下轉化成更緊密的液體形式──生質油,或經過烘焙脆化並加以碾碎的固體形式──生質煤,以做為後續高壓氣化反應裝置的進料。

熱化學氣化製程有一項目前生物發酵製程尚未能處理的優勢,即可以處理木質素。理論上氣化製程可以處理所有含碳的生質原料(包含廢棄物),然而目前仍有些障礙待突破,例如較低成本及有效率的生質原料乾燥程序,以及進料系統及合成氣的純化處理等。

值得一提的是,Fisher-Tropsch 製程早期是德國、南非等因戰爭及政治因素遭石油禁運國家,發展替代生產油品及石化品的技術。南非石油公司目前已有以煤為進料的商轉裝置,現正與中國大陸進行一項以天然氣為進料的計畫。另外,加氫裂解製程屬目前煉油工業的標準商業化程序,能把較低價的高碳數碳氫化合物轉化成較高價的低碳數碳氫化合物。

生質化學品

利用生物化學或熱化學主程序所生產的生質平台中間體,可接續往下游進行類似橡膠、塑膠、人纖等石化品的生質化學品的製造,替代目前以原油為進料的石化品,供應民生、紡織、橡膠、塑膠、材料等下游產業所需。歐美等國目前已研究出多種生質中間體及其衍生化學品,以下介紹代表性項目及其相關衍生物。

生質乙醇 即生質汽油,是 C2 系列的生質化學品,目前以巴西及美國產量最大,主要替代化石汽油,國內部分加油站也供應含 3% 生質乙醇的酒精汽油。製造程序多以糖作物如甜菜及甘蔗為原料,以酵母菌進行發酵生產。目前以生質乙醇為原料的潛力產品有乙基第三丁基醚,它不具致癌毒性且是生物可分解,可取代目前汽油中所添加的甲基第三丁基醚。國內已有石化業者規劃投資以生質乙醇為原料生產乙烯,做為石化乙烯在高原油價格下的替選原料。

乳酸 屬 C3 系列,可以由玉米等作物發酵生產,目前主要使用在食品及飲料中,在工業用途上,可進一步生產具生物分解功能的聚乳酸高分子。乳酸可用來生產丙烯酸,替代石化來源的丙烯酸,也可進一步聚合生產各式塑料、塗層、黏合劑、彈性體、地板擦光劑及塗料。

此外,由乳酸可進一步生產含氧溶劑如乳酸乙酯、除草劑、丙二醇等。其中丙二醇屬重要的石化工業丙烯氧化物中間體,可以製造不飽和樹脂、聚醚多元醇、聚氨酯等,使用於運動場、機場跑道、建築、鞋底、運動護具、沙發泡棉等用品上。

丁二酸 雖然目前已大量以石化路徑的馬來酸生產,屬 C4 系列的丁二酸未來有改以碳水化合物在酸中進行發酵而獲得的潛力。丁二酸目前多用在食品及飲料的增甜劑。

工業用途上,丁二酸可進一步生產 1,4-丁二醇以替代石化產品,再進而生產聚對苯二甲酸二丁酯,目前廣泛用於汽車、電子電器的材料上;也可生產性質與寶特瓶相同的材料 PET 與相近的生物可分解材料聚丁二酸二丁酯,以及生產做為化工及醫藥製程的溶劑及萃取劑的 γ–丁內酯等。由丁二酸也可生產酯類,做為燃料含氧化合物的添加劑及綠色溶劑,或新世代綠色聚酯類。

木糖及阿拉伯糖 是半纖維素的主要組成物,可由木質纖維素以熱機械處理、酸水解及酵素處理而獲得,是有潛力的 C5 系列生質化學品。工業上目前已有以木糖、阿拉伯糖等五碳糖為原料進行水解生產糠醛,用在煉油製程中潤滑油的精煉萃取,以及柴油脫硫等溶劑萃取程序,也用在蔬菜油中飽和及未飽和碳氫化合物的分離等,並可做為殺線蟲劑及抗真菌劑,是一種對環境友善的殺蟲劑。

木糖及阿拉伯糖可進行發酵生成 1,2,4-丁三醇,也可做為軍用推進燃料及炸藥,有取代硝酸甘油的可能。另外,木糖及阿拉伯糖可分別進一步生產木糖醇及阿拉伯糖醇,做為無熱量的增甜劑。

山梨糖醇 屬 C6 系列,目前已有經觸媒氫化反應由葡萄糖轉化而成的批式工業製程,發酵製程部分則可把果糖及葡萄糖分別轉化成山梨糖醇及葡萄糖酸。山梨糖醇通常用作食品中的增甜劑,以及溼度穩定劑,或進一步用來生產維生素C。

山梨糖醇可生產非離子型界面活性劑,常用在醫藥及化妝品的乳化劑及安定劑上;或生產聚醚多元醇,做為聚氨酯的中間體;或生產二硝酸異山梨醇,使用於醫藥品的血管擴張劑;或生產異山梨醇二甲醚,做為化妝品的溶劑;或生產異山梨醇雙酯,可取代鄰苯二甲酸鹽做為無毒的 PVC 可塑劑。

此外,異山梨醇有取代在 PET 合成中的乙二醇的潛力,生成具有較高玻璃轉移溫度的PEIT,適用於盛熱容器,或進一步生產丙二醇,做為不飽和聚酯的生質中間體。

無碳排放新世界

最近一次的聯合國氣候變化綱要公約在哥本哈根舉辦的會議(COP 15),雖未達成溫室氣體具體減量的協議,但形成了全球參與卻有差別性義務的減量共識。此外,政府間氣候變遷專門委員會的科學家所提出的哥本哈根診斷書,顯示過去低估了全球暖化問題,建議必須防止全球平均氣溫升高幅度超過工業化前攝氏 2 度,因此引發了對一部紀錄片〈正負二度C〉的討論熱潮。

不只是歐美先進國家,中國、印度等開發中國家也會積極提高再生能源的使用比率,不論是太陽能、風能、海洋能、燃料電池等,或是本文介紹的生質能與生質精煉。預期各國政府會投入大量的研究、輔導經費,以及政策優惠,鼓勵民間投入相關產業,以期能緩和全球溫室效應。而這些發展中的再生能源,與傳統的化石燃料又有微妙的依存關係,例如傳統能源價格愈高,再生能源的實現愈有希望,其市場價值也會愈高。

不管再生能源如何多樣發展,解決氣候變遷的方向是一致的,而生質精煉的實施更進一步關係著人類健康與福祉的實現:在兼顧經濟與環保下,藉著生質精煉的進料作物來吸收及降低大氣中的二氧化碳,進而生產出各種日常用品、材料、添加劑、醫療保健品等,以取代目前經由石化路徑的產品。生質產品具低致癌性、生物可分解、可降低汙染、環境友善及相容等特性,而能源作物的需求將使各國重視農業發展,避免重蹈先進國家的舊路。

不知道還需多少時間才能達到無碳排放的新世界,但目前看來,在石油耗盡前,生質精煉整合中心似乎是理想的替代選擇。
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