學習資源搜尋

農林業廢棄物轉能源化-生質氣化技術

2021-01-26

 白益豪 副教授

國立東華大學光電工程學系


面對全球氣候變遷,減碳及環境資源永續是目前國內外非常重視的議題。在傳統能源日益耗竭、國際能源情勢動盪因素下,科技產業善用再生能源來確保能源供應的品質並減少溫室氣體排放是邁向低碳製造可行方法,其中又以具有「碳中立性(carbon neutral)」特性的生質能(bioenergy)被許多國家政府視為降低依賴進口的化石能源的重要手段。

圖1 生質氣化發電系統爐心結構配置。

 

生質能源可提供穩定之基載電力,同時具有低減碳成本並達成能源、環境與永續等多面向效益。氣化技術(Gasification)便是生質能源技術中的其中一種,氣化的程序可以從具有有機材料的料源出發(如農林廢棄物、塑膠廢棄物、生活廚餘等)。所形成的可燃氣或合成氣經過燃燒或化學轉換後,會產生水汽和二氧化碳。根據文獻指出經過過濾後的合成氣可以藉由「沙巴提耶反應(Sabatier Reaction)」來轉換成甲烷氣或經由「費希爾-特普希程序(Fischer-Tropsch process)」轉換成類柴油的合成燃料[1]。另一方面,所衍生的無機成份如磷、鉀等礦物質或惰性灰分也可以經由適當的調適或用符合環保的方式捕捉後來轉換成肥料或結構性添加物使用。

圖2 高溫氣化系統結構示意圖。

 

教育部宜花東區域推動中心所發展的生質氣化技術為「下吸式氣化爐」,如圖1所示。下吸式生質氣化發電系統結構主體類似逆流式固定床的氣化爐,差異點為生質燃料移動方向與氣化媒介的氣體式同方向流動,操作概況主要是藉由外部的熱源把熱加到爐心上部,含碳的生質料源(如農林廢棄資材)會經歷熱裂解、燃燒反應/氧化作用、焦炭重組/還原作用與產物平衡等若干不同的作用及反應,並得到可燃氣體,接著所產生的高溫可燃氣體在離開氣化爐心後,剩餘大部分的熱能會再傳到爐心的上方加入的氣化媒介中。值得一提的是,氣化過程所產生的焦油在重力與氣流導引下會通過高溫碳濾層,因此焦油的生成量比逆流固定床(上抽式)氣化爐相對低很多。圖2為高溫氣化系統結構示意圖,包含有生質氣化爐心主體、旋風除塵暨焦油裂解部件、油水分離器、燃氣過濾部件、防爆水封、氣體儲存袋、燃氣發電機組等。在應用層面上燃氣發電機所產生的電力除了可以對於市電電網進行併接外,所衍生的可燃氣亦可供熱、供暖甚至對於農作物進行烘培,具體的示範點如花蓮縣壽豐鄉奇萊美地有機示範農場。

圖3 貨櫃化可移動式的生質氣化發電系統示意圖。

 

高溫氣化技術的理論基礎主要在低氧的供給條件及高溫900度以上環境下,將有機質進行熱裂解、氧化、還原等反應程序,最終轉換成合成氣(一氧化碳(CO)、氫氣(H2)及甲烷(CH3)氣等)。

台灣一年農業廢棄物約高達四百多萬公噸,當我們以廢棄物的角度來思維,不論是處理或是對環境的負擔都很大,若能將這些自然資源使用的時間拉長(即再利用),同時又可減少環境污染和避免浪費,是符合循環經濟的重要精神。

圖4 貨櫃化可移動式的生質氣化發電系統示實體照片。

 

東台灣幅源廣闊農業經濟發達,相對生質物資源也豐富(如稻稈、林業疏伐資材、竹質廢棄物、果樹修枝、漂流木等),是推動區域型生質資源綠色加值循環經濟之良好試點。有鑑於此,具有移動式或小型分散式的氣化系統來進行農林廢棄資材的去化或能源化概念被視為偏鄉或原鄉發展生質能源的重要策略,期盼能透過貨櫃化可移動式的生質氣化設施(圖3與圖4)來協助部落或偏鄉發展生質能產業鏈,培育東台灣更多專業生質能源之人才,並促進農村再造與能源轉型,落實生質能源之循環經濟願景。

 

參考文獻

1.L. Guerra, S. Rossi, J. Rodrigues, J. Gomes, J. Puna, M. T. Santos, “Methane production by a combined Sabatier reaction/water electrolysis process, Journal of Environmental Chemical Engineering, 6(1) 2018, 671-676.

關鍵字