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潔淨煤炭技術發展與趨勢

楊尚芸、莊純琪、古慧雯/ 發布日期:2020/06/10/ 瀏覽次數:50

        全球煤炭有30% 儲量和70% 產量集中在亞太地區,豐富的資源與便利的供應成為許多APEC經濟體中最重要的能源。而隨全球城市化及電氣化的浪潮,由國際能源署 (International Energy Agency, IEA) 預測全球煤炭需求量顯示,以燃煤發電為主的亞太地區預計將帶動全球煤炭需求量。
        此外,在全球電力結構多元化趨勢下,煤炭具有與再生能源、水能、核能、天然氣和石油發電互補的特性,在安全及穩定電力系統中仍扮演一定的角色。因此在兼顧環保與經濟發展的需求下,透過技術創新提高化石能源的清潔利用以達成減少二氧化碳目標成為相當重要的任務,使得潔淨煤炭成為當今熱門的技術。
        潔淨煤炭為減少汙染物排放並提高煤炭生產及利用效率的技術,為煤炭加工、轉化、燃燒及汙染控制技術的總稱,而近年來各國主要致力於精進潔淨煤炭技術中的「燃煤發電」及「汙染物控制和資源回收」兩項技術,以下針對兩項技術之原理與趨勢做概述。

一、潔淨煤炭技術(Clean Coal Technology, CCT)

(一) 超臨界及超超臨界燃煤發電技術 (Supercritical (SC) and Ultra-Supercritical (USC) Coal-Fired Power Generation Technology)

1.技術原理
當燃煤發電機組的主蒸氣壓力達到 24 MPa (百萬帕) 且溫度達到538-560 °C時,即會發生超臨界燃煤發電;而超超臨界燃煤發電則是在主蒸氣壓力達到 25 MPa 且溫度超過攝氏580度時發生。
2.趨勢
現今超超臨界燃煤發電機組已進入成熟應用的階段,容量可達 1,000 MW以上且蒸汽參數達28  MPa及600-620°C。為進一步減少二氧化碳的排放,將煤炭及再生能源的耦合發電為近期著重的技術,現今許多國家 (如歐盟、美國及澳洲) 多將生物質能與煤炭共同燃燒用於發電。

(二) 環式流體化床發電技術 (Circulating Fluidized Bed (CFB) Power Generation Technology)

1.技術原理
CFB為一種利用循環流化床鍋爐中的燃燒來加熱氣體,從而產生蒸汽驅動蒸汽渦輪機的發電技術。此技術對燃料油品適應性極佳,能有效利用低階煤炭發電,此外更有可調節負載且煤渣可再利用的優勢。
2.趨勢
為提升發電效率及運行參數,需不斷提高 CFB 發電容量,現今致力於研發容量為660 MW的超超臨界 CFB 發電技術。此外,在生物質、煤泥及城市垃圾等共燒技術亦具有強大的潛力,除了促進廢棄物的利用外,可提高節約能源的能力及能源使用效率。

(三) 整體煤氣化聯合循環發電 (Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) 技術

1.技術原理
IGCC 在使用上是將淨化後的煤氣送入燃氣渦輪機中,燃氣輪機排放高溫廢氣進入熱回收鍋爐產生蒸汽,並透過蒸汽輪機發電的技術。其為一個整合型能源系統,對資源、能源及環境皆有益處。
2.趨勢
為減少二氧化碳排放量及控制能源生產,IGCC 採用了燃燒前捕捉技術路線,該路線比使用燃燒後捕捉的傳統燃煤電廠效率更高,並且在技術上更易於以較低的成本進行運輸。因此,IGCC 具有高發電效率和環境潛力的優勢引起廣泛關注,然而由於設備投資金額巨大使得發電成本較高,此技術尚未發展可與超臨界及超超臨界燃煤發電技術競爭的技術。

(四) 熱電聯產技術 (又稱汽電共生) (Combined Heat and Power (CHP) Technology)

1.技術原理
熱電聯產技術為同時使用多種化石燃料及再生能源,並於一個整合過程中同時產生電力及熱能的技術。透過替換容量有限的分散式燃煤鍋爐可使熱電聯產機組提高能源生產效率,同時減少汙染物的排放。
2.趨勢
YANG Yongming (2018) 的研究指出,全球熱電聯產的燃料中,天然氣、煤炭、石油及再生能源分別占 53%、36%、5% 及 6%,2016 年全球熱電聯產總裝機容量達 755.2 GW。現今在公共供熱中熱電聯產已成為控制城市汙染的基礎設施,且可替代許多工業園區中的小型鍋爐提供集中供熱的技術。

二、汙染物控制和資源回收技術

(一) 煙氣汙染物控制技術 (Flue Gas Pollutant Control Technologies)

1.技術原理
燃煤發電的過程中許多汙染物亦會隨之排放,因此燃燒後的煙氣汙染物控制技術包含除塵、脫硫及反硝化等,可減少煙氣汙染物 (如二氧化硫及氮氧化物等顆粒物)的排放,以符合法令對於發電廠空氣汙染物的排放標準。
2.趨勢
(1)除塵
現今燃煤電廠主要採用靜電除塵器,其中濕式靜電除塵器主要用於脫硫後的二次除塵,除能有效去除脫硫過程中產生的粉塵及顆粒,還可以去除 SO3、汞及其化學成分。
(2)脫硫
現今濕式石灰石法為最廣泛使用的脫硫技術,其對煤類型及電力負荷的變化有較強的適應能力,且具有較低的維護成本及較高的脫硫效率,可去除SO3、顆粒物及重金屬。
(3)反硝化
選擇性催化還原法 (Selective Catalytic Reduction, SCR) 為煙氣脫硝技術中最為廣泛使用的方法,其具有脫硝效率高的優勢,現今美國燃煤電廠中約有 47% 皆使用此方法。

(二)碳捕獲及封存技術 (Carbon Capture, Utilization and Storage Technology, CCUS Technology)

1.技術原理
CCUS為透過除去氣流中的二氧化碳或分離出二氧化碳作為氣體產物,將其運輸至儲存地點並長時間與空氣隔離的技術,主要包含燃燒前、燃燒中到燃燒後二氧化碳的捕獲、運輸、儲存及利用。
2.趨勢
燃燒前主要採用 IGCC 或基於煤氣化的多聯產系統,於燃料中分離出碳;燃燒中則採用富氧燃燒技術,利用空氣分離裝置或製氧技術從空氣中去除氮,提高含氧量助燃,以增加二氧化碳濃度,但製氧成本較高使得其效益尚需評估;燃燒後主要從煙氣中分離出CO2 和N2,其中以化學溶劑吸收具有較高的捕獲效率,目前以胺類(amine-based)溶劑為主要方法。

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