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。

註 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 2~17倍

註：統計截至 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

1. 煤是形成、成分與來源

•煤化形成不同的煤種：泥煤褐煤煙煤無煙煤（石墨）

65-95% C

2-7% H

<25% O

<10% S

1-2% N

20-70% Char

5-15% Ash

2-20% H2O

20-45% VM

• 不均勻的有機燃料，主要由腐爛的植物形成。

• 已被細分出有 1200多種煤。

時間、溫度煤炭排序工

業分析

元素組成

粉煤 粒煤 塊煤

2222222

32

1.9

16

1.9

14

1.1

1

6.7

12

78 ONSO32

1.9OH

2

7.6CO

12

78NOSONHC

95.3321

7903.9 ,03.91.1

322

1.9

32

1.9

221

6.7

12

78

82.01.1

0.103.9 ,99.33

28

1.133.95

Fuel kg

Air kg40.12

Fuel g

Air g40.12

Fuel g 100

Air g 28)33.9532(9.03

F

A

real

mole 37.4182.099.3332

9.1

12

78)( 乾基廢氣量

157.037.41

1287]CO[ 2

822.037.41

33.99]N[ ,020.0

37.41

82.0]O[ 22

ppm 14401044.137.41

321.9]SO[ 3

2

生煤成分資料之應用範例生煤組成為 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

煤 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 11012噸左右。

32%

29%12%

8%7%

7% 5%United States

Russia

China

Australia

Germany

South Africa

Poland

2. 煤燃燒主要程序

煤粒粒徑d=30-70m

液化作用

揮發物

焦炭

均相 ( 氣相 ) 燃燒 CO2,

H2O, …

CO2, H2O, …

t 碳化 =1-2 sec粒徑越大費時越長t 揮發 =50-100 mst 液化 =1-5 ms

t

非均相 ( 氣固相 ) 燃燒

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

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 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：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：η b=Steam(HsteamHwater)/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

鍋爐效率依燃料別分類 ：

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

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、成本效率評估燃料與水蒸汽基本資料1-1. 生煤價格約 3,0004,000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 45006400 kcal/kg

2-1. 燃油價格約 19,00020,000元 /公秉2-2. 燃油鍋爐效率介於 85~90%

2-3. 燃油熱值 92009400 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

蒸汽

蒸汽燃油成本

蒸汽

蒸汽燃煤成本

ton

626.81 NT$

m

19,500 NT$

L 1000

m 1

kcal 9,300

L 1

0.85

1

ton

l659,490kcaton

5.659 NT$

ton

3,500 NT$

1000kg

1ton

kcal 5,000

kg 1

0.7

1

ton

kcal 659,490

3

3

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

蒸汽蒸汽排放燃油

蒸汽蒸汽排放燃煤

ton

SO kg 0.75

32

64005.0

L 1

kg 0.9

kcal 9,300

L 1

0.85

1

ton

kcal 659,490SO

ton

SO kg 65.5

32

64015.0

kcal 5,000

kg 1

0.7

1

ton

kcal 659,490SO

22

22

燃煤較燃油需多繳交 SO2 排放空污費：

3.2 ton

NT$39.6659.5 NT$

ton

NT$5.31626.8 NT$

蒸汽蒸汽燃煤成本燃油成本

•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。

蒸汽蒸汽空污費燃油

蒸汽蒸汽空污費燃煤

ton

5.3 NT$

SO kg

7 NT$

ton

SO kg 0.75 SO

ton

39.6 NT$

SO kg

7 NT$

ton

SO kg 65.5SO

2

22

2

22

五、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 (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。

一氧化碳 (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 (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 排放控制 (AP-42, EPA)

• 主要控制設備

靜電集塵器(ESP)

99% (for 0.1 > d(m) > 10)<99% (for 0.1 < d (m) <10)

袋濾集塵器 可達 99.9%

濕式洗滌器 95-99%

旋風分離器 90-95% (d(m)>10)

微量金屬 (Me)

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

總微粒排放的控制

溶劑 ???

生成：煤中的金屬含量、金屬的物理和化學性質、燃燒條件。

控制：細微粒的補集

• 包括揮發性、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 (<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

Coal-S (CS, S2, S, SH)

char

COS, CS2H2S

SO SO2SO3

O2, M-SO4

SO2 molecule

radicals

SOx 生成

SOx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 (1-2%)

名稱 結構 相對量 穩定度

吡啶 1 15-40% More stable

吡啶 1 60% Less stable

芳香胺 6-10% Stable

1 包含 2-5融合芳香族環結構

燃燒控制：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

液化

揮發物

焦炭

均相燃燒

非均相燃燒

CO2, H2O, NO…

過量空氣

CO2, H2O, NO…

CO2, H2O, N2…

CHi·

CHi· + NO HCN

HCN + NO N2 + …

階段燃燒

液化

揮發物

焦炭

均相燃燒

非均相燃燒

CO, CO2, H2O, N2…

富燃料

CO, CO2, H2O, N2…

CO2, H2O, N2…

O2

NOx 控制選擇 (from AP-42, EPA)

控制設備 NO 減量(%)

Overfire air (OFA) 20-30

Low Nox Burners (LNB) 35-55

LNB + OFA 40-60

Reburn 50-60

Selective Non Catalytic Reduction (SNCR) 30-60

Selective Non Catalytic Reduction SCR 75-85

LNB with SCR 50-80

LNB with OFA and SCR 85-95Overfire air 空氣燃盡

結 論一、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。

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