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趨向成熟的技術,生物天然氣的純化與應用

工業局石化產業高值化推動專案
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一、畜牧養殖業沼氣成分富有高比例的甲烷:
  在畜牧養殖業、堆肥產業中,生物氣體(Biogas)是指由有機物質於缺氧狀態下降解成時所生成出的混和氣體。其成分中除約50%-75%的甲烷外,仍有許多二氧化碳、水分子、硫化氫等氣體。而利用過濾生物氣體將甲烷濃度提高,分離二氧化碳,並同時去除對於管線、設備有腐蝕作用的硫化氫氣體,可將生物氣體提升至更有價值的生物天然氣(Biogas Natural Gas),形成一種可再生的清潔能源。因此將CO2與CH4分離技術將會是產業發展生物天然氣應用中最具有潛力、也最需優先開發的技術,且提純後的生物天然氣可以到入現有的天然氣管網中,以降低石化能源的用量,形成循環經濟。
氣體成分 沼氣 天然氣管網 車用燃氣
CH4 45~75 >95 >97
CO2 25~55 <2 <2
H2O 2~7 <120×10-6 <40×10-6
H2S <2 <4×10-6 <5×10-6
小分子烷類、烯烴類 <2 - -
N2、O2、H2 <3 <4 <3
表一:沼氣、天然氣管網與車用燃氣的主要成分及含量
二、生物天然氣已開始逐漸受重視
  目前歐洲共有17413個生質沼氣廠,其中又以德國擁有超過10000座生質沼氣廠為最多。但近年來,因為沼氣發電的效率不高的原因(最高35%),越來越多的生質沼氣發展轉變成生物天然氣的發展,將沼氣中的甲烷提純至超過99%當成瓦斯使用。若是沼氣可發展成高純度的甲烷,則可完全利用其熱值,用在瓦斯做為能源的車輛,也可直接打入天然氣管路中,加入民生家庭使用。瑞典已廣泛使用沼氣所生產的生物天然氣,首都全市的加油站都提供生物天然氣可供應給瓦斯車行駛,而瑞典的南部與西部也都規劃了生物天然氣加入天然氣管輸送網的措施,至2020年,首都計畫收集該城市70%的廢棄食物來生產沼氣,進行更多由沼氣轉化成能源的計畫。近期歐盟生物天然氣廠已增至367 座,而中國近年來也積極在各地興建生物天然氣廠,不只提高生物天然氣的用量,更擴大產業的經濟規模,降低成本。
 
三、薄膜分離技術應用於沼氣中提純甲烷,技術已成熟
  氣體分離膜技術的優勢包括設備緊湊,佔地面積小;處理規模可大可小;操作簡單靈活,可連續也可以間斷運行;操做費用低;不使用化學試劑和水;不會造成環境污染等。在國外,高分子薄膜分離氣體技術已經趨於成熟,且已有行之有年的商業化實績。以德商贏創(Evonik)為例子,其所開發出的氣體分離膜可於第一階段將沼氣中的甲烷提純至98%、99%,再將分離後的尾氣透過其他種分離膜的進行第二、第三階段提濃,最終的二氧化碳濃度也可達92%,在此分離程序中,每立方尺的沼氣分離所需要的耗電為0.25KWhr。從國外的技術來看,不僅是沼氣中的甲烷提純創造了經濟價值,而最終尾氣中的高濃度二氧化碳也可做為另一有經濟效益的產品。
年份 地點 找氣來源 甲烷提純薄膜設備商
2004 美國 掩埋垃圾 Air Liquide
2007 奧地利 食品廢物 Air Liquide
2009 美國 掩埋垃圾 Air Liquide
2010 荷蘭 玉米穗桿 Hoffmann
2010 德國 農場沼氣 Bebra Biogas
2011 奧地利 農場沼氣 Evonik
2012 瑞士 掩埋垃圾 Eisenmann
2012 德國 掩埋垃圾 EnviTec
2013 德國 農場沼氣 EnviTec
表二:近15年使用薄膜提純沼氣中甲烷之案例與薄膜設備商
四、我國的展望
  台灣近期面臨能源轉型期,將火力發電部分將大量減少燃煤比例而大幅增加天然氣發電至50%。可以預見的是,未來將依賴更大的天然氣(甲烷氣體)需求。但台灣本身無產天然氣,所有天然氣體仰賴進口,經冷凍壓縮運輸,價格昂貴。發展沼氣中甲烷提純至與一般天然氣同等熱值注入天然氣管網,不只是將畜牧、堆肥產業中的各項利用實現經濟價值,更有益於政府政策發展與推動,建構循環經濟的體制與推動綠色能源的發展。
 
 
圖1:Evonik沼氣分離薄膜
 
資料來源:
https://metaefficient.com/buses/biogas-sweden-fuel-buses-trains.html
http://www.huffingtonpost.com/entry/stockholm-pursues-climate-holy-grail-a-fossil-fuel_us_590b9230e4b0f711807242a2
2016, 參加第一屆中歐生物天然氣高峰論壇 赴大陸報告, 洪凡,郭家倫,
CO2/CH4分離膜技術在沼氣提純中的應用研究進展, http://www.ifuun.com/a20161117604415/
 
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經濟部石化產業高值化推動辦公室 楊立群
 

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