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潔淨煤技術與潔淨能源政策的交流與培訓 Exchange and Training on Clean Coal Technology and Clean Energy Policy
2019/12
APEC
https://www.apec.org/-/media/APEC/Publications/2019/12/Exchange-and-Training-on-Clean-Coal-Technology-and-Clean-Energy-Policy/219_EWG_Exchange-and-Training-on-Clean-Coal-Technology-and-Clean-Energy-Policy.pdf
豐富的儲量和相對較低的成本使煤炭發電在亞太地區佔據競爭優勢,但為減少全球二氧化碳排放量以減緩全球暖化,各國積極透過技術創新發展潔淨煤炭技術,以增加發電效率及降低汙染物的排放。

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,全球電力結構多元化趨勢下,煤炭具有與可再生能源、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、清潔煤概要
(一)介紹
清潔煤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。清潔煤一般可分為四類,第一類為燃燒前的煤炭加工技術,包含降低雜質的洗煤及水煤漿(Coal Water Slurry, CWS);第二類為高效的清潔燃煤發電技術,包含超臨界發電技術(Supercritical Power Generation Technology , SC)、循環式流體化床(Circulating Fluidized Bed)及整體煤氣化聯合循環發電系統(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC);第三類為煤炭轉化技術,包含氣化技術及液化技術;第四類為燃燒後汙染物控制和資源回收,包含煙氣淨化(Flue Gas Cleaning)、碳捕獲及封存技術(Carbon Capture, Utilization and Storage Technology, CCUS Technology)。

(二)優勢
1.大規模應用
超臨界、超超臨界發電技術及循環式流體化床發電技術皆具有良好的可用性、可靠性、適應性及較長的設備壽命,可搭配脫硫及反硝化等排放控制技術的發展,大規模於商業中應用。
2.清潔、高效且節省資源
隨著超臨界及超超臨界燃煤發電機組的發展,其發電效率提高並減少煤炭使用的數量,使得發電過程中污染排放量降低,且透過煙氣汙染物控制技術可將排放物控制在一定範圍內。
3.技術區域適用性較強
現今商業化燃煤發電的單位容量已從10MW至1000MW以上,清潔高效的燃煤發電技術機組已可作為許多地區的核心動力來源,並滿足各地區的電力負荷要求。
4.提高電網的可靠性
隨著能源多樣化的發展,燃煤發電在電力系統中扮演著重要的角色,為全球能源供給重要的類型。透過清潔煤燃煤發電技術提升發電效率,以此強化電力供應及高峰用電的安全性,提高電力系統的穩定性。

二、清潔煤技術
以下深入介紹高效的清潔燃煤發電及燃燒後汙染物控制和資源回收兩種清潔煤類別中的重要技術。
(一)燃煤發電技術
1.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24MPa(百萬帕)且溫度達到攝氏538至560度時,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25MPa(百萬帕)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,蒸汽參數可達到28MPa及攝氏600度至620度。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。

2.循環式流體化床發電技術(Circulating Fluidized Bed (CFB) Power Generation Technology)
(1)技術原理
循環式流體化床為一種利用循環流化床鍋爐中的燃燒來加熱氣體,從而產生驅動蒸汽輪機中主蒸汽的發電技術。此技術具燃油適應性佳、負載能力強且煤渣可再利用的優勢,為大量使用劣質燃油發電的有效途徑。
(2)趨勢
為提升發電效率及運行參數,需不斷提高循環式流體化床發電容量,現今致力於研發容量為660MW鍋爐。此外,循環式流體化床發電技術在生物質、煤泥及城市垃圾等共燒技術具有強大的潛力,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。
3.整體煤氣化聯合循環發電(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)技術
(1)技術原理
整體煤氣化聯合循環發電為將淨化後的煤氣送入燃氣輪機中,燃氣輪機排放高溫煙氣進入熱回收鍋爐產生蒸汽,並透過蒸汽輪機發電的技術。其為一個集成能源系統,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,整體煤氣化聯合循環發電技術在高效率及二氧化碳捕獲方面的優勢引起廣泛的關注,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。

4.熱電聯產技術(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,並於一個聯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
根據2018年YANG Yongming發表的文章顯示,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755.2GW。(沒有,僅提到以上數字並無年度趨勢)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)煙氣汙染物控制技術(Flue Gas Pollutant Control Technologies)
(1)技術原理
煙氣汙染物控制技術包含除塵、脫硫及反硝化等技術。燃煤發電的過程中許多汙染物亦會隨之排放,例如二氧化硫及氮氧化物等顆粒物,透過此技術減少煙氣汙染物的排放,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,能有效去除脫硫過程中產生的粉塵及顆粒。
2.脫硫
現今石灰石或石膏濕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。
3.反硝化
選擇性催化還原法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。

(三)碳捕獲及封存技術(Carbon Capture, Utilization and Storage Technology, CCUS Technology)
(1)技術原理
碳捕獲及封存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,主要包含二氧化碳的捕獲(燃燒前及燃燒後捕獲)、運輸、儲存及利用。
(2)趨勢
近年來對於碳捕獲技術主要與熱電聯產技術相結合,許多熱電聯產項目主要作為碳捕獲技術的輔助。此外,富氧燃燒亦是主要搭配的技術之一,透過提高空氣中的含氧量作為助燃氣體,以增加燃燒後產生二氧化碳濃度進而搭配碳捕獲技術,達到降低污染的效益,然而製氧成本較高使得其效益尚需評估。
楊尚芸
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