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生質裂解油國內發展現況

2011/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 673

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▓撰文╱圖片提供:吳森榮、萬皓鵬、李宏台

歐美各國目前正積極發展第二代生質燃料技術,第二代與第一代生質燃料技術的差異在於:第一代生質燃料技術以油脂、澱粉、糖類等作物為料源,此類作物需使用現有耕作地來耕種且料源是民用食物,造成與民爭糧、與農爭地的困境。此外,第一代技術的料源只擷取作物的一部分,例如以玉米粒做為料源,其他如玉米稈、芯、葉等皆不用,造成作物的浪費。第二代生質燃料技術以農林廢棄物等木質纖維素為料源,將生質廢棄物轉為可資利用的生質燃料,同時,第二代技術可以整株生質物做為料源,達到生質物全材利用,避免生質物的浪費。本文將介紹國內第二代生質燃料技術─快速熱裂解產油技術的發展現況,此技術以生產裂解油為主,可做為燃油鍋爐燃料,另外,副產品為生質焦炭,可做為粉煤鍋爐燃料。

生質液態燃料的重要性

過去100年可謂「化石能源經濟」時代,如今,隨著石油逐漸的短缺,再加上新興國家的興起,對石油的需求有增無減,讓人類對化石燃料的需求,更顯得捉襟見肘。因此,開發具有經濟及能源效益的燃料,以滿足人類對燃料及能源的需求,是刻不容緩的事。隨著「後化石能源經濟」時代的來臨,未來人類將逐漸步入「碳水化合物經濟」時代,所謂「碳水化合物經濟」即是以生質物(含有碳及水)為料源,產製人類所需的燃料或能源,所產製的燃料則稱為生質燃料。

生質燃料是一種可永續且穩定提供有機碳等燃料的來源,使用生質液態燃料,其CO2排放是可循環再利用的,故使用生質液態燃料,又可稱為碳中和排放(CO2 Netural)的燃料。意味著未來生質燃料將比化石燃料CO2的排放對地球的衝擊較小,可減緩地球溫室氣體的負擔。生質液態燃料可拿來發電及產生熱能,雖然電力與熱能的生產亦可依賴其他再生能源,例如:太陽能、風力、水力等,然而,生質物是目前唯一可以直接用來製造液態燃料及生產化學品所需的碳源,是替代化石燃料的最佳選擇。

快速熱裂解產油技術

所謂的熱裂解(Pyrolysis)技術,係在缺氧的環境中,將生質廢棄物加熱、裂解生產裂解油及生質焦炭,技術流程如圖1所示。生質物在裂解反應器的滯留時間、加熱速率、和溫度是決定熱裂解技術將生質物轉換成裂解油、生質焦炭燃料的3個重要參數。適當的控制此參數,對所要產生的裂解油、生質焦炭燃料比例,具有決定性的影響。

生質物熱裂解技術可分為:慢速熱裂解技術、快速熱裂解技術。前者是生質物在裂解反應器的反應時間較長,以生產生質焦炭為主、裂解油的生產為輔,例如大家所熟知的竹炭生產,即為慢速熱裂解技術,其主要目的為生產竹炭,而竹醋液(裂解油)為副產品。而快速熱裂解技術,以生產裂解油為主要產品、生質焦炭為副產品,所謂的「快速」除了生質物在反應器的反應時間短以外,另有可快速生產之意。目前,快速裂解產油技術可生產約50~70wt%的生質油、10~20wt%的生質焦炭,其他則為裂解氣(可做為裂解反應器的燃料)。因此,快速熱裂解反應幾乎不需外加燃料,是一相當省能的技術。不同生質物所生產的裂解油其熱值不同,一般快速裂解油熱值約為重油的一半,而生質焦炭則與燃煤相當。

國內發展現況

國內以工研院最早投入生質裂解油的技術研發,在經濟部能源局計畫支持下,依目的不同,目前開發兩型設備:一為快速裂解生質料源探針設備,由於生質物種類繁多,如何以最短的時間,判斷何種生質物適合用來製備裂解油及生質焦炭,需仰賴一快速、有效的分析設備。而快速裂解生質料源探針設備即具有此特點,其功能如同原油的探勘平台,可快速決定裂解油及生質焦炭的產率及品質。另一技術則是為分散式生質物快速裂解產油設備,此設備的生質物處理量每小時60公斤,可生產約39公斤的裂解油及約9公斤的生質焦炭,裂解油可做為燃油鍋爐的混燒燃料,而生質焦炭可做為粉煤鍋爐燃料。

發展分散式生質物快速裂解產油設備的原因在於:生質物的收集必須考慮有效的經濟運輸距離,由於生質物能源密度低,且我國生質物料源又過於分散,常有設備規模大小與料源多寡兩難的局面。因此,發展快速裂解產油設備,必須考慮為中小型設備以貼近料源端,來處理分散、有限的生質料源。同時,一套設備可以處理不同生質料源,將生質廢棄物轉成有用的燃料。分散式裂解設備可將各地有限的生質料源製備成生質物裂解油,所強調的在於將低能源密度之生質物經由裂解技術轉為高能源密度之油品,便於運輸、儲存及應用。

在我國,目前以快速裂解產油技術所生產的裂解油,可與重油混合、做為燃油鍋爐燃料,或是與柴油混合、做為柴油發電機所需的燃料。在國外,快速裂解產油技術所生產的裂解油,經由改質(Upgrading)技術後,可做為汽油或柴油等車用燃料。發展裂解油改質技術,則是我國下一階段的發展目標。

結語

政府為降低我國二氧化碳的排放,鼓勵工業界提出自願性溫室效應氣體排放的減量方案,而快速裂解產油技術所開發的生質裂解油,可取代工業界所需的燃料油,有助於工業界達成此目標。根據2010年經濟部能源局「能源使用手冊」所發表的資料顯示,我國2010年石油消費結構,工業燃料油的使用占14.4%,柴油占10%,汽油占16.4%。目前,政府訂有B2政策(柴油中混合2%生質柴油)以及E3示範(汽油中混合3%生質酒精),以降低我國車用柴油及汽油的使用量,唯獨在工業燃料油方面,尚無一有效的燃料可取代工業燃料油。因此,開發快速裂解產油技術以生產生質裂解油,未來可取代工業燃料油,或取代部分柴油做為發電機燃料,除可降低工業用油的成本外,並可協助工業界降低二氧化碳排放。(作者任職於工研院╱誌謝:感謝經濟部能源局100-D0103計畫經費之支持)


關鍵字:再生能源,生質燃料,裂解油,木質纖維素

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