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氣化技術

氣化技術是一種具有多重效果的方法,能從許多不同類型的有機材料中抽取能源,它也是一種潔淨技術,應用在廢棄物的處理上可以化腐朽為神奇,變成有用的資源。
 
 
 
氣化技術(gasification technology)是一種把煤炭、石油、生質物等含碳的原料,在控制氧氣量及高溫的條件下與水蒸氣進行反應,轉換成一氧化碳和氫氣的程序。氣化後的混合氣體稱為「合成氣(synthesis gas 或 syngas)」,本身是一種燃料。氣化技術是一種具有多重效果的方法,能從許多不同類型的有機材料中取得能量,它也是一種潔淨的技術,可以應用在廢棄物的處理上。

氣化技術的優點主要在於製造比原來燃料的使用效率高的合成氣上。也就是說,燃料中的化學能可以藉由氣化技術抽取出來。另外,合成氣也可以用在內燃機中的直接燃燒、甲醇和氫氣的生產,或透過費希爾—特普希反應(Fischer-Tropsch process)製成合成燃料。氣化的原料可以是本來沒有多少用途的物質,例如生質物、有機廢棄物等。

目前化石燃料的氣化技術,正大規模地嘗試應用在發電產業上。因為幾乎所有的有機物質,不管是木材、生質物、甚至塑膠廢棄物,都可以當作氣化燃料來使用。因此,對於再生能源而言,氣化可以說是一種十分重要的技術。特別的是,生質物的氣化是達成「碳中和(carbon neutral)」的一種理想技術。氣化是一種溫度高於攝氏 700 度的高溫化學反應,這點與產生沼氣(biogas)的厭氧分解等普通生物程序不同。

氣化的化學反應

在氣化爐裡,含碳物質會經歷若干不同的反應及作用,得到一氧化碳和氫氣的能源氣體。

熱解作用 它的發生時機是在含碳顆粒燒起來時,會釋放揮發物產生焦炭,因而造成煤炭 70% 重量的損失。這一個作用與含碳材料的性質有關,但也決定了即將接受氣化反應的焦炭結構與組成。

燃燒反應 在燃燒反應中,揮發物、若干焦炭與氧反應,形成二氧化碳和一氧化碳。這個氧化作用也提供氣化反應需要的熱能。

焦炭重組反應 在氣化反應的第3階段裡,剩餘的焦炭與二氧化碳、水蒸氣反應,產生一氧化碳和氫氣。

產物平衡 最後,在氣化爐高溫下,可逆的氣相水煤氣轉移很快便達到平衡,使得一氧化碳、水蒸氣、二氧化碳、氫氣等的濃度達到平衡。

本質上,把限量的氧氣或空氣導入氣化爐內,燃燒一些有機材料,產生一氧化碳和能量,產生的能量可以驅動更進一步的反應,把有機材料轉換為氫氣和更多的二氧化碳。在工業界中,大規地生產合成氣的方式,也包括使用天然氣經過蒸氣重組的方法。

氣化技術的應用

氣化技術的應用最早開始於 1880 年代,用在生產照明和煮飯所需的城鎮瓦斯上。雖然在稍後,電力和天然氣取代了城鎮瓦斯,不過到了 1920 年代以後,氣化技術已經使用在合成化學品和燃料的生產上。在二次大戰燃料缺乏期間,歐洲有一種稱作 Gasogene 的木材瓦斯產生器,也曾當作汽車或其他機動車的驅動能源。

氣化程序幾乎可以從任何有機材料出發,生質物和塑膠廢棄物都可以做為原料。所形成的合成氣經過燃燒以後,會產生水汽和二氧化碳。合成氣首先可以透過「沙巴提耶反應(Sabatier Reaction)」,有效率地轉換成甲烷,或透過「費希爾—特普希程序」轉換成類柴油的合成燃料。燃料中的無機成分,像是金屬和礦物質,所產生的惰性灰燼也可以用符合環保的方式捕捉後,當作肥料使用。

合成氣或衍生燃料的燃燒當然會排放二氧化碳,但是生質物的氣化卻在「再生能源經濟」中扮演著非常重要的角色。因為在生質物產生時,是把CO2從大氣中移除。另一方面,其他像是沼氣、生質柴油等生質燃料的生產技術,同樣也屬於「碳中和」的循環能源。氣化技術可以使用多種的燃料,可以說是一種把能量從生質物中抽取出來,十分有效率的技術。因此,生質物氣化是一種針對「碳中和經濟」,在技術上和經濟上很令人信服的能源技術。

目前,具產業規模的生質物氣化技術還是不多。「澳洲再生能源網路」中有若干成功的生質物氣化示範計畫,其中有一間使用雙流體化床的氣化廠,從 2003 年以來,持續地利用木屑提供 Gussing 鎮 2 MW 的電力和 4 MW 的熱能。

氣化爐的種類

目前商業化的氣化爐共有 4 種:逆流固定式床、順流固定式床、流體化床和引流床。

逆流固定床(上抽式)氣化爐 它包括一個諸如煤炭或含碳生質物燃料的固定床。水蒸氣、氧氣、空氣等氣化媒介,以逆流的方式流過這固定床,灰燼則是以乾式或熔渣的形式移除。

為了讓氣化爐溫度高於灰燼的熔點,成渣氣化爐需要比較高的水蒸氣對碳和氧氣對碳的比率。這種氣化爐的基本要求在於燃料必須具有高機械強度,且不會結塊,因此可以形成「可穿透床」。雖然最近開發的氣化爐的操作條件,不再如此地嚴苛,但是這個類型氣化爐的生產量(率)仍然相當低。此外,因為氣體的排放溫度相當低,所以氣化爐的熱效率非常高。然而,這也意味著在特定的操作溫度下,焦油和甲烷的生產也會特別地顯著。因此,在原料進入反應器處,所產出的氣體必須特別清理。

順流固定床(下吸式)氣化爐 它是結構類似逆流式固定床的氣化爐,但是氣化媒介的氣體與燃料同方向流動,也就是一起向下流動,因此命名為下抽式氣化爐。它須藉由少量的燃料燃燒,或以外部的熱源,把熱加到床的上部,所產生的高溫氣體離開氣化爐後,再把其中大部分熱能傳到由床的上方加入的氣化媒介中。它的能源效率與逆向式氣化爐差不多在同一個水準。因為在順流的方式裡,所有的焦油必須通過熱焦炭床,因此焦油的生成量比逆流式低很多。

流體化床氣化爐 它的燃料在氧氣、水蒸氣或空氣中被流體化,灰燼則以乾式或以沒有流體化的團塊方式移除。乾式灰燼氣化爐的溫度相當低,因此燃料必須具有高反應性,尤其是劣等煤特別地適合。燃料的產量高於固定床式,但低於在下一小節中描述的引流式氣化爐。由於含碳材料的淘析作用,燃料的轉換效率相當低。如果採取固體再循環或以隨後再燃燒的方式,則可以增加轉換率。

流體化床氣化爐特別適用在會形成腐蝕性灰燼的燃料上,因為腐蝕性灰燼會傷害成渣氣化爐的爐壁。一般而言,生質燃料通常含有較高量的腐蝕性灰燼,因此適合用流體化床氣化爐來處理。

引流式氣化爐 把乾燥粉狀固體、霧狀流體燃料或燃料泥漿,與氧氣以順流方式氣化,雖然也可以使用空氣代替氧氣,不過氧氣還是比較普遍。氣化反應主要發生在由非常微小的顆粒構成的濃霧中。因為它的高操作溫度,同時煤顆粒彼此間分離清楚,大部分的煤都可以適用在這個類型的氣化器中。高溫和高壓的操作方式,也表示會有較高生產量(率)。不過,它的熱效率還是低了一點,因為在現有可用的清理技術中,氣體必須先行冷卻。

高溫也代表焦油和甲烷並不存在於生產的氣體裡,但是氧氣需求量會高於其他類型的氣化爐。所有引流式氣化爐把大部分的灰燼以熔渣的形式移除,因為它的操作溫度遠高於灰燼熔融的溫度,只有少部分的灰燼會以非常微細的飛灰,或黑色飛灰泥漿的方式存在。不過,有一些燃料,特別是一些生質物,形成的熔渣對於保護氣化爐壁的陶瓷內壁有腐蝕的作用。

有一些引流床式氣化爐並不使用陶瓷內壁,而且是由部分固化熔渣所覆蓋的水或水蒸氣來冷卻爐壁,這類型的氣化爐並不會受到腐蝕性熔渣傷害。然而,有些燃料有非常高熔融溫度的灰燼,通常的因應方式是在燃料氣化前先與石灰石混合,添加少量石灰石足以降低熔融溫度。

引流式氣化爐使用的燃料顆粒,必須比其他氣化爐使用的小許多,這也表示燃料必須事先研磨成粉狀,因此所消耗的能量也比其他類型的氣化爐多。雖然如此,引流床式氣化爐消耗的能源並不全用在燃料的研磨上,反而大部分都使用在氣化所需氧氣的製造上。

未來應用

到目前為止,用在廢棄物熱處理的許多氣化程序仍在開發中,也希望能夠做為焚化程序的替代方案。與焚化比較,廢棄物的氣化具有下列的優點。

合成氣是在燃燒以前加以淨化,而不是在燃燒後淨化更大量的煙道氣。此外,可以在引擎和燃氣渦輪機中產生電力,這比使用焚化爐產生的蒸氣發電,來得更便宜且更有效率。雖然燃料電池具有應用的潛力,但是在所用氣體的純度上,卻有相當嚴格的要求。除了電力以外,利用合成氣的化學反應還可以產生其他的合成燃料。有許多氣化程序是以非常高的溫度來處理含有重金屬的灰燼,因此可以形成玻璃狀,也可以用穩定化合物的形式來排放。

廢棄物焚化技術的主要挑戰之一,在於如何達到可以接受的或正值的毛發電效率。因為要把合成氣轉換成電力的高效率,往往會被廢棄物所需的前處理、大量的純氧製造做為氣化的媒介,和氣體清洗等程序消耗的大量電力抵銷掉。另外一項挑戰也變得越來越明顯,就是當實際使用這些方法時,需要驗證系統的穩定性及良好的操作性。在經過長時間的運轉後,不需要為了清洗反應器,得每隔數月就要關廠維修。

雖然人們已經設計了許多廢棄物氣化方式,但僅有少數被實際建造和測試。同時,也僅有極少數的程序被真正地使用在廢棄物處理上。然而,它們仍然與化石燃料的使用脫離不了關係。像是一個在中國境內,使用日本熱分選(thermoselect)技術的煤氣化廠,從 2000 年來就一直在進行工業廢棄物的處理。但是截至目前為止,它仍然無法從製程中產生正的淨能源值。

氣化技術幾乎可以處理任何固體廢棄物,特別是有機廢棄物,也可以算是一種生質能技術。它產生的合成氣更是一種有用的能源,適合用在氫氣的產生與發電上。如果我們說氣化技術是一種化腐朽為神奇的技術,實不為過。此外,在氣化處理過程中,並不會產生溫室氣體,或者也可以適用在溫室氣體的捕捉上,符合當今溫室氣體減量的要求。一言以蔽之,在能源短缺與環保受重視的今天,氣化技術實在是一種十分值得推廣和研究的能源與環保技術。
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