低碳燃料燃燒與碳捕集技術發展淺談 - 沈政憲 推廣經理

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1. 低碳燃料燃燒技術 發展淺談 工研院綠能所 沈政憲 2020.06.20 第 30 屆燃燒與能源學術研討會
2. Copyright ITRI 工業技術研究院 2 大 綱 1.發展目的 2.低碳燃燒技術 3.醇基燃燒技術 4.結論
3. Copyright ITRI 工業技術研究院 3 低碳燃料與減碳技術發展需求 ➢ 低碳燃料及二氧化碳捕獲/封存(CCS) 為過渡到低碳排放情境之不可或缺 減碳手段 • IEA預估到2060年CCS累積減碳貢獻達14% • 達成臺灣2050年政府減碳目標，CCS扮演補 足缺口關鍵角色 • 工業界亟須低碳燃料，以提供熱電；CCS電 廠可彌補間歇性再生能源裝置容量。 Source: International Energy Agency (2017), Energy Technology Perspectives 2017, OECD/IEA, Paris Source: Jasmin Kemper, Biomass with carbon capture and storage, IEA Greenhouse Gas R&D Programme, 2017 ➢ CCS捕獲成本從USD30/t-CO2 下降至 USD10/t-CO2 。(捕獲成本平均約增加0.5 NTD/kWh) ➢ 生質能源(廢棄物能源)可同時達到能 源、環境、經濟、就業等多重效益。 ➢ 生質能(Bioenergy) 及廢棄物能結合CCS (BECCS)，可達淨負碳效益。
4. Copyright ITRI 工業技術研究院 4 何謂低碳燃料與來源 資料來源:台灣電力公司/物理雙月刊 資料來源:美國DOE 未來低碳能源(氫能) 來源 再生能源離峰電解水產氫(儲能) 尖峰產氫(釋能) 低碳燃料：指低C/H燃料，包括：CH 4 、甲醇、氫能、其他烷類等 NG
5. Copyright ITRI 工業技術研究院 5 低碳燃料應用情境說明  政策背景 1. 2007年經濟部能源局提出的『我國節約能源發展目標與政策』 • 鍋爐能源效率改善目標是希望2025年完成低效率鍋爐汰換成高效率鍋爐 ，使能源效率提昇1-3%、汰換率達50%。 • 搭配鍋爐能效管理及鍋爐合理化操作管理，使年節約量達55.5萬公秉油 當量。 2. 依據行政院已於106年4月17日核定修訂「能源發展綱領」 • 「能源轉型政策措施」：擴大天然氣使用：積極與地方政府合作，推動 工業鍋爐燃料改用天然氣，並以工業區及群聚工廠優先輔導改善。
6. Copyright ITRI 工業技術研究院 6 低碳燃料在工業界應用 不同燃料空氣污染排放及燃燒效率比較 ＊：鍋爐燃燒效率為使用該類型燃料概估值。 ＊＊：燃料熱值依據107年能源統計手冊-能源產品單位熱值表。 資料來源：財團法人台灣產業服務基金會 燃料 種類 空氣污染 物排放 鍋爐燃 燒效率* 單位淨熱值** 價格 (元/9600kcal) 燃油 次高 85% 9600 (kcal/L) 15.15 柴油 較低 85% 8400 (kcal/L) 19.55 燃煤 最高 70% 6080 (kcal/kg) 4.51 LPG 最低 90% 12060 (kcal/kg) 13.33 NG 最低 90% 9000 (kcal/m 3 ) 9.24 不同燃料空氣污染排放及燃燒效率比較  低碳燃料在工業應用上主要是減污  鍋爐空氣污染物新排放標準 ✓ 鼓勵燃煤、燃油鍋爐改用氣體燃料 ✓ 促進鍋爐設備更新，提升燃燒效率 ✓ 大型鍋爐強化空污防制設備效率
7. Copyright ITRI 工業技術研究院 7 煙氣潛熱擷取技術 ➢ 燃料中之氫燃燒產生水蒸汽(煙氣 1,000℃)，能源利用後從煙囪 (150℃)排出。 ➢ 僅利用到煙氣中水蒸汽顯熱，其潛 熱沒有回收利用。 1000℃ 25℃ 150℃  技術背景 (1) 過去工業鍋爐主要以燃油/燃煤為主，但低碳燃料為國際間趨勢，低 Carbon/Hydrogen 需求提高，潔淨燃料(天然氣、氫氣)利用量大增。 (2) 低C/H比燃料，燃燒後之煙氣中水蒸汽含量大增，影響熱回收效益。  技術瓶頸：煙氣中之水蒸汽熱量僅能回收顯熱(約佔40%)，潛熱無法回收 顯熱 潛熱 回收熱量(40%) 燃燒煙氣中水蒸汽能量 無法回收熱量(60%)
8. Copyright ITRI 工業技術研究院 8 燃料燃燒後煙氣中所含的水氣量 低碳燃料純氧燃燒 低碳燃料空氣燃燒 燃料 C/H 燃燒反應(理論空氣量) 煙氣中水氣占比 天然氣 0.25 CH4 ＋9.52(0.21O2 +0.79N2 )→CO2 +2H2 O+7.52N2 19% 甲醇 0.25 CH3 OH＋7.14(0.21O2 +0.79N2 )→CO2 +2H2 O+5.64N2 23% 氫氣 0 H2 ＋2.38(0.21O2 +0.79N2 )→H2 O+1.88N2 34.7% 燃料 C/H 燃燒反應(理論空氣量) 煙氣中水氣占比 天然氣 0.25 CH4 ＋2O2 →CO2 +2H2 O 67% 甲醇 0.25 CH3 OH＋1.5O2 →CO2 +2H2 O 67% 氫氣 0 H2 ＋0.5O2 →H2 O 100% 排放煙氣中的水氣含量越高，煙囪熱損失越高，鍋爐效率越低 天然氣燃燒後從煙囪排放的煙氣，水氣約占18%(15%過剩空氣)，占燃料輸入能源的 10%，或占煙囪熱能損失的65%，其中以水氣的潛熱無法回收占最大宗 高碳燃料空氣燃燒 燃料 C/H 燃燒反應(理論空氣量) 煙氣中水氣占比 神華煤 1.57 CH0.633 O0.132 N0.006 S0.001 ＋5.207(0.21O2 +0.79N2 )→CO2 +0.316H2 O+4.113N2 +0.001SO2 5.82% 重油 0.63 CH1.586 O0.018 N0.001 S0.004 ＋6.629(0.21O2 +0.79N2 )→CO2 +0.793H2 O+5.237N2 +0.004SO2 11.2%
9. Copyright ITRI 工業技術研究院 9 燃料燃燒煙氣中水蒸汽含量 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 大陸神華煤 褐煤 重油 生芒草 行道樹 C3H8 CH3OH CH4 H2 水蒸汽含量 燃料 煙氣中水蒸汽量 純氧(O2) 空氣(Air) 9 低碳(C/H)燃料 生質燃料 化石燃料 註:以空氣和純氧作為燃燒反應計算(理論空氣量)  改變使用燃料方式由化石能源轉向低碳燃料，並將空氣轉向純 氧，因此煙氣中水蒸汽占比將大幅增加。
10. Copyright ITRI 工業技術研究院 10 既有鍋爐煙氣熱回收技術 水洗塔直接煙氣熱回收 煙氣間接熱交換飼水增溫  既有煙氣熱回收技術 空氣預熱器 鍋爐節能 技術 煙氣間接熱交換飼水增溫 吸收塔直接煙氣熱回收 空氣預熱器 需解決問 題 ✓ 氣液間接熱交換效率不 佳 ✓ 排氣有白煙（鄰避效益） ✓ 間接熱交換飼水,效益有 限 ✓ 需要額外空間 ✓ 導致煙氣中 NOx增加
11. Copyright ITRI 工業技術研究院 11 煙氣潛熱回收技術  效益 ✓ 根據國外文獻資料指出，若有效回收排放煙 氣潛熱(水蒸汽)10%，將能達到1%燃料節能 效益。 ✓ 回收冷凝水除可節省部份燃料耗用並可節省 水資源再利用。  鍋爐排氣溫度每降低20oC，約可節省1％的燃料  鍋爐飼水溫度每提高 6oC，約可節省1％的燃料 原理說明 ✓ 煙氣快速降溫至<100℃，形成冷凝水。 ✓ 以複合材料移除煙氣中冷凝水，取走冷凝水及冷凝水所釋放的潛熱。 ✓ 有熱能的冷凝水可加溫鍋爐飼水，降低鍋爐能耗。 溼煙氣 乾煙氣 冷卻水(冷) 冷卻水(熱)
12. Copyright ITRI 工業技術研究院 12 醇基燃料燃燒與節能技術開發 甲醇燃料燃燒關鍵技術開發 ➢燃燒器：開發高流量甲醇霧化器及燃燒器，適用舊鍋爐及新高效率鍋爐 系統。 ➢工業爐燃燒系統：發展甲醇高溫空氣燃燒系統，提升節能效率。 應用市場與產值分析 ➢推動既有內燃機發電系統開發符合產業需求之高效率低碳鍋爐系統技術： 結合鍋爐業者以國內最大市場規模之3~16噸鍋爐為標的。 ➢轉換甲醇燃燒系統示範。提升10%能源效率，減少80%污染與50% CO 2 排放。 12  技術背景說明 ➢我國工業區與離島電廠多面臨缺乏天 然氣設施，必須使用油燃料，因而效 率低、污染與CO 2 排放皆較高，急需 低碳高效率燃燒與節能技術，以提升 能源效率與減少污染及碳排放。
13. Copyright ITRI 工業技術研究院 13 醇基(甲醇)燃料之優勢  甲醇燃料的優勢： ➢ 產能大、經濟效益高：可由煤、焦爐氣、生物質、天然氣、CO 2 等製成甲醇，生產技 術成熟，原料來源廣泛； ➢ 方便儲運，便於推廣：醇基燃料是液態燃料，可沿用原來的汽柴油等液體燃料的儲運 方式，可實現迅速規模化推廣使用。 ➢ 環保低排放：與等熱值燃煤或柴、汽燃油比較，可減少80%以上PM2.5、95%以上 SO 2 、90%以上NOx、50%以上CO 2 ，減少排放效益顯著。  燃燒特性： ➢ 甲醇熱值約4,700 kcal/kg(3,700 kcal/m3)(LHV)，約為汽柴油的一半、 LNG的40%。 ➢ 安全：燃料本身不自燃，引燃溫度高於400℃，著火時可用水迅速撲滅，與管道天然 氣、LNG、LPG和汽柴油相比安全性好很多。 ➢ 液態甲醇分子之間有強的氫鍵的相互作用，汽化潛熱是汽油和柴油的3~4倍。 ➢ 甲醇的理論空燃比僅為6.5，相當於汽油和柴油的44%左右。 ➢ 甲醇本身含有大量的氧，因此CO低；其最大火焰速度僅次於氫和乙炔等常用燃料， 而高於醚類、汽油和航空燃料等。  尚需克服問題： ➢ 目前甲醇仍屬於化學品非燃料，未來仍需在使用環構上建立可作為燃料使用。 ➢ 甲醇燃燒會有微量甲醛產出疑慮，需要進一步解決使用上安全問題。
14. Copyright ITRI 工業技術研究院 14 結 論 1.因應未來生活環境與產業需求，同時能達到減碳目標，節能減 碳是必要手段。除了再生能源外低碳燃料也將成為未來主要燃 料來源之一。 2.低碳燃料伴隨乾淨減碳效益外，所面臨煙氣中大量水蒸氣排放 也需提前解決，以期增加整體使用效率，可以進一步加速產業 自發性替換成低碳燃料。 3.目前工研院配合政府綠能政策，已在沙崙綠能科技示範場域進 駐研發團隊，並與成大能策中心合作於成大歸仁校區成立低碳 園區-先進燃燒技術驗證平台，打造國內先進燃燒研究能量。 成大歸仁校區-低碳園區 沙崙綠能科技示範場域
15. 報告完畢 Q＆A