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、 減排與再利用技術的發展方向
(一) 吸附劑捕集技術

1. TDA 公司的官能基胺樹脂吸收劑技術
TDA Research(TDA)公司正在開發官能基改質的胺樹脂吸附劑，以搭配真空變壓吸附(VSA)製程，從煙道氣中去除二氧化碳。目前TDA 正用此改質樹脂於燃煤電廠中進行二氧化碳捕集，進行在50 加侖的反應器系統中，存在煙道氣污染物的情況下，持續至少20,000 次吸附/解吸的循環技術目標。該系統目前可以每分鐘處理5 立方英尺(scfm)的電廠煙道氣，並去除高達2.5 kg/小時的二氧化碳。

同時，TDA 正在優化吸附劑配方，以提高CO2 吸附容量和樹脂的可加工性，以利形成模組施工。胺樹脂聚合物將成型為各種形式，包括顆粒、蜂窩結構和薄膜。

資料來源：CARBON CAPTURE TECHNOLOGY, U.S. Department of Energy, 2020/5
圖1、TDA 官能基改質的胺樹脂吸附劑薄膜模組

 

表1、TDA 官能基改質的胺樹脂吸附劑薄膜模組吸、脫附條件資料

資料來源：CARBON CAPTURE TECHNOLOGY, U.S. Department of Energy, 2020/5

2. TDA 公司氧化鋁吸收劑技術
TDA 公司正在0.5 MW 的機組進行Pilot-plant 試驗，使用其低成本的鹼化氧化鋁吸附劑，進行參數最適化和長期穩定測試，以證明該技術在降低CO2 捕集成本和製程放大條件方面的有效性。

此技術製程可以在140 到150°C 的溫度下運行，同時在吸附和再生製程之間不需要加熱或冷卻。吸附劑可使用低壓(15.5 磅/平方英寸psia）蒸汽再生，該吸附劑對二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOX)等污染物具有優異的耐受性。

表2、TDA 氧化鋁吸收劑的吸、脫附條件

資料來源：CARBON CAPTURE TECHNOLOGY, U.S. Department of Energy, 2020/5

(二) 裂解爐(Steam Cracker)的減排技術

1. BASF 的裂解爐電氣化技術

2021 年3 月24 日BASF/SABIC 和Linde 簽署了一項聯合協議，開始進行「電加熱蒸汽裂解爐」的計畫，BASF 與SABIC 先前已經針對使用可再生電力代替目前加熱過程中使用的化石燃料氣體進行過研究。Linde 主要開發技術和製造蒸汽裂解爐，並推動商業化。

本計畫已申請歐盟創新基金和「工業脫碳」(德國聯邦環境部計畫)計畫的資助，正在評估BASF 路德維希工廠新建兆瓦級的pilot plant，該工廠計劃將於2023 年啟動。

蒸汽裂解爐是石化產業生產大宗石化產品製程中，最大的CO2 排放源之一，其於850℃下反應操作，需耗費大量的能源將碳氫化合物分解為烯烴和芳香烴。該項目希望使用來自再生能源的電力，具有將二氧化碳排放量減少達90%的潛力。為達商業化，投資支持和有競爭力的可再生能源價格將是重要的先決條件。此技術將是通往低碳排放石化產業上的一個里程碑，為世界上第一個使用電加熱的蒸汽裂解裝置，並且實證高溫反應爐關鍵組件的可靠性。

資料來源：BASF 公司(2021/10)
圖2、BASF 公司計劃開發裂解爐電氣化技術

BASF 也與西門子合作，通過採用電熱泵從廢熱中產生不含二氧化碳的蒸汽來提高能源效率。同時，BASF 亦計劃其位於中國大陸廣東的新一體化裂解設備項目中，使用可再生能源電力，這種新的裂解裝置不是以蒸汽為基礎的，而是以電力為基礎的。2019 年11 月啟動了這個項目，並將斥資100 億美元建造一個100 萬噸/年的電能裂解裝置。該工廠將分階段建設，首批生產熱塑性聚氨酯和工程塑膠的工廠將於2022 年啟動，亦採用100%可再生能源。整體計畫項目將於2030 年完工。

BASF 也與中國大陸中石化公司以50-50 的比例在南京新投資一套裂解裝置，稱為BASF-YPC，該計畫的總投資約為55 億美元；2021 年8 月，此計畫下游的合作廠商發布了擴大該廠的丙醛、丙酸、乙醇胺、聚乙烯胺和環氧乙烷產能的消息，並增加建設一個新的丙烯酸丁酯(TBA)裝置。

2. Dow Chemical 的ATR 與e-cracking 技術
美國Dow Chemical 公司計劃2027 年將在加拿大Fort Saskatchewan 建造世界上第一個低碳排裂煉設備， 該淨零碳排裂解裝置主要採用自動熱重整器(Autothermal Reforming, ATR)，可將裂解裝置的尾氣轉化為氫氣，而產生的氫氣將做為產生蒸汽和電力的燃料，製程中捕集的CO2 將運輸到艾伯塔省碳管線(Alberta Carbon Trunk Line, ACTL)中，以提高石油採收率(Enhanced Oil Recovery, EOR)而進行封存。

蒸汽裂解裝置的改建後將進行現有資產的改造，以使整個工廠的範圍1(Scope1)和範圍2(Scope2)的CO2 排放量達到淨零。其中範圍1 排放是來自工廠的直接排放，範圍2 排放是工廠購買電力、蒸汽、熱量或冷卻相關的間接排放。

Dow Chemical 公司預期，2030 年新的裂解裝置可將目前70 萬噸/年的乙烯和75 萬噸/年的PE，分階段增加至乙烯180 萬噸/年，認證低碳PE 和其衍生物320萬噸/年。

Dow Chemical 同時致力於投資「綠色氫利用」和「碳捕獲與儲存」技術，以及用電動機驅動器替換一些燃氣輪機，這些作為可協助位於荷蘭Terneuzen 裂解廠，至2030 年將其二氧化碳排放量減少40%。

Dow Chemical 和Shell 亦正在共同開發電裂解(e-cracking)設備，並將在荷蘭阿姆斯特丹建設一個Pilot-plant。Dow Chemical 希望到2030 年通過利用碳捕獲和儲存(CCS)和氫氣，將其位於荷蘭Terneuzen 的裂解裝置的二氧化碳排放量減少40%。

3. Coolbrook 的RDR 技術
Coolbrook 公司已開始在荷蘭Geleen 的Brightlands Chemelot 園區展開一個試驗計畫，主要開發電蒸汽裂解裝置，預計該試驗計畫將於2022 年4 月投入運營量產，實現商業規模應用。該試驗計畫主要利用Coolbrook 公司擁有的「轉子動力反應器(Rotor Dynamic Reactor, RDR)」技術，該技術宣稱可完全不排放二氧化碳，同時減少能源消耗30%，增加乙烯產率20%。

                   傳統的裂解爐 RDR                                                                反應裂解爐
資料來源：wikiolisystems.com(2021/10)
圖3、傳統裂解爐與RDR 反應裂解爐不同處

資料來源：wikiolisystems.com(2021/10)
圖4、反應爐(Reactor)透過齒輪變速箱(Gearbox)控制轉子(Rotor)轉速

資料來源：wikiolisystems.com(2021/10)
圖5、反應爐(e-Reactor)內部構造

由Coolbrook 公司公布的反應爐資料，由於採用綠電，因此宣稱沒有二氧化碳的排放，同時觀察其反應爐的內部構造，應是由旋轉轉子的轉動，帶動裂解氣成分在狹小反應空間內短時間(0.05 秒)充分受熱，達到快速裂解提生產率與縮小反應爐體積的效益(體積可縮減至傳統裂解反應爐的十分之一)。

資料來源：wikiolisystems.com(2021/10)
圖6、RDR 反應裂解爐與傳統裂解爐的反應時間

(三) CO2為原料生產低碳甲醇

2021/10/21 中國江蘇賽寶龍石化有限公司(Jiangsu Sailboat Petrochemicals Co. ltd)已與Iceland's Carbon Recycling International(CRI)簽署協議，將建造一座年產能10 萬噸/年的生質甲醇工廠，計劃於2023 年開始運營。

該工廠將採用CRI 的Emissions to Liquids(ETL)技術，運用回收自其它工廠製程的15 萬噸/年的二氧化碳，與同樣場址中其它製程產出的20 萬噸/年的氫氣。

該低碳甲醇工廠將由江蘇賽寶龍公司擁有和運營，成為盛虹石化廠區的一部分，預估該工廠的建造成本約為3,500 萬美元(約11 億新台幣)。預計此生產的低碳甲醇將做為江蘇賽寶龍公司每年240 萬噸用於製造太陽能電池板和有機玻璃產品的塑膠原料生產上。

此工廠已是中國大陸第二個採用CRI ETL 技術的項目，第一個工廠為位於河南省安陽市的順利工廠，目前已處於建造的最後階段，預計將於2022 年初投產；該廠主要回收焦爐煤氣製程(Coke Oven Gas, COG)中產生的16 萬噸/年的二氧化碳，預計將可產出11 萬噸/年的低碳甲醇，該項目耗資約9,000 萬美元(27 億新台幣)，將成為世界上最大的二氧化碳燃料生產廠。

(四) BASF 無CO2排放的天然氣熱裂解技術

傳統氫氣生產製程以天然氣作為進料，經蒸汽重組(Steam reforming)製程後，產生氫、一氧化碳或其他產物的製程。該製程是在重組爐或重組器的設備中，將水蒸汽在高溫下與天然氣產生化學反應。甲烷的蒸汽重組技術在工業中被廣泛用於製取氫氣。

資料來源：工研院產科國際所
圖7、Steam reforming 製程的化學反應式

圖7 中顯示了傳統氫氣生產製程中，將會產出大量的CO2。而氫氣為BASF 工廠中使用量極大的原料，因而也成為CO2 產出的主要製程產線。因此BASF 開始開發甲烷熱裂解技術， 並向德國聯邦教育與研究部爭取到研究經費， 於德國Ludwigshafen 園區建造了一座Pilot plant，此Pilot plant 已開始試車，預計2030年商轉第一座工廠。

資料來源：BASF 公司
圖8、BASF 開發的無CO2 排放的天然氣熱裂解技術

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目前國際石化廠商已經開始正面面對淨零碳排的壓力，尤其以推動淨零碳排最為積極的歐盟境內之石化廠商(如：BASF、Total、BP、Shell…等)，其淨零減碳的作為值得持續觀察，以做為我國廠商減碳的參考或仿效。綜整以上國際石化廠的做法，並考量國內的產業環境，提出以下我國廠商在淨零碳排上值得進行的策略：

(一) 廠內副產品—氫氣的整合運用
我國有氫氣作為副產物產出的廠商(有Steam reforming、FCC 等製程單元)，可以考量運用氫氣作為加熱燃料，氫氣燃燒放出熱能後不會排放CO2，僅會生成少量的水，可以在最低排碳的情況下取得熱能，未來廠商在排碳成本逐漸上升的經營環境下，氫氣用於燃燒取得熱能成為可以考量的減碳途徑。

(二) 碳費高低將影響廠商使用於發電、燃燒設備搭配的碳捕集技術
從國外石化廠進行排碳盤點的經驗中，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設備。未來如果國內開始徵收碳費，廠商對於碳捕集技術開發或設備建置，將和碳費的高低有密切關係，政府訂定碳費的多寡將影響到國內廠商使用於發電、燃燒設備搭配的碳捕集技術種類。

(三)「CO2  去化」與「排碳成本轉嫁」途徑的建立
經由本文介紹，可以發現目前國外廠商捕集到的大量CO2，多以封存至地層下的方式儲存。但國內可以封存的合適地底空間有限，政府應盡速投入開發CO2 去化與應用技術以解決未來將會面臨的CO2 去化問題；我國廠商應該也開始探索如何將品牌廠商施加給我國材料生產與組裝廠商的減碳壓力，由「售價區隔」或「產品品級區分」的方式轉嫁回品牌廠商與終端消費者。