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生物炭發電技術介紹

2020-12-09

蔡文田  特聘教授

國立屏東科技大學


1.背景說明

依據「再生能源發展條例」對生質能之定義,係指農林植物、沼氣及國內有機廢棄物直接利用或經處理所產生之能源。一般而言,國內生質能最熟悉者莫過於將有機廢液(例如豬糞尿、高有機質廢水等)或含水率高之有機廢渣(例如廚餘、果菜渣等)進行厭氧處理,所產生的沼氣進行脫除硫化氫後直接燃燒利用,或進一步導入渦輪發電機產生電力。至於農林植物殘體(例如木材、草本植物、農作物和其殘渣等)則部分送至都市垃圾焚化爐直接燃燒,但不少少者則直接就地焚燒、土壤利用或乾脆棄置,此種作法不僅造成木質纖維素資源浪費,也產生一些環境污染或空氣品質問題。雖然生質能利用具有碳中性(或零碳足跡)、可提供低硫及低氮燃料、屬地區性自產資源等特性,但國內在發展此一再生能源過程中面臨更大的挑戰,尤其是草本類生質料體積大 (能源密度小)而致運送成本較高,以及往往須先做乾燥脫水或破碎減積前處理程序而致能源產出與投入比(或其經濟效益)不如想像中的高。

木質廢料生物炭氣化發電技術系統外觀圖 (109518日拍攝)。

 

儘管生質能利用有如此的限制或缺點,但對於國內能源(或再生能源)供應多元化、減緩溫室氣體(二氧化碳、甲烷及氧化亞氮)排放或廢棄物環境管理上乃需投入創新技術上開發或應用,何況國內有許許多多的不含化學防腐劑或漆料之木本生質料(包括平地造林或外來種疏伐木、果農疏果修剪枝條、都市行道樹修剪樹枝、颱風所致倒樹、廢耕檳榔砍伐木、不具價值漂流木、包裝木材板等)急需提出較符合永續的解決方式。在此背景下,國內廠商與政府研發機構共同開發出生物炭氣化發電設備,可連續式進料處理木材枝條,並生產生物炭和木醋液等副產物,同時將過程中所產生的高熱質氣體燃燒發電,展現出同時符合綠能科技、新農業機循環經濟之典範實證。

圖2 氣化爐底部所排出的殘留固體渣生物炭 (109年5月18日拍攝)。

2. 生物炭氣化發電技術

此一創新技術示範係由農委會高雄區農業改良場與業者合作開發出(圖1所示),該系統整合農業木質廢料氣化、生物炭製造、焦油/木醋液收集及燃氣發電各單元。該系統所使用的原料,取自乾燥破碎後的木質農業廢棄材料,無須事先造粒,最大處理量為每小時150公斤,最大可產出100 KW電力,約可供100戶家庭一小時的用電量,此外尚副產可利用的生物炭約15公斤(圖2所示)及木醋液約1.5公斤。此系統的核心熱化學轉化單元為一座下吸式氣化爐(圖3所示),進料的木質廢料經由履式輸送機將其送至氣化爐上方處投料,在不足氧條件下,木質料再至少700℃氣化爐中歷經乾燥、熱裂解、重組、燃燒、水合、還原等複雜多重反應後,殘留的固體渣生物炭由氣化爐底部排出,高溫的氣體經由冷卻(氣冷)段移除一些焦油,並以水冷方式收集木醋液,最後一些不可冷凝的可燃性氣體(含有氫氣、一氧化碳、甲烷等組成分)經鼓風機送至燃燒發電機產生電力(圖4所示)。系統中所產製的生物炭因富含碳質與土壤營養礦物質,以及結構屬多孔性,可做優質的緩釋型有機肥料,至於木醋液為pH值介於2-3的酸性有機液體(含有乙酸、甲酸、酚等組成分),可應用為液態有機肥料或充當驅蚊蟲製劑,焦油則其成分多屬重質油化學結構,可透過碳化及活化等程序轉製為功能性碳材料。

圖3 下吸式氣化爐 (109年5月18日拍攝)。

 

3. 結語與建議

木質農業廢棄物包括許多的平時路樹修剪、風災後的漂流木、風倒木等樹木枝條,若露天焚燒,將造成空氣品質劣化,尤其是PM2.5問題,一直是地方環保單位難以取締的難題,雖然目前農委會主要以補助農民購置破碎機,推廣將果樹枝條就地破碎,翻耕掩埋以增加土壤有機質,或者將此農業廢棄物集運至到都市垃圾焚化爐焚化處理,有時也可將破碎後的木質料販售給民間業者製成壓縮生質燃料粒,作為鍋爐之輔助燃料,然而環保署已公告實施「鍋爐空氣污染物排放標準」(107年9月19日),其中既存鍋爐自中華民國109年7月1日起須符合該標準規定值(粒狀污染物30 mg/Nm3、硫氧化物50 ppm、氮氧化物100 ppm),更造成木質壓縮燃料粒在能源應用推廣上之阻力。

圖4 燃燒發電機爐 (109年5月18日拍攝)。

木質料氣化發電-生物炭技術是一較為創新的做法,若能確認其甚低之空氣污染物排放(無需另設控制設備)及符合成本之經濟效益,將可達到生態(Ecology)、能源(Energy)、環保(Environment)與經濟(Economy)四贏(4E)局面,因此在推廣此一系統之時,須統合中央相關部會,由農委會與經濟部、環保署跨部會整合上中下游發展,讓本土性生物資源利用可有效率地承擔更多全球減碳(碳匯)、固碳或碳替代的責任。故初期推廣此一技術乃需一些政府配套誘因,包括由農業主管機關(農委會)公告更多的農業事業廢棄物能源再利用項目(有足夠的生質料源)、提高生物質電力(無厭氧消化)躉購費率(目前僅為每度電新台幣2.6871元)、提供像沼氣發電系統之發電機補助等。雖然生物質電力之裝置容量2025年目標值於經濟部能源局僅設定為81.3萬kW,比2019年現有裝置容量76.6萬kW僅增加 7%,但這明顯低估國內產出生物質電力之潛力,況且此種再生能源兼具其他的環境生態效益。