一、 前言
1.1 研究動機與背景
一、前言
1.1 研究動機與背景
氣 候 變 化 國 際 間 審 查 小 組(The Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)2001年科學評估報告顯示：如果CO2排放情景維持現狀，2100 年時全球平均溫度將上升攝氏1.4至5.8度，這種快速升溫情況在過去的1000 年不曾發現，而這項結果將會導致海平面上升9至88公分。這是過去一萬年 以來的最大增溫幅度。從氣候變化的觀點來看，目前氣溫與上次冰河時期 也不過相差攝氏4度，和上次IPCC 1995年評估報告攝氏1.5度至3度的增溫幅 度相比，攝氏1.4至5.8度的預測結果應該是令人們所震驚的，其所延伸的氣 象災害也必定是災情慘重的。IPCC 2001年報告預估，全球暖化所引發的氣 象災害將造成每年將超過三千億美元的損失。此外，溫室氣體如CO2在大氣 中的生命週期可長達50~200年，N2O 120年，甲烷12年，微量但溫室效應更 強的氟氯碳化物也高達50年。即使全球排放減量策略奏效，也只能短期減 緩大氣溫室氣體濃度上升，必須經過一段長時間，溫室氣體濃度方得穩定。
所以，溫室氣體減量策略是一項長遠性、前瞻性的政策考量。［1］
全球氣候溫暖化的問題，聯合國於1992年通過氣候變化綱要公約 (United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)，1995 年開議，在1997年12月於日本京都簽定議定書之後，終於在2004年10月得
到俄羅斯同意批准議定書，並使議定書於2005年2月16日正式生效。而我國 行政院也分別針對京都議定書召開兩次全國能源會議，相關部門也因此舉 辦數場的研討會，針對議定書之六大議題進行研商以擬定出應對的方法。
溫室效應(Greenhouse Effect)，指的是當太陽光以短波輻射穿透大氣 層，照射至地表後再以長波幅射反射出來，這些長波幅射可被大氣中某些 氣體吸收，將能量保留下來，此為維持地表溫度的重要機制，而這些可以 吸收長波輻射的氣體有CO2、CH4、N2O、O3及CFCs等，其中以CO2在大氣 層的含量最高。
近年來，由於人類活動的頻繁，化石燃料的大量使用，其燃燒所產生 的 CO2氣體，使大氣中 CO2濃度遽增［2］，致使全球暖化的情況越來越嚴 重。有研究顯示，以化石燃料如石油、煤礦或天然氣為原料的火力發電廠 所排放的 CO2量比例最重［3］，幾乎占了人為排放的 1/3 以上。2005 年我 國全國燃料使用所排放的 CO2為 262,657 千公噸/年，而各部門燃料燃燒所 排放出來的 CO2 總排放量為 254,235 千公噸/年(各部門不包括用電排放的 CO2)，其中能源(轉換)工業部門排放量為 157,127 千公噸/年約占 61.80%、
工業部門排放量為 49,666 千公噸/年約占 19.54%、運輸業部門排放量為 34,508 千公噸/年約占 13.57%、商業部門排放量為 2,178 千公噸/年約占 0.86%、住宅部門排放量為 5,656 千公噸/年約占 2.22%、農林漁牧業排放量為
2,716 千公噸/年約占 1.07%和其他部門排放量為 2,384 千公噸/年約占 0.94%；
由上述資料換算我國 2005 年人均排放CO2為 11.52 公噸/人［4］，而 IEA, KEY WORLD ENERGY STATISTICS, 2005 中統計我國 2003 年人均排放 CO2為 10.85 公噸/人，比 OECD 國家的人均排放 CO2為 11.08 公噸/人略 低外，卻遠高於全球的人均排放CO2為 3.99 公噸/人。因此，如何減少 CO2 氣體排放至大氣中，為目前最熱門的環保議題之ㄧ。
國內環保署日前完成了「溫室氣體減量法」草案送行政院審議，行政 院院會並於2006年9月20日通過「溫室氣體減量法」草案，草案中確定未來 將進行溫室氣體限量管制，國內產業的二氧化碳排放額度，也可以進行市 場交易。草案中也訂定了相關罰責，二氧化碳排放量超過核定分配的額度，
可以處50萬元以上、500萬元以下的罰款。如果各種溫室氣體減量措施施行 後，還是達不到國家總體減量的標準，將會立法實行「碳稅制度」向排放 戶收稅［5］。經濟部工業局目前也已完成的相關法令修訂，說明如下：
1. 已修訂促進產業升級條例，將投資於利用新及淨潔能源、節約能源及 工業用水再利用之設備或技術，及投資於溫室氣體排放量減量或提高 能源使用效率之設備或技術納入，當年度起 5 年內抵減各年度應納營 利事業所得稅額。
2. 將提供製造業之溫室氣體排放減量工程技術服務業、節約能源或利用 新及淨潔能源工程技術服務業，納入新興重要策略性產業獎勵，新增 投資5 年免徵營利事業所得稅。〔6〕
溫室氣體減量技術大概可分為三項如下：（1）增加能源使用效率（2）
使用再生、乾淨或新能源（3）CO2捕集與封存技術等，其中第 3 項有學者 提出將 CO2從煙道排放氣體中分離出來，而收集下來的 CO2再注入油田或 海底等地處置。在IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage (2005)中評估在第三次評估報告（2001）以後出版的有關 CO2排放源、捕獲 系統、運輸及其各種封存機制，根據 IPCC 的工作程式，2005 年 9 月 22-24 日在加拿大蒙特利爾召開的IPCC 第三工作組會議上，各國政府逐一同意通 過了本報告的決策者摘要，因此該特別報告和技術摘要已經被各國政府所 接受，在此特別報告中將二氧化碳捕獲和封存(Carbon Dioxide Capture and Storage, CCS)技術列為 CO2減量的一個可行的方法之ㄧ［7］。關於分離CO2 的方法，早期有以Monoethanolamine (MEA)等溶液進行化學吸收，唯再生 成本過高、廢液處理和二次污染等問題［8］；Knowles et al. ［9］、Kim et al.
［10］及 Zheng et al. ［11］等提出以胺類(例如 polyethylenimine, PEI 或 3-aminopropyl-triethoxysilane, APTS)去修飾具高比表面積的吸附材，例如 SBA-15、MCM-41 或 MCM-48 等，對 CO2進行吸附行為，此吸附劑具有良 好的再生率且可在室溫下進行吸附，但吸附量普遍偏低，仍有待改進。
在目前提出的吸附劑中，氧化鈣(CaO)可說是最具有發展價值的一個，
雖然氧化鈣在自然界中並不是一個穩定的形式，但石灰石(CaCO3)卻大量存 在於環境中，而石灰石高溫脫附後會形成CaO。
因石灰石必須先經過脫附 CO2之步驟，若要應用於 CO2溫室氣體之控 制，必須要能重複使用才可以達到CO2減量之目的。其化學反應式如(1)(2) 所示：
CaCO3 ⎯⎯⎯→>700oC CaO CO+ 2-180KJ (1) CaO+CO2 ⎯⎯⎯→<700oC CaCO3 +180KJ (2)
因此由反應(1)可知，一莫耳 CaCO3在脫附CO2後，其重量損失將為原 來之44/100=44%，亦即其剩餘重量為原來之 56%。而由反應式(2)可知一莫 耳的CaO 可以吸附一莫耳的 CO2，若換算成重量百分比，則CaO 之理論吸 附量為44/56=0.7857 g CO2/g CaO。熱分解乾燥和鍛燒石灰石的反應溫度在 1200 K 時，能量需求在 210 千焦/mole CO2的範圍內［12］。CaO 捕集 CO2 之優點如下：
1. CaO 的化學穩定性高，即多次反覆利用後仍具有較高的吸收活性，雖 然經多次重複使用後有活性慢慢減弱的現象，但CaO 價格便宜、產地 多可以大規模生產且取得容易，因此可以添加新鮮的CaO 以補償損失。
2. 設備簡單處理量大，目前雖未有商業化之實績，但各部分獨立之操作，
於工業界已有大型機組正在運轉，要商業化不是問題。
3. 可直接在煙氣環境下分離 CO2，比較沒有傳統吸收程序之限制（氣體 組成成分、氣體溫度、氣體壓力、處理量等），且處理後煙氣 CO2濃度 低，再生時可以產生高純度的CO2。
4. 沒有危險物質存在，所用之 CaO （生石灰）與 CaCO3（熟石灰），較 其他化學吸收劑而言安全許多。
5. 而CaO 捕集 CO2之吸收負載，理論上最高可達786mg CO2/g CaO。而 實際上在理想狀態下約有393mg CO2/g CaO，相對化學吸收劑而言，
可以少量之吸收體積，吸收較多的 CO2(35℃時 30%MEA：343mg CO2/g sorbent、30%AMP：315mg CO2/g sorbent〔13〕）。
台彎蘊藏豐富的石灰石，根據經濟部礦務局的資料顯示，台灣地區石 灰石的蘊藏量相當豐富，石灰石蘊藏大致可分南部和北部二個地區。南部 地區分布於嘉義、台南、高雄一帶，近年來產量已日漸枯竭，北部份布於 新竹、花蓮和宜蘭縣蘇澳等地。這些石灰石均蘊藏於第三紀及第四紀地層 中，大都露天開採，我國在1997 年的石灰石產量為 15,447,434 公噸達到最 高峰，而後逐年降低在 2006 年石灰石產量為 351,779 公噸，產量降低是因 為政府實施出口管制所致。國內東部石灰石蘊藏量十分豐富，尤其中央山 脈東斜面，自花蓮和平至瑞穗區段間之蘊藏量即超過4000 億公噸，可謂取
之不盡用之不竭［14］。但是國內缺乏相關針對石灰石分離二氧化碳的研 究，雖然國外有許多學者已經進行CaO 吸附二氧化碳相關的研究，如 Grasa et al.(2006)等進行石灰石多次吸脫附試驗［15］、Abanades et al.(2004)等進 行吸收劑的費用評估［16］、Hughes et al.(2004)進行石灰石在流體化床裡的 變化［17］和 Stanmore et al.(2005)等探討石灰石利用斷燒及碳酸化分離二 氧化碳［18］等，可是 Hughes et al.(2004)在其實驗中針對 2 種石灰石進行 成分分析，由其分析結果發現雖然都屬石灰石，但其組成不完全相同，光 CaO 的成分就差了快 3%，也因此針對國內如果將來要利用石灰石在高溫下 分離二氧化碳，則進行類似的研究是必需的，並可將研究結果提供給將來 設計反應器時所需要的參考資料。