二氧化碳捕獲技術介紹(三):富氧燃燒

 
2017/06/23 李元亨 | 國立成功大學資源工程學系
富氧燃燒系統示意圖(圖片來源:撰稿團隊修改自Global CCS Institute)
  • 富氧燃燒系統示意圖(圖片來源:撰稿團隊修改自Global CCS Institute)
 

氣候變遷已成為全球關注的重要問題,其中最令人關注的是溫室效應。從18世紀人類進入工業化開始,人為活動產生的大量二氧化碳排放到大氣中,大氣內溫室氣體濃度的提高,造成溫室效應逐漸加劇,進而使全球氣候升溫以及海平面上升。

 

二氧化碳捕獲與封存(簡稱碳捕存)技術,是IEA(International Energy Agency, 國際能源總署)提出的有效溫室氣體減量方案之一,相比於其他方案,碳捕存所需成本較低,且技術較為成熟。

 

碳捕存技術指的是,將化石燃料所產生的二氧化碳,利用捕獲技術加以分離,利用管線、船運、火車等方式,運輸到封存場址進行封存。其中,二氧化碳捕獲技術,依照其原理及流程,可將二氧化碳捕獲分為燃燒後捕獲、燃燒前捕獲、富氧燃燒三種方式,本文將針對富氧燃燒進行介紹。

 

富氧燃燒技術的原理

 

富氧燃燒,指的是將空氣送入空氣分離系統,去除空氣內絕大部分的氮氣,以獲得富氧(指含氧量>21%的氣體,極限為純氧氣,多設計為含氧量在95%以上的氣體),將富氧以及部分燃燒後產生的煙氣混合,送入鍋爐內進行燃燒。

 

由於在空氣分離的過程中已去除大部分的氮氣,化石燃料在接近純氧的條件下燃燒,而燃燒後產生的煙氣,透過再循環進行二次燃燒後,使氧氣燃燒反應更完全,排放的煙氣以高濃度的二氧化碳與水為主,透過乾燥、壓縮、除硫後,即可得到高純度的二氧化碳。

 

富氧燃燒技術的優缺點

 

由於化石燃料在高氧低氮的環境進行燃燒,大幅減少了氮氧化物(NOx)的產生,而煙氣所含雜質少,以二氧化碳與水為主,減少污染氣體的產生與排放。同時,因為不含氮氣,氧氣濃度增加,能量作用在氧氣燃燒上,火焰相對穩定,並提升火燄溫度,增加燃燒效率,減少燃燒時的熱量散失,也能大幅減少煙氣量。因此,富氧燃燒具有高能源利用率、產物乾淨、所需處理的煙氣量少等優點。

 

雖然富氧燃燒具有很多優點,但目前傳統使用的製造氧氣的方法,如深冷分離法、變壓吸附法、薄膜分離法等,所需的能量大,以及建置的成本較高,因此目前尚無法滿足大規模運轉富氧燃燒的需求。此外,富氧燃燒時,高含氧氣體的燃燒,導致鍋爐內火焰傳播速度快、火焰溫度高,鍋爐及燃燒器在運轉時的高溫,無法適用於一般鍋爐,必須採用特殊設計的鍋爐及相關燃燒設備,避免設備因為高溫而使耐火材料受損。

 

整體而言,富氧燃燒可有效提升能源效率,大幅減少燃燒時的熱量損失,在節約能源使用、減少煙氣量、減少污染排放、二氧化碳捕獲等方面,皆有明顯效益。但由於傳統製氧方式的能源成本較高,且需針對富氧燃燒製作高耐熱的儀器,目前尚未有大規模商業運轉。

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

 

審校:沈建豪

 
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