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2011 年 02 月 03 日 / ctkuo

生質能源概論 (五) ─ 沼氣與合成氣


作者:歐陽孚

以氣態形式被利用的生質能源,最主要的兩項應該是沼氣(biogas, marsh gas)與合成氣(syngas),都是原料經化學作用後產生的可燃氣體,以下篇幅將針對這兩種產品進一步說明。

液面上的沼氣氣泡
圖片來源:
早期人們發現在沼澤地帶存在一種氣體具有可燃性,後來才逐漸明白有機物在特定溫度、濕度、酸鹼值的環境下,經過多種細菌厭氧發酵後,會由碳鏈較長、結構複雜的化合物(例:纖維素、蛋白質、脂肪…等)轉變成短鏈的分子,最後形成的氣態產物便被稱為沼氣。沼氣其實是由多種氣態分子構成的混合物,通常含有甲烷(methane, CH4)、硫化氫、一氧化碳、重烴等可燃成分,同時也包括二氧化碳、氮氣、氨氣等不可燃氣體。其中最主要的分子是佔全部成分達50%到75%的甲烷,在常溫環境中無色、無味、無毒,難溶於水,是非常好的氣體燃料。
沼氣不只能由沼澤產生,事實上堆肥、汙水、家庭廢棄物…等都可以是沼氣的原料,因此許多垃圾掩埋場、畜牧場(例:養豬場),都將沼氣收集設備整合進設施內,以沼氣做為燃料生熱或是發電。另外,在過去利用技術還不成熟的年代,由於甲烷的可燃性,會使得垃圾掩埋場有自燃的危險,常需建造通氣孔將沼氣由深處排放出來進入大氣中。然而甲烷造成溫室效應的能力其實更勝二氧化碳數十倍,此舉對環境有不小的負面影響。因此沼氣利用不但可以處理危害物質,還可以節省能源,是一舉兩得的策略。台灣目前已有多項利用沼氣發電的設施,較大規模者來自於台北市山豬窟與福德坑、台中市文山、高雄市西青埔四處垃圾掩埋場,都是因填滿關閉後,經數十年等待再鑿井開發成沼氣電廠,其中西青埔是目前沼氣蘊藏量最豐沛的一處;並由於較晚開發之故,所用設備反而較其他諸廠先進,是抽氣成效與發電效率最高者,所生電力約可供給高雄市13,500戶家庭使用。

西青埔垃圾掩埋場(已改建為高雄都會公園二期園區)內的沼氣發電站
圖片來源:

氣化技術(gasification)是一種在超過攝氏700度的高溫且低氧的環境中進行的化學反應,將煤炭、生質物(biomass)、廢棄物…等,轉換成數種可燃氣體的混合物,主要成分為一氧化碳與氫氣,另外也有甲烷、氮氣、二氧化碳…等,由於這種混合物不但可做為鍋爐與發電機組的燃料,也可以再被當作原料用以生產柴油、塑膠等其他產品,因此被稱為「合成氣(syngas)」。以煤炭生成的合成氣來照明、煮炊、供應暖氣已有多年歷史、世界上多處可見,目前正在發展中的以廢棄物原料之技術,可以利用廢木材、廢塑膠、廢電子產品…等,與其直接將廢棄物掩埋或是焚化,氣化技術讓我們能進一步利用其中的能量。

位於奧地利Güssing的氣化電廠
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合成氣與沼氣雖然都由化學反應而得,然而合成氣是透過外部供應能量(加熱)的方式達到最適合的反應條件,不用經過數十年的等待時間。另外由於原料需經過分類與篩選,因此產物更加單純,做為其他物質的生產原料或是發電所需的後續處理較少,轉換效率也更高。以合成氣作為鍋爐輔助燃料的混燒發電系統,可以節省燃料成本、改善廢氣排放問題,並且以現有設備改裝的門檻低,荷蘭已有多座燃煤電廠採用,而美國、德國…等也正在發展中,目前全球的發展情況正由示範階段往商轉階段邁進。

合成氣與沼氣目前看來難以做為發電網路的基載電力,長期而言恐怕也不會以此做為發展目標,然而我們或許不應由此角度來批判。就像廢棄物衍生燃料(RDF-5)一樣,它們本質上可做為一種較進步的廢棄物處理方案,能大程度地降低汙染已有很重要的價值,再加上具備獨立供應能源或是與既有發電設施整合的優點,使得他們在自然環境永續經營策略中能夠有所貢獻。

相關文章:
生質能源概論(一) ─ 石化能源的危機
生質能源概論(二) ─ 替代能源的興起
生質能源概論(三) ─ 生質能源的使用型態
生質能源概論(四) ─ 固態廢棄物衍生燃料RDF-5
生質能源概論(六) ─ 生質酒精
生質能源概論(七) ─ 生質柴油
生質能源概論(八) ─ 結語

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