經濟部產業發展署石化產業高值化推動專案

摘要

台灣石化業目前主要受到(1)環保署的減排要求壓力(2)品牌廠商對 低碳材料的需求，兩種減排驅動力的驅策，未來在國內課徵碳費與各國 開始課徵碳關稅等排碳成本日益高昂的經營條件下，借鏡國際煉油與石 化廠商的減排發展經驗，(1)整合運用廠內的氫氣副產品(2)發電、燃燒 等公用設備需搭配碳捕集技術(3)天然氣製氫的重組製程為減排的重 點，同時國內業者應及早建立「CO2 去化」與「排碳成本轉嫁」的途 徑，建立自主的碳競爭力。

一、 台灣石化業發展二氧化碳減排與再利用技術的主要 驅動力量

2015 年聯合國氣候變化綱要公約(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)的締約國於COP21(Conference of the Parties)通過「巴 黎協定」，全球 186 個國家陸續在 2015 年 12 月前提交了「國家自主決定減碳貢獻 (Intended Nationally Determined Contributions, INDCs)」，並於 2016 年 11 月 4 日 正式生效，成為全球 2020 年後因應氣候變遷的法制基礎；臺灣於 2016 年 9 月公布 我國 INDC，宣示減碳目標：2030 年較 BAU(business as usual, BAU)減少 50%的 溫室氣體排放量，相當於比 2005 年排放水準減少 20%，這項對國際的承諾目標已 經列入我國溫管法中，成為行政院環保署敦促石化廠商減排的法源依據，也成為現 階段我國最主要的二氧化碳減排驅動力量(圖 1 中藍色箭頭表示處)。

2021 年 4 月 22 日(世界地球日)，蔡英文總統參加美國在台協會舉辦的創新論 壇時，首次對外表示，「2050 淨零轉型是全世界的目標，也是台灣的目標」。隨後於 10 月 10 日的國慶談話中表示，「我們已經和國際主流同步，宣示 2050 淨零排放目 標，必須和各界一起規劃路徑圖，把握相應趨勢、及早評估風險，建構更具彈性、 更有應變能力的供電體系。這不僅攸關競爭力，也關係環境永續」。10 月 13 日，立 法院經濟委員會隨即召開會議，邀請經濟部長王美花、國發會主委龔明鑫、環保署 長張子敬就「如何協助中小企業永續轉型」進行報告，環保署也開始丟出將淨零碳 排的目標，放入即將調整的溫管法(未來將改名為「氣候變遷法」)中的議題。 

資料來源：工研院產科國際所(2021/10)
圖1、台灣石化產業碳排狀態與減排驅動力量

第二個驅動力量來自於國際品牌廠商(如：Nike、Adidas、Apple、Samsung、ASUS、Acer 等)對其產品供應鏈的減碳要求。台灣許多廠商為這些國際品牌廠商的代工廠、組裝廠、材料供應廠，在其產品消費國對這些國際品牌廠商施加的減碳壓力下，國際品牌廠商已逐漸將減碳目標轉移至旗下供應鏈體系，台灣的代工廠、組裝廠、材料供應廠最近應逐漸感受到來自品牌廠商的減排壓力(圖1 中綠色箭頭表示處)。

二、 減排與再利用技術的發展方向

(一) 煉油與石化製程的CO2捕集技術

由於整個煉油廠/石化工廠會從不同的設備排放煙道氣，此煙道氣的成分通常約為3~12%的CO2，若是多個製程的綜合排放煙囪，則CO2 濃度最高可達15%。不同製程產出的煙道氣，其溫度、內容物成分、流量等特性均不相同，因此捕集發電廠排放的煙道氣之技術與捕集石化產業排放的煙道氣之技術均不相同。

石化與電力產業的第一代二氧化碳捕集技術發展方向，主要為使用胺類化學品進行CO2 的「化學溶劑吸收捕集(Chemical Solvend Absorption)」技術。其它捕集技術，如：吸收劑吸收(Solbent Absorption)技術、膜分離(Membrane Separation)技術，被視為第二代或第三代的捕集技術。

較具代表性的吸收劑吸收技術開發廠商為TDA Research 公司*2，目前正在開發官能基化胺樹脂吸附劑，以利結合真空變壓吸附(VSA)方式，從電廠煙道氣中去除二氧化碳。同時也開發低成本鹼化氧化鋁的吸附劑吸附技術，目前在進行參數化和長期穩定測試，以證明該技術在降低CO2 捕集成本和製程放大的有效性。

膜分離技術經由從發電廠和能源密集型行業捕集二氧化碳實際操作，由材料性能、能源效率和成本三方面分析，在氣體分離膜技術方面，只有三種類型的膜已在Pilot-plant 規模上驗證，包括：定置式載體分離膜(Fixed-Site-Carrier Membranes)、超薄奈米複材膜(Ultrathin Nanocomposite Membranes)與高CO2/N2 選擇性(>40)的高性能膜，也成為未來膜材的開發主要方向；但膜分離技術仍需要在膜材料性能、模組和製程效率方面進行改進，才能達到具商業化的競爭力*1。

因此，目前具商業化應用與競爭力的技術僅止於第一代化學吸收捕集技術與第二代的物理吸收技術，膜分離技術仍處於操作成本趨近市場需求的階段，本文不予討論。第二代的物理Selexol 技術，多用於天然氣廠或燃煤發電廠等，石化業主要應用於煉油廠或石化廠的公用事業尾氣。

煉油與石化製程中的許多CO2 排放源，通常分佈在煉油廠與裂煉廠的各個設施中。煉油與石化廠可能具有以低成本即可輕鬆捕集的純CO2 排放源，也有CO2 排放濃度極低的排放源。製程中的加熱設備通常使用現場可用的不同類型的燃料，從而產生具有不同CO2 成分的煙道氣。排放的二氧化碳中，大約有10%來自於煉油製程；這些包括了製程加熱器(30-60%)、FCC(20-50%)、製氫(5-20%)和公用事業(20-50%)。

1. 製程加熱器
CO2 捕集技術上是可行的，可通過一系列後燃、預燃和富氧燃燒技術，減少製程加熱的CO2 排放。目前大多數的技術開發都集中在使用「燃燒後捕獲」與「富氧燃燒」來減少製程加熱器的CO2 排放。化學循環燃燒(Chemical Looping Combustion, CLC)等新技術還處於探索階段，氧氣載體(通常為金屬氧化物)和製程的開發是重點。CLC 技術現階段開發的主要障礙是該製程成本過高，尤其是氧氣載體的成本。

2. 流體化催化裂解製程(FCC)
流體化催化裂解製程的碳捕集技術的開發，集中在「溶劑燃燒後的捕集」和「富氧燃料技術」的使用。諾丁漢大學(University of Nottingham)的研究人員即使用了化學循環燃燒從FCC 製程中捕集碳。

3. 氫氣生產
氫氣生產所排放的CO2，佔煉油廠CO2 排放量的5%至20%。氫氣生產製程中所排放的CO2 可以從三種地方捕集，即：PSA(Pressure Swing Adsorption)製程尾氣、合成氣(Syngas)或煙道氣(Flue gas)。由於二氧化碳在這些地方的濃度不同，因此商業上開發了從這些地方中捕獲二氧化碳的各種技術；其中利用胺類溶劑捕集合成氣和煙道氣中的CO2 是現階段的最佳方式。

4. 公用事業
技術朝向改良用於捕集發電廠燃燒後排放煙道氣的商業化技術，使其更適合捕集從公用事業區域排放的二氧化碳。

表1、典型煉油廠中CO2 的主要排放來源

資料來源：Concawe, Report no. 18/20*3

表2、典型煉油廠中CO2 的主要排放來源(續表1)

資料來源：Concawe, Report no. 18/20*3

(二) 化學吸收捕集技術

下面將針對應用於石化產業的化學吸收技術，各廠商商業化發展的狀態進行介紹與分析。

1. Air Liquide 公司的Cryocap™技術

2009 年Air Products 公司參與了美國能源局(DOE)的工業碳捕集與封存(ICCS)計畫中的第一階段(Phase1)試驗，將利用MEA(Monoethanolamine)吸收CO2 的技術(此技術已使用於BASF 公司，進行基礎工程得到初步商業驗證)，使用於位於美國德州Arthur 煉油廠中用於製造氫氣的兩個蒸汽甲烷重組器(Steam Methane Reformer, SMR)製程中，進行二氧化碳的捕集。

在此計畫的Phase1 即將結束時，Air Products 公司認為理想的做法是快速開發和升級「真空變壓吸附(Vacuum Swing Adsorption, VSA)技術」，以避免大量的能源損失。當時，VSA 的CO2 分離純化技術還處於試驗開發階段。Air Products 公司提出的「開發和升級VSA 技術」的提案獲得美國能源局的批准，將Arthur 煉油廠的試驗項目於2010 年6 月推進至第二階段(Phase2)，並於2012 年12 月開發完成搭配SMR 設備的商業VSA 系統。

Air Products 公司的技術可將製程排出氣流中的CO2 濃度從10~20%，濃縮至高於97%的純度，同時捕獲超過90%的CO2，並將捕集的CO2 經由Denbury 管線，壓縮輸送到德州West Hastings Unit。在那裡，經監測、驗證和核算程序，確保注入的CO2 保留在地下地層中。

Cryocap™並結合了低溫氣體分離製程將CO2 液化，可使用於(1)鋼鐵廠產生的二氧化碳(Cryocap™ Steel)(2)熱電站(Cryocap™ Oxy)(3)製氫裝置(Cryocap™ H₂)

由於氫為生產無硫燃料(脫硫)的重要原料，製氫產業開始受到石油和天然氣煉製廠的關注，ExxonMobil 集團與Air Products 公司開始合作，將為其位於法國Jerome 港煉油廠、美國Louisiana 煉油廠、美國德州Beaumont 煉油廠、美國Illinois煉油廠設置Cryocap™ H₂，生產低CO2 的藍氫成為Air Products 公司Cryocap™技術的近期主要應用之一。

2. Royal Dutch Shell 公司的ADIP-X Amine 技術

Shell 公司的ADIP-X Amine 技術大幅度地滿足各種製程需求的差異，尤其在不同成分的進料尾氣處理。進料尾氣的成分差異性極大，主要由於製程的特性所造成，例如：來自於煉油廠的酸性尾氣，還有煤或渣油氣化製程的尾氣、石油生產的伴生氣、沼氣生產的尾氣、氣轉液製程(Shell Middle Distillate Synthesis, SMDS)的尾氣，以及浮動開採平台上的天然氣流尾氣。這些尾氣流的溫度和壓力都不相同，成分組成上也非常不同。

Shell 公司的ADIP 製程是一種用於去除酸性氣體的可再生胺製程，主要利用烷醇胺，例如：二異丙醇胺(di-isopropanolamine, DIPA)、甲基二乙醇胺(Methyldi-ethanolamine, MDEA)或兩種或多種的混合物烷醇胺進行酸性尾氣的吸收。

ADIP 製程經常應用於處理下列幾種尾氣：
 從天然氣、合成氣和煉油廠尾氣氣流中去除H2S 和CO2。
 從含有CO2 的氣體中選擇性去除H2S。
 從輕質液態烴流(LPG 和NGL)中去除H2S 和CO2。
 從尾氣中短時間內大量吸收CO2。
 吸收CO2 後尾氣中殘留的CO2 量少。

資料來源：Shell 公司網頁(2021/10)
圖2、Shell 公司加拿大Scotfort 廠的CO2 捕集流程

資料來源：Shell 公司網頁(2021/10)
圖3、Scotfort 廠捕集的CO2 的運輸管線路徑

3. Chaparral Energy 公司應用Benfield 製程的技術
Koch Nitrogen 公司在其位於美國Oklahoma 州北部的Enid 肥料工廠，主要利用氨氣生產尿素。採用Benfield 技術，每年捕集天然氣中約68 萬噸的二氧化碳。Benfield 技術是一種用於煉油和工業氣體製程中去除酸性氣體、CO2 和H2S 的技術，該技術包括一個氣體吸收步驟和一個碳酸鹽再生步驟。碳酸鉀(K2CO3)作為鹼性的吸收溶劑，K2CO3 在吸收塔中與CO2 和H2S 反應，生成碳酸氫鹽(HCO3-X)和二硫化物(HS-X)。該反應使溶劑能夠溶解更多的CO2 和H2S。吸收後的溶劑則於再生塔中汽提出CO2 和H2S，之後進入熱交換器中將熱能回收後，循環回到吸收器再度進行吸收反應。

資料來源：wikiolisystems.com(2021/10)
圖4、Benfield 製程的單元圖

這些捕集自肥料生產廠的CO2 經由管線運輸至193 公里外，位於Oklahoma州南邊的Golden Trend 油田和Sko-Vel-Tum 油田，協助油井生產效能的提升(Enhanced Oil Recovery, EOR)。自1982 年以來，這些油田一直在使用此EOR 技術。

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(一) 石化廠內公共設施的發電設備與產製製程熱源的燃燒設備未來需搭配碳捕集技術
從國外石化廠目前進行的減碳項目，通常以生產工廠製程中排碳量較高的製程單元―通常是發電或是燃燒產生熱能的單元為減排技術應用的標的，主要仍在於降低製程中產生之CO2 量，減少碳稅的支付。我國的石化廠商未來同樣將面臨碳費課徵的情境，石化廠內公共設施的發電設備與產製製程熱源的燃燒設備將是減碳重點。

(二) 天然氣製氫的重組製程CO2 排放量高為煉油業者減排改善的首要選擇
煉油廠中的重組製程、石化廠中的加氫製程都需要使用到大量的氫氣，因此許多美國的煉油業者將減排的重點放在生產氫氣的SMR 單元上，也因而開發了Cryocap™技術，Cryocap™是針對天然氣製氫製程尾氣-CO2 濃度較高，雜質成分較少特性開發出的技術，我國台灣中油公司與台塑石化公司也有數套製氫設備，未來在減排的壓力的要求下，應該是具有較顯著減排效益的選擇。

資料來源：
1. A review of material development in the field of carbon capture and the application of membrane-based processes in power plants and energy-intensive industries, Energy, Sustainability and Society, ISSN:2192-0567,2018/11/1

2. 2020 CARBON CAPTURE PROGRAM R&D COMPENDIUM of CARBON CAPTURE TECHNOLOGY, U.S. Department of Energy, 2020/5

3. Technology Scouting-Carbon Capture: From Today’s to Novel Technologies, Concawe, Report no. 18/20