淨煤與CO2捕獲技術在台灣的發展

中国环境学会  2011年 06月22日

  徐恆文(Heng-Wen Hsu), 歐陽湘(Shoung Ouyang)

  工業技術研究院 能源與環境研究所

  台灣新竹縣竹東鎮中興路四段19564

  Email:hsuhw@itri.org.tw, TEL:886-35916253

   

  摘要:

 

  淨煤技術的發展向來為已開發及開發中之各國政府所重視,早於1987年起工業技術研究院即接受政府計畫委託,積極發展燃燒後空氣污染防制技術,陸續建立低氮氧化物燃燒器、排煙脫硫、脫硝與除塵技術。1998起有鑒於高效率淨煤發電技術之重要,其中特別注意氣化複循環發電技術的進展,並將氣化技術列為主要研發項目。

  工業技術研究院於2004年建立台灣唯一的每天2噸煤炭之壓力式氣化研究實驗廠,開始進行煤炭氣化技術的研究,主要以中小型氣化系統(20~100噸煤/)與工業區多元應用為目標。有鑒於CO2排放減量將為台灣極需面對的議題,自2007年開始積極發展CO2捕獲與封存技術,其中捕獲技術以化學吸收、固體吸收劑(CaO, 中孔徑矽基吸附材(Mesoporous Silica based ParticlesMSPs)為主。預計在2012年建置完成一套處理量為1 ton CO2 / hrCaCO3/CaO迴路捕獲CO2先導型示範系統,以為CO2減量與相關產業發展做出關鍵性的貢獻。

 

  Abstract:

  Developing and applying clean coal technology have been considered as a very important issue by governments in developed and developing countries.  Since 1987, Industrial Technology Research Institute (ITRI) has been commissioned through  government projects to develop relevant technologies for combustion pollution control, e.g. low NOx burnerLNB, flue gas desulfurizationFGD, de-NOx and dust collection technologies, etc.  Due to the importance of clean coal technology for power generation, the Taiwan Government in 1998 began to pay more attention to the progress of IGCC and directed a fair amount of R&D resources on development of gasification technology.

  In 2004, ITRI had constructed a pressurized gasifier of 2 tons/day, the first and the only experimental system in Taiwan, and began to develop coal gasification technology.  The goal was to establish a small to medium scale gasification system (20 to 100 metric tons of coal per day) for multi-purposed application in industrial parks.  As CO2 emission reductions become a critical issue internationally, Taiwan has primarily turned to develop CO2 capture and storage technology since 2007.  Among various capture technologies, Taiwan has selected chemical absorption and solid sobents (CaO and MSPs) as two major targets for further research and development.  ITRI will construct a pilot-scale demonstration system with capture capacity of one ton carbon dioxide per hour in 2012.  The success of this mission will be a pivoting contribution to CO2 emissions reduction and development of domestic CCS industry.

  
        前言:

 

  台灣能源已超過99%仰賴進口,尤其以石油、煤、天然氣等化石燃料為主,然而在全球能源消費成本與能源資源競逐之下,導致產需失衡價格高漲,對整體經濟成長產生鉅大之衝擊,加以大量使用化石燃料造成大氣中二氧化碳濃度偏高以及可能造成氣候變遷的疑慮,因此在能源供應安全與環境保護的考量下,實不宜過度倚賴高碳能源。然而低碳或無碳的乾淨能源中,天然氣售價偏高且長期合約取得困難,核能發電爭議性仍大且易引起大眾的疑慮,再生能源現階段的規模與經濟誘因有其限度。考量全球煤炭蘊藏量豐富且其市場價格相對低廉穩定,無疑的其將在穩定能源供應的考量下持續扮演著重要的角色;又為了降低對環境的不利影響,淨煤以及二氧化碳捕獲與封存等能源新利用技術之研發也因此應運而生。

  針對京都議定書的生效,台灣分別於20052009年召開了兩次全國能源會議,行政院並於20069月通過「溫室氣體減量法」草案,確定未來將進行溫室氣體減量管制。而20086月通過「永續能源政策綱領」,宣誓全國二氧化碳排放減量目標,於2016年至2020年間回到2008年排放量,於2025年回到2000年排放量。為達成CO2減量的目標,20096月啟動「能源國家型科技計畫」其中減碳儲碳組之減量策略,即為提升燃煤發電效率、建立淨煤與二氧化碳捕獲封存(CCS, Carbon Capture and Storage)及再利用技術。

  台灣煤炭消耗量在2008年已超過6,200萬公噸,約佔總體能源供應量的32.4%,預測其佔比仍會增高。而台灣CO2排放量至2008年已至257百萬公噸,依燃料別貢獻度分,主要為固體燃料佔60.49%,其次為液體燃料的28.52%,而氣體燃料約為10.98%1】。由於CO2排放量隨著經濟成長而持續增加,且人均排放量偏高,未來被要求CO2減量的壓力頗大,因此進行CO2減量成為能源燃燒使用(特別是煤炭能源)的一項極為重要課題。

  工業技術研究院能源與環境研究所,早於1987年起即接受政府計畫委託,積極發展燃燒後空氣污染防制技術,陸續發展低氮氧化物燃燒器、排煙脫硫、脫硝與除塵技術、以及重金屬的去除技術。其中以溼式排煙脫硫與半乾式除酸技術(噴霧乾燥除酸+袋式集塵技術),已技術移轉多家廠商,並成功的應用於工業加熱製程爐、燃油與燃煤鍋爐。溼式排煙脫硫效率可達95%以上,而半乾式除酸效率達90%以上、除塵效率可達99%以上。可提供新建系統設計規劃,以及既有系統性能改善等技術服務。目前台灣所有的燃煤電廠(包括台電、民營電廠與汽電共生廠)幾乎皆已裝置高效率污染防治設備【2】,因此粉塵、NOxSO2等空氣污染物排放都已大幅的改善。

  除了早期空氣污染防制技術的研究發展,工研院於2002年在政府委辦計畫下,開始積極發展煤炭氣化技術,主要以中小型氣化系統(20~100噸煤/)與工業區多元應用為目標。2004年建立台灣唯一的每天2噸煤炭之壓力式氣化研究實驗廠,採用挾帶床(entrained flow)氣化爐(乾粉與液態進料、吹氧式、最大操作壓力10bar)。並自2007年起積極投入CO2捕獲與封存技術發展【3】。在CO2捕獲技術方面,經由評估結果選擇發展二種固體吸附捕獲技術,一為CaCO3/CaO Looping,另一為中孔徑矽基吸附材(Mesoporous Silica based ParticlesMSPs),已分別建立實驗室系統,並獲致良好的成效,預計在2012年建置完成一套處理量為1 ton CO2 / hr的先導型示範系統。以下將分別針對工業技術研究院目前在氣化技術與CO2捕獲技術的進展上作一說明:

 

  一、氣化技術應用與發展

 

  台灣產業界應用商業化之氣化技術,首推台灣中油公司高雄總廠之奇異公司(GE)殘渣油氣化廠。原設計以殘渣油為燃料,現則以重油為進料,以氧氣為氧化劑,操作壓力56bar、溫度約1,300,主要產製COH2,提供下游生產醋酸及加氫脫硫之用。台塑石化公司亦於2005年於開始運轉一座GE氣化廠,主要以輕油為原料產製甲醇,合成氣量為1,080,000nm3/D,相當於147.6MWth。長春石化公司亦將於2010年完成9座固定床氣化爐(太原重工技術),主要以焦炭為原料生產合成氣來產製醋酸。

  工業技術研究院,於2002年在經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研究」四年計畫下,藉由國際合作於2004年建立國內首座每天2噸煤炭之壓力式氣化實驗系統(挾帶床、乾粉進料、吹氧式、最大操作壓力15bar)。20042005年依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料、操控技術與工程設計能力等,並進行氣化合成氣作為發電與燃燒應用示範。除此之外,亦建立氣化系統模擬與複循環發電系統軟體評估能力及多元應用評估技術,並結合業界與學界的力量,共同建立多元燃料氣化技術之能量。

  2006年經濟部能源局委辦新一期的「氣化技術開發與淨煤技術發展」四年計畫下,主要在既有基礎下持續進行煤炭、石油焦等燃料之氣化特性與合成氣轉化甲醇研究。至2007年已完成三種印尼煤、一種大陸煤、一種澳洲煤及中油石油焦之氣化特性測試研究,氣化系統之冷氣化效率及碳轉化率分別可達75%95%以上。2008年除完成石油焦與煤炭混煤混燒之氣化特性測試研究外,並增設高溫除塵系統,以及進行水煤漿與壓力式挾帶床2噸煤/天液態進料氣化系統的建構,已完整建立台灣首座氣化研究實驗場,如圖1所示。實驗場包括有氣化系統(氣化爐、淨化系統、進料系統、儀控系統)、磨煤機、水煤漿製備系統、公用設施、合成氣轉化系統、合成氣燃燒與發電研究設施等,可作為人員培訓與合作研究及未來應用推廣之基礎。

  除氣化技術研發之外,亦特別重視國內工業之應用推動。於200612月籌組「工業區氣化示範廠產業聯盟」共同推動工業區煤炭氣化示範廠之設立,以促進區域能源整合利用並提昇整體能源效率,並於2007年完成「工業區氣化示範廠可行性評估」。2008年起則以國內最具市場潛力之小型氣化廠(100公噸煤炭/天以下規模)為推廣方向,完成鋼鐵及陶瓷業之應用潛力評估。

  新一期程四年計畫「淨煤技術及二氧化碳捕獲封存技術發展計畫」,自20102月開始,將開發小型商品化氣化(20~100噸煤/)系統技術,並進行煤炭與生質物共氣化研究,生質物混拌比例目標為30%。除此之外,亦將透過國際合作或技術引進方式,建立先進化學迴路(Chemical Looping)氣化技術,建構結合氣化、產氫與CO2分離之實驗室級系統技術。

  由於台灣有燃料價格高而電價低的特殊現象,因此以氣化來發電較不具經濟性,再加上氣化複循環發電(IGCC)之可用率仍偏低,因此電力公司對其意願較低。反倒是以氣化合成氣作為替代燃料,則極具市場潛力;可於工業區內建立煤炭氣化廠,集中供應潔淨低廉之合成氣燃料與製程蒸汽,以替代天然氣、燃料油,作為鍋爐、汽電共生廠與加熱爐之燃料。亦可經由轉化反應生產氫氣並分離CO2H2H2可作為化學原料或燃料電池發電等,而CO2則可封存或再利用。以區域性能源整合利用的觀點,依據工業區內鄰近工廠之能源需求,規劃氣化廠以提昇整體能源利用效率,並可混燒區域內之生質物,以降低CO2排放或捕獲的成本【4】。此將為未來氣化技術主要的應用方向。

   

  二、CO2捕獲技術發展

 

  台灣CO2捕獲技術發展早於1992年,即由政府委託學界研究開始,主要以化學吸收法為主。以清華大學為首結合台灣大學、中央大學、中原大學與台灣科技大學,組成的CO2捕獲與再利用研發團隊,在國家型能源計畫的支持下積極發展化學吸收法CO2捕獲與再利用技術;另一學術團隊則為交通大學,以發展固體吸附劑為主。台電公司則於1997年,由其綜合研究所開始進行相關研究工作,主要以CO2固定化與再利用為主;近二年來已轉向以封存技術之潛能調查、模擬與監測技術為主,在捕獲技術則參與工業技術研究院的每小時捕獲1公噸CO2的先導型示範試驗計畫。中鋼公司亦於2009年建立每日捕獲0.1公噸CO2的化學吸收法捕獲試驗裝置。

  工業技術研究院則在經濟部能源局委辦計畫下,2007年開始著手進行各類CO2捕獲技術的可行性評估與特性比較。經由評估結果選擇二種固體吸附捕獲技術為發展方向,一為台灣蘊藏豐富與價廉的石灰石(CaCO3),利用石灰石煅燒成石灰(CaO),石灰吸收CO2碳酸化反應成石灰石循環迴路方式將CO2捕獲分離;二為中孔徑矽基吸附材技術。目前研發成果說明如下:

 

  1. CaCO3/CaO迴路法捕獲CO2

  利用CaO來捕獲CO2之優勢,即在其價廉且吸收容量高,理論上吸收容量最高可達0.786kg CO2/1kg CaO,遠高於其他吸收或吸附劑。台灣東部有著蘊藏量豐富的石灰石礦,價廉而取得容易,因此使得此技術未來的應用有著先天上的優勢,再加上若能有效的熱能回收再利用,將使此技術的能源耗用量僅為目前醇胺化學吸收法的1/2。其基本反應是由石灰(CaO)吸收煙氣中之CO2形成石灰石(CaCO3)之碳酸化反應將CO2捕獲,反應溫度約在600~700。再將CaCO3經由煅燒反應,反應溫度約在850~950,將CO2排出,此時CO2濃度可達90%以上。碳酸化反應為放熱反應,所釋出之熱量可回收生產蒸汽或加熱之用【5】。如此碳酸化與煅燒二反應循環反覆操作而將CO2捕獲提濃。反應方程式如下所示:

  CO2 + CaO ® CaCO3 + 178.8 kJ/mole (碳酸化反應)

  CaCO3  ® CO2 + CaO – 178.8 kJ/mole (煅燒反應)

  但由於天然石灰石煅燒之CaO其孔徑呈現微孔洞(< 2 nm),容易因填滿產生孔洞堵塞,使CaO的轉化反應因多次循環,其吸附能力(容量)快速遞減【6】。因此將CaO改質來增加CaO的吸附容量與循環次數,為此法是否能商業化應用的關鍵因素之一。本研究利用通入氮氣與蒸汽,以控制煅燒程序中之煅燒氣體,來進行吸收劑改質,經由20次熱重分析儀(TGA)吸脫附分析(CO2濃度10%條件下)CaO轉化率仍可達30%以上。改質後之CaO比表面積達38.28 m2/g,孔洞分布於17~120nm,且以30nm為主。【7, 8

  除了改質研究外,於2008年建立台灣首座CaCO3/CaO迴路法捕獲CO2 Bench Scale系統,如圖2所示。此系統同時具備CO2捕獲、吸附劑煅燒、吸附劑表面特性改質三種功能的連續式捕獲系統技術。碳酸化爐設計採用流體化床,設計的處理氣量為3.6 m3/hr (20)捕獲量約為1kg/hrCO2 15%CaO的粒徑分佈介於3560mesh250500μm),碳酸化溫度為650。煅燒爐則利用蒸汽風管進行擾動移動床設計,煅燒溫度為850,最大操作蒸汽量為12kg/hr。目前在連續式碳酸化、煅燒再生程序測試結果,在CO2進氣濃度在13~16%條件下,CO2捕獲效率可達90%以上【8】。後續將放大設計,預計在2012年於台中火力發電廠,建置完成一套處理量為1 ton CO2 / hr的先導型示範系統。

 

  2. 中孔徑矽基吸附法

  固體吸附劑具有質傳速率快、操作簡單、低能耗等優點。目前常用的CO2吸附劑大多為無機多孔性材質,如活性碳、奈米碳管、沸石等,然而這些吸附材多屬於微孔洞,吸附機制主要為物理吸附,容易受到溫度及水氣的影響。近年來,中孔(孔徑範圍2-50 nm)吸附材逐漸受到重視,它具有良好的氣體擴散特性,中孔材質包括二氧化矽、氧化鋁及二氧化鈦等,其中以矽基的孔洞結構最佳,常見的中孔矽基材包括MCM-41MCM-48SBA-15SBA-16KIT-16等。工研院採用噴霧氣膠製程(spray aerosol process)與台灣的交通大學和中興大學合作,開發中孔徑矽基材與改質技術,此法有別於水熱法(hydrothermal)製備的合成時間長與效率低等問題,而能快速合成高度有序的中孔矽基材,可連續生產,且具有量產的潛力。【9

  工業技術研究院成功的建立噴霧氣膠造粒系統實驗模廠,可小型量產製備中孔矽基材,如圖3所示。產量已由實驗室的1g/8hr,大幅增加到達100g/hr。比表面積可達1,000 m2/g以上,平均孔徑約為2.4 nm。在改質研究上,分別以EDAN-[3-(trimethoxysilyl)propyl]ethylene diamine)進行中孔矽基材表面接枝處理,以及TEPA (Tetraethylenepentamine)進行含浸改質處理。經由CO2吸附容量測試結果(CO2 15%, 60, 含水量0%條件下),經由EDATEPA改質後之吸附容量,由未改質前的28.7mg/g分別增加到42.787.05mg/g。當氣流含水量時,以TEPA改質之矽基材吸附容量明顯增加,當含水率為7%時,吸附容量將達最佳的206.34mg/g。經過20次循環吸脫附後,吸附回收率可達約90%,吸附量維持良好並且無明顯下降【10】。後續研發重點將以產量提升至1kg/hr並降低生產成本為目標,亦規劃於2012年建立吸附製程系統,以工業規模燃燒系統應用為對象。

 

  三、結論

 

  淨煤與CO2捕獲技術在台灣這些年的積極發展下,已獲致良好的成效,也為未來工業與大型化燃煤電廠應用,奠定基礎。而節能減碳現為政府與全民共同努力的目標,為了達成2025CO2減量的目標,碳捕獲封存勢必將扮演極重要的角色。經濟部為推動二氧化碳捕獲與封存(CCS)之技術與未來產業之發展,於2010118成立CCS研發聯盟,並由能源局擔任聯盟的召集與秘書工作,希望結合部內相關單位以及國營事業之資源與研發能量,以共同來紓解台灣CO2減排的壓力。

  工業技術研究院在政府的支持下,不論在氣化技術的研發上,以中孔徑矽基吸附材與CaCO3/CaO迴路捕獲技術建立等,皆已達到預期成果。後續除積極加強國際合作外,並伺機參與國際相關組織與研究計畫,以展現台灣在CO2減量的決心。目前正進行處理量為1 ton CO2 / hrCaCO3/CaO迴路捕獲先導型示範系統的設計規劃,預計於2012開始運轉,過程中將邀請工程公司與國際的投資參與,以擴大研發能量。除此之外,亦將整合國營事業建立小型封存試驗場與學界再利用研究,以建構完整的示範系統。未來將逐步放大示範研究,預期2020年建立全載機組的大型化應用,冀望能為台灣與全球的CO2減量做出重大的貢獻。

  

   

  四、參考文獻

  www.moeaboe.gov.tw/Download/Promote/greenhouse/files/我國CO2排放趨勢.pdf, 32010

  徐恆文,”排煙脫硫技術在台灣之應用與發展”,第七屆中美技術工程研討會, 北京, 11 2006

  陳崇憲、陳金德、董倫道、徐恆文, “台灣CO2捕獲封存技術推動發展現況及展望”, 碳經濟, No 10, Aug 2008.

  徐恆文、謝青霖、陳威丞; “多元燃料氣化技術發展潛力’, 機械月刊, 406, 2009

  Liang-Shih Fan, Himanshu Gupta, and Mahesh V. Iyer, “Separation of Carbon Dioxide (CO2) from Gas Mixtures by Calcium Based  Reaction ”Separation (CAR-CO2) Process,” US 2006/0093540 A1, May 2006

  D. Alvarez and J. C. Abanades, “Determination of the Critical Product Layer Thickness in the Reaction of CaO with CO2” Ind. Eng. Chem. Res., vol.44, 5608-5615, 2005

  徐恆文、黃欽銘、柳萬霞、陳威丞, “利用CaO/CaCO3循環製程捕獲CO2技術”, 台電工程月刊, 729, 2009

  柳萬霞、王振慶、黃欽銘、徐恆文、陳威丞, “CaCO3/CaO循環(Calcium Looping)捕獲二氧化碳”, 2009年淨煤及二氧化碳捕獲與封存技術研討會,台北, 12.22.2009

  Brinker, C. J., Evaporation-induced self-assembly: Functional nanostructures made easy, MRS Bulletin, 29, 631-640 (2004).

  王厚傳、黃志峰、李秀霞、陳旺,“胺基改質矽基材吸附二氧化碳之研究”, 2009年淨煤及二氧化碳捕獲與封存技術研討會,台北, 12.22.2009

  

 
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