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把火力發電變乾淨的兩大技術!——地質能源

對於無法自產能源的台灣來說,便宜的火力發電變成了無可避免的選擇,然而,燃燒煤礦所帶來的空氣汙染與二氧化碳排放,將對地球環境造成嚴重的負擔。因此,透過潔淨煤、二氧化碳捕集的技術來改善上述問題,是台灣能源產業的重要努力方向。
 
 
傳統石油氣資源由於長期開發生產,已經開始逐步面臨匱乏的危機。物以稀為貴,在這樣油氣資源成本高漲且再生能源技術仍處於開發階段的能源經濟環境下,各國能迫不得已必須大比例的採用煤礦作為能源來源。
但眾所周知,傳統燃煤發電會排放大量的二氧化碳以及其他空氣汙染物,其中二氧化碳的排放會促使地球暖化,而硫氧化物、氮氧化物及懸浮微粒等毒性物質則是人民的健康殺手,不僅毒害人民的呼吸道,更有可能致癌,近年來時不時便遮天蔽地的霧霾也是源自於此。
台灣的能源資源短缺,無法避免採用便宜的燃煤發電。因此如何有效且環保地利用煤碳能源便成了重要得課題,潔淨煤技術與二氧化碳捕集技術的發展便是我國未來能源產業的發展目標。
 

潔淨煤技術-改善燃料

 

淨煤技術的發展是為了改善燃料品質,使燃料更加純淨。這樣一來,除了可以減少氮氧化物、硫氧化物、懸浮微粒的排放量,更能夠提高然煤效率,將煤碳轉化為潔淨且高效能的燃料。

 

燃煤發電雖然便宜,卻會造成空氣汙染,更產生大量的二氧化碳促進地球暖化。(圖/Pixabay)
▲燃煤發電雖然便宜,卻會造成空氣汙染,更產生大量的二氧化碳促進地球暖化。(圖/Pixabay)

 
以往的燃煤發電多採用超臨界蒸氣渦輪發電,其發電效率約為33%,仍有很大的提升空間。若能夠增加發電機組中主蒸氣之壓力溫動,便能有效的提高發電效率。

目前國內主要發展的淨煤技術為「氣化技術」,是將煤碳原料磨成粉,與空氣(或者純氧)及水蒸氣在氣化爐中,在高溫、高壓下產生一系列的氧化還原反應(不完全燃燒燒反應),達到將固態煤粉燃料「氣化」之目的,氣化反應的產物主要為氣、一氧化碳、甲烷等燃氣以及二氧化碳、硫化物、氮氧化物、焦油等物質。

煤碳氣化後的產物可以再被加工、分離,用途十分廣泛。其中的燃氣,在經過除硫、除氮及除塵等純化步驟後,便可以製成高熱值之合成天然氣(SNG),成為高品質的燃料,有助於提高發電機組之蒸氣溫度及壓力。此外,氣化後的燃料也可以用於氣化複循環發電系統(IGCC,Integrated Gasification Combined Cycle),藉此提高發電效率至60%。

IGCC系統係利用氣化燃料推動渦輪發電機發電,並且燃燒後的高溫尾氣,回收其熱能來推動第二組蒸氣渦輪。IGCC系統除了能夠提高發電效率,而且因其採用前燃燒處理方式去除污染物,使其顆粒污染的排放量及低,且能夠有效地去除燃料中的硫、氮等有毒元素,且更能夠有效結合CCS(碳捕獲及封存)技術,共同建立低排放,甚至是零排放的燃煤電廠。

 

 
氣化複循環發電系統示意圖,IGCC系統係利用氣化燃料推動渦輪發電機發電,並且燃燒後的高溫尾氣,回收其熱能來推動第二組蒸氣渦輪。(圖/經濟部能源局,能源產業技術白皮書,2010)
▲氣化複循環發電系統示意圖,IGCC系統係利用氣化燃料推動渦輪發電機發電,並且燃燒後的高溫尾氣,回收其熱能來推動第二組蒸氣渦輪。(圖/經濟部能源局,能源產業技術白皮書,2010)
 

二氧化碳捕集:從排放源頭做起

 

當然,除了減少硫氧化物、氮氧化物以及懸浮微粒的排放,燃煤所排放的溫室氣體——二氧化碳也必須要被減少,這就必須依賴CCS(碳捕獲及封存)技術發展。

所謂CCS技術便是從二氧化碳排放源,包括水泥廠、煉鋼廠、電廠等,進行二氧化碳捕集,再將收集到的二氧化碳進行運輸及封存,便免其被排放至大氣之中,以此減少二氧化碳排放量。

目前,二氧化碳捕集的技術主要有吸收、吸附、薄膜以及冷凝四種,而吸收的方法又以其原理被分為物理吸收以及化學吸收兩種。在這些二氧化碳補及技術中,又以小蘇打海綿化學吸收以及多孔隙物質吸附兩種方法備受研究及發展。

捕集後的二氧化碳經由高壓運送後,可以被再利用或者是直接進行封存。高濃度的二氧化碳可以被利用於微藻的培養,透過葉綠素的光合作用轉化成微藻中的養分,創造出不菲的附加價值。同時也可以將二氧化碳打入地下儲氣地質構造中,使二氧化碳與大氣徹底隔離。

 
台灣是以燃煤做為主要來源的國家。圖為台中火力發電廠。(圖/Wikimedia)
▲台灣是以燃煤做為主要來源的國家。圖為台中火力發電廠。(圖/Wikimedia)
 

雖然現階段的台灣能源結構仍然不能脫離大量的火力發電,乃至於燃煤發電。但隨著科技的演進,我們已然可以將傳統的火力發電改善、再造,提升其發電效率更降低其汙染排放,如此作為一種新型態的環保能源,使得火力發電這種「必要之惡」也能夠盡善盡美。

 
審校:沈建豪
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