燃柴鍋爐燃燒與防制技術建議

第一章 非傳統化石燃料相關法規

1.1 非傳統化石燃料種類及定義

近年順應歐盟倡導之2050淨零排放趨勢,我國擬定一系列之減碳排計畫,其中包括循環經濟的推動,包含「推動循環技術暨材料創新研發及專區」、「建構新循環示範園區」、「推動綠色消費與交易」及「促進能資源整合與產業共生」 等 4 大推動策略,藉由導入「循環經濟」的新觀念與策略措施,創造產業發展新的驅動力。非傳統化石燃料包括SRF、木、竹等替代能源的使用,在循環經濟的架構中亦佔有重要地位。

依據能源局統計手冊(2019年)分析顯示,截至2020年止臺灣能源供給比例結構有97.9%仰賴進口2.1%為自產。2020年我國能源總供給中化石燃料用量占91.74 %,非化石能源僅占8.26 %。燃料燃燒產生二氧化碳排放量為25,872萬公噸,化石燃料改為非化石燃料如生質能等,可減少燃燒產生之碳排計算,且符合循環經濟、資源再利用之精神。

依據國家教育研究院針對「化石燃料」名詞解釋:「古生物(包括動物及植物)在特定的地理環境及地質條件下,經由生物化學及物理化學作用而轉化形成的燃料。」化石燃料包含固態、液態與氣態等三種型態;固態的化石燃料主要為煤、油頁岩等;液態的化石燃料主要為石油;氣態的化石燃料則主要為天然氣。化石燃料為目前世界上最重要的能源及化工原料來源,但是此類燃料在燃燒過程中會放出大量的空氣污染物及二氧化碳,造成大氣的污染及地球的溫室效應。

為協助推動廢棄物的去化及資源循環的利用,彙整各類非化石燃料在種類上的定義如表1.1所示。本計畫所定義之非傳統化石燃料則排除煤、油及天然氣三大類型,並考量現階段待解決之鍋爐改善燃料別,擇定以固體燃料之木材、木屑、竹等為研究重點對象。

表 1.1非傳統化石燃料空污排放及減量說明

燃料形式 燃料種類 說明 鍋爐空污排放及減量說明
固 態 初級固體生質燃料
俗稱「白料」,通常係指農林資材的木片、棕櫚殼及其他果殼等未經化學處理轉換的固態生質燃料,木質顆粒熱值約為4,400 kcal/kg,單位能蒸汽能源成本為875元/公噸-蒸汽;我國已有部分業者採用做為鍋爐燃料,並有臺灣生質能技術發展協會負責研究推廣,IPCC 2006年CO2生質燃料排放係數為100000 kgCO2/TJ。
  1. 白料應為固體鍋爐經濟可行替代方案,燃料成本相較燃煤高約1.4倍,尚須確認既有用戶是否接受,搭配燃煤鍋爐既有之空氣污染防制設備,可在正常操作下符合「鍋爐空氣污染物排放標準」。
  2. 燃煤鍋爐使用白料可無須額外投資設備改造/汰換,僅需針對燃料及空燃比進行調整即可。
  3. 白料應為固體鍋爐之較佳改善方案,惟產業仍對燃料之供應能力及品質存有疑慮。
  4. 經濟部標檢局於110年3月22日公告制定CNS 17225-1固體生質燃料標準。
  5. IPCC已聲明生質燃燒排放量不會增加大氣中的二氧化碳濃度,燃料成本相對昂貴,且由全球碳足跡觀點來說,生質燃料若非使用在地利用而由國外輸入,反而因運輸過程產生碳排放,建議鼓勵國內業者自行製造生產並使用生質燃料。
液態 生質燃油 生質燃料油係指棕梠油或廢食用油經去酸價及改質轉化後,可做為鍋爐燃料,其熱值8,300kcal/L,單位能源成本約為1,610元/公噸-蒸汽。
  1. 生質燃油初期產能約3萬噸/年,可替換燃料油2.9萬公秉/年,且環保生質油僅需更換噴油嘴及調整鍋爐操作參數,初設成本低。
  2. 108年已有國內廠商試燒,並符合環保法規標準之案例,其燃料價格較較高熱值較低。
  3. 生質燃料商品碳足跡則是從生質料源耕作、採收到生產製造時所有溫室氣體排放總量,其燃燒時二氧化碳排放量可視為零。
  4. 因其製造原料有部分為糧食例如甘蔗、甜菜故其價格隨糧食不足情況,會有漲跌幅價格,目前已有不需透過糧食進行製造生質燃油技術。
  5. 目前價格較其他燃料高,效益低於煤碳及天然氣等燃料為目前推廣上的瓶頸。
氣態 沼氣 有機物質在厭氧環境與適當的溫度、濕度與酸鹼度下,透過微生物的厭氧發酵作用產生沼氣(bio-gas),其熱值約5,406Kcal/ft3,單位能源成本約為6.4元/度。
  1. 依經濟部能源局公告之「110 年度再生能源(太陽光電除外)發電設備電能躉購費率」顯示有安裝厭氧硝化設備之廠商每度電購入價格為2.11元。
  2. 沼氣發電在推行上困難點:初設設成本高及後續維護不易。
  3. 沼氣發電機要求沼氣中硫化氫濃度必須低於 200 至 300 ppm,因為硫化氫極易與金屬結合形成硫化物,所以沼氣中之硫化氫濃度應該越低越好,以延長發電機之壽命。

資料來源: 本計畫整理

1.1.1非傳統化石燃料介紹

盤點本計畫輔導之燃材鍋爐,多數採用自廠廢棄物,以廠內循環使用方式,作為鍋爐燃料再利用產製蒸氣。此類多為合板業者,故以下針對合板業者常見使用木材分析其燃料特性。

家具、木材廠在製成木材過程中,為了將原木製成整齊的木材,需去除樹皮、不規則背板、邊板,並在鋸除時產生鋸屑和刨花。切除的廢料大約20%樹皮、18%背板、邊板和碎板及20%鋸屑和刨花,這些副產物因為成分單純,通常做為廠內燃料來源,此類燃料的特性如下:

  1. 水分含量高,常可達到30 %~60 %;
  2. 含碳量較低,因此木材廢料燃料不耐燒,熱值較低;
  3. 氫含量較多,揮發分高;
  4. 氧含量很高,使得燃料熱值低,但易於引燃;
  5. 含硫量低;
  6. 密度小,質地比較疏鬆。

木材廢料雖然有多種不同的樹種,但化學成分相似,研究 針對杉木、松木、楊木、樺木等7種木材進行成分檢測,發現成分與熱值近似,且水分、揮發分、灰分等對燃燒有影響的成分亦接近,詳細資料如表1.1-1及表1.1-2所示。以杉木、松木、紅木及楓木等四種常見木材分析其燃燒成分,可以看出來木材平均含水分高達48.65%。依據 「公私場所固定污染源燃料混燒比例及成分標準」針對生煤定義,指凡未經煉製且固定碳與揮發分含量之比為4以下之煤炭。木材相較於燃煤,為不耐燒且熱值低之燃料,亦代表在燃燒技術上,應有相對應之調整作法。

表1.1-1 七種木材的元素分析及其發熱量

名稱 碳(%) 氫(%) 氧(%) 氮(%) 硫(%) 低位發熱值kJ/kg
杉木 51.4 6 42.3 0.06 0.03 19,194
松木 51 6 42.9 0.08 0.01 19,045
紅木 50 6 43 0.05 0.02 19,485
楊木 51.6 6 41.7 0.6 0.01 17,933
樺木 49 3.1 44.8 0.1 0.01 18,413
楓木 51.3 3.1 42.3 0.5 0.01 18,902
柳木 49.5 5.9 44.1 0.6 0.04 18,625
平均 50.54 6.00 42.99 0.284 0.186 18,800

表1.1-2 常見木材燃燒成分分析

木材廢料種類 杉木 松木 紅木 楓木
空氣乾燥後水分% 7.5 3.3 7.3 6.8
原木材廢料水分% 52.9 44.3 50.4 47.3
揮發分% 74.3 79.4 82.5 78.6
固定碳% 23.6 20.1 17.3 21.3
灰分% 2.2 0.5 0.2 1.1
發熱量kJ/kg 19194 19045 19485 18902

資料來源:木材廢料燃燒分析及鍋爐結構簡介,吳蔭津,Equipment Manufactring Technology No.10, 2008

木材廢料燃燒分析及鍋爐結構簡介,吳蔭津,Equipment Manufactring Technology No.10, 2008

研究進一步針對亞洲常見的竹材進行分析,發現碳及氧占比較低,低位發熱值亦略低,詳細比較如表1.1-3所示。顯示燃燒木柴的種類與鍋爐控制或熱值產出關係不大。

表1.1-3 杉木、硬木、竹屑及煙煤等材料元素

  元素分析(%) 最低熱值(kJ/kg)
 
杉木屑 41.92 5.74 35.44 0.05 0.02 15,680
硬木屑 44.28 5.4 37.4 0.07 0 16,200
竹屑 38.53 5.05 29.87 0.37 0 14,300
混和煙煤 56.53 3.44 4.93 0.7 0.32 22,040

廢木材因易燃、成分單純且不含有害物質,很適合作為燃料或輔助燃料,惟因國內業者多使用傳統鏈條爐排鍋爐(以下簡稱鏈排爐),甚至更簡易的固定床鍋爐,在設備本身燃燒條件不良的狀況下,僅能透過增設防制設備,減少空污染物排放。本計畫將就相關問題進行分析,並提出適用於燃木材鍋爐業者之短、中、長程改善建議。

1.2 燃材鍋爐相關法規

環保署為對燃料品質進行管制,於109年3月23日公告「公私場所固定污染源燃料混燒比例及成分標準」如表1.2-1及表1.2-2。針對燃料使用制定一系列標準,避免使用品質參差不齊的燃料造成嚴重空氣污染。

針對廢木材等事業廢棄物再利用部分,經濟部自91年1月9日公告「經濟部事業廢棄物再利用管理辦法」,歷經15次修正,109年7月15日修正發布。表1.2-3摘錄重點規定,木材再利用管理辦法規定工廠再利用木材須遵守相關規定,本計畫統計工廠廢木材多數再利用途徑為當作鍋爐燃料使用,故須遵守破碎及貯存及異味防制相關規定。

表1.2-1 生質燃料相關法規現況

序號 法制層級 法(律)規名稱 制(修)訂概況 管制對象 主要修訂內容
法制作業進程 最新公告日
中央公告法規修訂現況
1 法規命令
公私場所固定污染源應符合混燒比例及成分標準之燃料(依空氣污染防制法第二十八條第二項)
研議
預告
研商公聽
正式發布
109.01.23 公私場所固定污染源
  1. 配合107.8.1修正公布之空污法,新增各燃料種類之定義。
2 法規命令 公私場所固定污染源燃料混燒比例及成分標準(依空氣污染防制法第二十八條第二項) 研議
預告
研商公聽會
正式發布
109.01.23 公私場所固定污染源
  1. 訂定公私場所使用生煤、燃料油、石油焦和固體生質燃料之成分標準。
  2. 規範公私場所使用輔助燃料之濕基低位發熱量。
  3. 訂定公私場所固定污染源應符合廢棄物再利用燃料之混燒比例。
  4. 訂定直轄市、縣(市)主管機關查核公私場所混合使用不同批次之同種類燃料之採樣及檢測方式。
3 法規命令 經濟部事業廢棄物再利用管理辦法(依廢棄物清理法第三十九條第二項) 研議
預告
研商公聽
正式發布
109 .07 .15 公私場所固定污染源
  1. 為加強對再利用管理及配合實務運作之需求而修訂。
  2. 為強化再利用運作管理,增列事業及再利用機構依本辦法附表規定或許可文件內容進行廢棄物或產出物檢測時,應作成紀錄並留存三年之規定。

資料來源: 本計畫整理

表1.2-2 公私場所固定污染源燃料混燒比例及成分標準

燃料種類 管制項目成分標準 施行日期
新設污染源 已持有生煤使用許可證者
生煤 固定污染源(但不包括水泥業旋窯) 含硫量 ≦1 Wt% 發布日
(109年3月23日)
自發布日 後一年施行
(110年3月22日)
灰分 ≦20 Wt%
高位發熱量 ≧5,000 kcal/kg
含汞量 ≦0.15μg /g
水泥業旋窯 含硫量 ≦1.5 Wt%
灰分 ≦28 Wt%
高位發熱量 ≧5,000 kcal/kg
含汞量 ≦0.15μg /g
燃料用油 固定污染源 燃料用油
(但不包括汽油、柴油)
含硫量 ≦0.5 % 發布日
(109年3月23日)
汽油 適用移動污染源
燃料成分管制標準
柴油
石油焦 固定污染源 含硫量 ≦0.5 Wt% 發布日 (109年3月23日)
低位發熱量 ≧8,000 kcal/kg
初級固體生質燃料 固定污染源 含氯量 ≦0.1 Wt% 自發布日後
一年施行
(110年3月22日)
含硫量 ≦0.05 Wt%
含鉛量 ≦20 μg/g
含鎘量 ≦1 μg/g
含汞量 ≦0.1 μg/g
低位
發熱量
≧3,000 kcal/kg

資料來源: 「公私場所固定污染源燃料混燒比例及成分標準」附表

表1.2-3 再利用管理辦法中有關木材之規定

廢木材再利用相關規定

  1. 事業廢棄物來源:事業產生之廢木材(板、屑、木質電桿、木質橫擔或枕木)。但依相關法規認定為有害事業廢棄物者,不適用之。
  2. 再利用用途:紙漿原料、製紙原料添加料、吸油材料、木製品原料、建材、活性碳原料、電木粉原料、原子碳原料、有機質肥料原料(限不含經油漆、防腐劑處理之廢木材、板、屑)、有機質栽培介質原料(限不含經油漆、防腐劑處理之廢木材、板、屑)、燃料原料或燃料。
  3. 再利用機構應具備下列資格:
    1. 依法辦理工廠登記或符合免辦理登記規定之工廠,或領有禽畜糞堆肥場營運許可證及肥料登記證之禽畜糞堆肥場。但直接再利用於燃料或建材用途者,不在此限。
    2. 至少生產下列產品之一項:紙漿、紙類製品、吸油劑、木製品、人造木質板(粒片板、纖維板或塑合板)、活性碳、電木粉、原子碳、有機質肥料、有機質栽培介質或燃料。但直接再利用於燃料或建材用途者,不在此限。
    3. 再利用於有機質肥料原料及有機質栽培介質原料用途者,應依據肥料管理法及相關法規,取得農業主管機關核發之製造、販賣肥料登記證,且肥料登記核准文件及肥料標示之製肥原料來源已登載廢木材。
  4. 運作管理:
    1. 廢木材貯存或再利用過程產生具有惡臭物質者,應採有效抑制其逸散及除臭之措施。
    2. 再利用於有機質肥料原料或有機質栽培介質原料用途者,須具有醱酵之相關設備。
    3. 再利用於有機質肥料原料或有機質栽培介質原料用途者,不得與其他事業廢棄物混合清除。
    4. 再利用於燃料原料用途者,須具有破碎及分選設備。
    5. 得採用露天貯存方式,其貯存場所應設有排水收集設施,且除廢木質電桿、廢棧板外之廢木材貯存場所,應具有效抑制粒狀污染物逸散設施。
    6. 再利用後之剩餘廢棄物應依廢棄物清理法相關規定辦理。
    7. 再利用用途產品為有機質肥料、有機質栽培介質者,其品質應符合肥料管理法相關規定。
    8. 除前款規定以外之再利用用途產品,其品質應符合國家標準;未訂定國家標準者,得採行公共工程施工綱要規範、產業公會制定之產品品質標準或事業之間符合契約書標準。
資料來源: 「經濟部事業廢棄物再利用管理辦法」

實務上,燃材鍋爐業者使用燃料易被地方環保局視為高污染特性燃料,故在現行法規需考量面向從鍋爐申請使用生質燃料程序開始,即須進行相關許可申請。鍋爐申請使用生質燃料程序如圖1.2-1,由於使用固體生質燃料不會增加空污排放種類及排放量,應可適用「固定污染源設置與操作許可證管理辦法」第23條第1項第2款異動二款規定。惟部分地方環保局針對初級固體生質燃料之氯含量及戴奧辛排放仍存疑慮,會要求進行燃料成分測試,要求廠商以空污法第24條進行許可變更申請,並加裝戴奧辛防制設備。

圖1.2-1 鍋爐申請使用生質燃料程序

因此,在燃料使用上,現階段台灣生質能技術協會進行試燒檢測,確認無排放重金屬,並測試生質燃料氯含量與燃燒後產生之戴奧辛濃度非直接相關,而與是否屬均質燃料及是否燃燒完全較具關連性。 此外,因應地方環保主管機關,針對生質燃料來源有所疑慮,台灣生質能技術協會已建立自主燃料管理體系,規範3項固體生質燃料品質標準,分別為木質顆粒(燃料)、棕櫚殼(燃料)與固體回收燃料(SRF、黑料),上述標準已於108年5月會員大會公告成為協會管理規範之品質標準。其中,木質顆粒已於110年3月22日公告制定CNS 17225-1固體生質燃料標準。

燃材鍋爐業者針對其使用之初級固體生質燃料,須對應現階段法規作法如表1.2-4。相關涉及法規包含空污法、事業廢棄物再利用管理辦法,關注物種除了空污物種外,戴奧辛亦成為燃材鍋爐應關注且因應的重點,摘錄如表1.2-5。現行仍有部分縣市環保局於許可核發時,針對燃材鍋爐要求於展延前應針對燃材(木材)成分分析,並檢附分析報告,倘若成分含有戴奧辛(含氯>0.015%),應一併檢附檢測結果,以利確認符合排放標準。

表1.2-4 使用固體生質燃料法令規範及對應作法

階段 程序 法規規範與限制 現況 對應作法
申請階段 生質燃料選擇 燃料品質規範 除木質顆粒外,國內目前無制定多元之生質燃料品質國家標準,業者選擇受限
  1. 台灣生質能技術協會已訂定「產業品質標準及管理辦法」
  2. 經濟部標檢局於110年3月22日公告制定CNS 17225-1固體生質燃料標準
申請固定源許可異動/變更 1.業者期依「固定污染源設置與操作許可證管理辦法」第23條第1項第2款進行空污許可異動申請 地方環保機關仍要求業者須依「空污法第24條」檢具空氣污染防制計畫進行變更申請
  1. 台灣生質能技術協會規劃試車檢測結果及佐證資料,以確認無排放戴奧辛或重金屬之虞
  2. 協會將確認生質燃料氯含量與燃燒後產生之戴奧辛濃度非直接相關,而與燃燒是否屬均質燃料及是否燃燒完全較具關連性
2.依環保署「103年6月16日環署空字第1030049165號函」固體生質燃料將被認為高污染特性燃料,以廢棄物焚化爐排放標準管制。
  • 戴奧辛適用「中小型焚化爐戴奧辛標準」第5條及第10條
  • 鉛鎘汞適用「焚化爐排放標準」第12條之1
  1. 燃料含氯量大於0.015%者,將被當作燃燒廢棄物管制
  2. 關鍵在判定屬於廢棄物還是燃料,將涉及環保局許可審查問題
操作
階段
灰渣處理與再利用 專燒-依「經濟部事業廢棄物再利用管理辦法」第3條第3款,申請個案再利用 專燒-目前生質燃料灰渣仍屬D類事業廢棄物,去化管道少,清除處理費用較為昂貴 台灣生質能技術協會將申請個案再利用許可,尋求燃料灰渣再利用方法,如做水泥生料
混燒-依「經濟部事業廢棄物再利用管理辦法」第3條第3款,申請公告再利用 混燒-混燒百分之五十(重量比)以下廢棄物衍生燃料、生質燃料產生之混燒灰渣納入本部公告再利用事業廢棄物項目 可提高業者使用生質燃料之意願
燃料來源及品質管控 燃料檢驗 目前無相關標準及檢驗辦法 採現行國際方法訂定產業品質檢測方法,訂定國家標準檢驗方法
燃料供應品質管理 目前無相關燃料驗證機制 台灣生質能技術協會將訂定燃料管理規範流程,保持供應端燃料品質穩定

資料來源:本計畫整理

表1.2-5 生質燃料涉及法規條文彙整

條文內容
空污法-固定污染源設置與操作許可證管理辦法第23條第1項第2款 改用低污染性原(物)料或燃料、拆除或停止使用產生空氣污染之設施、增設防制設施或提升防制效率者,應於事實發生後30日內檢附相關證明文件,向審核機關提出申請
空污法第24條第1項 公私場所具有經中央主管機關指定公告之固定污染源,應於設置或變更前,檢具空氣污染防制計畫,向直轄市、縣(市)主管機關或中央主管機關委託之機關申請及取得設置許可證,並依許可證內容進行設置或變更。前項固定污染源設置或變更後,應檢具符合本法相關規定之證明文件,向直轄市、縣(市)主管機關或經中央主管機關委託之機關申請取得操作許可證,並依核發之許可證內容進行操作
環署空字第1030049165號函修正「直轄市、縣(市)主管機關及中央主管機關委託之政府其他機關辦理鍋爐燃燒高污染特性燃料之固定污染源許可證審查參考原則」 函文之三、適用對象內容,本原則所列高污染特性燃料包括:(一)生煤、石油焦、水煤漿等易致空氣污染物質。(二)主管機關及目的事業主管機關公告或許可再利用之廢棄物當固體燃料或輔助燃料。(三)其他與前項廢棄物性相近之燃料或輔助燃料(如:紡織污泥、紙漿污泥、木材(屑)、廢潤滑油、垃圾衍生燃料及各項製程下腳料等)。
空污法-中小型焚化爐戴奧辛標準第5條及第10條
  1. 第5條:本標準規定之戴奧辛排放限值,焚化爐設計處理量未達四公噸/小時者為0.5 ng-TEQ/Nm3 ,設計處理量達4公噸/小時以上者為0.1ng-TEQ/Nm3
  2. 第10條第1項第1款:焚化爐處理量未達4公噸4小時者,至少每2年應定期檢測1次
  3. 第10條第1項第5款:焚化爐處理量未達4公噸/小時,且燃燒處理之廢棄物含氯量低於0.015%者,可檢具證明文件向當地主管機關申請免予檢測。但必要時,主管機關得重新要求檢測。
空污法-焚化爐排放標準第12條之1 廢棄物焚化爐重金屬空氣污染物排放標準:
:0.5mg/Nm3、:0.5mg/Nm3、:0.5mg/Nm3
「經濟部事業廢棄物再利用管理辦法」第3條 事業廢棄物之再利用,應以下列方式為之:
  1. 事業自行於廠(場)內再利用。
  2. 逕依附表所列之種類及管理方式進行再利用。此為公告再利用
  3. 經本部許可後,送往再利用機構再利用。其許可類型分為個案再利用許可及通案再利用許可。

資料來源:本計畫整理

第二章 燃材鍋爐空污防制技術

因木材易燃、成分單純且不含有害物質特性,適合作為燃料或輔助燃料。盤點國內業者多採傳統鏈條爐排鍋爐(以下簡稱鏈排爐),較易有空污防制及熱利用效率不佳問題。為探討燃材鍋爐在燃燒防制技術的應用,需先對鍋爐有一定初步了解,故本章節針對燃材鍋爐組成構造進行介紹,後續在探討防制技術上,從燃料進料前端的預處理到中段鍋爐燃燒控制技術的介紹、後端防制設備應用,依照現行國內燃材鍋爐現況提出常見問題及對應改善作法。

2.1木材燃料前處理

環保署於109年4月1日公告「固體再生燃料製造技術指引與品質規範」,內容含括相關再利用規範與指引,本計畫參考指引相關設備給予廠商建議並結合「生質顆粒燃料製造手冊」所提供燃燒生質料相關知識,彙整實務建議作法。

此外,經濟部公告「經濟部事業廢棄物再利用管理辦法」,規範廢木材進入鍋爐前需進行破碎及存放設施等規定,以降低鍋爐燃燒木材造成環境污染程度。以下廢木材前處理作法說明。

依照使用業者對燃料之使用需求,針對廢棄物性質選用適當之設備,如生物處理、破碎、分選、乾燥、均質化及後端空氣污染防制設備。製造廠之主要設備依功能可區分為廢棄物純化、均質化、乾燥之設備及周邊污染防制設備,可依各廠需求選擇使用相關設備,表2.1-1彙整木材相關前處理技術資訊。

檢視本計畫盤點20家燃材鍋爐業者,如為自廠廢木材循環再利用業者,其作為燃料前多數僅進行大破碎,破碎程度以能進入鏈排爐口為主,並未考量到燃燒均質化。有進行小破碎者僅2家,亦有部分採取外購木屑燃料,則較可兼顧均質化及燃料品質穩定性。

表2.1-1 廢木材前處理

項目 用途 技術區分 類型
純化 設備 去除不適燃物,如:金屬分選、尺寸篩選、光學分選。
金屬分選設備,主要功能為分選回收廢棄物中之金屬物質,並保護後續設備。
  1. 磁性物質分選(鐵金屬)。
  2. 非磁性物質分選(銅、鋁等非鐵金屬)。
  3. 重力分選。
  4. 其他金屬分選設備。
尺寸篩選設備:主要依據物料尺寸進行分選。
  1. 滾筒篩。
  2. 彈跳篩。
  3. 震動篩。
  4. 碟型篩。
  5. 星形篩選器
  6. 其他尺寸分選設備。
光學分選設備:利用近紅外線或可見光進行照射不同物質產生之不同光譜進行分選,主要目的為分選出含氯塑膠或有色塑膠。
  1. 近紅外線分選機。
  2. 可見光分選機。
  3. 其他光學分選設備。
均質化設備 主要目的在將不同原料之尺寸、性質進行均一化調整,包含破碎 設備 尺寸均一、混拌設備 性質均一、壓縮設備尺寸均一 破碎設備為將廢棄物外包裝袋 破 開或減小廢棄物至2.5cm。
  1. 切碎機(單軸、雙軸)。
  2. 破碎機。
  3. 磨碎機。
  4. 其他破碎設備。
混拌設備:經破碎及分選後加以拌合,使產出燃料性質均一。  
乾燥設備:主要為降低燃料含水率,以符合燃料標準。(建議含水率低於10%)
  1. 生物乾燥。
  2. 機械乾燥。
  3. 其他乾燥設備。
空氣污染防制設備 為減少空氣中粉塵及臭味 集塵設備。
  1. 靜電集塵器。
  2. 濾袋式集塵器。
  3. 旋風集塵器。
  4. 洗滌塔除塵器
揚塵逸散抑制設備。
  1. 防塵網
  2. 防塵布
臭味抑制設備。
  1. 燃燒爐
  2. 藥劑洗滌塔

資料來源:「固體再生燃料製造技術指引與品質規範」及「生質顆粒燃料製造手冊」
小破碎後木屑

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小破碎後木屑
小破碎後木屑

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小破碎後木屑

圖2.1-1 木材前處理破碎後情況

圖2.1-1為木材前處理破碎後情況,左圖為合板業者廠內邊材下腳料,經簡易人工篩選、破碎裁切後,能符合鍋爐進料口大小之木料。右圖為經過人工篩選、大破碎、磁選、小破碎後,呈現均質化之木屑。

表2.1-2比較此兩家業者燃燒現況,氮氧化物均遠高於法規標準2~4倍,然而,木屑相較木料燃燒後空污經防制處理,兩者在氮氧化物濃度仍有顯著差異。

表2.1-2 木料及木屑燃燒後經防制處理案例

燃料 鍋爐 防制設備 NOx
(ppm)
SOx
(ppm)
TSP
(mg/Nm3)
木料 燃材鍋爐 旋風分離器/袋式集塵器/洗滌塔 >368 >14 4
木屑 鏈排爐 >袋式集塵器 258 17 5

2.2 鏈排爐特性

2.2.1鏈條爐排鍋爐結構特性及燃燒過程分析

鏈條爐排鍋爐如圖2.2-1、圖2.2-2所示,是一種臥式三回程水火管混合式鍋爐,通過減速機帶動鏈條爐排轉動,使固體燃料(如煤、木材等)從前方著火,到鍋爐尾部燃盡,較固定爐排能夠提高燃燒效率,同時鏈條轉到下方時,風冷降溫,能夠保護爐排片不燒損,是層燃爐中較好的一種燃燒設備。

圖2.2-1 典型鏈排爐結構

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圖2.2-1 典型鏈排爐結構
圖2.2-2 鏈排爐實例

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圖2.2-2 鏈排爐實例

木材廢料由於自身的特性,使其在鍋爐中的燃燒過程具有明顯的不同特點,木材廢料的燃燒過程可分為三個階段:

一、蒸發水分
木材廢料水分含量很高,常達30 %~60 %,致使燃料的發熱量大大降低。且因水分在爐內蒸發,吸收燃料燃燒時放出的熱量,使爐膛溫度下降,造成著火困難,對燃燒不利。因燃料中水分的去除是木材鍋爐能否發揮正常功能的重要關鍵。
實務上,小型燃材鍋爐業者採取人工進料時,會以熱質較高之樹皮等廢木材作為鍋爐起爐用燃料,待鍋爐穩定燃燒後,才以其他廢木材進行加壓持溫。
二、揮發分析出燃燒
木材廢料的密度小,結構比較鬆散,揮發分含量高,常達75%~85%。揮發分在250~350℃時大部分析出並燃燒。揮發分析出燃燒時間較短,僅占燃燒時間的10%左右,燃燒時火焰較長。當空氣供應不足時,有機揮發物容易不完全燃燒而排出,造成黑煙或排氣有異味。所以木材廢料的燃燒必須有足夠的擴散型空氣供給,燃燒室必須有足夠的容積,以維持一定的燃燒空間和燃燒時間。圖2.2-3為小型木材鍋爐的燃燒狀況。

圖2.2-3 小型木材鍋爐燃燒狀況

三、焦炭的燃燒
揮發分逐漸析出和燒完後,燃料的剩餘物為疏鬆的焦炭, 由於焦炭受到灰燼包裹,受空氣較難滲透的影響,使焦炭較難燃盡,造成灰燼中殘留餘炭,為促進焦炭的充分燃燒,此時應適當增加撥火或加強爐膛的通風。此外,氣流運動會將一部分炭粒裹入煙道,形成黑絮,所以,通風過強也會降低燃燒效率。

2.2.2燃材鍋爐常見問題

鏈排爐雖有使用燃料種類多樣,以及操作容易的優點,但因屬早期的設備,故有一些問題須克服,包含進料控制不易、自動化程度不足及不易管理等,因此效率不佳,常見的問題說明如下:

一、木材進料控制不易

(一)給料設備易堵塞、卡死
木材相關產業由於製程特性,產出的邊角木料往往混雜了條狀、塊狀、薄片狀或粉狀,加之木材廢料容易出現架橋、結塊的特性,極易在運輸及給料設備中造成堵塞和卡死現象,若存放條件不良,木材吸收水分後更容易造成結塊的現象,增加了進料的困難度。
(二)給料不均
目前國內的木材鍋爐多採人工投料,給料機未設自動調節,完全依靠人工來調節料斗擋扳開合程度,以控制給料量,遇到木料卡住進料口時還需以人工排除,造成燃燒過程進料狀況不均,也增加操作人員的風險。
(三)燃燒不穩定
由於上述兩種因素,鍋爐燃料外觀與供料頻率極不穩定,薄料層在爐排上很快燃盡,較大塊的燃料到爐膛中段才開始燃燒,火焰無法維持在所需要的位置。且由於木材的灰分較少,不能在爐排上形成保護層,常使爐排面暴露在高溫火焰的輻射中而經常被燒壞。

二、自動化程度不足

國內鏈排爐自動化程度較低,進料、送引風、給水、排灰等通常為人工控制,這些控制效果受操作者判斷影響很大。在缺乏科學數據做為操作依據情況下,操作人員的主觀隨意性可能會引起鍋爐負荷的劇烈波動,也較難建立操作維護調整參數。

(一)進料
進料過量造成鍋爐燃燒不完全,冒黑煙污染環境,也使得排煙熱損失占比增加,造成大量的能量損失;進料不足,鍋爐處於低負荷運行,供熱品質低又會影響製程例如木板壓機的熱壓品質。
(二)送風量
送引風量與鍋爐過量空氣係數、排煙溫度、灰渣含碳量等相關,送引風量大,過量空氣係數增大、排煙溫度升高,煙氣熱量利用率低,造成大量的排煙損失;送風量小,燃料燃燒不完全,灰、渣含碳量大,固體未完成燃燒損失大。
(三)給水、排污
給水、排污均影響鍋爐出力和蒸汽品質。上料、送引風、給水、排灰等全憑操作人員經驗控制,未能科學紀錄鍋爐燃燒變化,進而未能有效調節鍋爐的運行,無法滿足鍋爐安全、高效運行需求。鍋爐運轉時任意排灰,會造成熱量的極大浪費。

三、缺乏良好控制與管理

部分木板加工企業經營者、管理者甚至現場人員,均缺乏鍋爐操作的專業知識,只求鍋爐設備能滿足生產供熱即可,缺少對鍋爐設備進行日常維護、保養,或對鍋爐維護保養投入不夠。此部分亦可能反應在防制設備保養維護上,如袋式集塵器處理效能不彰,可能是因為集塵袋破損或阻塞,常見發現異常時,往往已經超標排放。

第三章 燃材鍋爐改善及因應

本章節針對燃材鍋爐常見問題,建議從木材選用、鍋爐操作及維護保養等方面著手,並期望朝自動化控制方向逐步改善。因應循環經濟政策,鼓勵廠內循環再利用下,亦能符合空污排放標準,維持廢棄物去化管道,能資源妥適利用,產業與環境方能永續發展。

3.1 木料特性及大小

樹皮是樹幹最外層組織,因木材廠使用木材前須先將樹皮剝除,因此家具廠、木材廠在處理原木時會產生大量樹皮。樹皮從樹幹上剝下來時呈繩狀的狹長條,剛從剝皮筒中取出的樹皮含 80%或更多的水分,其熱值僅4,070kJ/ kg (972kcal/kg),需烘乾後才能使用。但濕樹皮乾燥後其熱值可達20,353kJ/kg (4,861kcal/kg),較一般木材略高,形狀可分為粒屑狀與段片狀,適合於起爐時使用。

對於未經乾燥的木屑和竹屑,水分含量高達30% ~60%。水分含量增加對燃燒不利。水分對燃燒的影響包括:

一、影響燃料的著火性能
燃料在受到爐內高溫煙氣加熱時,水分首先蒸發。在水分蒸發過程中將吸收大量的汽化潛熱,因此,對於燃燒高水分的木材,必須設計乾燥預熱段,否則會導致點火困難,且在點火初期容易產生大量黑煙。
二、使燃料發熱值降低
分析杉木、竹屑2種林業廢棄物發現,以杉木木屑為例,水分為13.2%時,燃料低位發熱量為15, 680 kJ/kg,當水分增加到 50%時,燃料低位發熱量只有8,347 kJ/kg。燃料熱值的變化導致理論燃燒溫度的變化,圖3.1-1為理論燃燒溫度隨水分變化計算結果。
對於杉木木屑,水分為13.2%時,理論燃燒溫度為1874℃,當水分增加到 50%時,理論燃燒溫度只有1450℃。爐內燃燒溫度降低,燃燒速度降低,易導致燃燒不完全損失增加。
水分含量(%)

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水分含量(%)
資料來源:王進卿 et.al, 小型工業鍋爐燃用林業廢棄物產生的問題及解決方法,工業鍋爐【J】2008年第2期, P.27

圖3.1-1 理論燃燒溫度與水分含量關係

參考本計畫實地訪廠收集業者所燃燒木屑成分如表3.1-1,其水分含量為10.89%,定壓下分析總熱值等同於16,000kJ/kg。

表3.1-1 木屑成分分析案例

表3.1-1 木屑成分分析案例

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表3.1-1 木屑成分分析案例

綜上所述,水分增加將造成鍋爐效率降低,因此木材必須控制燃料水分在一定範圍內,參考美國環保署對木柴燃燒的建議,建議在燃燒前先測量木柴濕度,將濕度控制在15%~20%之間,以提高燒效率。測量範例如圖3.1-2所示。

濕度測量範例

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濕度測量範例
適合燃燒

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適合燃燒
不適合燃燒

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不適合燃燒

圖3.1-2 木材濕度測量

鏈排爐因直接將燃料投入爐體內,對燃料種類及燃料大小較無限制,但燃料大小直接影響燃燒時間,差異過大的木材可能導致小木材已燒盡、大木材仍未完全燃燒的狀況,降低熱效率並增加燃燒後之灰分,因此建議進爐之前先進行破碎。破碎大小建議在長度40mm左右,避免過小易飛散,過大不易燃燒。市面常見的木材粉碎機如圖3.1-3所示。

圖3.1-3 木材粉碎機

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圖3.1-3 木材粉碎機

3.2 操作維護

木材廢料從進料口投入爐膛,堆積在爐排上,首先會被乾燥蒸餾,主要燃燒過程在爐排中段進行;若燃料中有細木粉屑、木糠及細刨花等輕質料則會因熱氣上升,形成半懸浮燃燒狀態。

木材做為燃料另一個重要的特性是木屑、竹屑揮發分很高。當溫度達350℃左右時,揮發分就會大量析出。主要成分是甲烷、氫氣、一氧化碳和二氧化碳。而甲烷、氫氣、一氧化碳是極容易燃燒的氣體,當揮發分大量析出並發生燃燒時,需要消耗大量的氧氣。如果在該階段供氧不足,揮發分的燃燒會受到影響,從而容易引起黑煙。

由於木材廢料本身的特性造成其在鍋爐中的燃燒特性和煤炭的燃燒有所不同,特別在空氣供給、燃燒室形狀和體積的要求等方面有著顯著的差別,因此在進行這類燃料的鍋爐結構設計時應注意操作條件,以達到最好的燃燒效果:

一、進料方式
有穩定均質的燃料,才能維持穩定的燃燒狀況,因此建議使用乾燥(濕度<20%)、均質(相同材質、相同大小)的木材,並平穩而持續的送入鍋爐中。現行中小型燃材鍋爐業者,常見以人工進料,由操作人員以工具目視投料,且於投料時爐門大開,加大進氣量。
建議改以螺旋輸送機持續進料,確保速度一致並減少投入鍋爐時造成的氣流擾動,除了送料穩定外,螺旋輸送機為一密閉輸送系統,可防止木屑或鉋花在投料時四處飛散,但螺旋輸送機須注意物料中雜物或水分會使螺旋軸承堵塞,產生卡料問題,因此在輸送機前端務須裝設破碎設備,或是將木屑等較細小的燃料與中、大型木料分別投料。
二、操作參數
木材在鏈條爐排上的燃燒過程與其他燃料不同,其差異主要在於木材會隨著燃燒烤乾水分及釋出揮發分。一般爐排移動速度為30 m/h,起始燃料層厚度為200~450 mm 時,前半部分爐排主要用於加熱、乾燥木材廢料;隨著木材廢料溫度的上升,當達到250℃時,揮發分開始分解析出,並首先著火燃燒,溫度達到350℃時,揮發分能大部分析出。揮發分析出燃燒時間較短,約0.5公尺即可完成。
揮發分燒完後,剩餘的焦炭受到灰燼包裹和空氣較難滲透的影響而較難燃盡。為促進焦炭的燃燒充分,爐排後部分需要較強通風,以便把包裹焦炭的灰燼吹開,使焦炭能與空氣充分接觸燃盡。又由於木材廢料的焦炭含量很少,在爐排後部分工作時,過量空氣很多。為適應這種特性,常設有低而長的後爐拱,提高此部分氣流速度,引導多餘的空氣到需要大量空氣的燃燒最激烈的區域,同時空氣將後拱下方燒紅的殘餘物(灰燼及部分焦炭)帶到爐排前的燃料層,幫助燃料的乾燥過程。前後爐拱的相互位置在爐膛中形成一條狹窄的喉部,促進氣體混合,以便揮發分充分燃盡。
爐膛操作應根據木頭濕度和燃燒特性等性質選擇合適的爐膛高度及斷面尺寸。確保燃料在爐內能充分燃盡。且由於揮發分析出時,燃燒火焰較長,爐膛應有足夠的高度,煙氣在爐膛內上升速度不應過高,一般常取3~4 m/s,停留時間不少於2.5秒。爐膛容積熱負荷與燃燒方式有關,一般取670~1,255 kJ/m3h。
三、合理安排助燃空氣
木材廢料的水分、揮發分及含氧量均高於煤炭或其他固體燃料,隨著水分迅速蒸發,大量揮發分會析出,連同碎小的木屑在懸浮空間燃燒,在爐膛中形成比較旺盛的燃燒區域,為了使揮發分完全燃燒,降低不完全燃燒的熱損失,需要合理的空氣分配來完成。一般從爐排進入的一次風量為80 % 左右。另外14 % 的二次風用來調節爐膛內部溫度和促進煙氣混合擾動,促進燃料進一步燃盡,同時二次風也可用來輸送木屑細粉。
另因木屑、竹屑揮發分高,對氧氣需求高,建議加大燃燒初期空氣量供給,並設法增加擾動,加強揮發分和空氣的混合,提高燃燒效率。

四、自動化控制策略

鏈排爐多為純機械式操作,較少自動控制設備,造成操作全憑經驗,不易標準化,故建議業者規劃更新鍋爐設備時,應優先考慮有自動化控制設備的產品,以下就木材鍋爐自動化控制方式,說明如下:

(一)溫度控制

控制系統旨在讓燃燒盡可能平均、負載變化盡可能縮短,其中最重要任務是在不同負載下確保木材完全燃燒,一氧化碳和未燃分盡可能降低。鍋爐控制因數包括負載控制、燃燒、溫度和壓力。負載控制通常與投料溫度一起作為設置點,受到燃料和初次空氣供給的調控。

(二)二次注入空氣

燃燒控制是針對氧氣或一氧化碳,或是這兩種氣體在煙氣中的含量設置來控制,調控方式是二次注入空氣。燃爐溫度用熱電偶測量,以煙氣再迴圈、水冷爐壁或二次空氣供給等方式加以控制。顆粒燃料爐的負壓最好使用變頻抽風機進行調整。負載和燃燒控制結合才能達到高效和低排放的自動化操作。

(三)燃燒調節

調節燃燒即分別燃燒,除了可以通過二次空氣供給,單獨控制煙氣中一氧化碳的含量也能達到相同目的。可採用感測器測量煙氣中的一氧化碳,作為控制進料量與爐排移動速度的依據,但一氧化碳感測器較為昂貴,在小型燃爐系統中的常見作法是測量煙氣中的未燃燒成分(TOC)。這個含量提供了煙氣中一氧化碳含量的定性資訊,而且測量用的感測器相對比較便宜。然而,如果改變燃料的含水量或燃爐的負載狀況,一氧化碳含量的預設值可能會導致過剩空氣大幅度增加,並因此造成燃料效率明顯下降,故調控時仍須注意燃料效率。

3.3 定期保養

鍋爐除良好的燃燒控制外,定期保養也是非常重要的,鏈排爐多設有自動清灰器,但仍需定期人工清掃,減少粒狀物從排放管道排放並維持爐內燃燒室空間。另定期清理換熱器也是確保鍋爐穩定高效的重點。

依職業安全衛生管理辦法第 32 條:雇主對鍋爐應每月依下列規定每月實施檢查一次:

一、鍋爐本體有無損傷

二、燃燒裝置

  1. 加熱器及燃料輸送裝置有無損傷。
  2. 燃燒器有無損傷及污垢。
  3. 給水過濾器有無堵塞或損傷。
  4. 燃燒器瓷質部及爐壁有無髒汙及損傷。
  5. 投料機及爐篦有無損傷。
  6. 煙道有無洩漏、損傷及風壓異常。

三、自動控制裝置

  1. 自動起動停止裝置、火焰檢出裝置、燃料切斷裝置、水位調節裝置、壓力調節裝置機能有無異常。
  2. 電氣配線端子有無異常。

四、附屬裝置及附屬品

  1. 給水裝置有無損傷及作動狀態。
  2. 蒸汽管及停止閥有無損傷及保溫層是否良好。
  3. 空氣預熱器有無破損。
  4. 水處理裝置機能有無異常。

6.4氮氧化物防制設備

有鑑於現行燃材鍋爐業者高達8成已設置粒狀物及硫氧化物防制設備,唯獨針對氮氧化物尚不易控制於法規標準下,故多數業者評估改善方案多以加裝防制設備,或針對燃料予以改善。以下僅針對氮氧化物防制方案說明。

一、燃燒控制技術

氮氧化物防制最直接的方式為燃料改善,如使用低氮燃料(天然氣或是低氮燃料),但天然氣管線的架設費用或是購買低氮型燃料並非符合每家工廠的經濟效益,且隨鍋爐NOx的排放標準加嚴為100 ppm,需要搭配更多元的方式來進行改善,較為常見的防制設備為透過低氮氧燃燒器控制搭配火上風法來進行控溫及分段燃燒的方式,以下為目前業界透過操作以降低燃燒溫度減少主燃燒區之氧濃度及減少燃燒空氣量,以降低熱式氮氧化物與瞬間氮氧化物生成技術:

(一)低氮氧化物燃燒器(LNB)

低氮氧化物燃燒器重點在減少火焰之紊流與高溫焰心之長度,燃燒時燃料呈局部過剩與氧氮局部不足之狀態下,於初段燃燒提供一個富燃料的環境,而於末段是一個富空氣的環境,此段為主要燃燒效能區。如此可降低火焰溫度而降低熱式氮氧化物之產生,同時因局部氧氣不足而減少燃料式氮氧化物之轉化率,其氮氧化物之去除率介於30%~60%。

(二)煙道器循環法(Fuel Gas Recirculation、FGR)

煙道器循環法設計原理,燃燒後排放煙道氣之部份迴流至燃燒區,藉由稀釋可降低燃燒區氧的濃度,以減少熱式氮氧化物之生成。其核心在於利用煙氣所具有的低溫低氧特點,將部分煙氣再次噴入爐膛合適部位,降低爐膛內局部溫度以及形成局部還原性氣氛,從而抑制NOx的生成。當煙道器回流率增加時,熱式氮氧化物亦將減少約10%~25%,煙道器循環引入燃燒空氣量約為25%~30%。

然而FGR也可能出現火焰監測器受到污染致使燃燒器不穩定,而出現鍋爐不定期熄火現象。需增加檢查頻率,及時清理或更換受到污染的火焰檢測器。此外,因煙氣回流,也可能導致燃燒器風機出現喘震、鍋爐及煙道振動增大,爐膛防爆門動作和異響。需藉由降低鍋爐負荷及再循環的煙氣量,避開燃燒不穩定的區域,消除風機喘震導致的鍋爐共振。或改善防爆門的設計以消除異響。

(三)低空氣預熱法(Reduced Air Preheat、RAP)

鍋爐常會透過迴流煙氣方式提升熱效率,同時也產生熱式氮氧化物之生成,故透過降低預熱煙氣溫度來減少氮氧化物生成,但此法有降低鍋爐效率的問題存在,目前能透過節能器方式來替代空氣預熱器。

上述為透過操作進行改善降低氮氧化物方式,在燃燒後的處理技術煙道氣脫硝技術方面選擇較常被業界作為除氮的乾式法進行評估。表6.4-1為常見氮氧化物控制技術。

表6.4-1 氮氧化物操作控制技術

適用燃料 缺點 去除效率(%)
低氮氧化物燃燒器 各種燃料 1. 既存鍋爐改裝不易 30~60
2.可與煙道氣循環法配合達其最大效率
3.此法並不適用於含氮成分過高的燃料(如煤)
煙氣迴流法 氣態燃料
低氮燃料
1.影響熱傳導與系統壓力 20~40
2.需裝設煙道和風車
低過剩空氣法 各種燃料 1.易造成不完全燃燒 1~15
2.藉由CO濃度量測,判斷鍋爐之燃燒效率
階段燃燒法 各種燃料 1.既存鍋爐改裝不易 30~60
2.火焰增長
3.影響鍋爐燃燒效率
水(蒸汽)注入法 氣態燃料
低氮燃料
1.耗費能源 40~65
2.不完全燃燒之問題
3.需考量燃燒效率減低之影響
減少空氣預熱法 氣態燃料
低氮燃料
1.能量損失 25~65
2.進氣氣流溫度下降將使燃燒效率減低。
再燃燒法 各種燃料 1.既存鍋爐改裝不易 20~50
2.影響鍋爐燃燒效率

資料來源:行政院環保署,空氣污染防制專責人員訓練課程教材。

二、空氣污染防制技術

表6.4-2為氮氧化物防制設備比較,常見的廢氣中氮氧化物去除技術包括:低氮燃燒系統(LNB)、選擇性觸媒還原法(SCR)、選擇性非觸媒還原法(SNCR)、臭氧脫硝等等。本年度輔導燃柴業者中,使用鏈排爐之大型鍋爐業者,較常見選用SCR作為末端氮氧化物防制設備,然而上述技術對於以煤炭、木材、生質料等固體燃料的中小型鍋爐來說,SCR造價過高且進入反應器的廢氣溫度需維持在350℃以上;SNCR所需要的反應溫度(900~1300℃)又高於鍋爐工作溫度,同時這兩種技術都需要專業的操作維護人員,中小型鍋爐為了符合修正後的鍋爐空氣污染物排放標準,臭氧氧化脫硝法以及低溫觸媒還原法成為中小型鍋爐使用者關注的防制技術。SCR作為目前市面公認穩定且有效的除氮氧化物防制技術,此處不再贅述;臭氧脫硝則因其獨特的適用性,為近年詢問度較高的處理技術,以下簡要說明臭氧脫硝技術。

表6.4-2 氮氧化物防制設備比較

種類 優點 缺點 去除效率 適用對象
選擇性觸媒還原法(SCR)
  • 操作溫度低(200-450℃
  • 漏氨率較低
  • 操作難度高
  • 初設及運轉 費用較高
80~90% 燃煤發電廠、大型蒸汽鍋爐
選擇性非觸媒還原法(SNCR)
  • 初設費用較低
  • 能源耗損高
  • 漏氨率較高
  • 操作溫度高 (900-1100℃)
40~70% 大型發電機、鍋爐、汽電共生鍋爐、重油引擎、發電機、水泥旋窯
非選擇性觸媒還原法(NSCR) 操作溫度(980℃~1038℃) 20~50%  

資料來源:本計畫整理

(一)臭氧脫硝技術原理

臭氧氧化法作為一種新型的脫硝技術,解決了很多傳統鍋爐廢氣處理的難題,該技術不需要對鍋爐及其附屬設施進行改造,只需在原有排氣管道上選擇合適的位置,並將洗滌塔加以改造即可,相比於其他的煙氣脫硝技術,臭氧氧化法還有如下的技術優勢。

  1. 顯著的脫硝效率,脫硝的效率可以實現近零排放
  2. 相比於 SCR 法,臭氧氧化法的運行成本較低
  3. 同時實現對汞、(VOCs)以及戴奧辛的脫除
  4. 調整靈活,可根據煙氣的NOX 排放濃度變化,根據摩爾比關係調節臭氧添加量
  5. 無需昂貴的金屬觸媒,無需考慮觸媒中毒等現象

根據以上的技術優勢,利用臭氧進行脫硫脫銷在歐美各國已有許多工程實例。在中國的化工產業也有廣泛的應用。

臭氧(O3)是氧的高能態存在形式,特性為無色、有特殊臭味、極不穩定、具有強氧化性,常用於滅菌、去污、漂白、除臭等領域。臭氧分解化學物質的過程中會還原成(O2)或生成水(H2O),不產生二次污染。由於臭氧的特性使其在水處理行業有廣泛的應用。臭氧在水中對細菌、病毒等微生物殺滅率高、速度快,對有機化合物等污染物質去除徹底又不產生二次污染,因此飲用水殺菌消毒是臭氧應用的最主要部門。除了在水處理方面的應用,臭氧脫除氮氧化物已經在石油化工的觸媒裂化製程得到廣泛的應用。

臭氧的氧化能力極強,從表6.4-3可知,臭氧的氧化還原電位僅次於氟,比過氧化氫、過錳酸鉀等都高,在廢氣處理中反應與停留時間是決定設備尺寸與造價的重要因素,因此快速去除空氣污染物的技術較能符合市場需求。

表6.4-3 常見物種的氧化還原電位比較

  臭氧 過氧化氫 過錳酸鉀 二氧化氯
分子式 O3 F2 H2O2 KMnO4 ClO2 Cl2 O2
標準電極電位(mv) 2.07 2.87 1.78 1.67 1.5 1.36 1.23

臭氧脫硝系統以高階氮氧化物優良的溶解性和酸鹼中和反應為基礎。主要的化學反應如下:

  • NO+O3→NO2+O2
  • NO2+O3→NO3
  • NO2+NO3→N2O5
  • 2NO+O2→2NO2
  • 2NO2+O3→N2O5+O2
  • 4NO2+O2+2H2O→4HNO3
  • N2O5+H2O→2HNO

典型燃燒過程中產生的NOx主要組成為約95%NO和5%NO2。NO不易溶於水,同時也不和鹼性物質反應,而NO2溶解度相對較高,同時可以和脫硫反應中的鹼性物產生中和反應生成亞硝酸鹽,N2O5則是具有高度溶解性的物質,可以很容易的溶解在水中形成硝酸。目前以氧化法去除氮氧化物的相關技術多基於上述反應式差異僅在於氧化劑的選用。

(二)主要影響因素

利用臭氧脫硝的影響因素主要有摩爾比、濃度分布、反應溫度、反應時間、吸收液性質等,這些因素對脫硝和脫硫效率都有不同程度的影響。

1.摩爾比
摩爾比(O3/NO)是指O3與NO之間摩爾數的比值。NO的氧化率隨O3/NO的升高直線上升。在0.9 ≤ O3/NO<1的情況下,脫硝率可達到85%以上,有的甚至幾乎達到100%。
2.濃度分布
臭氧與一氧化氮摩爾比達到適當的範圍之後,還需要均勻的濃度分布,使臭氧與煙道氣充分混合。
3.溫度
根據臭氧的熱分解特性,在150℃的低溫條件下,臭氧的分解率不高,但隨著溫度增加到250℃甚至更高時,臭氧分解速度明顯加快。而通過動力學模擬發現150℃時O3 與NOx之間的反應時間僅需0.01秒,因此在典型鍋爐排氣溫度下,臭氧的分解對與O3與NOx之間的反應影響不大。
4.停留時間
臭氧在煙氣中的停留時間只要能夠保證氧化反應的完成即可。反應時間在1~104秒之間對反應器出口的NO摩爾數沒有什麼影響,而且增加停留時間並不能增大NO的脫除率。
5.吸收劑的性質
利用臭氧將NO氧化為高價態的氮氧化物後,需要進一步地吸收。常見的吸收液有NH3‧H2O、NaOH、Ca(OH)2等鹼液。不同的吸收劑產生的脫除效果會有一定的差異。

(四)小結

臭氧氧化結合濕式洗滌法,可同時去除硫氧化物與氮氧化物,實驗證明對於脫硫可達到95%以上、脫硝可達到85%以上的高效率,而且所須的設備相對簡單,對廢氣的溫度要求亦低,可解決許多中小型鍋爐無法使用傳統氮氧化物去除技術的問題,但國內目前使用實例仍十分稀少,而在國外曾出現因操作不良產生二次污染問題,因此在使用上仍須注意。

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