經濟部能源署-再生能源資訊網

我國能源長年仰賴外國進口，絕大多數能源為化石能源。大量使用化石燃料，引起嚴重環境汙染，如溫室效應、酸雨等環境問題。研究顯示當地球溫度平均增加2℃，將危害數百萬種類動植物，上百萬人流離失所。聯合國巴黎氣候高峰會會員國在2015年簽署，達成2100年前全球平均氣温上升不超過2℃，並努力控制在1.5℃內的目標^[1-3]。因此使用再生能源、生質能源取代化石燃料，以降低溫室效應。

相對化石燃油，生質燃料具有較高的生物降解，較低毒性和更低的汙染物排放，並有與現有動力設備相容的使用特性^[3-8]。根據Utlu 和Kocak (2008) 年所做的研究，使用生質燃料可以降低14%CO2 排放量、17.1% CO排放量和22.5%總廢氣排量^{[9, 10]}。美國能源部於2006年時將生物燃油的生產歸類為目前立即可使用的技術，生質燃料也成為各國研究項目。

為提升生質能源料源、多元進料、提升生質燃料品質、數量及生質燃料自主化，使用生質廢棄物為料源為快速提升料源的方式。然而台灣地區生質廢棄物源料含水率高，利用傳統快速熱裂解方式，必須先將生質物做乾燥之手續並且將生物質置在缺氧狀態下，在極短的時間（0.5～5s）加熱到500～540℃，然後將其產物迅速冷凝。其主要產物是液體燃料（生物原油，bio oil），在常温下具有一定的穩定性，熱值約在16～18MJ/kg之間。傳統快速熱裂解技術產物熱質較低、水分含量高、含氧量高、油品品質不佳、需預先乾燥處理以及耗費能源。為解決上述缺點，故發展出水熱液化法技術，本文將介紹水熱液化技術。

水熱技術在不同溫度條件下可分作為水熱碳化、水熱液化兩種技術。

水熱碳化水熱液化法適用於含水率較高的生物質，在次臨界水的操作範圍內(如圖1中的II)，而可將生質物在180~270℃範圍內將生質物水解、脫水、碳化，產製高熱質生質碳。

水熱液化法在次臨界水的操作範圍內(如圖1中的III)為水解反應。反應溫度約略為275-370℃之間，壓力操作範圍在40-220bar 之間。水的離子積增加(如圖2)，高度離子化的水可作為一種催化劑、脫氧劑，有利於生物質有機物水解，提高水熱液化油產率與熱值。

圖1：水熱液化反映的操作範圍

圖2：水溫度變化與離子積變化

水熱液化操作於高壓條件下，升溫時水分保持液體狀態，所以焓值變化與熱能需求較小，在25MPa的高壓下，將水由常溫液態溫度升溫至300℃液態時之能耗，較常溫液態水加熱至100℃水蒸氣時，節省40%熱量，說明如圖3。

圖3：水溫度與焓值變化

應用水熱液化反應進行能源轉換，目的是為了克服大部分生質廢棄物中高含水率問題，相較於生質物氣化(gasification)、熱裂解技術(pyrolysis)而言，本技術可以省去龐大加熱乾燥的成本，因此可以將各種高含水率料源直接進行轉換，例如：動物排泄物、廢水處理廠之有機污泥、廚餘、農業廢棄物等，可得到高熱值、低含氧量、低含水率生質炭、或生質燃料油，熱值29-35MJ/Kg、含氧量10-15%、含水率5-10%，優於傳統熱裂解油熱值約14-20MJ/Kg、含氧量35-40%、含水率約15-30%^[11] 。

德國sun coal 公司利用造紙業污泥，發展出水熱轉化技術，利用高溫機械擠壓脫水乾燥(能耗為熱乾燥法25%)轉製成生質碳，取代化石碳使用。芬蘭Valmet利用此技術於2016年建置規模60,000 ton/y示範場域。設備如圖4。

德國、瑞士合資之AVA-CO2公司，利用下水道有機污泥90分鐘水熱碳化反應時間該公司獲得德國水熱碳化技術產業化許可2010年建立投產，年處理量10,800 DM ton/y 批次生產。

德國 TerraNova 公司利用利用濕式生質廢棄物如廚餘、污泥等，利用燃油加熱方式，將生質廢棄物轉至生質碳使用，8,000 ton/y 產量。

圖4：sun coal 公司水熱碳化設備

金屬中曾經利用水熱碳化技術針對養菇廢太空包轉製生質碳進行研究，研究顯示出廢太空包經過水熱碳化後其熱質、灰份比原先廢太空料源品質提升許多，含水率約70%太空包廢棄物經水熱技術轉化後，biochar表面呈現孔洞狀結構，而與化石碳品質相比較，其H/C、O/C比接近化石碳品質，結果摘要表1，及圖5-6。

圖5：SEM 水熱碳表面

圖6：廢太空包水熱化生質碳品質比較

由上述國內外相關研究顯示出，水熱碳化技術無論是將生質物轉化成燃料碳，或是活性碳等產品，皆具有廢棄物資源化，循環經濟高質化產品之目的。

美國能源部西北太平洋國家實驗室(PNNL)近年來發展出水熱液化技術，能快速將藻類轉化成生質油。利用生質濕式廢棄物產生生質燃油為研究重點之一。PNNL將固含量約為10%至20%的藻類混合物進入348.8℃，反應壓力達到20.5MPa的反應器中，反應1小時後，利用重力分選，可將原油從水中分離。目前PNNL發展至1公升級連續流處理設備[12]，如圖7。

圖7：PNNL 水熱液化法產出生質燃油連續流設備

由上述國內外相關研究顯示出，水熱碳化技術無論是將生質物轉化成燃料碳，或是活性碳等產品，皆具由廢棄物資源化，循環經濟高質化產品之目的。

2013年丹麥奧爾胡斯大學和丹麥奧爾堡大學，開發具有高效能的水熱液化法 (HTL）利用濕式生物質燃料轉化成生質油連續流式處理設備，如圖 8 。在高溫高壓的反應器中，生質物放置在預先加熱到400℃環境下，反應15分鐘，立即降溫至70℃^[13]。產出之生質油與不同種類油比較，其成分低含硫量、低含氧量、及高碳氫比，優於一般裂解油，與一般化石燃油成分類似，如圖9。

圖8：丹麥奧爾胡斯大學和丹麥奧爾堡大學連續流式HTL技術設備

圖9 : 丹麥奧爾胡斯大學和丹麥奧爾堡大學HTL技術產出粗油品質比較

該技術稱能處理廚餘、濕式農作物、污水污泥、堆肥、植物材料等各種濕式料源。麥奧爾胡斯大學和丹麥奧爾堡大學相互簽署備忘錄繼續發展此技術^[14]。

澳洲MURADEL公司的主要技術稱為Green2Black，垂直整合了養殖、收成以及轉化技術，如圖10。該公司在水池裡用海水養殖海藻，再以專利的電聚合技術加速微藻收成並脫水，置於熱轉化反應器中以次臨界溫度將微藻轉化為粗油，其HTL反應技術設備如圖11^[15]。

圖10：澳洲MURADEL公司Green2Black技術

圖11 : 澳洲HTL連續反應設計圖

最後再從粗油萃取出不同的化學物質作為能源之用。MURADEL表示G2B技術已經成熟，產生的粗油品質與產量將可以與澳洲的石化原油競爭。

2014年11月，MURADEL已經在南澳州、艾爾半島東岸的海港城市懷阿拉啟用第一座Green2Black示範工廠。這個示範工廠的資金主要來自於澳洲能源署。此工廠為澳大利亞的第一座藻類生質燃油的工廠。總造價1,070萬美元的示範工廠，每年可生產三萬公升的生質粗油。

生質能源在各國已積極發展，水熱液化技術為近年來新興發展技術，無論在歐洲、美洲、亞洲等地區皆在積極發展，不須將生質物乾燥處理以及再生燃料優於傳統裂解油、煤炭，為水熱技術之主要優點。雖然目前部分的水熱技術技術在模場實驗階段。但在未來生質能源快速發展趨勢之有利條件下，水熱液化技術將會快速發展，並在未來朝向商業化技術推動。

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