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壽豐鄉農業廢棄資材-稻稈-轉能源化暨可行性評估

2021-04-15

白益豪 副教授兼能源科技中心主任

國立東華大學光電工程學系

 


花蓮縣是臺灣稻米重要產區,伴隨著一年二次的收割季節來到所產生的稻稈或稻殼等衍生物無形中變成東台灣最具規模之有機廢棄物,也是目前農民較為困擾的問題。行政院農業委員會農糧署呼籲農民切勿隨意燃燒稻草,應利用收穫時切碎稻草後掩埋入土壤中當作肥料,一來可以充分利用稻草本身含有的營養成分再利用,二來可減少空氣污染及視野障礙。有鑑於此花蓮縣目前農民多以就地翻耕掩埋或使用益菌肥進行去化,然而在實際落實層面礙於如第一期稻作進入到第二期稻作的時間過短(約略1個多月),導致廢稻稈在進行翻耕掩埋時,農地尚未能有效的將廢稻稈轉化成腐植質等利於耕種之養分。從生質能角度來看稻稈或稻殼均是一項很好的再生資源,其中富含有機質如矽、磷與鉀,若是將稻草燃燒僅是將有形的資材付之一炬,徒留一片灰燼與煙霧瀰漫。然而,瀰漫的煙霧中多為細懸浮微粒(如PM10或PM2.5),經呼吸道進入人體,將提高肺部發病機率,長期吸入會引起過敏、氣喘、肺氣腫、肺癌、心血管疾病等疾病。

教育部宜花東區域推動中心主要發展新的農業廢棄物轉能源化之可行性示範研究,其中關鍵核心單元(即「下吸式氣化爐」),是一項高溫氣化技術,主要是藉由外部的熱源把熱加到爐心上部,含碳的生質原料會經熱裂解、燃燒反應/氧化作用、焦炭重組/還原作用與產物平衡等不同的程序及反應(圖1),得到氫、甲烷氣等可燃氣體,進一步可再利用燃氣發電機或鍋爐進行電力生產或是供給農作物烘培用的熱源。其主要特點是結構較簡單、進料方便、產出氣體中焦油含量少,由於是在微負壓進行,因此操作方便、安全可靠。特別是生質能源更可提供潔淨替代燃料及穩定之基載電力,具有低減碳成本並達成能源、環境與永續等多面向效益,也是推動東台灣生質資源綠色加值循環經濟之可行策略,也藉此鼓勵農友朝向精緻農業升級與技術精進方式邁進。

圖1 下吸式氣化爐之結構示意圖。(包含熱加到爐心上部,含碳的生質原料會經熱裂解、燃燒反應/氧化作用、焦炭重組/還原作用與產物平衡等不同的程序)。

在規劃的研究範疇中,主要的驗證量為壽豐鄉農業廢棄資材稻稈350噸。稻稈收集方式為在農民收割後透過捆扎機,以捆紮方式(圖2)收集稻稈並進行秤重,再經以卡車(含抓斗設施)將捆紮後之稻稈收集至卡車上,再載運至實踐基地案場中進行生質氣化試驗。特別是經分析35個實驗批次之稻稈氣化產製合成燃氣(Syngas)之氣體、氣含及副產物後,可得知稻稈含水率越低,合成燃氣產氣含量比越高,相對能源化產值亦最高;稻醋液及稻稈灰在資源化利用方面,稻稈含水率越低,可得到純度最佳化的稻醋液及稻稈灰。其中又以含水率低於20%的稻稈為氣化程序中較佳的生物質進料控制參數,以可做為後續生物質氣化再利用之系統控制基礎。

圖2 捆紮與卡車運送照片。

在效益評估方面,平均每噸稻稈約可產生1,372m3合成燃氣(等同於492.9m3天然氣或527.23公升柴油),以及3公斤之稻稈灰分,若每立方米的天然氣全數轉換成電能(kW)約可生成1.2 kW的電力(約1.2度),可推得知每噸稻稈共可以獲得591.48度。另外經由生質氣化爐後每噸稻稈約產生0.3%的灰分,因此350噸共可以生成1.05噸(組成有K、Ca、Mg、Si、P 等)。

在周界環境檢測(圖3)方面,SO2平均值為1.23 ppb、NO平均值為0.98 ppb、NO2平均值5.61 ppb、NOx平均值為6.38 ppb、CO平均值為0.82 ppm、TSP平均值為26.29 g/m3、CH4平均值為1.538 ppm、NMHC平均值為0.213 ppb、THC平均值為1.75 ppm,比對環保署署發布即時空氣品質指標 (AQI) 值,於生質氣試驗期間AQI指標皆為良好等級,因此對環境衝擊量低,這結果也表明該系統設計(熱裂解、氧化、還原反應及氣體淨化)技術能力於連續操作下,均符合周界空氣品質標準。

圖3 周界環境檢測實體照片。

模組化與可移動式(圖4)的特色亦是發展區域型農林廢棄資材去化或能源化的優勢,更是減輕農業廢棄資材於運送過程所衍生的油耗與排放問題。運用新的氣化技術,不僅將稻稈養分回饋農田、產生潔淨能源並減少空氣汙染問題,可說是一舉多得的解決方式。期盼能透過模組化可移動式的生質氣化設施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。

圖4 模組化可移動式的生質氣化發電系統照片。