生煤燃燒技術與成本效益評估(2013-08-19)
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Transcript 生煤燃燒技術與成本效益評估(2013-08-19)
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。
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。
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。
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。
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
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。
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
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
二、生煤成分與燃燒
1. 煤是形成、成分與來源
元素組成
工業分析
粉煤
C
65-95%
H
2-7%
O
<25%
S
<10%
N
1-2%
Char
20-70%
Ash
5-15%
H2O
2-20%
VM
20-45%
粒煤
•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。
•煤化形成不同的煤種：
泥煤
褐煤
煙煤 時間、溫度
無煙煤 煤炭排序
（石墨）
塊煤
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
78
C 78 H 6.7 N 1.1 O 1.9 S 1.9 O 2 N 2
12
1
14
78
16
6.7
1.9
1 2 2 32
1.1
33.95
33 . 99 ,
28
12
12
32
CO
2
6 .7
2
1 . 1 9 . 03 ,
2 32
0.1
9 . 03
0 . 82
1.1
1.9
H 2O
9 . 03
1.9
32
79
SO
2
N 2 O 2
33 . 95
21
(9.03 32 33.95 28) g Air
g Air
kg Air
A
12
.
40
12
.
40
100 g Fuel
g Fuel
kg Fuel
F real
廢氣量 ( 乾基 )
78
12
[ CO 2 ]
[O 2 ]
7 8 12
1 .9
32
0 . 157
41 . 37
0 . 82
41 . 37
33 . 99 0 . 82 41 . 37 mole
0 . 020 ,
[ SO 2 ]
[N 2 ]
1.9 32
33.99
41 . 37
1 . 44 10 3 1440 ppm
41 . 37
0 . 822
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11012噸左右。
United States
7%
7%
8%
12%
5%
Russia
32%
29%
China
Australia
Germany
South Africa
Poland
2.煤燃燒主要程序
均相(氣相)燃燒
煤粒粒徑
d=30-70m
揮發物
非均相(氣固相)燃燒
焦炭
CO2,
H2O, …
CO2,
H2O, …
液化作用
t液化=1-5 ms
t揮發=50-100 ms
t
t碳化=1-2 sec
粒徑越大費時越長
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。
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。
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。
• 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。
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：
η b=Steam(HsteamHwater)/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。
國內燃料熱值比較
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
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
四、成本效率評估
燃料與水蒸汽基本資料
1-1.生煤價格約3,0004,000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45006400 kcal/kg
2-1.燃油價格約19,00020,000元/公秉
2-2.燃油鍋爐效率介於85~90%
2-3.燃油熱值 92009400 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
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
燃煤成本
燃油成本
659,490 kcal
ton 蒸汽
1
0.7
1 kg
5,000 kcal
1ton
1000kg
NT$ 3,500
ton
NT$ 659 . 5
ton 蒸汽
659,490kca l
ton 蒸汽
NT$ 1 626.8
1
0.85
1L
9,300 kcal
1m3
1000 L
NT$ 19,500
m3
ton 蒸汽
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
燃煤 SO 2 排放
659,490 kcal
燃油 SO 2 排放
659,490 kcal
ton 蒸汽
ton 蒸汽
1
0.7
1 kg
1
0.85
0 . 015
5,000 kcal
64
32
1L
0.9 kg
9,300 kcal
5 . 65 kg SO
ton 蒸汽
0 . 005
1L
2
64
32
0.75 kg SO
ton 蒸汽
燃煤較燃油需多繳交SO2排放空污費：
燃煤 SO 2空污費
燃油 SO 2空污費
燃油成本
燃煤成本
5 . 65 kg SO
2
ton 蒸汽
0.75 kg SO
ton 蒸汽
NT$ 7
kg SO
2
2
NT$ 7
kg SO
2
NT$ 39.6
ton 蒸汽
NT$ 5.3
ton 蒸汽
NT$ 1626.8 NT$5.3 NT$ 659.5 NT$39.6
2 .3
ton
蒸汽
ton
蒸汽
• 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。
2
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)
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。
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）。
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。
PM 排放控制 (AP-42, EPA)
• 主要控制設備
靜電集塵器
(ESP)
99% (for 0.1 > d(m) > 10)
<99% (for 0.1 < d (m) <10)
袋濾集塵器
可達99.9%
濕式洗滌器
95-99%
旋風分離器
90-95% (d(m)>10)
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
細微粒的補集
溶劑???
控制：
總微粒排放的
控制
• 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。
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
SOx 生成
-SO4
O2, M
radicals
Coal-S
(CS, S2, S, SH)
char
COS, CS2
SO
SO2
SO3
SO2 molecule
H2S
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%)）
煤中之氮化物(1-2%)
名稱
結構
相對量
穩定度
吡啶1
15-40%
More stable
吡啶1
60%
Less stable
芳香胺
6-10%
Stable
1包含2-5融合芳香族環結構
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。
再燃燒
過量空氣
均相燃燒
揮發物
非均相燃燒
焦炭
液化
CO2, H2O, NO…
CHi·
CO2, H2O, NO…
CO2, H2O, N2…
CHi· + NO HCN
HCN + NO N2 + …
階段燃燒
富燃料
均相燃燒
揮發物
CO, CO2, H2O,
N2…
非均相燃燒
焦炭
液化
CO, CO2, H2O,
N2…
CO2, H2O, N2…
O2
NOx 控制選擇(from AP-42, EPA)
控制設備
NO 減量(%)
Overfire air (OFA)
20-30
Low Nox Burners (LNB)
35-55
LNB + OFA
40-60
Reburn
50-60
Selective Non Catalytic Reduction (SNCR)
30-60
Selective Non Catalytic Reduction SCR
75-85
LNB with SCR
50-80
LNB with OFA and SCR
85-95
Overfire air 空氣燃盡
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。
.
Q&A