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雲林縣環境保護局 生煤燃燒技術與成本效益評估 梁正中 教授 逢甲大學環境工程與科學系

雲林縣環境保護局 生煤燃燒技術與成本效益評估 梁正中 教授 逢甲大學環境工程與科學系. 大 綱 一、環保署「中小型燃煤鍋爐許可審查核管理機制」 二、生煤成分與燃燒 煤形成 、成分、 來源 煤燃燒描述 三、生煤熱值與燃燒技術 四、成本效率評估 五、 燃煤 與 空氣污染：機制與控制技術. 一、中小型燃煤鍋爐許可審查核管理機制 近年因燃油價格高漲，全國工廠鍋爐製程陸續將其使用之燃油鍋爐改為燃煤鍋爐，減少營運成本，確造成空氣污染物排放量明顯增加之情形，嚴重影響區域空氣品質。

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雲林縣環境保護局 生煤燃燒技術與成本效益評估 梁正中 教授 逢甲大學環境工程與科學系

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  1. 雲林縣環境保護局 生煤燃燒技術與成本效益評估 梁正中 教授 逢甲大學環境工程與科學系

  2. 大 綱 • 一、環保署「中小型燃煤鍋爐許可審查核管理機制」 • 二、生煤成分與燃燒 • 煤形成、成分、來源 • 煤燃燒描述 • 三、生煤熱值與燃燒技術 • 四、成本效率評估 • 五、燃煤與空氣污染：機制與控制技術

  3. 一、中小型燃煤鍋爐許可審查核管理機制 近年因燃油價格高漲，全國工廠鍋爐製程陸續將其使用之燃油鍋爐改為燃煤鍋爐，減少營運成本，確造成空氣污染物排放量明顯增加之情形，嚴重影響區域空氣品質。 然而煤炭含硫份約在0.6~1.5%，灰份亦在2~15%，相較於重油含硫份0.5%、灰份0.1%，生煤在燃燒後產生之污染情形比燃燒重油為高，其他如重金屬、戴奧辛等亦經常在燃煤鍋爐的煙道排氣中被測得。 燃燒生煤雖然有助於業者降低營運成本，但對於環境卻造成相當大的影響。

  4. 行政院環境保護署101年研議，中小型燃煤鍋爐許可審查核管理機制，要求地方主管機關應加強審查核其許可申請文件，包括：行政院環境保護署101年研議，中小型燃煤鍋爐許可審查核管理機制，要求地方主管機關應加強審查核其許可申請文件，包括： • 製程污染源操作條件、 • 空氣污染防制措施、 • 原燃物料種類及用量等， • 以具體可行方案妥善管理轄內污染排放。 • 中小型燃煤鍋爐許可申請案，應依規定要求業者妥善做好空氣污染防制措施，避免影響鄰近空氣品質。並應詳加審查所檢附資料，至現場比對申請文件內容之正確性及合理性。

  5. 主要內容： 燃煤鍋爐製程，主要以煤為燃料，廠區內需設置堆置場，且衍生粒狀污染物逸散問題。倘涉及其他物料混燒，除四種傳統污染物外，另可能產生戴奧辛及重金屬危害。

  6. 註1：煤使用量為97年至100年排放量申報系統資料 註2：使用家數統計不區別污染源種類

  7. 煤與石油 近五年之價格波動 雖然煤近年來價格波動較石油小，但2008年煤卻有一波漲2倍的狀況發生，所以煤的售價也另人擔心。

  8. 燃煤鍋爐較燃油鍋爐產生空氣污染物排放量約大於2~17倍燃煤鍋爐較燃油鍋爐產生空氣污染物排放量約大於2~17倍

  9. 註：統計截至101年3月止，排放量增量以SCCs及控制效率50%估算

  10. 二、生煤成分與燃燒 1. 煤是形成、成分與來源

  11. 不均勻的有機燃料，主要由腐爛的植物形成。 • 已被細分出有1200多種煤。 元素組成 • 煤化形成不同的煤種：泥煤褐煤煙煤無煙煤（石墨） 工業分析 時間、溫度煤炭排序 塊煤 粉煤 粒煤

  12. 生煤成分資料之應用範例 • 生煤組成為C=78%、H=6.7%、O=1.9%、N=1.1%、S=1.9%，其餘為灰份。請計算採用110%過量空氣時(a). 生煤燃燒需空氣量(A/F)，(b).廢氣組成？ [解]以100 g燃料為計算基礎，則

  13. 煤源 • 煤炭是世界上最豐富的化石燃料。 • 可開採世界煤炭儲量估計為11012噸左右。

  14. 2.煤燃燒主要程序 均相(氣相)燃燒 CO2, H2O, … 煤粒粒徑 d=30-70m 揮發物 非均相(氣固相)燃燒 CO2, H2O, … 焦炭 液化作用 t碳化=1-2sec 粒徑越大費時越長 t液化=1-5ms t揮發=50-100ms t

  15. 煤的性質以及燃煤系統，對燃煤鍋爐的設計有相當大的影響。鍋爐的燃煤方式大略可分為以下三種：煤的性質以及燃煤系統，對燃煤鍋爐的設計有相當大的影響。鍋爐的燃煤方式大略可分為以下三種： 一﹑將煤塊以機械式添煤機〔mechanical stoker,包括鏈狀爐床（chain grate）或散播添煤機（spreader stoker）等〕燃燒。 二﹑將預先研磨成的煤粉（pulverized coal）噴入爐膛燃燒。 三﹑將碎煤（粒徑約10～40毫米）供入流化床燃燒。

  16. 三、生煤熱值與燃燒技術 • 影響粉煤燃燒的物理過程 • 空氣和煤之湍流/旋流。 • 氣態反應物和產物之湍流/對流/分子擴散。 • 經由氣體與氣體及煤粒之間的對流熱傳遞。 • 氣體及煤粒之間與煤/空氣混合物與爐壁之間的輻射傳熱。

  17. 添加水對煤燃燒的作用 煤的熱值比一般木柴高許多，燃燒時會產生高溫的環境，在這個環境中會發生化學反應： C+ H2O H2+CO 氫氣和一氧化碳的混合氣被稱之為煤氣，煤氣廠就利用這個反應來生產煤氣。 接下來發生的化學反應是： 2H2+O22H2O 2CO+O2 2CO2 可見加入的水被當作燃料使用了，這樣可以幫助煤的燃燒，達到完全燃燒的目的， 但過量的水會帶走熱量。

  18. 依前述反應，亦有些公司發展出水煤漿燃料，它是由大約70%的商品煤、29%以上的水和不足1%的添加劑，通過物理加工得到的一種可管道輸送的流體燃料。並標榜低污染、高效率。依前述反應，亦有些公司發展出水煤漿燃料，它是由大約70%的商品煤、29%以上的水和不足1%的添加劑，通過物理加工得到的一種可管道輸送的流體燃料。並標榜低污染、高效率。 • 它雖改變了煤的傳統燃燒方式，而實際上僅是調節出一種煤、水混合比較適宜的水煤燃料。 • 各廠也可以自行控制燃燒前煤的含水量， 自行找出最佳混合比。   • 老鍋爐師傅可以由爐火顏色看出該添加多少水份。 • 注意購煤時，含過多水份沒有增加熱值，卻增加重量與成本。

  19. 燃料熱量： Qin = Fuel  NHV 燃料燃燒生成氣所載熱能為實際釋放熱量。淨發熱值意指已扣除燃料內含水份汽化及氫元素氧化所吸收熱量，計算燃氣溫度平衡時較能符合反應現象，因此取淨發熱值和實際燃料量之乘積定義為鍋爐燃料熱量。 鍋爐效率： ηb=Steam(HsteamHwater)/Qin 鍋爐本體換熱量加上節熱器換熱量是鍋爐負載熱量，扣除洩放水量所載熱能才是有效產出熱量，其與燃料熱量比值定義為鍋爐效率。

  20. 國內燃料熱值比較

  21. 鍋爐效率 依燃料別分類 ： 1.燃油鍋爐效率介於85~90% 2.燃氣鍋爐效率介於88~95%(需裝置廢熱回收設備) 3.燃煤鍋爐效率介於65~95%(需裝置廢熱回收設備) 燃煤蒸汽鍋爐 煤汽比 煤汽 比= 煤炭發熱量鍋爐效率 蒸汽量

  22. 蒸汽鍋爐系統影響效率項目 資料來源：中技社節能技術發展中心，蒸汽鍋爐高效率作業技術手冊

  23. 四、成本效率評估 燃料與水蒸汽基本資料 1-1.生煤價格約3,0004,000元/公噸 1-2.燃煤鍋爐效率介於65~95% (需裝置廢熱回收設備) 1-3. 生煤熱值45006400 kcal/kg 2-1.燃油價格約19,00020,000元/公秉 2-2.燃油鍋爐效率介於85~90% 2-3.燃油熱值 92009400 kcal/m3 3.1蒸汽10 kg/cm2之飽和蒸汽溫度為179.04ºC ，熱焓662.9 kcal/kg 3.2蒸汽7 kg/cm2之飽和蒸汽溫度為164.17ºC ，熱焓659.49 kcal/kg

  24. 成本計算基準 1.生煤價格3,500元/公噸，燃油價格19,500元/公秉 2.燃煤鍋爐效率70% ，燃油鍋爐效率85% 3. 生煤熱值5000 kcal/kg ，燃油熱值 9300 kcal/m3 蒸汽7 kg/cm2之飽和蒸汽溫度為164.17ºC ，熱焓659.49 kcal/kg 考慮一般生煤含硫量約1.5%，重油含硫量約0.5%，以及硫原子量32 g/mole，而SO2分子量為64 g/mole，則

  25. 燃煤較燃油需多繳交SO2排放空污費： • 燃油成本約為燃煤之2.3倍，但加上空污防制費用(尤其是PM防制費)與NOx空污費等，則二者成本比約1.5倍或更低。 • 若納入社會(健康)成本，則燃煤會高於燃油甚多。

  26. 五、燃煤與空氣污染：機制與控制技術 • 生煤燃燒排放之空氣污染物 • 二氧化碳(CO2) • 一氧化碳(CO) • 氮氧化物(NOx) • 硫氧化物(SOx) • 顆粒物(PM) • 微量金屬(Me) • 有機化合物(HC)

  27. 二氧化碳(CO2) • C + O2  CO2 • 近99％的C煤轉化為二氧化碳。 • 為了降低CO2排放量，燃煤電廠將不得不離開蒸汽為基礎的系統(效率37%)，和走向粉煤氣化技術(效率60%)。 • 同時，正在測試二氧化碳封存。

  28. 一氧化碳(CO) • C + ½O2 CO • 一氧化碳排放的最少化是經由燃燒過程的控制（空氣/燃料比、停留時間、溫度或湍流）。

  29. 粒狀物(PM) • 底灰 灰飛 • PM成份與排放量受下列因素決定： •  煤炭屬性， •  鍋爐燃燒配置， •  鍋爐操作， •  污染控制設備。 如果煤的燃燒幾乎是完整的，排出的PM主要成分是無機灰渣。

  30. PM 排放控制(AP-42, EPA) • 主要控制設備

  31. 微量金屬(Me) 生成： 煤中的金屬含量、金屬的物理和化學性質、燃燒條件。 第1類元素 錳、鈹、鈷、鉻、鐵，大致均勻分布在飛灰與底灰 第2類元素鎘、鉛、鎳、釩，主要集中在飛灰 第3類元素 氣狀排放物，主要是汞 控制： 總微粒排放的控制 細微粒的補集 溶劑???

  32. 包括揮發性、半揮發性與凝有機化合物存在於煤或形成不完全燃燒的產物。包括揮發性、半揮發性與凝有機化合物存在於煤或形成不完全燃燒的產物。 • 主要烴類：烷烴，烯烴類，醛類，醇類與苯環物。 • 環境問題的主要群體是：含四氯至八氯的戴奧辛與呋喃。 • 多環有機物（POHC）。 • 取決於鍋爐中的燃燒特性（空氣/燃料比、停留時間，溫度或湍流）的排放量。

  33. 煤中硫(<10%) • 有機硫(40%) • 化學鍵合的形式的噻吩、硫代吡喃酮、硫化物與硫醇的烴類基質中。 • 無機硫(60%) • 夾雜在煤炭中：FeS2黃鐵礦 - 白鐵礦，鈣/鐵/硫酸鋇。 • 煤中硫的來源：海水硫酸鹽，石灰石

  34. SOx生成 -SO4 O2, M radicals Coal-S (CS, S2, S, SH) SO SO2 SO3 char SO2 molecule H2S COS, CS2

  35. SOx移除 • 預燃燒移除： • 物理清洗(去除30-50%的無機硫) • 化學和生物清洗(去除90%的有機硫) • 燃燒的配置： • 沒有良性的硫化物種！ • 氣化聯合循環(IGCC系統) • 燃燒後去除： • 濕法煙氣脫硫(FGD)(80-98%)） • 燃燒中固硫： • 幹式噴鈣(DSI)(50%)）

  36. 煤中之氮化物(1-2%) 1包含2-5融合芳香族環結構

  37. 燃燒控制： • 1. 改善燃燒的配置： • 再燃 • 分段燃燒(空氣/燃料) • 2. 燃燒後控制： • 煙道氣中的還原劑中的注射液。 • 燃燒後脫硝程序。

  38. 再燃燒 過量空氣 均相燃燒 CO2, H2O, NO… 揮發物 CHi· 非均相燃燒 CO2, H2O, NO… 焦炭 液化 CO2, H2O, N2… CHi· + NO  HCN HCN + NO  N2 + …

  39. 階段燃燒 富燃料 均相燃燒 CO, CO2, H2O, N2… 揮發物 非均相燃燒 O2 CO, CO2, H2O, N2… 焦炭 液化 CO2, H2O, N2…

  40. NOx控制選擇(from AP-42, EPA) Overfire air 空氣燃盡

  41. 結 論 一、環保署有鑑於國內生煤用量逐年增高，空氣污染物的排放恐有增無減，影響國人健康，推動「中小型燃煤鍋爐許可審查核管理機制」 二、介紹包含煤的形成、來源與應用，描述了煤燃燒，與一些簡單生煤燃燒技術，幫助各位日常操作與運用。 三、生煤成分與熱值非常重要，但一些中小企業卻不知如何要求供應商，以及估算所需生煤用量。 四、燃油成本約為燃煤之2.47倍，但加上污染防制費與空污費，則二者成本比約1.5倍。未考慮社會/健康成本。 五、燃煤與空氣污染的機制與控制技術的介紹，再次讓各位複習與瞭解控制技術的種類與適用性。

  42. .Q & A

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