畜牧業沼氣利用推廣

本文收錄於臺大農業推廣通訊雙月刊96期

文/國立臺灣大學動物科學技術學系 蘇忠楨助理教授

一、前言

在能源缺乏與地球溫暖化造成的極端氣候現象情況下,再生能源開發是目前減少環境污染與永續發展之重要研究方向之一,其中以生物能源為重點研發項目。生質能源以酵素、微生物分解等生化技術將生物質轉換為生質柴油、生質酒精等生質燃料或生質電力等能源。豬糞尿、廢水產生的沼氣可用作燃料或發電,可運用為鍋爐、汽車、瓦斯爐等燃料,或製成甲烷燃料電池,或再製為甲醇等化學物質。

動物糞尿在歐盟及日本等國家皆被視為綠色能源資源,利用厭氣消化方式使動物糞尿產生沼氣,純化後之沼氣用於汽電共生系統。沼氣技術除收集沼氣內可利用沼氣內 60% 至 80% 甲烷當能源外,尚需有脫硫技術,以大幅提升沼氣利用率,並降低溫室氣體排放量。而沼氣能源的運用目前在歐盟地區已成為第 4 大能源產業。沼氣如未加以妥善規劃處理,其中所含之甲烷所造成的溫室效應程度為二氧化碳的 21 至 25 倍,因此沼氣的汲取與運用攸關溫室氣體減量的成效。

國內養豬廢水厭氣處理後所產生之沼氣中約含 60.06% 至 76.95% 甲烷、 18.21% 至 26.71% 二氧化碳及 0.039% 至 0.103% 氧化亞氮。以在養豬隻總頭數 618 萬頭為例,平均每天約可以產生 618,000 m3 沼氣;又以每立方公尺沼氣經由沼氣發電機轉換可以生產 1.5 度電計算,則每天約可以生產 927,000 度電。使用 3.0 元/度費率計算,則每天約可以節省 2,781,000 元電費,可以直接且快速地降低養豬業之生產成本。

沼氣是有機廢棄物(包括動物糞尿、生活污泥及食品廠廢棄物等)經厭氣醱酵處理所產生之副產物,其與使用能源作物經微生物發酵所產生之酒精不同,所以沼氣利用為主要生質能源技術研發之重點。

德國與中國已經利用雞糞進行沼氣生產並應用於發電,因為糞便之厭氣消化不需要耗費電力能源,只要保持密閉厭氣環境,厭氣消化槽就會產生沼氣。糞便經過厭氣消化後所剩餘之殘留物質(其污染量已經降低)即為沼渣與沼液,可以充當液體肥料直接以機械施用於農地。如此,利用動物糞便可以同時獲得 (1) 沼氣發電及 (2) 液體肥料之雙重獲利,並同時 (1) 減少溫室氣體排放及 (2) 降低畜牧業生產成本。同時使用動物糞便、污泥、農業(稻殼、稻草、鋸木屑等)與工業(食品廠有機廢棄物、污水處理廠污泥及廚餘等有機垃圾)之有機廢棄物進行共同消化 (co-digestion) 處理,更可以提升 (1) 沼氣生產之效率與 (2) 沼氣中所含甲烷(乾淨燃料)之濃度。

二、國內沼氣利用技術瓶頸

國內畜牧場所產生之沼氣幾乎沒有加以利用,早期農政單位補助沼氣發電機皆因為未做好沼氣之脫硫與純化工作,致使沼氣中腐蝕性氣體(硫化氫)將沼氣發電機之金屬零件腐蝕而無法運作。沼氣一直無妥善利用之主要原因有二:(1) 畜牧場電價偏低,因農民之電價政府有補貼;(2) 沼氣脫硫問題無法解決,沼氣利用設備無法順利運轉。一般沼氣發電機要求沼氣中硫化氫濃度必須低於 200 至 300 ppm,因為硫化氫極易與金屬結合形成硫化物,所以沼氣中之硫化氫濃度應該越低越好,以延長發電機之壽命。巴西研究團隊曾進行評估研究,使用不同原料(酒糟、都市廢棄物及畜產動物糞便)生產沼氣之經濟效益,結果顯示使用酒糟、都市廢棄物及畜產動物糞便等原料生產沼氣之好處有二:第一為沼氣發電並併入電網之利益,其次為廢棄物可以得到妥善處理。巴西之研究報告也指出,利用上述三種廢棄物經厭氣消化所產生之沼氣,其平均成分為甲烷(40% 至 75%)、二氧化碳(24% 至 40%)、硫化氫(0.1% 至 0.5%)及氨氣(0.1% 至 0.5%)等,因為沼氣中含硫化氫經燃燒後會產生含硫之氧化物(二氧化硫、三氧化硫及硫酸根),皆被視為與空污有關之污染物。沼氣中氨氣經燃燒後所產生之氮氧化物也被視為有害健康與環境之污染物。

硫化氫濃度在 1 ppm 即可以被嗅覺察覺,硫化氫在低濃度 (< 10 ppm) 對眼睛及呼吸道具刺激性,暴露在中濃度硫化氫(10 至 50 ppm)下,可能會導致頭痛、頭暈、視力模糊、嘔吐等;暴露在硫化氫 70 至 150 ppm 數小時即會有輕度症狀,若暴露在硫化氫 400 至 700 ppm 達 30 分鐘,即會發生危險,若暴露在硫化氫濃度超過 700 ppm,在 30 分鐘內即會致命。

沼氣中之硫化氫經燃燒後會產生二氧化硫,美國環保署已經於 2009 年 12 月 8 日訂定新的空污標準,要求環境空氣中之二氧化硫排放濃度須符合法規之標準,即 24 小時內二氧化硫不得超過 50 至 100 ppb。職業安全與健康管理局 (OSHA) 規定,空氣硫化氫濃度上限值為 20 ppm,但是沼氣中硫化氫濃度約為 2,000 至 4,000 ppm,所以聯合國環境規劃署 (United Nations Environmental Programme, UNEP) 再生能源專案之沼氣系統指引中特別說明,沼氣必須要有硫化氫去除裝置,才能燃燒利用。

目前畜牧場僅在冬季時,將沼氣充當仔豬保溫燈之燃料,因為沒有經過脫硫程序,因此保溫等燃燒後會產生黑色之硫氧化物,不但會造成酸雨,也會縮短保溫燈及其他沼氣利用設備之使用年限。在夏季時,畜牧場廢水厭氣處理所產生之沼氣皆無利用,而直接排放於大氣中,變成溫室氣體排放。某些養豬場會在直接使用未經脫硫程序之沼氣充當燃料,但是沼氣燃燒所產生之硫氧化物卻常被農民所忽略,對於所產生之臭氣(二氧化硫氣味)也習以為常。沼氣中除甲烷外,尚含 16% 至 38% 二氧化碳,如果能將二氧化碳去除,則可以提升甲烷之濃度,使沼氣更具經濟價值。

三、沼氣利用關鍵技術–沼氣脫硫技術

目前三種主要之沼氣除硫方法包括:(1) 乾式氧化法(Physical Absorption):(a) 固體吸收法:使用顆粒狀氧化鐵、石灰以批次方式處理去吸收H2S;(b) 使用空氣與氧氣導入沼氣系統:2H2S + O2 → 2S0 + 2H2O (氧氣濃度在 6% 至 12% )。(2) 液體吸收法 (Liquid Absorption):(a) 物理高壓吸收法:沼氣 + 水 → 壓縮(60 至 70 kg / cm2)→ 使 CO2 與 H2S 溶於水中;(b) 物理低壓吸收法:沼氣→液態鹼性溶液 (NaOH) → 吸收CO2 + H2S;(c) 化學吸收法:沼氣 → FeCl3 直接加入污泥中→吸收 H2S。(3) 生物脫硫法 (Bio-desulfurization):(a) 生物洗滌槽 (Bioscrubber);(b) 生物濾床(Biofilter)(本研究團隊研發成果,並已經於 2009 年技術移轉);(c) 生物滴濾塔 (Biotrickling filter)。其他如升高厭氣消化程序之溫度至 55℃ 配合低水力停留時間 (HRT),雖可以獲得無硫化氫之沼氣,但是沼氣中甲烷濃度僅 29%。

目前最普遍使用的沼氣純化設備為「填充式洗滌塔」,其操作原理係藉由使用循環自來水,將沼氣中硫化氫溶於水中,並將水中之硫化氫以送風機,藉由打入大量空氣將硫化氫排到大氣中,以達到去除硫化氫之目的,此處理設備既耗水又耗電。國內及中國大陸亦有使用簡易式氧化鐵顆粒去除硫化氫,吸附效率約 16% 至 20%,吸附飽和之氧化鐵顆粒即必須要更換。本研究室團隊所研發之「沼氣生物脫硫技術系統」裝置 ,已經於 2009 年技術移轉給國內廠商,並於 2010 年榮獲「第七屆國家新創獎」,目前正由廠商(祥瑞能源有限公司)在國內積極推廣中(圖一)。

圖一、國內 9,000 頭豬場實廠規模沼氣生物脫硫系統

四、沼氣純化技術

沼氣經過生物脫硫後還有約 16% 至 38% 二氧化碳,如果要提供汽車燃料使用或是併入天然氣系統,則沼氣中甲烷之濃度必須在 95% 至 98% 以上。二氧化碳去除方式包括水洗、聚乙二醇 (polyethylene glycol) 吸收、碳分子篩吸附及薄膜(分為:高壓氣體分離及低壓氣液吸收分離)(Biogas upgrading and utilization, IEA Bioenergy)。工業界已經開始利用碳分子篩膜(為多孔纖維),應用在工業氣體之分離,包括石化廠氣體(polypropene 與 polyethane)及沼氣升級到燃料規格等。其他學者也使用奈米碳管混合 polyethersulfone 之薄膜應用於沼氣之純化,以去除沼氣中之二氧化碳。

藻類具葉綠體可以行光合作用吸收二氧化碳,國外研究團隊已經使用實驗室反應槽 (0.45 L),利用微藻 Chlorella sp. 將沼氣中之 CO2 與 H2S 去除,去除率分別為 97.07% 與 100%,但是因為微藻採收成本高,未來大量生產成本仍偏高,產業化可行性較低。中國研究團隊嘗試將藍藻作為厭氣消化槽之原料以生產沼氣,結果顯示在平均溫度 20.2°C 發酵 66 天,產氣能力約為 487.3 至491.0 mL / g,沼氣中甲烷含量約為 64.9%。由此可見水生植物,經厭氣消化應該也可以產生沼氣,加上水生植物較容易打撈收集,收集成本低,未來產業化可能性較高。

本研究室團隊已經使用臥置式水生植物反應槽配合黑燈管加研發塗層或是使用全光譜燈管,可以有效去除 50% 以上之二氧化碳,金魚藻又可以作為厭氣消化之原料,以生產更多沼氣,降低二氧化碳排放量。未來應加大生物反應槽尺寸,以增加沼氣在反應槽內之停留時間,提升二氧化碳之去除效果。同時將金魚藻作為厭氣消化原料,使沼氣中二氧化碳一直在厭氣消化槽內循環利用。

五、國內沼氣利用之減碳效益

(一)沼氣發電經濟效益分析

苗栗縣竹南鎮某豬場(1,000 頭)自行裝設沼氣發電機(30 kW 發電機),場內設置沼氣生物脫硫裝置,夏季將脫硫後之沼氣用於發電,每日約可以發電 10 至12 小時,每日約可以發電 360 至 420 度。冬季則將脫硫後之沼氣提供為仔豬保溫燈燃料。

(二)沼氣用於廚餘之蒸煮與保溫經濟效益分析

桃園某豬場(1,000 頭)僅有 3 座厭氣槽,沼氣收集量不足,燃料油因而成為蒸煮廚餘之主要燃料;考量購買燃料油之成本,所以每天僅煮沸廚餘 0.5 小時,每月約需 3.75 萬元購買燃料油費用,即燃料油成本約為 45 萬元/年經過輔導後,另增加 3 座厭氣槽,使沼氣收集量增加。

完成設置沼氣生物脫硫裝置,經過生物脫硫設備後之沼氣,可以連續 24 小時持續用以廚餘保溫,沼氣為厭氣槽之副產物,只要有豬糞進入厭氣槽即會產生沼氣,為畜牧場內最經濟方便之再生能源。使用沼氣生物脫硫設備之設置費用為 45 萬元,抽氣馬達 24 小時運轉約需耗費 18,133 元/年(16.56 度/天 × 365 天/年 × 3.0 元/度),總成本約為 46.5 萬元,所以約一年可以還本。

豬場主人對於本此沼氣利用輔導工作表示,經過生物脫硫之沼氣經過燃燒後無嗆鼻氣味,也不會燻紅眼睛,表示經脫硫後之沼氣直接燃燒後,不會產生刺鼻與會燻眼之二氧化硫,有益身體健康此外,因為廚餘可以 24 小時持續保溫,使得豬場主人省去利用燃料油燃燒等待之時間(每天約 20 至 30 分鐘),一年則可省約 152 小時之等待時間,節省人力即節省成本。

不同廚餘養豬規模別及沼氣生物脫硫設備投資之經濟效益比較顯示,在養 1,000、2,000 及 3,000 頭養豬場直接使用沼氣充當鍋爐燃料(含熱水器),其投資成本之還本年限分別為 1.04、0.65 及 0.35 年(表一)。

表一、養豬場沼氣直接燃燒應用之經濟效益比較表

成本

廚餘養豬場規模(頭)

1,000

2,000

3,000

沼氣生物脫硫設備
(電腦全自動化)(千元)(A)

450

450

450

沼氣生物脫硫電費(千元)(B)

18.1

18.1

18.1

沼氣鍋爐 (C)

自備

自備

自備

燃料油 * (D)(千元/年)

450

720

1,350

還本年限(年)
(A + B + C) / D

1.04

0.65

0.35

* 燃料油成本依照養豬戶實際用油成本估算

(三)沼氣發電之減碳效益估算

本研究室團隊於 2009 年配合環保署自願性減碳專案輔導計畫執行,依據聯合國氣候變遷綱要公約 (UNFCCC) 之清潔發展機制 (CDM) 方法學,協助環科工程顧問公司建立國內第一本畜牧場溫室氣體減量計畫書:「平順養豬場糞肥處理系統沼氣回收溫室氣體減量專案計畫書」,而且已經獲得臺灣檢驗公司 (SGS) 之確證書。數據顯示在養 9,000 頭養豬場,使用一組 30 kW 沼氣發電機發電,則每年可以減少 3,163 tCO2 e/年,但是因為該牧場沼氣可以足夠提供 90 kW 發電機使用,以此推算則藉由沼氣發電,平均每頭豬可以減少約 1 tCO2 e/年。以在養 6,180,000 頭豬計算,藉由沼氣發電(依據每頭豬可以減少約 1 tCO2 e/年),則臺灣養豬業所產生的減碳效應,預估約為 2,470,000 tCO2 e/年(若是 40% 養豬場進行沼氣發電),未來畜牧產業經由沼氣利用,在環保署之「國家溫室氣體登錄平臺」之架構下與工業界進行「碳抵減」(圖二)。

圖二、國家溫室氣體登錄平臺網頁 (http://www.ghgregistry.tw/)

六、結論

畜牧場沼氣必須先經過去除硫化氫程序,才可以直接利用充當發電機、鍋爐及其他設備之燃料,也可以將沼氣中二氧化碳去除製成生質甲烷,成為天然氣供汽車或是家戶使用。藉由將甲烷進行燃燒氧化作用,以達到減少碳排放量之目的,政府應積極推廣沼氣生產與利用,以建立國內沼氣市場與世界再生能源產業接軌。

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