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捕集

捕集技術概述

二氧化碳捕集主要針對CO2大量排放的點,例如發電廠、煉油廠、石化製品廠、鋼鐵廠、水泥廠等,其中又以發電廠為大宗。現階段CO2 捕集技術中,判定是否具減量成效並非以規模大小來評斷,而是以降低成本、改善捕集效率及減少CO2 排放策略為主。

IPCC統計CO2排放量以化石燃料發電所產生的CO2為最大的排放源,全世界約有5,000座大型發電廠,每年排放超過100億公噸的CO2,約占全球排放量35-40%;其次是水泥業,總計約有1,000個排放源,且每年排放超過9億公噸的CO2 (IPCC 2005),其他部分則是由產業製程中燃燒燃料轉換成熱能與電能。

由於電廠碳捕集的複雜性和減量潛力優勢,因此將著重於電廠碳捕集技術探討,電力產業對CO2捕集的方式可區分為三種,分別為燃燒後捕集、燃燒前捕集及富氧燃燒,而捕集部分佔整個CCS成本的60~70%,因此國際間主要以「提高捕集效率及規模,並降低捕集成本」為重點研發方向。

捕集技術的詳細說明如下表所示:

 

燃燒前捕集技術(Pre-combustion capture)

燃燒前捕集技術則以氣化技術搭配CO2捕集技術最受矚目,氣化技術係在高溫爐中產生以CO 及H2為主的合成氣,一般係利用水蒸汽與CO 反應轉化成H2與CO2,再透過氣體分離裝置將H2與CO2分離。分離濃縮之H2可直接用於發電或利用儲氫技術進行其他能源利用,而高濃度之CO2則可進行封存。

燃燒前捕集方式的優點在於:較高的CO2濃度將可提高分離與捕集的效果、發電效率可達40%-50%、用水量也可大幅降低;缺點則是建置成本較高,運作可靠度尚待更廣泛驗證。目前燃燒前捕集技術主要應用於煤炭的氣化複循環發電系統
(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)。

 

燃燒後捕集技術(Post-combustion capture)

燃燒後捕集技術主要應用於燃燒鍋爐及氣渦輪發電設施,其優點在於可應用於既有電廠進行機組改裝,導入速度較快,因此國際上的發展已導入商業化。但由於煙道氣體中的CO2濃度低,燃燒後的二氧化碳捕集技術費用偏高,因此現階段國際上研發重點主要集中於降低燃燒後捕集的技術成本。目前燃燒後捕集技術以已醇胺化學吸收法為最常見,CO2與吸收劑發生化學反應,形成鍵結較弱的化合物,吸收飽合後在一清洗管(stripper column)中加熱,發生吸收CO2的逆反應,CO2被釋放出來,如此吸收劑得以再生,與此同時,釋放的CO2於清洗管中被壓縮後運送,此法可回收煙道98%的CO2,而CO2純度可達99%以上。但此法成本與能源耗用偏高,其使用也多侷限於油氣及石化產業,因此欲大規模應用於燃煤電廠的二氧化碳捕集,開發低能耗的新技術仍是全球努力的方向。

燃燒後捕集技術需要在煙道氣設備增加捕集系統(由煙道氣中分離CO2)和壓縮系統(壓縮CO2並準備運輸)。先進之燃燒後捕集技術亦需在捕集設施前設置清潔煙氣設備,針對硫的含量有一定的要求(需低於10ppm,甚至更少),以減少系統的腐蝕或污染。

煙道氣在離開鍋爐之後,先用洗滌塔除去二氧化硫(SO2)並用設備去除懸浮微粒(PM)加以清潔。煙道氣脫硫設備(FGD)可使用石灰石將硫的含量減到所要的水準,此外煙道氣設備也需包含收集PM的清潔裝置。經過前處理之煙道氣進入含有胺溶液的吸收塔,當煙道氣與吸收塔內的胺接觸時,CO2則被吸收至胺溶液內,然後殘餘煙道氣排出煙囪,而吸收CO2之胺溶液將被送到分離塔,透過增加溶液的溫度將CO2由胺溶液分離,則胺被回收後再次送回至吸收塔,而CO2經過冷卻、乾燥和壓縮成超臨界流體。

除了國際間常用之醇胺溶液(化學吸收法)之外,我國也自行開發石灰石(CaCO3)/石灰(CaO))迴路法,此技術為吸附劑可循環再利用的吸附方法之一。以產量豐富且價格低廉的石灰石為吸附劑原料,煅燒後的石灰有極高的吸附容量(理論值786g CO2/kg),是極佳的捕集CO2吸附劑。以石灰石進行CO2捕集及再生的基本觀念,整個系統是由碳酸化爐及煅燒爐所組成。碳酸化爐溫度操作在600-700℃(1大氣壓),CaO會與CO2發生碳酸化反應形成CaCO3。可逆(再生)反應則發生在煅燒反應。煅燒爐在高溫下(850-950℃)使吸附劑再生及脫附出高濃度的CO2。如此反覆碳酸化-煅燒迴路操作,可將煙氣中之CO2捕集並提升濃度至90%以上。

另外,燃燒後捕集的選擇還包括溶劑(離子液體)和吸收劑(金屬有機物)的物理吸附、薄膜分離及透過蒸餾或冷凍的低溫分離法。目前發電廠煙道氣分離CO2首選及最普及的方法為化學吸收法,因此MEA吸收法被認為最有機會進一步商轉的燃燒後捕集程序。其它燃燒後捕集的方法,如物理吸附法、薄膜分離和低溫分離亦在發展中。

 

富氧燃燒捕集技術(Oxy-fuel combustion systems)

富氧燃燒技術以氧氣代替傳統的空氣與化石燃料燃燒可以使煙道排氣的CO2濃度大幅增高,而氧氣可以使用冷凝空氣的分離法取得。若燃料在純氧中燃燒,則溫度會太高,因此一部分富CO2的煙道排氣需要回流,如此燃燒室中的溫度即和一般使用空氣助燃的相近了。使用此法燃燒後的煙道排氣的CO2濃度可以高達80%以上,CO2捕集的程序因此可以簡單很多,但是助燃所需的大量氧氣,無論從設備成本或是能量損耗上來講,都需要花費大筆的資金,目前國際上尚處於試驗階段。

富氧燃燒的火焰溫度高於一般燃燒技術,所以在發電應用上具有獨特的優勢。由於純氧大幅提高了燃燒端的溫度,富氧燃燒技術即使燃燒熱值較低的燃料也可得到相當高的熱效率,提高了火力發電廠選用不同燃料的可能性,除了常用的煤炭與燃料油外亦可利用生質燃料、都市與工業廢棄物、農業廢棄物等各類低熱值燃料。

由於其煙道氣中幾乎不含氮氣,使得煙道氣的總排放量大幅降低,所以相關的環保設備(如:SCR、ESP與FGD)的容量亦可以大幅降低,減少固定資產的投資與相關營運費用支出。降低煙道氣的總排放量亦同時減少了排釋至環境中的廢熱,更多的熱能可以被電廠內的熱循環運用並增加了蒸汽循環的效率,電廠的總發電量可以同時提高。另一方面,使用富氧燃燒技術的電廠由於煙氣中幾乎沒有氮氣,使得電廠二氧化碳的回收與捕集難度大幅降低。這類煙氣通常只需分離其中的水分,與一些具腐蝕性雜質後就可以直接儲存。由於不需要複雜的二氧化碳分離與捕集程序,使得二氧化碳的分離程序具有相當的可行性。

 

其他:生物固碳技術

除了化學捕集方式之外,生物固碳法也引起了學術業的關注。

因為植物和可行光合作用之微生物,在光合作用固定CO2的過程中,可以有效的產出生物能源。 藉由植物捕捉二氧化碳的能力,大約僅佔了化石燃料所排放CO2的3~6%,其主要原因是由於傳統陸地植物生長速度緩慢。反而在快速成長的單細胞或簡單多細胞微生物的微藻,可以藉由捕獲太陽能固定CO2,其效率為陸地植物的10~50倍以上,所以結合生物科技,利用微藻進行CO2減量也同時是不錯的選擇。

相對於傳統的林業、農業和水生植物,微藻有更高的生長速率和二氧化碳固定能力。微藻的固碳方法幾乎可以完全回收CO2,因為CO2可以經由光合作用轉換形成化學能,再利用現有的技術轉化為生物燃料。化學反應為基礎的CO2減量方法比起生物科技的減量法,在成本上是比較昂貴,但處理的速度和質量也比較大。

微藻生物技術的前瞻性也不容忽視,此技術具有產出生物燃料和其它生物製品的附加價值,利用此法也帶來經濟的成本效益和環境上的永續性。