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煤炭有幾種?可以洗乾淨嗎?──煤的旅程(一)前處理篇

  • 文/陳柏宇

燃煤發電,由於空汙以及全球暖化等因素,目前可以說是人人喊打、不受歡迎。但其實同樣是燃煤,也是有很多種燒法的咧。究竟目前的技術有哪些處理可以讓燃煤電廠不要造成那~麼多的污染?煤炭真的會經過「清洗」嗎?

要讓煤可以燒得比較「乾淨」主要有三道程序:燃燒前處理(pre-combustion)、燃燒中(combustion)、燃燒後(post-combustion)。每個階段都有其重要性和功能。就算真的有超級乾淨的煤但燃燒得不完全,其燃燒後的廢氣也就是煙道氣,未經處理直接排出,有烤過肉就可以想像結果。(當然烤肉燒的是炭,與煤的成因截然不同。)

本文會先由燃燒前處理開始談起。

斯斯有四種,煤炭有五種

讓我們追本溯源,先由煤炭的種類談起吧!煤至少可以分成五種以上,目前我們主要使用於能源生產以及金屬冶煉的煤炭,來自於植物死亡,並且歷經數百萬到數億年(石炭紀,三億年前)的地理作用而形成。煤炭以含碳量與熱值區分,主要分為無煙煤(Anthrathite)、煙煤(Bitumious)、亞煙煤(Subitumious)、褐煤(Lignite)、泥煤(Peat)

  • 泥煤:沒什麼利用價值,水份很多,熱值超低。
  • 褐煤:發電用途,水份多,固定碳量少,灰份偏多,但硫份較少。
  • 亞煙煤:發電與產熱用途,相較於煙煤灰份較少,熱值較低,硫份也較少。
  • 煙煤:存量多,因為熱值高,普遍用於發電與冶金(焦炭Coke)用途,固定碳成分多,灰份多,硫份也較多。
  • 無煙煤:又黑又硬,熱值最高,固定碳成分也最多,灰份較低,硫份也較低,普遍用於家庭產熱,也用於發電。

不同種的煤炭成分含量示意。(資料整理:陳柏宇 圖:泛科學重製)

不同煤種的成分含量。(資料來源:台灣電力公司 圖:泛科學再製)

如果燃燒相同質量而不同等級的煤,含高灰份、高硫份的煤所產生的直接污染會比較高(二氧化碳另計)。灰份最後會變成粒狀污染物,硫份則會變作硫氧化物;因此就成分表內容,亞煙煤的確比煙煤乾淨。至於為甚麼不燒熱值高、灰份低、硫份也低的無煙煤?偷偷告訴你,無煙煤的價格大概是煙煤的兩倍、數量最少而不具有商業規模。

但如果考量到相同熱值,或是說同樣發出一度相同電力,需要燃燒的亞煙煤會比煙煤還要多上 1.2~1.5 倍不等;此外亞煙煤含水量較多,有可能影響電廠的燃燒效率。因此,並不是通通用亞煙煤就比較環保,實際上會在後續的步驟中根據電廠的需要調整比例。

台電用煤來源與特性。(資料整理:陳柏宇 圖:泛科學重製)

煤可以洗乾淨嗎?

談完了煤炭的種類,接下來談談煤的處理。每個地區開採出來的煤炭有各自的屬性,開採過後也不會直接使用,下個步驟的處理,是真的把煤洗乾淨喔!煤礦在開採後,一定還存在許多雜質,這個階段的煤我們稱為原煤 ROM(run-of-mine)。如果直接拿去燒,呃,我沒有經驗也不敢想像,大概就是工業革命時期的倫敦。

原煤階段的煤炭會被送進處理場 CHPP (coal handling & preparation plant)進行「洗選」。將煤礦破碎成比較小的碎片;再用物理方法,如大小等進行篩分;接著泡進水床裡,用比重大小篩去雜質、並溶出污染物等;從水床拿出後再進行乾燥。完成此階段處理煤炭其的熱值、灰份與硫份都已經和原煤階段大有區別,大約灰量減半、硫量減 30%,依處理廠技術有所區別。去除這些雜質也能夠達到減輕運輸量、減輕鍋爐的沾污和磨損,並減少電廠燃燒後煤灰處理量。

而大家最關心的污染物之一大概要屬煤炭中的硫份了。燃燒前的脫硫方法,除了前述的「洗選」之外,還有微生物脫硫技術──把煤粉懸浮在含細菌的氣泡液中,細菌產生的酶能促進硫氧化成硫酸鹽,從而達到脫硫的目的。燃燒前脫硫技術中物理洗選煤技術已成熟,應用最廣泛、最經濟,但只能脫無機硫;生物、化學法脫硫不僅能脫無機硫,也能脫除有機硫,但成本昂貴,距工業應用尚有較大距離。

台灣很早以前還有類似的洗煤場設在菁桐,不過台灣煤礦工業已經 byebye 很久了。

大船入港,小心進廠

臺灣的煤炭都是由國外進口的。進口的煤由專門的運煤船運到專門接收港後,如果沒有處理好,有可能會對台灣的空氣品質造成風險。海港風大,如果煤炭裸露在外,將可能因為細碎煤炭顆粒四處亂飄而影響空氣品質。因此現在卸貨作業時,基本上都會盡可能全程密閉避免外漏,或是同步灑水減少粉塵四逸。運輸船打開儲艙後,會由抓斗式卸煤機 (Grab ship Unloader, GSU)或連續式卸煤機(Continuous Ship Unloader, CSU),將煤炭送至輸送帶上。目前連續式卸煤機的設計更能減少粉塵逸散。

臺灣的煤炭基本上都是靠運煤船漂洋過海而來。攝影/陳柏宇。

以 2014 年更新後的林口電廠為例,船艙打開後,會由連續式卸煤機卸煤至氣浮式密閉輸送帶上;經過約 2 公里的傳統式與氣浮式等密閉輸送帶,運輸至筒式煤倉(Coal Silo)儲存。電廠配置 10 座筒式煤倉,每座煤倉可儲存7萬噸燃煤,總儲存量達70萬噸。這些煤倉全數完工後能提供未來 3 部發電機組運轉所需的燃煤,並可儲備超過 30 天的安全存量。

氣浮式皮帶機在煤炭的運輸過程中,使用空氣膜支撐輸煤皮帶支撐替代滾輪,這樣的設計讓運轉較平穩、摩擦較小,大幅降低噪音及煤屑的產生。密閉式的運煤輸送帶,將燃煤的運輸完整包覆,送入廠內日用煤倉、磨煤機,最後才進入鍋爐燃燒。

林口電廠的連續式卸煤機。攝影/陳柏宇。

卸煤作業常常會受到天候干擾,其實相當艱辛。當船隻因為風大不能進港;或是煤倉打開時因為濕度太大、煤炭潮濕等因素都會導致輸送困難,這些零零總總的狀況都會影響運煤作業。

總之,從煤的分類、開採以及選洗過程,確實有許多方法可以讓煤燃燒得比較「乾淨」(污染較少)。但礙於台灣只能進口已經選洗過後的煤,在燃燒前處理這方面可以做的努力相對有限。而輸煤部分,近年來從林口電廠、興達電廠到台中火力電廠,都有相關措施進行改善,例如將過往的露天煤場改造成室內煤場等,這些都可以盡可能的減少對空氣品質的影響。

接下來,我們就把鏡頭移到棚內看看燃燒煤炭是怎麼回事吧!

參考資料

本文由台灣電力公司委託/廣告,泛科學企劃執行

 

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