全球化學材料產業之淨零碳排主要做法與我國廠商之減碳策略建議

The Main Routes of Net-zero CO₂ Emissions for Global Chemical-material

Industries and the Strategical Suggestions for Taiwanese Manufacturers

劉致中 C. C. Liu¹、劉榮昌 L. C. Liu²

工研院(ITRI) 產業科技國際策略發展所 ¹組長工研院(ITRI) 材料與化工研究所 ²技術總監

摘要/Abstract

全球化學材料廠商目前的減碳途徑有四：①二氧化碳的捕捉；②再生燃料的生產；③低碳化學品的生產；④結合低碳能源的新製程。其中「二氧化碳的捕捉」與「低碳化學品的生產」應為台灣化學材料產業達成2030年減碳目標之主要途徑。此外，我國化學材料廠商亦可由「製程更新」、「製程改善」、「原料轉換」及「購買碳權」等方式來進行減碳。然而，「購買碳權」短期內無法有效減碳，卻又為必須達到減碳目標情形下的權宜措施。「製程更新」、「製程改善」與「原料轉換」都可能需要對製程設備進行調整或更新，資本投資與生產成本的增加成為不可避免之事。我國廠商必須衡量自身公司對生產成本上升的承受能力與時間長短等內外在條件，來擬定相對應的減碳策略與路徑。

Global chemical-material manufacturers currently have four approaches to reduce CO₂ emissions: (1) capture of CO₂, (2) production of regenerated fuels, (3) production of low- carbon chemicals, and (4) new processes combined with low-carbon energies. Among them, “capture of CO₂” and “production of low-carbon chemicals”should be the main approaches for Taiwanese chemical-material industries to achieve the goal of 2030 CO₂ reduction. Furthermore, Taiwanese chemical-material manufacturers can also reduce CO₂ emission with process renovation, process improvement, material replacement, and purchase of carbon credits. However, purchase of carbon credits cannot effectively decrease CO₂ emission in a short time but it is a stop-gap measure to reach the target of CO₂ emission. In addition,process renovation, process improvement, and material replacement may need the modification and renewal of processing facilities, being inevitable to increase the capital investment and production cost. Taiwanese chemical-material manufacturers must consider the tolerance of rising production cost and the duration, establishing the corresponding strategies and routes of CO₂ reduction.

關鍵字/Keywords

淨零碳排(Net-zero CO₂ Emission)、二氧化碳捕捉、封存、再利用技術(CCUS)、化學吸收 (Chemical Absorption)、物理吸附(Physical Adsorption)、薄膜分離(Membrane Separation)、低溫捕捉(Cryogenic)、費托合成反應(Fischer-Tropsch Synthesis)、部分氧化催化技術(Catalytic Partial Oxidation)、水媒氣可逆轉換技術(Reverse Water Gas Shift)、動態迴旋反應器(Roto Dynamic Reactor; RDR)、再生燃料(Regenerated Fuel)

全球化學材料產業年排20億噸溫室氣體至大氣中

全球二氧化碳的總排放量在2020年因疫情的影響而創紀錄下降之後，旋即2021年因全球經濟的逐漸復甦而反彈了 4.8%，達到34.9 Gt CO₂eq/yr（見圖一）。若依目前的排放狀態繼續下去，9.5年後就會將全球氣溫升溫幅度控制在1.5˚C的剩餘二氧化碳額度用完，人類減碳已是迫在眉睫的事情。

全球化學產業之CO₂eq排放量如圖二所示，包括了工業(Industry)排放中的2.2%（化學製程中排放的溫室氣體）與能源(Energy)排放中的3.6%（化學製程中能源使用所造成的溫室氣體排放），每年約排放20.2億噸的O₂eq至大氣中。

▲圖一  1970~2021年全球溫室氣體之排放量⁽¹⁾

圖二  2016年全球各產業之溫室氣體排放百分比⁽²（彩圖請見材料世界網）

全球化學材料產業正經由四條已實踐路徑進行減碳

至2022 年9 月，工研院產業科技國際策略發展所(ISTI)觀察到全球化學材料產業已有四項減碳途徑（「二氧化碳的捕捉」(Capture of CO₂)、「再生燃料的生產」 (Production of Regenerated Fuel)、「低碳化學品的生產」(Production of Low Carbon Chemicals)與「結合低碳能源的新製程」(Novel Process Combined with Low Carbon Energies)）被「實際應用」或「正在進行商業化技術開發」。

在這四項減碳途徑中，「二氧化碳的捕捉」/「再生燃料的生產」及「結合低碳能源的新製程」/「低碳化學品的生產」可以互相搭配應用。其中低碳能源以再生能源的綠電為主，可以直接使用於生產製程中的能源供應，或是使用綠電生產綠氫後用於

原油煉製廠的加氫裂解製程中（見圖三）。

「低碳化學品的生產」除了製程中使用再生能源與使用綠氫為生產原料外，採用「回收廢塑膠」、「生物質(Biomass)」與「回收之CO₂」作為原料，亦為低碳化學品生產的主要做法（見圖三）。

圖三  全球化學產業之CO₂減排做法⁽³⁾

1.減碳路徑1：二氧化碳的捕捉

目前全球化學材料產業在二氧化碳捕捉的技術主要有四種（ 圖四）：化學吸收 (Chemical Absorption)、物理吸附(Physical Adsorption)、薄膜分離(Membrane Sepa- ration)與低溫捕捉(Cryogenic)等。其中化學吸收的技術成熟度最高，已有商業化案例；物理吸附與薄膜分離亦有試驗型計畫執行中；低溫分離因能源成本較高，與其他二氧化碳捕捉技術相較，距離商業化仍有努力空間。

這四種二氧化碳捕捉技術已分別應用在「燃燒後的二氧化碳捕捉(Post-combus- tion)」、「燃燒前處理製程的二氧化碳捕捉 (Pre-combustion)」、「富氧燃燒後的二氧化碳捕捉」與「直接由大氣捕捉二氧化碳」等四種情況下，其中「燃燒後的二氧化碳捕捉」由於燃燒後的尾氣溫度極高，通常需搭配「降溫」單元製程。同時為了提升燃燒效率，達到完全燃燒的狀態，燃燒過程中混入大量的空氣助燃是燃燒爐中常見的設計，但將降低燃燒後二氧化碳的濃度，因此進行二氧化碳捕捉前須進入「提升二氧化碳濃度」的單元製程。「富氧燃燒後的二氧化碳捕捉」則由於完全燃燒後，二氧化碳的濃度較高，通常不需要「提升二氧化碳濃度」的單元製程。「燃燒前處理製程的二氧化碳捕捉」技術則通常應用於合成氣(Syngas)生產單元製程後面，降低了合成氣中二氧化碳濃度，因此得到較高濃度的氫氣。

化學吸收主要利用吸收劑與二氧化碳

產生化學反應來達到捕捉二氧化碳的作用，並利用逆反應使吸收劑再生，因此化學吸收是目前最有效率的捕捉二氧化碳技術。目前化學吸收技術中常用的吸收劑，主要以

 圖四  全球化學產業之二氧化碳捕捉做法⁽³⁾

胺類化學品為主，例如乙醇胺(MEA)、AMP (2-Amino-2-methyl-propanol)  +  Piperazine與三菱重工開發的KS-1均為此類型的吸收劑。此類吸收劑具高二氧化碳脫除率，適合應用於低二氧化碳分壓的混合氣體內進行CO₂捕捉；但其主要缺點有三：①吸收劑易與其他氣體（氧氣、SO_x或CO）發生不可逆的化學反應，使吸收劑再生次數減少，因而增加操作成本；②胺類化學品均為鹼液，會對吸收塔、再生塔及周邊管線造成腐蝕作用；③需控制的操作變數多，較為繁瑣。

物理吸附通常使用有機或無機溶劑，如以Propylene Carbonate、Dimethyl Ether of Polyethylene Glycol作為吸附劑，利用二氧化碳在這些吸附劑中的溶解度會隨著壓力變化的原理來吸脫附。物理吸附的優點是在高壓及低溫下進行吸收的話，CO₂吸收量大，使用的吸附劑量較少，且吸收效率隨著壓力增加或溫度降低而增加。而在吸收達飽和之後，採用降壓或常溫氣提的方式將二氧化碳分離而使吸附劑再生，因此物理吸附方法適用於二氧化碳分壓較高且去除率要求不高的製程環境中。同時物理吸附法能源消耗較化學吸收法小，且吸附劑不具腐蝕性，但會因硫化物的存在而導致劣化，減少其再生次數⁽⁴⁾。

薄膜分離技術主要使用Polyamide及 Cellulose Acetate材質的薄膜，選擇性地將二氧化碳與其他氣體分離。薄膜分離法需在高壓下進行，壓力大約在17~35 atm。薄膜分離技術主要優點是操作簡單，但缺點是薄膜耐久性差、分離效率低。通常使用二階段之薄膜分離程序，才能達到一定的分離效率，目前應用於實廠內的案例較少⁽⁴⁾。

▲圖五  Sunfire公司的Sunfire-SynLink SOEC製程與規格

低溫冷凝技術主要是利用壓縮冷凝方式，兩階段將二氧化碳液化或是固化形成乾冰，然後以蒸餾方式將液態或固態二氧化碳中之SO_x及NO_x不純物分離出來，使二氧化碳純化。此技術缺點是極為耗能（冷凝及蒸餾），且低溫冷凝設備昂貴，維修不易⁽⁴⁾。

圖六 INERATEC公司的CPOX與RWGS製程

 

2.  減碳路徑2：再生燃料的生產

1. Sunfire-SynLink SOEC製程

德國Sunfire公司提出CO₂與蒸汽一起電解產生合成氣(Syngas)的Sunfire-SynLink SOEC製程（圖五），電解槽在850˚C下電解，一步驟即可同時將蒸汽和CO₂轉化成合成

氣。合成氣是氫氣(H₂)、一氧化碳(CO)與二氧化碳的混合物，合成氣可作為原料，轉化生產成許多碳氫化合物產品（例如：eFuel）。這種可再生的合成氣可取代化石燃料，為工業和交通領域的碳減排做出重大貢獻。

2. 合成燃料(Synthetic Fuels)

德國INERATEC公司已開發CPOX與 RWGS技術（圖六），主要以蒸汽將甲烷氧化催化(Catalytic Partial Oxidation; CPOX)生成合成氣(CO + H₂)，並將此合成氣和CO₂及 COPX製程中的循環氣體進行水媒氣可逆轉換(Reverse Water Gas Shift; RWGS)，將CO₂轉化為CO，成為合成氣的成分之一。

此合成氣再經由費托合成(Fischer- Tropsch Synthesis)、甲醇合成(Methanol Synthesis)製程，產生合成燃料與甲醇（圖七）。

 

INERATEC公司採用創新的微型合成反應器，可在非常小的空間內提供用於熱傳和質傳所需的大表面積與模組化的貨櫃型設計（圖八），將甲烷氧化催化(CPOX)反應、水媒氣可逆轉換(RWGS)反應與產生合

成燃料、甲醇的費托反應和加氫裂解裝置一同結合。

2019年Sunfire公司將SynLink計畫中的電解系統(10 kW)與德國INERATEC公司的模組化結構反應器進行結合，希望可以將 CO₂、水、綠電作為原料生產合成燃料。

3.  減碳路徑3：低碳化學品的生產

全球化學材料廠商目前主要從以下四個方向來進行低碳化學品的生產或試驗：

①利用化學品生產製程中產出之高純度CO₂副產品為原料，生產聚碳酸酯(PC)、醋酸、PU等化學品，可去化化學品生產製程中產出的高純度CO₂。

②將回收的廢塑膠製成再生塑膠粒、單體或裂解油，再將這些再生原料投入塑膠製品生產、樹脂生產與大宗化學品生產鏈段，減少由新料生產而多排放的CO₂。

③利用CCUS技術捕捉甲醇、氨氣、尿素等生產製程中大量產出的CO₂，並將捕獲的CO₂，以封存形式儲存至地底油、氣井，或是作為原料再度投入甲醇、氨氣的生產製程中。

圖七 INERATEC公司的費托合成/甲醇合成製程