雲林縣環境保護局
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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 - PowerPoint PPT Presentation


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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. 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


  • 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。


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:統計截至燃煤鍋爐較燃油鍋爐產生空氣污染物排放量約大於101年3月止,排放量增量以SCCs及控制效率50%估算


二、生煤成分與燃燒燃煤鍋爐較燃油鍋爐產生空氣污染物排放量約大於

1. 煤是形成、成分與來源


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


  • 生煤成分資料之應用範例燃煤鍋爐較燃油鍋爐產生空氣污染物排放量約大於

  • 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


  • 燃煤鍋爐較燃油鍋爐產生空氣污染物排放量約大於源

  • 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。


2.燃煤鍋爐較燃油鍋爐產生空氣污染物排放量約大於煤燃燒主要程序

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


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。


  • 三、生煤熱值與燃燒技術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:

  • 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:依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約

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。


國內燃料熱值比較依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約


鍋爐效率依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約

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依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約

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、成本效率評估依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約

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


成本計算基準依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約

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


燃煤較燃油需多繳交依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約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。


  • 五、依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約燃煤與空氣污染: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)


  • 二氧化碳依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約(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。


  • 依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約氧化碳(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)。


  • 粒狀物依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約(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 依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約排放控制(AP-42, EPA)

  • 主要控制設備


微量金屬依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約(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???


  • 包括揮發性依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約、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。


  • 煤中硫依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約(<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依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約生成

-SO4

O2, M

radicals

Coal-S

(CS, S2, S, SH)

SO

SO2

SO3

char

SO2 molecule

H2S

COS, CS2


  • SO依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約x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%))


煤中之氮化物依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約(1-2%)

1包含2-5融合芳香族環結構


  • 燃燒控制:依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約

  • 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。


再燃燒依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約

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 + …


階段燃燒依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約

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…


NOx依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約控制選擇(from AP-42, EPA)

Overfire air 空氣燃盡


結 論依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約

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。


.依前述反應,亦有些公司發展出水煤漿燃料,它是由大約Q & A


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