潔淨煤炭技術

 
2018/03/05 邱詠程 | 國立成功大學資源工程學系     672
 

潔淨煤炭技術(clean coal technology, CCT

 

潔淨煤炭技術(CCT)是目前最可行的方式,目標是全面性的將煤炭在其生命週期所造成的汙染以及傷害降到最低,包含:煤炭改質、提升煤炭燃料機具效率,以及發展碳捕捉與封存之技術。

在燃燒前,若想要改善煤炭的品質,可以透過煤炭的洗選技術。原始開採出的煤炭,有相對較多會降低燃燒效率的雜質,例如:二氧化硫、一氧化氮等等,目前最常使用的方式是利用重力原理,來洗選出較高純度的煤炭。而當我們想要提高燃煤設備的運作效率,可以使用煤炭氣化複循環的發電技術,先不直接將煤炭進行燃燒,而是先在高溫高壓的狀態下將煤炭氣化,形成氫氣和一氧化碳的合成氣,將合成氣燃燒後,推動氣渦輪發電機,而氣渦輪發電機在發電過程中額外產生的廢熱,再使用蒸氣渦輪機進行發電,這是目前最具潛力的方式。碳捕捉及封存是將燃燒過程中排放出的二氧化碳,利用物理或化學的方式進行補集,並封存至地下的舊油氣田、煤層或是鹽水層之中,以降低碳排放。

 

潔淨煤炭技術——超(超)臨界(SC/USCUltra/Super Critical)機組技術

 

傳統的發電機組是使用燃料將水加熱至沸騰,利用水蒸氣推動氣渦輪發電機,其中機組設定的工作壓力溫度都在水的臨界點之下。若是將傳統機組的蒸氣壓與溫度,調升至臨界點後再行發電,就是所謂的超臨界發電技術;假如再將溫度與壓力提升得更高,就是屬於超超臨界發電技術的範圍。調高作業的溫度與壓力可提升效率,便能節省所耗燃料,進而降低發電時所伴隨之二氧化碳排放。目前有在使用USC技術的國家有德國、丹麥、日本與中國等等。

 

潔淨煤炭技術——氣化複循環發電技術(IGCCIntegrated Gasification Combined Cycle

 

氣化複循環發電系統(IGCC,Integrated Gasification Combined Cycle),是另外一種煤炭氣化的技術,其發電效率高且二氧化碳的排放量少,可廣泛用在各種煤炭上,也容易與碳捕集系統一同使用。IGCC在使用上是先在氣化爐中,將煤炭進行熱分解後,再與水蒸氣作反應轉化成合成氣,並在後續加工將汙染物去除,就能夠送進複循環機內進行發電。

 

 

二氧化碳捕集與封存

 

除了改善使用煤碳的效率外,我們也可以將燃燒煤碳的過程中,所產生的二氧化碳做捕集,並選擇適當的場址作封存,這樣一來就能避免二氧化碳排放至大氣當中。在捕集的方法當中可以分成三種:燃燒後捕集(Post-combustion capture)、燃燒前捕集(Precombustion capture)以及富氧燃燒(Oxyfuel combustion)。「燃燒後捕集」是燃燒後再利用化學物質與二氧化碳反應,將二氧化碳捕捉下來;「燃燒前捕集」是先將燃料與氧氣或空氣或是蒸氣,先行反應成一氧化碳與氫氣為主的氣體,接著一氧化碳與氫氣和觸媒進行反應,產生二氧化碳與氫氣,將兩者分離後,我們就得到了二氧化碳,氫氣也可以進入氣渦輪機進行發電或作為其他的用途。一般燃燒指的是氧氣濃度為21%的燃燒過程,「富氧燃燒」指的是使用比一般燃燒所需含氧量還要高的空氣進行燃燒,燃燒後生成二氧化碳,這種方法也是捕捉二氧化碳最有效的方法。

 

捕集完後運輸至封存場址進行封存,二氧化碳的封存機制可以分為生物封存、礦化封存、海洋封存與地質封存等。「生物封存」是利用生物進行光合作用,藉此消耗二氧化碳;「礦化封存」是使用金屬氧化物與二氧化碳進行反應,形成固態的碳酸鹽,目前常使用含鈣與鎂的矽酸鹽礦物作為反應物,如:台灣東部常見的蛇紋岩;「海洋封存」是將二氧化碳注入海洋;「地質封存」是利用地層中合適的構造,進行二氧化碳封存。以上所提到二氧化碳捕集與封存之方法,仍需嚴謹的對相關作業實施嚴密規範,才能有效的封存二氧化碳,屏除人們的疑慮。

 

結語

 

目前世界上許多國家與城市的經濟結構,仍需依賴煤炭來運作,對於煤炭的使用又是難以割捨,但減緩溫室效應及全球暖化的行動刻不容緩;因此,在這段再生能源尚未發展成熟的時刻,若是我們能夠好好利用潔淨燃煤技術,將能夠減緩燃煤對於環境的影響。

 

 

(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:吳政岳