臨海工業區之區域性能源資源整合規劃(II)

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

臨海工業區之區域性能源資源整合規劃(II)

計畫類別：個別型計畫計畫編號： NSC94-ET-7-006-002-ET 執行期間： 94 年 01 月 01 日至 94 年 12 月 31 日執行單位：國立成功大學機械工程學系（所）計畫主持人：林大惠共同主持人：林建昌計畫參與人員：何曉菁、鄭淑珺報告類型：完整報告處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 95 年 3 月 29 日

(2)

行政院國家科學委員會/經濟部能源委員會/石油基金管理委員會

能源科技學術合作研究計畫成果報告

臨海工業區之區域性能源資源整合規劃(Ⅱ)

Planning on Integrated Utilization of Energy and Useful

Resources in the Lin-Haai Industrial Site (Ⅱ)

計畫編號：NSC 94-ET-7-006-002-ET

執行期限：94 年 1 月 1 日至 94 年 12 月 31 日

計畫主持人：林大惠教授國立成功大學機械工程學系

共同主持人：林建昌助理教授環球技術學院通識教育中心

執行單位：國立成功大學機械工程系

中華民國九十五年三月

(3)

摘要

生態工業園區及產業共生的概念在國際上被廣泛的提及，目前各

工業國也積極推動既設工業區的轉型或設立生態工業園區，以提升能

源、資源的使用及再利用效率，減少能源損耗，並提高廢棄物及副產

品的經濟價值。國內臨海工業區的型態屬於混合型工業區，也就是由

不同型態的中小企業所組成的工業區型態，因此如何整合混合型工業

區的資源及能源，並作一有效率的循環使用，及提高廢棄物的附加價

值，將是本研究的努力目標。本研究的第二年工作，主要為(1)建立

分析模式，包括：個別製程的質量、能量平衡和經濟效益等模式，

以及公用設施汽電共生廠的熱電整合分析模式、(2)經濟效益模擬分

析、(3)各廠家的能源使用調查等三個主要部分。在汽電共生廠的熱電

整合分析方面，本研究先對於中鋼公司蒐集有關汽電共生實廠之熱電

協同運轉相關資料，並針對實廠所使用之燃煤特性與運轉條件作整理

統合後，再進一步進行汽電共生系統熱電協同運作之經濟評估及分

析。一般汽電共生系統採用一座鍋爐搭配一部發電機(一對一系統)，

而中鋼公司之動力工場屬於多座鍋爐所產蒸汽匯集後分配至各發電

機。因此在本研究中提出兩個評估方案，首先針對一對一系統作經濟

效益評估，而後，更近一步探討兩座鍋爐產製之蒸汽匯集後分配至兩

部發電機(二對二系統)，其經濟效益評估與可操作極限分析。研究結

果顯示二對二系統，在系統主蒸汽量調配上之變化較一對一系統更

多。但因發電機設計限制，二對二系統有其操作極限：當主蒸汽流率

總和小，不易超出發電機極限，但可操作範圍亦較小；當主蒸汽流率

增加，蒸汽配置變化更廣，卻也因主蒸汽流率總和大，所以受到發電

機極限之限制更明顯。

(4)

Abstract

The concepts of eco-industrial parks and industrial symbiosis have

been mentioned extensively by scholars and researchers all over the

world. Several industrialized countries actively promote the environment

friendly transition of the existing industrial sites or the establishment of

eco-industrial parks in order to improve the use of energy and resource, to

raise energy utilization efficiency, to reduce energy consumption, and to

improve the economic value of the wastes and by-products. In Taiwan,

the Lin-Haai industrial site is a mixed industrial park; in other words, it is

made up of small- and medium-sized enterprises of different types. In this

three-year’s study, we aim to study the transition from a mixed industrial

park into an eco-industrial park so as to improve energy and resources

integration, by-product utilization, and waste handling. The second year

report has concluded with results as follows: (1) establishment of

analytical models including: mass balance, energy balance, economic

evaluation, and power-heat integrated utilization for a cogeneration plant,

(2) simulated analysis on economic evaluation, (3) survey of the use of

energy and resources in the Lin-Haai industrial site. The research of

power-heat integrated utilization for a cogeneration plant was concerned

with the economical analysis of the electricity-steam cogeneration in the

China Steel Corporation by using the operational characteristics and cost

of coal as parameters. Comparison of economical benefit based on

electricity-steam ratio and capacity for different cogeneration systems has

been done. The operational limit and economical benefit of a

conventional one-boiler one-generator system and a two-boiler

two-generator system was evaluated and compared. For a two-boiler

two-generator system, the routing of main steam flow could be more

diverse, but its trend of net income is the same as that for a one-boiler

one-generator system. The limitation to the operation of the two-boiler

two-generator system comes from the design limits of the generator.

When the combined rate of steam flow of the two boilers is high, it is

more likely to be affected by the capacity of the generator.

(5)

總目錄

中文摘要 ……… Ⅰ

英文摘要 ……… Ⅱ

總目錄 ……… Ⅲ

表目錄 ……… Ⅳ

圖目錄 ……… Ⅴ

一、前言………

1 1-1 研究背景……… 1 1-2 台灣能源政策……… 1 1-3 研究目的及內容……… 3

二、文獻回顧………

3 2-1 工業生態學的概念及定義……… 3 2-2 生態工業園區的概念及定義……… 4

三、研究案例………

6 3-1 丹麥卡倫堡工業共生中心……… 6 3-2 荷蘭 RoCa3 電廠……… 7 3-3 高雄臨海工業區……… 8

四、研究結果……… 9

4-1 數學模式建立……… 9 4-2 公用設施汽電共生廠的熱電整合分析模式建立……… 27 4-3 廠商問卷調查……… 40

五、結論……… 41

六、參考文獻……… 42

七、圖表……… 45

八、研發成果資料表……… 85

(6)

表目錄

表 1 四種煤炭之煤質特性表……… 45

表 2 四種煤炭之鍋爐操作條件表……… 46

表 3 四種煤炭之運轉相關成本表……… 47

表 4 二級防制區燃燒固態燃料之空污費率計算表……… 47

表 5 第一部分：生產製程相關調查問卷結果……… 48

表 6 第二部分：能源資源整合概念問卷結果……… 49

(7)

圖目錄

圖 1

二級生態食物鏈及工業生態鏈示意圖 ... 51

圖 2

丹麥卡倫堡工業共生中心的物質與能量流示意圖... 52

圖 3

荷蘭 RoCa3 電廠示意圖... 52

圖 4

臨海工業區之區域性能源供需整合示意圖... 53

圖 5

發電機(60MW)之性能曲線圖 ... 54

圖 6

運轉相關成本與負載關係圖 ... 55

圖 7

四種煤炭於固定負載與相同時段下，收益與抽汽比關係圖 56

圖 8

一對一系統使用 A 煤於夏月尖峰時段、不同負載，收益

與抽汽比關係圖 ... 57

圖 9

一對一系統使用 A 煤於非夏月離峰時段、不同負載，收

益與抽汽比關係圖 ... 58

圖 10 一對一系統使用 B 煤於夏月尖峰時段、不同負載，收益

與抽汽比關係圖 ... 59

圖 11 一對一系統使用 B 煤於非夏月離峰時段、不同負載，收

益與抽汽比關係圖 ... 60

圖 12 一對一系統使用 C 煤於夏月尖峰時段、不同負載，收益

與抽汽比關係圖 ... 61

圖 13 一對一系統使用 C 煤於非夏月離峰時段、不同負載，收

益與抽汽比關係圖 ... 62

圖 14 一對一系統使用 D 煤於夏月尖峰時段、不同負載，收益

與抽汽比關係圖 ... 63

圖 15 一對一系統使用 D 煤於非夏月離峰時段、不同負載，收

益與抽汽比關係圖 ... 64

(8)

圖 16 一對一系統使用 A 煤於固定負載(70%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 65

圖 17 一對一系統使用 A 煤於固定負載(80%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 66

圖 18 一對一系統使用 A 煤於固定負載(90%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 67

圖 19 一對一系統使用 A 煤於固定負載(100%)、不同時段下，

收益與抽汽比關係圖 ... 68

圖 20 一對一系統使用 B 煤於固定負載(70%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 69

圖 21 一對一系統使用 B 煤於固定負載(80%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 70

圖 22 一對一系統使用 B 煤於固定負載(90%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 71

圖 23 一對一系統使用 B 煤於固定負載(100%)、不同時段下，

收益與抽汽比關係圖 ... 72

圖 24 一對一系統使用 C 煤於固定負載(70%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 73

圖 25 一對一系統使用 C 煤於固定負載(80%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 74

圖 26 一對一系統使用 C 煤於固定負載(90%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 75

圖 27 一對一系統使用 C 煤於固定負載(100%)、不同時段下，

收益與抽汽比關係圖 ... 76

(9)

圖 28 一對一系統使用 D 煤於固定負載(70%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 77

圖 29 一對一系統使用 D 煤於固定負載(80%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 78

圖 30 一對一系統使用 D 煤於固定負載(90%)、不同時段下，收

益與抽汽比關係圖 ... 79

圖 31 一對一系統使用 D 煤於固定負載(100%)、不同時段下，

收益與抽汽比關係圖 ... 80

圖 32 四種煤炭於不同蒸汽售價下，臨界抽汽比與負載之關係圖

... 81

圖 33 二對二系統發電機組操作極限圖(主蒸汽流率總和為 280

Ton/hr) ... 82

圖 34 二對二系統發電機組操作極限圖(主蒸汽流率總和為 340

Ton/hr) ... 83

圖 35 二對二系統發電機組操作極限圖(主蒸汽流率總和為 400

Ton/hr) ... 84

(10)

一、前言

長久以來，工業發展與環境保護的立場始終是無法共存且互相對立的，而資源耗竭的問題更是久俟解決。二十世紀末期，永續發展觀念的奠定、環保聲浪的撻伐、以及各種國際公約的壓力，使得企業逐漸體認永續發展與永續經營之重要性，且面臨轉型的壓力，而開始導入環境管理系統或清潔生產等概念，應用於工業製程的改善，並擴展經由點對點、公司對公司間的自行交換，提升工業廢棄物的使用效率。也因此，各國工業區型態已紛紛轉型，朝向生態工業園區 (Eco-Industrial Park, EIP)的方向發展。(名稱為環保科技園區)

1-1 研究背景

台灣現今面臨最大的問題包含能源缺乏、資源浪費、廢棄物大量產生和環境污染等，因此深入探討如何提升能源效率、資源回收利用、廢棄物再利用和污染防制等各個課題，以求降低環境污染及資源耗竭的程度，並尋求克服的方法，實為首要行動。在不與經濟發展相衝突的前提下，工業發展自然衍生了整合應用的概念，其意義是指經由最佳技術、能源利用、能源與環境、廢棄物之能源與資源化應用等多方面之整合應用，而其成果可反映於高效率、低污染和高經濟價值之實際表現。政府目前正積極發展設立新的生態工業園區(名稱為環保科技園區)，朝零污染、零排放的目標進行，這對於一個地狹人稠且生態特別的海島型國家，的確是可接受的工業型態。但對於既設的工業區，該如何將經營管理方式導向 EIP 的作法，將是一個非常急迫的課題，而且有待政府和民間一齊努力。

1-2 台灣能源政策

(一) 民國 87 年全國能源會議 政府曾於1998年5月召開「全國能源會議」，探討「能源政策與能源結構調整」、「產業結構及調整」、「能源效率提升及能源科技發展」等議題，並做出重要宣示，包括：積極參與全球性對抗氣候變遷行動、積極推動節約能源與使用新能源與潔淨能源等【1】。於同年12月，經濟部能源委員會執行「全國能源會議」的決議，公告我國「能源政策白皮書」，涵蓋範圍相當廣泛【2】。提升經濟產值不一定要以高耗能產業才能拼經濟，國內仍現存許多傳統產業，應將能源改革的目標集中於此型產業，並輔導傳統產業的製程導向綠色製程，促進轉型為高科技、高附加價值及低耗能產業，國家競爭力才得以提升，對於能源的節流才是治本之道。傳統產業其定義為：1.創新研發成本投入較低；2.

(11)

產業，如食品、紡織、汽車、營建業等；6.國際化程度較低的產業；7.成長趨緩的產業；8.家族性色彩濃厚的產業【3】。行政院國家永續發展委員會資源及產業組，於發展行動計畫九十二年度重要執行成果中，在節約能源方面，預計完成「因應氣候變化綱要公約我國減量潛力評估與永續能源策略研究」報告，並初步建構我國永續能源發展指標系統【4】。除了能源的節源之外，政府也積極開發再生能源(Renewable Energy)、回收能源 (Recycled Energy)、智慧能源(Innovative Use of Conventional Energy)。

再生能源部分，依據「挑戰2008：國家重點發展計畫」規劃，政府必須在2008 年完成陽光電城(嘉義縣)、風力電場、地熱公園等三大項再生能源重點計畫【5】。智慧能源部分，如汽電共生，1980年的裝置容量僅佔全國電力系統約3％，至2003 年合格汽電共生系統總數為100家(出售電力者佔61家)，總裝置容量共6,171千瓩，佔全國電力系統達16.9％【6】。 (二) 民國 94 年全國能源會議 94年六月的全國能源會議，距上次全國能源會議間隔七年，其間發生許多重要的國際能源大事，包括能源價格飆漲、京都議定書生效、歐盟環保指令陸續實施等，因此溫室氣體議題比重也比往年增加。這次全國能源會議，會議議題包括 (1)因應二氧化碳排放減量之整體策略；(2)能源政策及能源部門因應策略；(3)工業部門因應策略；(4)運輸部門因應策略；(5)住商部門及農業部門因應策略；(6) 能源政策工具等六大項。環保署在會中報告「京都議定書」生效後我國整體策略方向，檢討過去執行溫室氣體減量成效。環保署認為，能源、產業、交通政策為國家溫室氣體減量最根本的問題，應推動能源、工業及交通政策的影響評估我國溫室氣體排放量80％以上來自能源及工業部門，且交通部門的溫室氣體排放持續大幅上升。近幾年我國能源燃燒所排放的CO2量仍持續增加，較1990年水準增加 1倍。87年全國能源會議所訂定的減量對策在過去7年中尚未發揮實質減量效果。 2003年非化石能源所占比例約10.4%，而排放CO2最多的煤碳所占比例達32.2%，已超過2020年規劃目標。在工業方面GDP所占比例下降，但其CO2排放量所占比例並未下降，顯示工業結構中有部分產業仍貢獻高CO2排放量，但未能提升其產值，有必要重新檢討我國產業結構及能源使用效率【7】。此外，經濟部因應國內能源需求成長及二氧化碳排放抑制兩大政策方向間，將研擬符合國內現況及京都議定書最新趨勢的能源政策。而經濟部能源局也於「能源科技研究發展中綱計畫」中，針對工業、運輸、住商、電力、政府等部門研擬相關措施及節能目標。在工業部門方面，預計累積節約量為1,322萬KLOE(公秉油當量)，其中包含六項目標，分別為(1)建立新設廠能源效率指標及審核許可

(12)

制度；(2)執行能源用戶查核制度；(3)推動產業自發節約能源；(4)提升能源設備效率標準；(5)擴大實施節約能源獎勵優惠；(6)加強節約能源技術服務【8】。

1-3 研究目的及內容

(一) 研究目的 在現行工商業的經濟活動中，耗用能源資源最多的為工業部門的製造業，而工業部門的製造過程中，部分資源並未被加以利用即丟棄，造成資源的浪費。長遠來看，能源及資源整合的形式，有利於重新分配能源及資源的使用比例，可降低能源的過度使用，也帶來經濟效益的提升。因此希望透過整合的方式，並以資源利用的方式來解決，使單一資源多樣化，多重利用。此外在能源供應量日漸稀少的今日，更需提高能源資源的再利用效率，而區域性的能源資源供應，減少了 運輸成本，也減少能源轉換的損失及資源耗費。 (二) 研究範圍與內容 本三年期計畫的第二年研究方向及工作項目說明如下： (1) 持續收集國內外與能源資源整合相關之資訊，提升技術分析能力。 (2) 建立分析模式，包括：個別製程的質量平衡、能量平衡和經濟效益等數學分析模式，以及公用設施汽電共生廠的熱電整合分析模式。 (3) 經濟效益模擬分析，包括：個別製程模擬分析、熱電整合模擬分析。 (4) 各廠家的能源使用調查。

二、文獻回顧

現行能源研發的趨勢朝向各方向進行，包含能源開採、替代能源的研發、資源的減量(Reduce)、再生(Recycle)、再利用(Reuse)等。發展規模以區域性為佳，因為區域性的能源資源供應，可降低運輸成本，及節省因遠距傳輸或轉換所造成的散失。目前區域性的能源資源供應以工業生態園區(Eco-Industrial Park, EIP)的發展型態，為最常見。EIP 的發展理論來自於工業生態學(Industrial Ecology, IE)。 EIP 的發展目標為單位或公司之間的廢棄物經由有效率的交換及再利用，達成減廢的目標。

2-1 工業生態學的概念及定義

(13)

在自然生態系統中，所有物質都以不同形式得到高效率的再利用，所以不認為是廢棄物，應視為殘留物，或稱為二次資源【9】。尤其是現在消費模式，所有從原料至成品的過程中皆經過精密的製造及加工，皆耗費大量綠色資本(空氣、水等)，因此在工業生態學中主要精神不只在於製程末端的殘留物再利用，也關注產品原料、製造設施及製程等影響，也就是生命週期評估(Life Cycle Assessment, LCA)的部分。生態系統由生產者、消費者、分解者、生物環境所構成，在此以二級生態食物鏈及工業生態系統做一對應比較，並說明生態系統與工業系統其異同處，如圖 1 所示。圖 1(a)為二級海洋生物食物鏈，圖 1(b)則以電腦的製造，其銅的材料流為例。其中二者對應部分：(1)初級生產者：比對兩者循環的開始為初級生產者，其生態食物鏈中的浮游植物，如同工業生態鏈中的冶煉廠，為提供原料的來源。 (2)初級消費者：如同無脊動物與電線製造商。(3)次級消費者：如同魚類與電纜製造商。(4)分解者：如同生態系中的細菌與工業的回收商。而生態學中的分解者也與工業生態鏈的再循環概念相對應。(5)其他：工業生態鏈多了拆卸商的角色，及工業生態鏈的物質損失較多於生態食物鏈【9】。工業生態學的觀念是將生態學的概念應用於產業活動的研究，並提倡物質循環利用的概念，尋求物質與能源使用之最大效益。而工業生態系統的物質流循環與生態系統的原則相類似，以下就(1)循環流向(roundput)、(2)多樣性(diversity)、 (3)地區性(locality)、(4)漸進的改變(gradual change)作一說明。(1)循環流向：生態系統與工業系統二者都是有物質循環(Recycling of matter)及能源串聯(Cascading of energy) 的循環關係。 (2) 多樣性：生態系統的多樣性在於生物多樣性 (Biodiversity)、有機體(organisms)、物種(species)、資訊的多樣性，而工業系統的多樣性在於參與者(actors)，及工業的投入與產出。而相同處在於二者都有互相依賴及合作關係的多樣性。(3)地區性：生態系統與工業系統相同處，主要是利用當地資源、尊重當地自然限制因子。其相異處，工業系統主要是當地參與者之間的合作。(4)漸進的改變：生態系統主要是應用太陽能、生殖繁育進行演化，並有週期性及季節性。而工業系統主要是應用廢棄物質、廢能、可再生資源，而工業的多樣性是逐漸演變形成的【10】。

2-2 生態工業園區的概念及定義

生態工業園區的構想是希望將工業中所產生的廢棄物，能夠作為其他領域的原料加以利用，以達到沒有廢棄物的目標，亦即零排放(zero emission)的理念，對於台灣的工業政策而言，導入 EIP 的概念，將帶給傳統產業及高科技產業一項新的契機，不僅可提升經濟效益及企業形象，更可達成永續經營的目標。

(14)

生態工業園區的原則是建立不同工業間之物質與能量流的再循環及再利用。而其內涵，依據Lambert 和Boons【11】的文章中也提到美國永續發展委員會(President's Council on Sustainable Development, PCSD)對於EIP 的定義為：(a) 某一生產者(公司、工廠)的廢棄物可當作另一生產者的資源，並作有效率的分享。(b)經過規劃的物質及能源交換之產業系統。EIP的物質流管理，應遵循下列三個主要目標：1、減少非再生資源的使用(尤其是石化燃料)，並盡可能的促進永續能源的使用；2、維持在使用及製造過程中，再生資源的平衡。這意指確保特定資源的使用不要大於同一年的資源產生的數量；3、盡可能在物質循環中，長久的維持再生資源及非再生資源。另外，在Yang 和Lay【12】發表的文章中，引述Chertow文獻來定義五種生態工業園區的發展模式： (a)透過廢棄物交換：此情形通常為單一的交換資源，透過廢棄交易平台或網路資訊而進行交易，屬未經過規劃的交易形式。 (b)在設備，公司或者組織內部：此情形通常在公司或機構產生，由公司內部資源再循環，自行利用。 (c)在位於同一個生態工業園區的企業之間：此情形在同一園區的公司之間形成，而公司與公司之間的運輸距離不會太遠。 (d)在相距不遠的企業之間：非同一園區內，但公司與鄰近公司間形成一交換網路，例如丹麥的卡倫堡共生中心。 (e)在較大區域的企業之間：空間尺度大於上述距離，但成立的可能性較小，因過大的空間尺度將增加運輸及轉運的成本。 Brian H.Roberts【13】認為生態工業園區的規劃成立需經由許多細節的規劃及審核，其細節概約如下：評估從城市及所有地區層級的所有產品來源及總廢水、物質及能量的體積/流量，事業廢棄物實際及潛在數量的鑑別，廢棄物、能源、副產品再利用的經濟，環境及自然風險評估、空間的集中及輸送與廢棄物流，廢棄物、水、能量加工及再加工的區域場所的環境敏感分析。環境敏感分析需包含區域成長管理策略，及制訂永續發展的方案，尤其是未來的工業設置位置、管理環境的貯存及廢棄物流向控制的架構，對於支持廢棄物管理工業在都市區域內及污染場址；社會及社區的意見評估，對於整合製造業發展規劃加入混合型工業發展的意見等。而生態工業園區最理想的場址位置，決定於寬闊的空間尺度。其他細節的規劃，如發展EIP的組織的安排、當地居民的支持、核心計畫團隊的運作與企業間發展其他潛在性的合作伙伴、資金及風險管理決策、有效率的市場規劃、產品交換的潛在經濟分析等。除此之外，上述指導方針也需要下列條件配合，如場址規劃及佈局(包含公共建設的設計、廢棄物儲存、運輸及未來迴廊的利

(15)

用)、景觀及建築物的設計必須利用地景的特色，為了可再生資源及可回收(尤其是水的部分)、商業活動的區域位置必須最大化，但企業副產品的收集及轉運路線及運送成本必須最小化等。 Ernest A. Lowe【14】認為一個生態工業園區的形成其步驟為：(1)分析該工業區的物質及能量的投入與產出，包括：自然及化合物的物質及能量流、數量、時間上(穩定、週期性、不規則的)的分佈、物質及能量的品質(純度、濃度)。(2) 評估某些物質在物質流增加的潛在性，及固定的量。(3)宣傳當地的資訊，並招募群體並確認符合現存商業。(4)決定物質或能量的處理程序可以達到品質的規定。(5)確定潛在合作企業(就像在面試應徵者)，去利用現存的物質或能量流。(6) 定義潛在合作企業的容積規定。(7) 在整體的招募策略中，建立副產品交換的相對重要性等。

三、案例研究

在推動生態工業園區方面，國外已有數例成功的經驗，並依地區、產業特性、空間特性不同，所規劃的方式及成果也有所不同，在此將以丹麥 Kalundborg 工業共生中心和荷蘭 RoCa3 電廠兩個實例來說明。國內則有四個新設立的 EIP，分別座落於高雄、台南、桃園、花蓮，為新設立的科技園區，以清潔製程產業等為主要招商目標，在此以高雄臨海工業區為實例說明。

3-1 丹麥卡倫堡工業共生中心

丹麥卡倫堡(Kalundborg)區的工業共生(Industrial Symbiosis)關係演變過程，是自發且緩慢演變而成的。共生(Symbiosis)原本意指，有機體之間的共存，另一方面是彼此從對方獲得益處。在此應用於卡倫堡當局及共同合作的企業之間，所有的利用皆是相互利用其殘餘物(residual)或副產品。卡倫堡區產業共生體系的成形，最早並非單純的環保考量，一方面是因為該區地下水源不足，故企業必需充分利用地表水，雖然附近有天然湖水，但水資源仍嫌不足，所以如何充分利用地方資源即成為重要課題。在此同時，大多數廠商彼此交換廢棄物，僅是為了降低製程原料成本。爾後，經營者與居民逐漸察覺透過企業與社區之間交換或交易副產品，可以創造出乎意料的環保利潤，再由一對一交換擴大為多元副產品交換網路，並持續演化【15】。圖 2 為丹麥卡倫堡之工業共生區的物質與能量示意圖【15】，丹麥卡倫堡區工業共生中心結合了卡倫堡市當局(Kalundborg Municipality)和七個企業，包括： Asnaes 火力發電廠、Bioteknisk Jordrens 土壤整治公司、Gyproc 石膏板工廠、

(16)

Novozymes 酵素生化公司、Novo Nordisk 製藥廠、Noveren 廢棄物處理廠、Statoil 煉油廠；彼此交易副產品，使得原先視為無用的廢棄物成為可用的粗原料。由於共生合約具備健全的商業條款，因此均可從共生合作中獲得經濟利益。此一工業共生計畫所交易的副產品，包括：鍋爐水、冷卻水、製程廢水、鍋爐飛灰、鍋爐蒸汽、煉油尾氣、石膏、液體肥料、家用熱源、酵母漿、生質能、污泥等。參與工業共生的工廠，在水的整體消耗量上可以節省 25%，經由共生系統的再使用和循環使用，每年可以節省約 190 萬立方公尺地下水和 100 萬立方公尺地表水。經由 Asnaes 發電廠、Novo Nordisk 製藥廠和 Statoil 煉油廠的共生合作，每年可以節省 2 萬噸的燃油消耗，約相當於 380 噸 SOX排放減量。Gyproc 石膏板工廠每年從 Asnaes 發電廠接收 7 萬~9 萬噸石膏，以取代天然石膏，用來製造石膏板。Novo Nordisk 製藥廠的生質料可以減少或取代 2 萬公頃農田所需之肥料，而且從液體廢棄物取得生質料時，也伴隨著 1,300 噸氮氣和 550 噸磷。Asnaes 發電廠燃煤所產生的飛灰，每年約為 5 萬~7 萬噸，可作為建築和石灰工業所需原料【15, 16】。

3-2 荷蘭 RoCa3 電廠

荷蘭 RoCa3 電廠號稱可改善溫室效應之綠色電廠，其規劃設計是建立於環保、創新與技術三大基礎上，不僅可以產生電力，亦可供應熱源與 CO2 給玻璃屋園藝工廠使用，促成完善之能源利用和 CO2減量。圖 3 為荷蘭 RoCa3 電廠示意圖【17, 18】。RoCa3 電廠之發電系統是由燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機所組成的複循環發電系統氣渦輪機利用燃燒天然瓦斯產生高溫氣體來推動發電，而其發電後排出的高溫廢氣(約 540℃)被導引至廢熱鍋爐，廢熱鍋爐中的水被高溫廢氣加熱形成水蒸汽，此水蒸汽被用予推動蒸汽渦輪機再行發電。蒸汽渦輪機發電後的水蒸氣被導引至熱交換器，用來加熱區域熱水至 120℃，此一區域熱水藉由管路連通至玻璃屋園藝工廠循環使用。經由廢熱鍋爐減熱降溫後之高溫廢氣，部分被導引至 CO2 鍋爐，藉由先進燃燒技術燃燒額外的天然瓦斯，使得廢氣中的 CO2達到最高濃度；此一高濃度 CO2廢氣經壓縮後送往玻璃屋園藝工廠，藉以促進農作物的生長(農作物生長的最適 CO2濃度為 800~1000ppm)。額外燃燒天然瓦斯加熱水所產生的水蒸氣，可以進一步提供額外的電力。RoCa3 電廠利用三條十公里長的管路輸送熱水和 CO2至約 230 家玻璃屋園藝工廠，其中兩條分別為 RoCa3 電廠輸送的熱水線和玻璃屋園藝工廠循環回送的冷水線，第三條則是輸送加壓的 CO2廢氣；熱水和 CO2的供應量可達工廠年需求的 90%。RoCa3 電廠結合了燃氣渦輪機、蒸汽渦輪機、廢熱鍋爐和 CO2鍋爐，用來同時發電、供應熱源和 CO2，整體而言，能源資源損失非常低，

(17)

達到最佳能源利用和環境回饋；此為全世界唯一的能源和環境管理模式，目前正在申請專利中。 RoCa3 電廠的發電容量為 220MW，熱源輸出為 200MW，CO2供應率為 7 kg/s。針對 RoCa3 電廠在燃氣渦輪機、蒸汽渦輪機、廢熱鍋爐和 CO2鍋爐的整合應用，如果以發電為主，RoCa3 電廠的發電效率為 48.7%，再考慮廢熱回收，整廠效率可提升為 52.5%；如果發電和產熱兩者並重，RoCa3 電廠的發電效率略降為 44.8%，但包含產熱的整廠效率則提升為 91.0%；如果發電、產熱和 CO2三者並重，RoCa3 電廠的發電效率再略降為 41.9%(提供部分電力給 CO2 壓縮機使用)，包含產熱的整廠效率也略降為 88.1%。RoCa3 電廠在能源節約方面可達 20%，相當於減少 4 萬家天然瓦斯用戶；在 CO2減量方面，由每年 710 千噸減至 570 千噸，每年減少的 CO2排放量相當於 20,000 輛車子每年行駛 35,000 公里的 CO2總排放量。RoCa3 電廠的低氮氧化物(NOX)控制設備可控制氮氧化物排放值達 15ppm。在 NOX減量方面，由每年 530 噸減至 265 噸。

3-3 高雄臨海工業區

目前，國內最典型之「工業區能源與資源整合」方案為廠家聯合設置汽電共生廠，以供應各用戶所需之熱能(蒸汽)與電能，如大園汽電、新宇汽電等。此外，新近工業區，例如：新竹科學工業園區及南部科學工業園區，已整合供應園區用戶所需工業氣體(氧、氮、氬等)之供應商(聯華、三福、亞東等)。位處高雄臨海工業區內之中鋼公司，鄰近地區工廠林立，自 1993 年起，為因應「區域性能源整合」以提升整體能源使用效率及資源最有效利用之發展潮流，於是開始積極推展以中鋼公司為核心之工業區能源供應網。圖 4 為臨海工業區之區域性能源供需整合示意圖，中鋼公司目前外售之公用流料除汽電共生系統之產出蒸汽外，尚有氧氣、氮氣、氬氣以及焦爐氣等。於整合的過程中，亦同時達成提高能源使用效率、減少資源耗用和降低區域內汙染排放量等目的，而有效降低環境衝擊和改善環境品質。以 2002 年其外售蒸汽量為例，相當於每年節省 42,624 公秉的低硫燃料油【19】。中鋼公司於生產過程中伴隨產出大量之可燃性氣體(如焦爐氣、高爐氣、轉爐氣)及高溫廢熱；因此，中鋼公司於創建之初，即利用製程特性及能源需求條件，規劃充份回收利用可燃氣及廢熱，而大力推展汽電共生。中鋼公司是一貫作業鋼廠，其製程特性為能源密集度高，其中，電力及蒸汽之需求量高且變化幅度大，而製程中又伴隨產出大量可燃氣及廢熱，因此中鋼公司規劃完善的汽電共生系統。如此不僅可供應目前中鋼公司全部生產所需用電約 80％的電力，每年減少約 50 餘億元之電費支出，也滿足了生產所需之蒸汽和冷鼓風。若台電供電中

(18)

斷，則重要生產設備所需電力即由汽電共生系統供應，減少因斷電所造成生產中斷之損失。同時亦可防止高爐、轉爐、煉焦爐等重要設備損壞，並避免因停電而可能發生污染性氣體外洩事件【20】。再以中鋼公司氧氣工場為例，氣體分離單元一般可同時產出氧氣、氮氣、和氬氣，惟鋼鐵生產製程對氧氣之需求遠大於氮氣和氬氣之需求，故以氧氣為主產品，而氮氣、氬氣為副產品。一般而言，氬氣尚可於煉鋼製程有效利用，但氮氣卻無法充份回收利用，故亦亟需尋求整合工業區鄰近工廠之需求，藉互補有無，以減少資源的浪費。中鋼公司積極將臨海工業區推展成台灣第一個示範工業共生園區或進一步擴展成生態工業園區，整體能源營業額均呈現逐年成長趨勢。自 1997 迄 2003 年，其各項外售能源之營業額年成長率約 20~30%【19, 21】。與國外相比，國內在這方面之推廣應用，很顯然是供需雙方認為有其整合利基或經濟性，才在適當時機彼此《各取所需式》地自我整合，對於整個區域或工業區之能源資源，則未整體而有效地考量、整合，效果當然會大打折扣。有鑑於此，本計畫乃結合中鋼公司針對臨海工業區提出「區域性(工業區)能源與資源(供需)整合」研究，將此一供需整合理念應用推廣於國內，期能降低業者生產投資成本，提升國內業者之能源使用效率，增強國際競爭力。

四、研究結果

4-1 數學模式建立

任何工業產品的製造、分配、貯存都需消耗能源與資源，在此藉由數學模式之建立，研究工業產品的基本製程及能源消耗，以期能提高能源與資源的有效利用。數學模式主要是建立質量的物質流關係，並模擬物料與能量的投入與產品產出之間的平衡關係。 (一) 運算參數說明 數學模式的建立主要以生產製程之質量平衡與能量平衡為主軸。在質量平衡模式主要針對初始原料投入、中間原料投入、主產品、副產品、廢棄物等五個項目，而質量的經濟分析也以這五個項目作為分析對象。在能量平衡模式部分以六個項目為主，分別為：進料焓值、產出焓值、電力、蒸汽、燃料熱值及廢熱，在進行能量的經濟分析時，視能量使用種類，挑選該項目進行經濟分析。 (二) 質量模式建立

(19)

(1) 模式的邊界設定 在質量模式的邊界設定部分，由於化工製程的特性，是由許多單元程序所組合而成，因此利用該特性，模擬一個單元程序的質量流，藉由簡單的質量平衡，可清楚看到質量的流向，而模式的邊界設定也以此概念為基礎。而單元程序之間可串聯起來變成製程與製程間的連結。 (2) 質量平衡的項目設定 質量平衡模式建立的項目主要針對初始原料投入、中間原料投入、主產品、副產品和廢棄物等五個項目進行探討。由於化工業的製程複雜，常見多種原料加入，因此利用該特性，設定進料為初始進料及二次進料。而初始進料及二次進料投入的原料種類也不一，常達多種，在此設定初始進料會有n種的原料，而二次進料亦同。其質量平衡模式示意圖及符號說明如下：質量平衡模式示意圖符號說明

P

•

I

•

S

•

B

•

W

• X Ii ：初始進料 (kg/day) XSi ：二次進料 (kg/day) X Wi ：廢棄物 (kg/day) X Pi ：主產品 (kg/day) X Bi ：副產品 (kg/day) (3) 模式建立 在質量平衡模式的部份，主要以質量總投入量與產出量求其平衡，見式(1)：

I S

+ =

W P B

+ +

i i i i i (1) 其中， I i ：初始進料 (kg/day)， n 3 ij i=1 j=1

I

=

∑∑

(I)

i i 。i：進料項目。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 S i ：二次進料 (kg/day)， n 3 ij i=1 j=1

S

=

∑∑

(S)

i i 。i：進料項目。j：購入來源；j=1：

(20)

W i ：廢棄物 (kg/day)， 4 n ij i=1 j=1 W=

∑∑

(W) i i 。i：廢棄物型態；i=1：固體廢棄物，i=2：液體廢棄物，i=3：氣體廢棄物，i=4：製程不良品。j：廢棄物項目。 P i ：主產品 (kg/day)。 B i ：副產品 (kg/day)。 (a) 初始進料供給在初始進料供給的模式建立，主要以每日總供應率的計算為主(見式2)，而每日總供應率是由單項初始進料最大供應率、每日操作時間及負載百分比，三者相乘而得(見式3)。其中單項初始進料最大供應率設定三個供應來源，分別為區域提供、外購及自產。 n 3 daily daily _ij i=1 j=1

I

=

∑∑

(I

)

i i (2) n 3 max ij op i=1 j 1

=

(I

)

t

L

=

⋅

∑∑

i (3) 其中， daily

I

i ：初始進料每日總供應率(kg/day)。 daily ij

(I

)

i ：單項初始進料每日供應率(kg/day)。i：進料項目。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 max ij

(I

)

i ：單項初始進料最大供應率(kg/hr)。i：進料項目。j：購入來源，j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 top：每日操作時間(hr/day)。 L：負載百分比(%)。假設初始進料的進料項目有兩項，每日操作時間設為x，負載百分比設為y，

(21)

因此 n=2 , top= x (hr/day) , L= y (%)，帶入式(2)和式(3)中，可得，

daily daily ₁₁ daily ₁₂ daily ₁₃ daily ₂₁ daily ₂₂ daily ₂₃

I

=(I

)

+

(I

)

+

(I

)

+

(I

)

+

(I

)

+

(I

)

i i i i i i i

max ₁₁ max ₁₂ max ₁₃

= (I

_⎜

⎛

)

⋅

xy

_{⎟ ⎜}

⎞ ⎛

+

(I

)

⋅

xy

_{⎟ ⎜}

⎞ ⎛

+

(I

)

⋅

xy

⎞

_⎟

+

⎝

⎠ ⎝

⎠

i i i

max ₂₁ max ₂₂ max ₂₃

(I

)

xy

(I

)

xy

(I

)

xy

⎛

_⋅

⎞ ⎛

₊

_⋅

⎞ ⎛

₊

_⋅

⎞

⎜

⎟ ⎜

⎟

⎝

⎠ ⎝

⎠

i i i (b) 二次進料供給二次進料供給的模式建立，主要以二次進料每日總供應率的計算為主(見式 4)，而二次進料每日總供應率是由單項二次進料最大供應率、每日操作時間及負載百分比，三者相乘而得(見式 5)。其中單項二次進料最大供應率設定三個供應來源，分別為區域提供、外購及自產。 n 3 daily daily _ij i=1 j=1 S =

∑∑

(S ) i i (4) n 3 max ij op i=1 j=1 =

∑∑

(S ) ⋅t ⋅L i (5) 其中， daily

S

i ：二次進料每日總供應率(kg/day)。 daily ij

(S

)

i ：單項二次進料每日供應率(kg/day)。i：進料項目。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 max ij

(S

)

i ：單項二次進料最大供應率(kg/hr)。i：進料項目。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 top：每日操作時間(hr/day)。 L：負載百分比(%)。假設二次進料的進料項目有三項，每日操作時間設為x，負載百分比設為y，

(22)

因此 n =3 , top= x (hr/day) , L= y (%)，帶入式(4)和式(5)中，可得， daily daily ₁₁ daily ₁₂ daily ₁₃

S

=(S

)

+

(S

)

+

(S

)

+

i i i i

daily ₂₁ daily ₂₂ daily ₂₃

(S

)

+

(S

)

+

(S

)

+

i i i

daily ₃₁ daily ₃₂ daily ₃₃

(S

)

+

(S

)

+

(S

)

i i i

max ₁₁ max ₁₂ max ₁₃

= (S_⎜⎛ ) ⋅xy_{⎟ ⎜}⎞ ⎛+ (S ) ⋅xy_{⎟ ⎜}⎞ ⎛+ (S ) ⋅xy⎞_⎟+

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i i i

max ₂₁ max ₂₂ max ₂₃ (S ) xy (S ) xy (S ) xy ⎛ _⋅ ⎞ ⎛₊ _⋅ ⎞ ⎛₊ _⋅ ⎞₊

⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i i i

max ₃₁ max ₃₂ max ₃₃ (S ) xy (S ) xy (S ) xy ⎛ _⋅ ⎞ ⎛₊ _⋅ ⎞ ⎛₊ _⋅ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ i i i (c) 主產品與副產品的產出在主產品與副產品產出的模式建立，主要以主產品日產率(見式 6)及副產品日產率(見式 7)的計算為主。 daily max _op

P

= P

⋅

t

⋅

L

i i (6) daily max _op

B

= B

⋅

t

⋅

L

i i (7) 其中， P i daily：主產品日產率(kg/day)。 P i max：主產品最大產率(kg/ hr)。 B i daily：副產品日產率(kg/day)。 B i max：副產品最大產率(kg/hr)。 top：每日操作時間(hr/day)。 L：負載百分比(%)。

(23)

(d) 製程廢棄物的產出在製程廢棄物產出的模式建立，主要以廢棄物每日總產出率的計算為主(見式 8)，而廢棄物每日總產出率主要由單項廢棄物最大產出率與每日操作時間及負載百分比，三者相乘而得(見式 9)。在式中，將廢棄物型態分成四個項目，分別為固體、液體、氣體及製程不良品。 4 n daily _daily _ij i=1 j=1

W

=

∑∑

(W

)

i i (8) 4 n ij op max i=1 j=1

=

∑∑

(W

)

⋅

t

⋅

L

i (9) 其中， daily

W

i ：廢棄物每日總產出率(kg/day)。 ij daily

(W

)

i ：單項廢棄物每日產出率(kg/day)。i：廢棄物型態；i=1：固體廢棄物， i=2：液體廢棄物，i=3：氣體廢棄物，i=4：製程不良品。j：廢棄物項目。 ij max

(W

)

i ：單項廢棄物最大產出率(kg/hr)。i：廢棄物型態；i=1：固體廢棄物，i=2：液體廢棄物，i=3：氣體廢棄物，i=4：製程不良品。j：廢棄物項目。 top：每日操作時間(hr/day)。 L：負載百分比(%)。假設四個型態之廢棄物項目均有一項，每日操作時間設為x，負載百分比設為y，因此 n=1, top= x (hr/day) , L= y (%)，帶入式(8)和(9)中，可得，

daily _daily ₁₁ _daily ₂₁ _daily ₃₁ _daily ₄₁

W

= (W

)

+

(W

)

+

(W

)

+

(W

)

i i i i i

11 21 31 41

max max max max

= (W

)

⋅

xy

+

(W

)

⋅

xy

+

(W

)

⋅

xy

+

(W

)

⋅

xy

i i i i

(三) 能量模式建立

(1) 模式的邊界設定

(24)

以電、燃料和蒸汽為主要使用項目，因此利用該特性，模擬單一單元程序中的能量流，藉由能量平衡，可清楚看到能量的流向，而模式的邊界設定也以此概念為基礎。而單元程序之間可串聯變成製程與製程間的連結。 (2) 能量平衡的項目設定 能量平衡模式建立的項目主要針對進料焓值、產出焓值、電能、蒸汽熱能、燃料熱值及廢熱等六個項目進行探討。其能量平衡模式示意圖及符號說明如下：能量平衡模式示意圖符號說明 W Q i W Q • I H • S Q • F Q • O H • E • XHI i ：進料焓值(kJ/hr) XHO i ：產出焓值(kJ/hr) X Ei ：電力(kJ/hr) XQ_S i ：蒸汽供應(kJ/hr) XQ_F i ：燃料燃燒熱(kJ/hr) XQ_W i ：廢熱(kJ/hr) (3) 模式建立 在能量平衡模式的部份，以質能平衡觀念建立能量平衡程式，見式(10)： W I S F O

H

+ +

E

Q

+

Q = H

+

Q

i i i i i i (10) 其中， I H i ：進料焓值(kJ/hr)。 n 3 n 3 I _ij _{I ij} _ij _{S ij} i=1 j=1 i=1 j=1 H =

∑∑

(I) (h ) +

∑∑

(S) (h ) i i i 。 h：單位質量焓值(kJ/kg)；hI：初始進料單位質量焓值(kJ/kg)； hS：二次進料單位質量焓值(kJ/kg)。 O H i ：產出焓值(kJ/hr)。 4 n O _P _B _ij _{W ij} i=1 j=1 H = P h + B h +

∑∑

(W) (h ) i i i i 。 hP：主產品單位質量焓值(kJ/kg)；hB：副產品單位質量焓值(kJ/kg)； hW：廢棄物單位質量焓值(kJ/kg)。

(25)

E i ：電力(kJ/hr)， 3 3 ij i=1 j=1 E=

∑∑

(E) i i 。i：時段；i =1：尖峰，i =2：半尖峰， i =3：離峰。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3 :自產。 S Q i ：蒸汽供應(kJ/hr)， n 3 S S ij i=1 j=1 Q =

∑∑

(Q ) i i 。i：蒸汽種類。j：蒸汽來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 F Q i ：燃料燃燒熱(kJ/hr)。 n 3 F F ij i=1 j=1 Q =

∑∑

(Q ) i i 。i：燃料種類。j：燃料來源； j=1：區域提供，j=2外購，j=3：自產。 W Q i ：廢熱(kJ/hr)。 (a) 電力供給在電力供給的模式建立，主要以電力每日總供應率的計算為主(見式11)，而電力每日總供應率是由單項電力最大供應率、單項電力操作時間及負載百分比，三者相乘而得(見式12)。其中電力供應時段的設定，參考台電的購電費率。台電的供電費率依據供應的月份及時段的不同，價格也有所差異。電力供應的月份分成夏月及非夏月，其中夏月又分三個計費時段，分別為尖峰、半尖峰及離峰；而非夏月部分，分成兩個計費時段，分別為半尖峰及離峰【22】。 3 3 daily _{daily ij} i=1 j=1

E

=

∑∑

(E

)

i i (11) 3 3 max _ij _{op ij} i=1 j=1 ( E ) (t ) L =

∑∑

i ⋅ ⋅ (12) 其中， daily E i ：電力每日總供應率(kJ/day)。 daily ij (E ) i ：單項電力每日供應率(kJ/day)。i：時段；i=1：尖峰，i=2：半尖峰，i=3：離峰。j：電力來源；j=1：區域提供，j=2：外購，=3：自產。

(26)

max ij (E ) i ：單項電力最大供應率(kJ/hr)。i：時段；i=1：尖峰，i=2：半尖峰，i=3：離峰。j：電力來源；j=1：區域提供，=2：外購，j=3：自產。 (top)ij：單項電力操作時間(hr/day)。i：時段；i=1：尖峰，i=2：半尖峰i=3：離峰。 j：電力來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 L：負載百分比(%)。假設供電月份為夏月，供電時段有三項，並有三個電力供應來源，負載百分比設為y，因此 L= y (%)，帶入式(11)、(12)中，可得，

daily daily ₁₁ daily ₁₂ daily ₁₃ daily ₂₁ daily ₂₂ daily ₂₃ E = (E_⎜⎛ ) +(E ) +(E ) ⎞ ⎛_{⎟ ⎜}+ (E ) +(E ) +(E ) _⎟⎞+

⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i i i i i i i

⎜

⎛

(E

daily

)

₃₁

+

(E

daily

)

₃₂

+

(E

daily

)

₃₃

⎞

⎟

⎝

⎠

i i i

3 3

max ₁₁ _op11 max ₁₂ _op12 max ₁₃ _op13 i=1 j=1 ( E ) t y (E ) t y (E ) t y + ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = _⎜ ⋅ ⋅ _{⎟ ⎜}+ ⋅ ⋅ _{⎟ ⎜}+ ⋅ ⋅ _⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

∑∑

i i i

⎛⎜(Emax)₂₁⋅t_op21⋅y⎞ ⎛⎟ ⎜+ (Emax)₂₂⋅t_op22 ⋅y⎟ ⎜⎞ ⎛+ (Emax)₂₃⋅t_op23⋅y⎞⎟+

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i i i

max ₃₁ _op31 max ₃₂ _op32 max ₃₃ _op33 (E ) t y (E ) t y (E ) t y ⎛ _⋅ _⋅ ⎞ ⎛₊ _⋅ _⋅ ⎞ ⎛₊ _⋅ _⋅ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ i i i (b) 蒸汽供給在蒸汽供給的模式建立，主要以蒸汽每日總供應率的計算為主(見式13)，而蒸汽每日總供應率是由單項蒸汽最大供應率、每日操作時間及負載百分比，三者相乘而得(見式14)。 n 3 S,daily S,daily ij i=1 j=1

Q

=

∑∑

(Q

)

i i (13) n 3 S,max ij op i=1 j=1

( Q

)

t

L

=

∑∑

i

⋅

₍₁₄₎ 其中，

(27)

S,daily

Q

i ：蒸汽每日總供應率(kJ/day)。 S,daily ij

(Q

)

i ：單項蒸汽每日供應率(kJ/day)。i：蒸汽種類。j：蒸汽來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 S,max ij ( Q ) i ：單項蒸汽最大供應率(kJ/hr)。i：蒸汽種類。j：蒸汽來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 top：每日操作時間(hr/day)。 L：負載百分比(%)。假設蒸汽種類有二項，每日操作時間設為x，負載百分比設為y，因此n=2, top= x (hr/day) , L= y (%)，帶入式(13)和(14)中，可得， 2 3 S,daily S,daily ij i=1 j=1 Q =

∑∑

(Q ) i i

S,daily 11 S,daily 12 S,daily 13

=(Q ) +(Q ) +(Q ) +

i i i

S,daily 21 S,daily 22 S,daily 23 (Q ) +(Q ) +(Q )

i i i

S,max 11 S,max 12 S,max 13 ( Q ) xy ( Q ) xy ( Q ) xy

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞

=_⎜ ⋅ _{⎟ ⎜}+ ⋅ _{⎟ ⎜}+ ⋅ _⎟+

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i i i

S,max 21 S,max 22 S,max 23 ( Q ) xy ( Q ) xy ( Q ) xy ⎛ _⋅ ⎞ ⎛₊ _⋅ ⎞ ⎛₊ _⋅ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ i i i (c) 燃料供給在燃料供給的模式建立，主要以燃料每日總供應率的計算為主(見式15)，而燃料每日總供應率是由單項燃料最大供應率、每日操作時間及負載百分比，三者相乘而得(見式16)。 n 3 F,daily F,daily ij i=1 j=1

Q

=

∑∑

(Q

)

i i (15) n 3 F,max ij op i=1 j=1

( Q

)

t

L

=

∑∑

i

⋅

₍₁₆₎ 其中， Q i

(28)

F,daily ij

(Q

)

i ：單項燃料每日供應率(kJ/day)。i：燃料種類。j：燃料來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 F,max ij ( Q ) i ：單項燃料最大供應率(kJ/hr)。i：燃料種類。j：燃料來源；j=1：區域 提供，j=2：外購，j=3：自產。 top：每日操作時間(hr/day)。 L：負載百分比(%)。假設燃料種類有二項，每日操作時間設為x，負載百分比設為y，因此n=2, top= x (hr/day) , L= y (%)，帶入式(15)和(16)中，可得， 2 3 F,daily F,daily ij i=1 j=1

Q

=

∑∑

(Q

)

i i

F,daily 11 F,daily 12 F,daily 13

=(Q

) + (Q

) +(Q

) +

i i i

F,daily 21 F,daily 22 F,daily 23

(Q

)

+

(Q

) +(Q

)

i i i

F,max 11 F,max 12 F,max 13

(Q

)

xy + (Q

)

xy + (Q

)

xy +

⎛

⎞ ⎛

⎞

=

_⎜

⋅

_{⎟ ⎜}

⋅

_{⎟ ⎜}

⋅

_⎟

⎝

⎠ ⎝

⎠

i i i

F,max 21 F,max 22 F,max 23

(Q

)

xy

(Q

)

xy + (Q

)

xy

⎛

_⋅

⎞ ⎛

₊

_⋅

⎞ ⎛

_⋅

⎞

⎜

⎟ ⎜

⎟

⎝

⎠ ⎝

⎠

i i i (四) 經濟效益模式建立 經濟效益模式的建立，主要目的是建立在整個能源資源供需鍊中，質量與能量的成本及收益之間的關係。在該模式中也建立成本計算的功能。於程式中輸入物料或能源供應來源及其他設定的參數，經計算後便可得到成本效益。 (1) 質量經濟分析 (a) 初始進料供給成本初始進料供給成本的模式建立，其概念主要以每日初始進料的成本支出為主。以單項初始進料每日供應率與原料價格相乘，可得到初始進料總支出。如式 (17)所示，其符號及意義說明如下：

(29)

n 2 daily C ij C ij i=1 j=1

I =

∑∑

(I

)

⋅

(I )

i (17) 其中， IC：初始進料總支出(NT/day)。 (IC) ij：單項初始進料原料價格(NT/kg)。i：進料項目。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購。 daily ij (I ) i ：單項初始進料每日供應率(kg/day)。i：進料項目。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購。假設初始進料項目有二項，購入來源也是二項(因自產原料在此不列入計算，所以購入來源假設為兩種)，因此 n=2，帶入式(17)中，可得，

daily daily daily daily

C 11 C 11 12 C 12 21 C 21 22 C 22 I = (I_⎜⎛ ) ⋅(I ) _{⎟ ⎜}⎞ ⎛+ (I ) ⋅(I ) _{⎟ ⎜}⎞ ⎛+ (I ) ⋅(I ) ⎞ ⎛_{⎟ ⎜}+ (I ) ⋅(I ) ⎞_⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ i i i i (b) 二次進料供給成本二次進料供給成本的模式建立，其概念主要以每日二次進料的成本支出為主。以單項二次進料原料價格與單項二次進料每日供應率相乘，可得到二次進料總支出。如式(18)所示，其符號及意義說明如下： n 2 daily C ij C ij i=1 j=1 S =

∑∑

(S ) ⋅(S ) i (18) 其中， SC：二次進料總支出(NT/day)。 (SC) ij：單項二次進料原料價格(NT/kg)。i：進料項目。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購。 daily ij (S ) i ：單項二次進料每日供應率(kg/day)。i：進料項目。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購。假設二次進料項目有二項，購入來源也是二項(因自產原料在此不列入計算，所以購入來源假設為兩種)，因此 n=2，帶入式(18)中，可得，

daily daily daily daily

S = (S_⎜⎛ ) ⋅(S ) _{⎟ ⎜}⎞ ⎛+ (S ) ⋅(S ) _{⎟ ⎜}⎞ ⎛+ (S ) ⋅(S ) ⎞ ⎛_{⎟ ⎜}+ (S ) ⋅(S ) ⎞_⎟

(30)

(c) 廢棄物處理成本廢棄物處理成本的模式建立，其概念主要以每日廢棄物總處理成本為主。以單項廢棄物每日產出率與單項廢棄物處理價格相乘，可得到單項廢棄物處理成本，並加總所有單項的廢棄物處理成本，即可得到廢棄物總處理成本。如式(19)~ (23)所示，其符號及意義說明如下： WC= WC1 + WC2 + WC3+ WC4 (19) WC1= n daily _1j p _1j j=1 (W ) ⋅(W )

∑

i (20) WC2= n daily _2j p _2j j=1 (W ) ⋅(W )

∑

i (23) 其中， WC：廢棄物總處理成本(NT/day)。 WC1：固體廢棄物處理成本(NT/day)。 WC2：液體廢棄物處理成本(NT/day)。 WC3：氣體廢棄物處理成本(NT/day)。 WC4：製程不良品處理成本(NT/day)。 daily ij (W ) i ：單項廢棄物每日產出率(kg/day)。i：廢棄物型態；i=1：固體廢棄物， i=2：液體廢棄物，i=3：氣體廢棄物，i=4：製程不良品。j：廢棄物項目。 (Wp) ij：單項廢棄物處理價格(NT/kg)。i：廢棄物型態；i=1：固體廢棄物，i=2：液體廢棄物，i=3：氣體廢棄物，i=4：製程不良品。j：廢棄物項目。假設四個型態之廢棄物項目均有一項，因此n=1，代入式(20)~(23)中，可得， 1 daily p daily p C1 1j 1j 11 11 j=1 W =

∑

(W ) ⋅(W ) =(W ) ⋅(W ) i i 1 daily p daily p C2 2j 2j 21 21 j=1 W =

∑

(W ) ⋅(W ) =(W ) ⋅(W ) i i

(31)

1 daily p daily p C3 3j 3j 31 31 j=1 W =

∑

(W ) ⋅(W ) =(W ) ⋅(W ) i i 1 daily p daily p C4 4j 4j 41 41 j=1 W =

∑

(W ) ⋅(W ) =(W ) ⋅(W ) i i (d) 廢棄物外售收入廢棄物外售收入的模式建立，其概念主要以廢棄物外售收入為主。以單項廢棄物每日產出率與單項廢棄物外售價格相乘，即可得單項廢棄物收入，並加總所有單項的廢棄物收入，可得到廢棄物外售收入。如式(24)~ (28)所示，其符號及意義說明如下： WR= WR1 + WR2 + WR3+ WR4 (24) WR1= n daily _1j r _1j j=1 (W ) ⋅(W )

∑

i (25) WR2= n daily _2j r _2j j=1 (W ) ⋅(W )

∑

i (28) 其中， WR：廢棄物外售收入(NT/day)。 WR1：固體廢棄物收入(NT/day)。 WR2：液體廢棄物收入(NT/day)。 WR3：氣體廢棄物收入(NT/day)。 WR4：製程不良品收入(NT/day)。 daily ij (W ) i ：單項廢棄物每日產出率(kg/day)。i：廢棄物型態；i=1：固體廢棄物， i=2：液體廢棄物，i=3：氣體廢棄物，i=4：製程不良品。j：廢棄物項目。 (Wr) ij：單項廢棄物外售價格(NT/kg)。i：廢棄物型態；i=1：固體廢棄物，i=2：液體廢棄物，i=3：氣體廢棄物，i=4：製程不良品。 j：廢棄物項目。假設四個型態之廢棄物均有一項，進行模式的展開，因此 n=1，帶入式

(32)

1 daily r daily r R1 1j 1j 11 11 j=1 W = (W

∑

) ⋅(W ) =(W ) ⋅(W ) i i 1 daily r daily r R2 2j 2j 21 21 j=1 W = (W

∑

) ⋅(W ) =(W ) ⋅(W ) i i (e) 主產品與副產品收入主產品收入之模式，以主產品日產率及主產品價格相乘為主，見式(29)。副產品收入之模式建立概念與主產品相同，以副產品日產率及副產品價格為主，見式(30)。 PR＝ P i daily x (Pr) (29) BR＝ B i daily x (Br) (30) 其中， PR：主產品外售收入(NT/day)。 BR：副產品外售收入(NT/day)。 P i daily：主產品日產率(kg/day)。 B i daily：副產品日產率(kg/day)。 Pr：主產品外售價格(NT/kg)。 Br：副產品外售價格(NT/kg)。 (2) 能量經濟分析 (a) 電力支出在電力支出的模式建立，其概念主要以電力供應率與電力價格相乘所得的成本為主。以單項電力每日供應率與單項電力價格相乘，可得到電力總支出。如式 (31)所示，符號及意義說明如下： 3 3 daily C ij C ij i=1 j=1 E =

∑∑

(E ) ⋅ (E ) ⋅( ) i

α

(31)

(33)

其中， EC：電力總支出(NT/day)。 daily ij

(E

)

i ：單項電力每日供應率(kJ/day)。i：時段；i =1：尖峰，i =2：半尖峰， i =3：離峰。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 (EC)ij：單項電力價格(NT / kWhr)。i：時段；i =1：尖峰，i =2：半尖峰，i =3：

離峰。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購，j=3：自產。 ( )α ：0.2778×10-3 kWhr/kJ。在此假設電力供應月份為夏月，供電時段有三種，電力供應來源假設也是三種，以此進行式(31)的模式展開。程式運算時，電力價格的設定依目前台電公布之電價為主。 3 3 daily C ij C ij i=1 j=1 E =

∑∑

(E ) ⋅ (E ) ⋅( ) i α

daily ₁₁ _{C 11} daily ₁₂ _{C 12} daily ₁₃ _{C 13}

= ( E ) ⋅(E ) ⋅( )+ ( E ) ⋅(E ) ⋅( )+( E ) ⋅(E ) ⋅( )

i i i

α α α +

daily ₂₁ _{C 21} daily ₂₂ _{C 22} daily ₂₃ _{C 23}

( E ) ⋅(E ) ⋅( )+ ( E ) ⋅(E ) ⋅( )+( E ) ⋅(E ) ⋅( )

i i i

α α α +

daily ₃₁ _{C 31} daily ₃₂ _{C 32} daily ₃₃ _{C 33}

( E ) ⋅(E ) ⋅( )+ ( E ) ⋅(E ) ⋅( )+( E ) ⋅(E ) ⋅( ) i i i α α α (b) 蒸汽支出蒸汽支出的模式建立較電力支出模式簡易，主要概念以每日的蒸汽總支出為主。以單項蒸汽每日供應率與單項蒸汽價格相乘，即可得蒸汽總支出。如式(32) 所示，符號及意義說明如下： n 2 S, daily S,C ij S,C ij i=1 j=1

Q

=

∑∑

( Q

)

⋅

(Q

)

i (32) 其中， S,C

Q

：蒸汽總支出(NT/day)。 S,daily ij

(Q

)

i ：單項蒸汽每日供應率(ton/day)。i：蒸汽種類。j：購入來源；j=1：區域提供，j=2：外購。

(34)

外購。假設蒸汽供應時段為兩個任選時段，購入來源假設為區域提供及外購蒸汽，因此n=2，帶入式(32)中，可得 2 2 S, daily S,C ij S,C ij i=1 j=1 Q =

∑∑

( Q ) ⋅(Q ) i S, daily 11 S,C 11 S, daily 12 S,C 12 = ( Q ) ⋅(Q ) + ( Q ) ⋅(Q ) + i i S, daily 21 S,C 21 S, daily 22 S,C 22 ( Q ) ⋅(Q ) + ( Q ) ⋅(Q ) i i (c) 燃料支出燃料支出的模式建立，主要概念以每日的燃料總成本為主。以單項燃料每日供應率與單項燃料價格相乘，即可得到燃料總支出。如式(33)所示，符號及意義說明如下： n 2 F, daily F,C ij F,C ij i=1 j=1 Q =

∑∑

( Q ) ⋅(Q ) i (33) 其中， QF,C：燃料總支出(NT/day)。 F, daily ij ( Q ) i ：單項燃料每日供應率(kg/day)。i：燃料種類。j：燃料來源； j=1：區域提供，j=2：外購。 F,C ij

(Q

)

：單項燃料價格(NT/kg)。i：燃料種類。j：燃料來源；j=1：區域提供， j=2：外購。假設燃料種類為兩種，燃料來源假設為區域提供及外購，因此n=2，代入式 (33)中，可得， 2 2 F, daily F,C ij F,C ij i=1 j=1 Q =

∑∑

( Q ) ⋅(Q ) i F, daily 11 F,C 11 F, daily 12 F,C 12 F, daily 21 F,C 21 F, daily 22 F,C 22 = ( Q ) (Q ) + ( Q ) (Q ) + ( Q ) (Q ) + ( Q ) (Q ) ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ i i i i (d) 電力外售收入若有設置汽電共生系統，即可進行電力外售收入。其電力外售收入的模式

(35)

建立如式(34)所示。其中(0.2778×10-3 )為單位換算，因為1 kJ＝0.2778×10-3 kWhr。 ER=

∑

= 3 1 i EMi × (Er) i × (0.2778×10-3) (34) 其中， ER：電力外售收入(NT/day)。

EMi：電力日產率(kJ/day)。i：時段；i =1：尖峰，i =2：半尖峰，i =3：離峰。

(Er) i：電力外售價格(NT/kWhr)。i：時段；i =1：尖峰，i =2：半尖峰， i =3：離峰。 (e) 蒸汽外售收入蒸汽外售收入主要以蒸汽日產率與蒸汽外售價格相乘，即可得知，如式(35) 所示。程式運算時，蒸汽價格依目前市場行情以600 NTD/Ton-steam計算。 QS,R=

∑

= × n i 1 i r S i M S , (Q , ) Q (35) 其中， QS,R：蒸汽外售收入(NT/day)。 QS, Mi：蒸汽日產率(ton/day)。i：蒸汽種類。 (Qs,r) i：蒸汽外售價格(NT /ton)。i：蒸汽種類。 (f) 燃料外售收入燃料外售收入主要以燃料日產率與燃料外售價格相乘，即可得知，如式(36) 所示。 QF,R=

∑

= n i 1 QF, Mi × (QF,r)i (36) 其中， QF,R：燃料外售收入(NT/day)。 QF, Mi：燃料日產率(kg /day)。i：燃料種類。 (QF,r)i ：燃料外售價格(NT/kg)。i：燃料種類。 (3) 淨收益

(36)

如式(37)～(39)所示。 NR=R－C (37) R= (PR+BR+WR )+ (ER+QS,R+QF,R) (38) C=(IC+SC+WC) + (EC+QS,C+QF,C) (39) 其中， NR：淨收益 C：成本 R：收益 IC：初始進料總支出(NT/day)。 SC：二次進料總支出(NT/day)。 WC：廢棄物總處理成本。 EC：電力總支出(NT/day) QS,C：蒸汽總支出(NT/day) QF,C：燃料總支出(NT/day) PR：主產品外售收入(NT/day) BR：副產品外售收入(NT/day) WR：廢棄物售出收入(NT/day)。 ER：電力外售收入(NT/day)。 QS,R：蒸汽外售收入(NT/day)。 QF,R：燃料外售收入(NT/day)。

4-2 公用設施汽電共生廠的熱電整合分析模式建立

在目前發電用能源中，燃煤火力佔有首要地位。因為煤炭較石油更廣布於世界，其蘊藏量高出石油六倍以上，約占化石燃料總儲藏量的 70%以上，是世界上儲藏量最豐富的化石燃料【23】，而且與其他燃料相比，煤炭之價格為最低，故可確保為發電用的穩定燃料。因此，燃煤火力發展除了燃燒粉煤發電機組之增設外，並朝向發展高效率之壓力式流化床鍋爐或煤炭氣化複循環發電等為目標【24】。汽電共生廠可將燃料的化學能轉換成電能輸出、或產生蒸汽作為加熱用途，

(37)

其中，燃料成本在整個汽電共生廠的操作成本中占有很大比例。然而，煤炭(粉煤)的燃燒速率遠比燃氣或重油慢，因此以煤炭為燃料時，如何使其能在短時間內完全燃燒，達到有效的能源利用，是很重要的課題。由於煤炭的成份複雜，而且受煤質特性及燃煤鍋爐設計等因素影響，煤炭燃燒釋放出之污染物亦較其他燃料嚴重。因此汽電共生廠在產生電能和熱能的同時，也排放相當多污染物，其對於環境傷害不容忽視。基本上，在燃煤實際應用前，若能由煤質特性預測其對鍋爐運轉及污染物排放等特性的影響，則可提供汽電共生業者在操作時之參考，以最符合經濟效益的條件運轉，將同時達到能源節約和污染防治兩大目的。此研究針對燃煤汽電共生系統之經濟效益進行分析，乃就一對一(一座鍋爐搭配一部發電機組)之燃煤汽電共生系統其經濟效益分幾方面來敘述；其一為運轉性質與運轉條件，包括了煤種、鍋爐負載、電熱比、契約容量和運轉操作時段；其二為運轉成本，因本研究所討論之中鋼公司設備已運轉多年，故在此並不考慮設備折舊年限。又為簡化問題並探討汽電共生系統中主要成本因素與收益之關係，故運轉成本僅討論燃煤成本、灰處理成本、空污成本、廠內用電成本和自用蒸汽成本。對於灰處理本，研究中對於灰品質與積灰效應忽略不計，亦不考慮煤種結渣效應影響業界之使用意願，而以工業分析所得之灰份含量比較運算。而汽電共生系統並不須自用蒸汽，故在此忽略這項因素，而廠內用電是指汽電共生系統運轉過程中所需用電，程式中是以鍋爐滿載時所產最大電量之 5%估算；最後為收入，包含了售電收入、售蒸汽收入和淨收益。接著說明效益評估方案，包含了一對一系統與二對二系統；以下將分別詳述之。 (一) 煤炭燃燒特性 粉煤燃燒的程序是先將粉煤與經預熱之一次空氣在粉煤機、粉煤管及燃燒器內混合，此時粉煤被預熱空氣加熱乾燥至 80

C

左右；接著由燃燒器噴口噴出時，再受到燃燒室內粉煤燃燒之火焰及爐壁之輻射熱與傳導熱等加熱作用，粉煤內部開始發生裂解反應。煤炭內之低碳氫化合物(揮發物)，先行釋放出來，此揮發物因其比熱較小，故容易與空氣發生引火燃燒；而裂解產生之高碳氫化合物分子因釋出不易，在煤粒內經聚合與重組反應而形成煤焦(char)，等揮發物揮發燃燒後，煤焦再與空氣進行不均勻之燃燒反應。煤炭成分對其燃燒特性與污染排放之影響，簡述如下: (1)水份含量較多時，會造成煤炭著火性不良，且水份氣化需吸收氣化熱，將使得熱損失增加。另會降低粉煤機之研磨能量，且需要較多高溫的一次空氣以乾燥煤粉，增加額外能量之輸入。 (2)灰份含量較多時，因其無法參與燃燒並放出熱量，故造成煤炭發熱量降低，

臨海工業區之區域性能源資源整合規劃(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告