第二章 文獻回顧
2.2 二氧化碳減量技術
二氧化碳主要之人為排放源來自燃燒化石燃料(如煤、石油、天然 氣等)之發電廠或交通運輸為主，其中以燃煤之發電廠為最大宗，故 將發電廠作為二氧化碳減量之重心。欲減緩燃煤發電廠的二氧化碳排 放量，主要可朝以下方法著手: (1) 提高能源的使用效率； (2) 使用 低碳燃料或替代能源(如氫能、生質能)； (3)發展二氧化碳捕獲與儲 存之技術。其中二氧化碳的捕獲與儲存技術(Carbon dioxide Capture and Storage, 簡稱 CCS)被視為短期內降低二氧化碳排放量最有效的 方案[Yang et al., 2008]。
2.2.1 捕獲(Capture)
CCS 之定義為將煙道廢氣中之二氧化碳捕獲，再與其他氣體分 離，而後進行濃縮的動作將其液化或固定，然後運送到適當之場址進 行隔離封存或再利用之動作；捕獲二氧化碳的方法，可依燃料轉換成
熱能與電能的方式，區分為燃燒前、燃燒後與富氧燃燒 [徐恆文，
2007]，並在以下進行簡單之介紹。
燃燒後捕獲(Post-Combustion)
由圖2-1 之二氧化碳捕獲流程顯示，燃燒後捕獲是將燃燒石化燃 料或生質能所排放之廢氣中的二氧化碳捕獲，是目前從大氣中捕獲二 氧化碳主要的方法，在一般傳統的發電廠，以煤炭或石油為燃料時，
其二氧化碳排放濃度僅約12~18%，且若是以天然氣為燃料，其二氧 化碳排放濃度更僅有3~8%，因此必須利用化學吸收劑等方法，將二 氧化碳捕獲，使得捕獲成本相對偏高[徐恆文，2007；IPCC, 2005]。
燃燒前捕獲(Pre-Combustion)
由圖 2-1 顯示，燃燒前捕獲一般利用氣化或重組之方式，在高溫 爐內以95%的氧氣為助燃劑，且僅提供完全燃燒所需氧氣量的三分之 一至五分之一，由於在缺少氧氣的環境下，燃料中的碳與氫原子經熱 分解後，會生成約含 40~60%的一氧化碳與 20~35%的氫氣所混合之 可燃性混合氣體，統稱為合成氣(syngas)，而此合成器可直接做為燃 燒或發電用之燃料，燃燒後可由排放的廢氣得到較高純度的二氧化 碳，約40~60%，再利用其他的捕獲技術將二氧化碳濃縮至 90%以上，
此外，合成氣也可利用水轉化反應，將一氧化碳與水蒸汽反應轉化成 氫氣與二氧化碳，再將氫氣與二氧化碳分離，其中氫氣可直接做為燃 料使用，而二氧化碳則可直接壓縮封存或再利用 [徐恆文，2007；
IPCC,2005]。
富氧燃燒(Oxyfuel Combustion)
由圖 2-1 顯示，一般燃燒是以空氣提供燃燒所需之氧氣，其濃度
約為21%，而富氧燃燒則改以高濃度或 95%以上的氧氣，此時燃料中 的碳與氫在純氧中燃燒，在不含氮氣的情況下，燃燒後的二氧化碳濃 度便可高達90%以上，不再需要經由捕獲或分離程序，就能直接把二 氧化碳壓縮封存或再利用，然目前富氧燃燒技術仍在研究發展中，距 離實際應用尚有一段距離。[IPCC,2005；徐恆文，2007；Yang et al., 2008]。
圖2-1 二氧化碳捕獲系統示意圖 [徐恆文, 2007]
2.2.2 封存(Storage)
「二氧化碳封存」是指將二氧化碳存放在特定的自然或人工「容 器」中，利用物理、化學、生化等機制，達到永久封存之目的；森林、
海洋、地層、人工儲槽、化學反應器等都可做為封存二氧化碳之容器，
而目前國際間提出具有較大規模的二氧化碳的封存(Storage)方法，主 要有地質封存、地表封存以及海洋封存三大類[林鎮國，2007]，以下 將對二氧化碳封存進行簡單的介紹。
地質封存
將被捕獲之二氧化碳經分離、濃縮後經由輸送管線或運輸工具至 適當的存放地點，以高壓方式注入特定地質條件及特定深度的地層 中，而這些存放的地點主要有廢棄之天然氣井及廢棄的原油、煤礦 區。目前美國即在懷俄明州中部油田進行二氧化碳封存作業，利用二 氧化碳灌注老油田以增加產油量，因此將二氧化碳封存於地底是頗具 有經濟誘因的做法[Herzog and Golomb, 2004；林鎮國，2007]。
地表封存
地表封存主要是利用二氧化碳與金屬氧化物進行化學反應，形成 固體型態的碳酸鹽或其他副產品，目前以含鈣及鎂的矽酸鹽為較具有 潛力之反應，其反應式可見於方程式 2-1。二氧化碳經地表礦化所形 成的碳酸鹽，屬於自然界中穩定的固態礦物，故相對於地質封存以及 海洋封存，其可提供長時間穩定的二氧化碳封存效果[林鎮國，2007, Herzog and Golomb, 2004]。
(Mg,Ca)3Si2O5(OH)4+ 3CO2(g)= 3(Mg,Ca)CO3+ 2SiO2+ 2H2O (2-1)
海洋封存
海洋相對於大氣以及地球的生態圈有較高的涵容能力，故二氧化 碳經捕獲後，可儲存於海洋中；其方法是將二氧化碳液化，並注入深 層海洋中，由於二氧化碳相對於海水有較大之密度，故其可延緩二氧 化碳再釋放至大氣之時間或使二氧化碳溶解於海水中[Herzog and Golomb, 2004]。
2.2.3 再利用(Reuse)
二氧化碳再利用的方式可分為直接利用以及間接利用兩部分；在 直接利用方面，常見將二氧化碳氣體加壓溶入飲用的汽水中，作為氣 泡用，或是利用固態形式的二氧化碳(俗稱「乾冰」)，應用於滅火器 或冷凍劑[陳郁文、陳航，2005]；而在間接利用的部分，主要是將二 氧化碳與其他化合物反應，製造出另外一種材料或化學品中間材料；
目前工業上大量使用二氧化碳合成的化學品主要有: 尿素(urea)、水楊 酸(salicylic acid) 、 環 碳 酸 酯 (cyclic carbonate ester) 、 聚 碳 酸 酯 (polycarbonate)四種，其中以二氧化碳與氨水所合成的尿素的生產量 最大，主要的用途是做為肥料，提供土壤氮肥[劉文宗，2007，Song，
2006]。除了利用經分離之後的二氧化碳，本實驗室研究群的 Bai and Yeh(1997, 1999)以氨水導入方式與煙道氣流中的二氧化碳反應，產生 碳酸氫氨(NH4HCO3)或碳酸銨((NH4)CO3)沉澱物，可作為肥料用，此 技 術 更 被 美 國 能 源 部(DOE) 所 屬 之 國 家 研 究 室 (National Energy Technology Laboratory, NETL)列為七個可行的二氧化碳捕獲技術之 一[DOE, NETL, 2007]。這些方法皆能有效的再利用二氧化碳，然其 僅佔二氧化碳排放的之少部分，故尋找適當封存的方法，仍是目前研 究的重點。