○文/本刊通讯员 江小雯 阎桂兰

台湾生物质燃料技术发展概况

○文/本刊通讯员 江小雯 阎桂兰

台湾生物质热电燃料利用可分为废弃物发电及生物质能发电，其中废弃物发电以垃圾焚化炉为主，包括以一般废弃物为燃料的汽电共生厂设备。生物质能源发电则指以沼气及农林材料，如蔗渣、稻壳、薪材、黑液等废弃物发电。目前，岛内科研机构和相关企业正在配合台当局“焚化炉转型生物质能中心”规划，积极开展城市垃圾的生物质利用研发，包括生活垃圾材料机械分选、造粒及焙烧等技术研发，以便将城市垃圾生物质部分转制成生物质煤炭，用作发电锅炉燃料。

生物质燃料技术近期发展重点

在农工废弃物方面，则依据各项生物质材料种类及供应情况，开展造粒、焙烧及裂解等生物质物热化学转换技术研发，如柳桉、柳杉、稻草、香菇太空包、银合欢、刺竹等生物质料源造粒及焙烧技术试验，目前已开发出45公斤/小时的干燥与焙烧整合先导系统。而在较大规模生物质焙烧技术开发方面，台当局环境保护部门已规划在2017年建立处理量60吨/日的示范系统。

迄今，岛内科研机构和相关企业分别以柳案、柳杉、刺竹、咖啡渣等生物质材料为料源，进行快速裂解技术开发及油品改质工作，希望将裂解生物质油品利用于工业燃油锅炉中，替代部分工业燃油，目前已开发出1.44吨/日规模的流体化床裂解反应器(BFB)先导系统。另在实用技术方面，造纸企业所拥有的RDF-5生物质燃料热电利用的相关商用造粒技术与其后端生物质热电应用技术也日趋成熟稳定，是岛内目前生物质能源利用的成功案例。

台湾沼气来源除养猪废水处理外，以家庭污水、城镇垃圾及各行业废水(或有机污泥)为大宗；其中城镇垃圾以掩埋场为主，各行业废水废物则来自食品业、造纸业等。沼气回收再利用包括直接燃烧作为热能、产生电力或作为车用燃料等。目前岛内商业应用方面，除利用垃圾掩埋场产生的沼气发电外，部分养猪企业及食品企业已装置沼气发电设备，也有企业将沼气导入锅炉，产生蒸汽供厂区制程使利用。

沼气发电程序包括收集、纯化前处理与引擎发电，其中沼气自废水处理产出，利用集气袋收集与储存，再经由纯化前处理去除腐蚀性气体(如硫化氢)，之后导入沼气引擎发电机产生电力，并通过控制盘输出电力使用。沼气中常含有硫化氢成分，属于腐蚀性气体，会对管线与机具造成腐蚀，导致维护成本大增，甚至损伤设备，因此常采用水洗脱硫与生物脱硫等沼气纯化技术。

目前岛内使用的沼气引擎分为两大类，一类为沼气引擎，另一类为微型涡轮机；前者与一般燃油或天然气引擎有些许不同，其化油器、火花塞间隙及点火正时必须适当修改，但保养方式与一般引擎无异。微型涡轮机具备连续运转时数长、操件简单、维护便利等优点，但沼气进入微型涡轮机前需要除水、加压等程序，耗用电力较大，影响电力净产出量。沼气发电技术可分为同步并联发电与感应发电，前者多运用于大规模沼气量的场所，例如大城市的垃圾掩埋场，发电规模可达兆瓦以上；感应发电技术则多运用于小规模沼气量的场所，如养猪场、中小型工厂。

与沼气同属于生物燃气的生物质氢，其热电利用包括氢引擎与氢燃料电池；此技术通常应用于中小规模生物质氢的场所，例如生活污水处理厂、中小型工厂(食品、饮料、酿造工厂)等。

表1 岛内外技术发展指标对比

运输用生物质燃料应用技术

运输用生物质燃料技术开发，主要包括生物质柴油与生物质醇类技术两类，其中生物质醇类与木质纤维素解聚技术相同。至于生物质柴油的研发能力，除微藻产油技术(参见下节富油脂藻类养殖/采收技术)外，岛内研发重点则已由原先的甲醇碱催化(氢氧化钠)低温常压转脂化技术转至注重多元生物质料源转酯制程建立与其经济评估，包括固态催化床与超临界流体转酯化制程技术开发，预计可达到生物质柴油产率＞95%，回收甘油纯度＞95%及新型催化耐久性＞6,000小时等前瞻效益。

木质纤维素解聚/生物质醇类技术

目前岛内木质纤维素解聚技术尚处于研发验证阶段，主要目标系以整合上游木质纤维素料源供应，提供具竞争力的本地产料源，降低生产成本，提高能源产出/投入比，以及建立吨级先导平台。近年来技术发展重点包括开发高效率、低成本的创新化学水解(离子溶液)及分离纯化技术，与建立前处理酵素水解等两方面，水解后并应用于下游醇类发酵以产制生物质燃料。

在后续醇类发酵技术方面，目前以开发具竞争力的纤维素酒精/丁醇技术为主，研发着重于提升醣类发酵效率、增进微生物/酵母菌在发酵环境的耐受度、提高醇类分离纯化效率、整合水解与发酵制程，以及整厂能资源整合及再利用技术等，并根据先导厂的研究结果，进行商业化工厂应用评估及推动企业建厂。一些研究机构通过研发离子溶液化学解聚产醣技术结合丁醇生产技术，于2014年衍生推动出新创企业，使纤维素丁醇技术逐步迈向产业化的发展。

富油脂藻类养殖/采收

由于微藻的生长速率较植物快速，在各种生物质物中，微藻具有生长快速、可吸收二氧化碳、无毒性且不与粮争地等特性与优点，适合作为生物质燃料资源作物加以开发，可作为生物质柴油、生物质醇类或生物质燃油等料源。国际上未达微藻生物质柴油商业化生产，主要由于油脂微藻在养殖及下游程序成本与投入能耗偏高所致。

依据经济评估，投资成本以微藻养殖设施所占比例最高，约整体所需成本60%，而微藻破壁/萃油则为能源消耗最多的程序，约占总能耗70%至80%。因此首要课题即为如何降低微藻养殖成本及开发低能耗微藻破壁/萃油技术。有鉴于此，近期岛内技术发展重点包括低成本模组化袋式微藻养殖系统及大规模养殖、低能耗微藻生物破壁/藻油萃取与藻体残渣高值化技术等，并结合岛内厂商进行微藻生物质燃料规模化量产示范等。

表2及表3分别为台湾岛内定置型生物质能发电及热利用技术与运输用生物质燃料技术及未来的发展时程。未来在扩大生物质物料源方面，若掌握生物质物应用技术，将可创造并扶植相关产业，包括机械设备业、能源工程、环保工程与废弃物资源回收企业，另一方面，配合台当局现有政策，如提高再生能源比例、开发自产能源、废弃物处理、休耕农地再利用、降低二氧化碳排放等，可引导开创岛内生物质能技术的研发与产业。

表2 岛内定置型生物质能发电及热利用技术发展时程

表3 岛内运输用生物质燃料技术发展时程

生物质燃料料源技术发展现况与成果

固态废弃物衍生燃料技术

台湾工研院自1999年起开始研发固态废弃物衍生燃料(简称RDF-5)技术，2001年建立先导型实验工厂，其后完成多项废弃物制成RDF-5可行性试验及混烧性能验证，还在花莲县丰滨乡建造完成岛内第一座城市废弃物固态衍生燃料制造示范厂，并于2004年6月正式启用，完成示范运转，处理量为1000千克/小时。

图1 采用城市发固态废弃物衍生燃料的新式锅炉

自2002年迄今，该项技术已授权转让8家岛内厂商。现阶段，岛内以工业废弃物为原料的RDF-5厂共有5家，总产能为14万吨/年，产值新台币2.1亿元/年。同时，台湾工研院已完成移动式生物质材料造粒设备研发，验证其在农林材料堆置场作业的可行性，对于生物质物体密度提升有明显助益，有利于燃料运输与储放，以及推动分散式生物质料源体系运作。未来，此技术也可整合应用于台当局环保部门规划的“焚化厂转型为生物质能源中心”，推动区域性生物质燃料制造与应用网络，带动生物质能产业投资商机，扶植本土再生能源生物质能应用产业发展。

生物质燃料焙烧技术

目前，岛内生物质燃料焙烧技术已完成实验室规模试验与分析，并建立焙烧系统先导厂。在2012年建立45千克/小时的旋转窑干燥和焙烧整合系统，并完成农林材料(柳杉木、稻秆与菇包废料混合颗粒燃料)及城市垃圾的焙烧实验研究。在混合料源颗粒燃料焙烧研究结果中，产品热值可提升20.7%，热值可达4800千卡/千克，能源产出投入比为2.44。另外，台湾大学相关科研人员也完成30千克/小时的连续式低温裂解产制固体替代燃料先导设施建设，以生活垃圾经蒸煮机械分选后的生物质纤维、木本类(柳杉、铵树)与稻秆等作为原料，并进行低温裂解测试，验证焙烧技术在岛内发展的可行性。

富油脂藻类养殖/采收

台湾地处亚热带，四面环海，西部沿海地区气候适合藻类养殖，微藻养殖可增加生物质燃料料源，并兼具二氧化碳吸收或废水处理的效益。此外，若配合南部沿海废弃盐田与沿海及近海地区未开发土地进行油脂藻类养殖，更可解决农地不足和生物质燃料料源缺乏问题。台湾水域中普遍存在的绿藻（学名Botryococcusbraunii）及硅藻（Nitzschia palea），其油脂含量在40wt%以上，极具潜力成为生产生物质柴油的原料。藻类油脂除可作为生物质柴油料源外，萃取油脂所剩余的藻体，可直接作为动物饲料添加物，或经快速裂解产制出可替代锅炉用油的生物质燃油，进而降低生物质柴油产制成本。

在开发微藻生物质能源上下游技术方面，岛内多家公司已合作完成户外养殖试验，开发出尖峰产率可达41.6克/平方米/日，且经年产率达20克/平方米/日以上的吨级模组化袋式微藻培养原型系统，以及含油量达70wt%的基改微藻开发。此外，也还研发出自厌氧发酵产氢与甲烷系统，将生物性二氧化碳用于培养微藻，开创另一油藻来源。

在下游技术研究方面，已完成采收浓度达150克/升及能耗0.34千瓦小时/立方米多层带滤采收系统与油脂萃取率＞90%的高压二氧化碳湿藻泥连续萃取技术开发，并依据研究成果，模拟年产10,000吨藻油制程放大工程概念设计与经济评估，以提供微藻产油技术开发规划。通过此项研发计划，与台湾水试所东港生技中心合作共同开发微藻生物质能技术，并已于2012年11月底在屏东县东港生技中心举办联合成果发表会，展现成果已具世界水准，对将来微藻生物质能源量产奠定基础。

图2 采用生物质燃料锅炉的焙烧原理

图3 采用生物质燃料焙烧系统的设计方案

2012年起，台湾科技人员就排放的烟道气进行微藻固碳与利用技术研究，建立模组化袋式光合反应系统作为微藻培养系统，并进行户外的微藻固碳培养、采收探讨与能源应用评估；同时，为提升其经济效益与竞争力，以类似“植物工坊”方式培养含高单价物质微藻，规划其整体产业应用模式，吸引有兴趣厂商投入相关研究与投资，作为微藻能源于短期间内可兹应用及推动模式。

现阶段岛内研究机构正在针对微藻能源利用关键技术积极研发，短期若成功研发出高效率低成本光合反应系统、低能耗(能耗降至微藻热含量20%以下)与成本的下游采收萃油技术，将可应用于适合微藻生长区域，以获得低成本藻体(小于新台币35元/公斤)，克服藻类能源应用障碍，具有国际竞争能力。若在沿海电厂附近设置养殖场，更可利用藻类光合作用，每公顷每年可减少二氧化碳气体排放40至80吨；若建立可行微藻生物精炼模式与产业发展，更可形成一巨大微藻固碳及产业利用模式，且可扩展至海外应用。

生物质燃料转换技术发展现况与成果

木质纤维素生物质醇类燃料技术

由于目前岛内尚无生物质醇类厂，为评估生物质酒精于岛内实施的可行性，台当局自2007年9月推动“绿色公务车先行计划”，在台北市规划设立8座加油站，以双轨模式提供E3酒精汽油(即市售车用汽油中掺配3%生物质酒精)供民众选用，且规定位于台北市内的公务机关适用车辆必须使用E3酒精汽油。

此外还规定，自2009年7月起推动北高都会区E3推动计划，在高雄市新增6座加油站，台北高雄两市总计14座加油站以双轨模式提供E3酒精汽油供民众选用。为推广其使用，还提供其他优惠措施给车主。因现阶段岛内缺乏自产料源和生物质醇类制造厂，以及老旧车辆使用生物质醇适用性有顾虑等问题，因而持续在北高两市14座加油站进行E3酒精汽油示范运行工作。未来在自产供应系统建设完成后，将可推动全面供应生物质醇类计划，以促进相关产业发展。

纤维素醇类技术为世界各国和地区所重视的生物质燃料转换研发项目，对木质纤维素衍生醇类燃料技术尚处于前期研发阶段，目前台湾核能研究所已完成吨级纤维酒精测试厂的设立，研发重点为吨级测试纤维酒精量产技术与制程技术开发，以同步水解与发酵程序为吨级厂测试方向，验证整厂运转的顺畅性及改善各单元系统的效能，以提升单位纤维原料的酒精产量与降低制程成本，并规划建设日处理量30吨生物质料源的纤维酒精示范厂，作为后续建立年产量1亿升纤维酒精商转厂的基础。

该所还完成木质纤维素离子溶液化学解聚产醣技术研究，用以进行生物质丁醇生产技术的制程开发，因其创新技术、高转化效率、低成本等优势，极具全球竞争力，并获得2013年全球百大科技研发奖(2013 R&D 100 Award)肯定。该所现正在与企企业合作，希望通过先导吨级木质纤维素离子溶液解聚产醣系统，结合新制程生物质丁醇先导厂的设立，以完成生物质丁醇技术新制程最适规模、能源效益及生产成本等相关评估，作为后续设立新制程生物质丁醇商业化工厂工程设计与研发制程技术的基础。

厌氧发酵/光合作用产氢

国际上研究生物产氢技术已有数十年历史，台湾投入该领域研究也超过10年，由研究趋势来看，理论基础已趋于完备，现今各国和地区正在积极研发应用性和实用化技术。目前对生物质产氢研究开发已从单一人工基质基础研究逐渐转向开发新一代非粮料源应用技术。例如岛内高校研究机构针对啤酒厂废麦粕及废酵母等固态废弃物，进行生物产氢与产甲烷串联的研究。其他一些企业也在开展复合生物产氢技术开发，针对产业废水与废弃物进行生物转化回收制造氢气能源，已完成多种不同产业排出有机废水氢能回收评估，并开始进行产氢程序开发。

图4 生物质燃料生产设备

台湾部分科研机构在本土产氢菌种筛选、产氢生物反应器设计及菌种结构分析等厌氧生物技术方面已获得出色成果，所开发的颗粒污泥/固定化细胞系统的发酵产氢技术，使用简单分子(蔗糖)发酵的产氢速率高达360升/升/日，而大分子(淀粉)发酵的产氢速率高达48升/升/日，并于2005年开始厌氧生物氢能技术产业化应用研究，建立1座0.4吨规模生物产氢模场，并成功开发高速率厌氧生物产氢模场技术，且完成0.4吨产氢槽、2.5吨甲烷槽与0.2吨微藻固碳槽先导工场，并在2011年将其升级为绿色氢加氢站，提供氢燃料电池车加氢示范之用。目前已将技术推广至企业，正在兴建生物产氢示范验证厂，进行饮料废水生物产氢转化收回生物质能源技术商业化评估工作。

生物质柴油制造技术

依台当局“石油管理法”第38条规定，生物质柴油系指以动植物油或废食用油脂，经转化后所产生的酯类，直接使用或混合市售柴油使用作为燃料。目前岛内企业已掌握利用废食用油转换为生物质柴油技术，台当局规定自2010年起，岛内贩售车用柴油必须掺配2%生物质柴油(B2)，生物质柴油年使用量约1亿升。现阶段台当局正在努力扩大岛内油脂原料来源，积极规划推动休耕地、云彰黄金廊道等用于能源作物栽种，并组织开展微藻产油等关键技术开发，希望能提高生物质柴油自主原料来源。

目前岛内商业化应用所使用的制造技术为转酯化反应，即利用醇与三酸甘油酯化学反应，依使用催化型态可区分为均相催化与非均相催化，其商业化制程以均相催化碱制程为主，但因生产流程复杂、需回收醇类、难回收酯化产物、产生废碱液、耗能较高等问题，近年来已朝非均相催化催化转酯化技术发展。以利用微生物分泌的脂肪分解酵素(也称脂肪酶)为生物催化及固态酸、碱催化为例，优点为反应条件较温和且产物回收容易，然而非均相催化催化活性较低，且容易受毒害而失活，故岛内尚无以非均相催化产制生物质柴油商业化生产厂。因此，开发高催化活性及使用寿命长的非均相催化为重要研究课题。

有关生物质柴油制造生产与应用方面，台湾在2004年建立岛内第一座3000吨/年以上的生物质柴油生产示范厂。目前岛内已核准生产生物质柴油的厂商共有11家。在生物质柴油推广应用方面，台当局能源管理部门自2006年起在岛内陆续推动“能源作物绿色公车计划”及“绿色城乡应用推广计划”，在2008年7月实施岛内全面供应B1 生物质柴油计划，使台湾成为亚洲第一个无需补助而全面使用生物质柴油的地区，并于2010年7月起将生物质柴油掺配比例提高为2%(B2)，生物质柴油年总使用量约1亿升，统计2013年度岛内生物质柴油供给量约9600万升，占年总使用量的比例约92%。

厌氧发酵产制甲烷

沼气生成是利用微生物在厌氧条件分解有机物成为甲烷、二氧化碳及少量硫化氢等气体，其中甲烷气占比约50%至80%，为提供热能主要成分。目前台湾沼气能源生产技术已经相当成熟，但在实际应用上，尚需考量纯化与除硫等工程问题。在商业应用方面，主要为垃圾掩埋场沼气发电、公民营养猪企业与食品企业沼气发电。

台当局经济管理部门于2013年1月发布《沼气发电系统推广计划补助作业要点》，计划申请期程为2013年至2016年，经核定之后沼气发电系统的设置期限为2年，示范运行3年。目的是藉由台当局与地方部门共同合作推动多元料源集运机制及沼气发电系统设立与运行，解决产源分散、不易收集等问题，同时提高沼气发电装机容量达到经济规模，提升企业设置意愿，推广沼气发电的应用，以加速再生能源发电目标的达成。

在沼气发电系统推广方面，台当局2013年通过补助屏东县及彰化县，建设沼气发电机组装机容量合计390千瓦，预估每年发电可达252万度以上，节省电费约新台币708万元，二氧化碳减量每年约1350吨。未来台当局将依“再生能源发展条例”持续鼓励妥善利用现有农牧废弃物、废(污)水处理厂产出的沼气，预计2030年完成开发沼气发电总装机容量达26兆瓦。

热裂解技术

岛内研究机构在废弃物热裂解产油技术开发方面，已开发出流体化床快速裂解技术，建立废塑料处理量20千克/小时裂解产油示范系统，并获多项专利，分别授权岛内企业。目前正结合公益团体以建立废塑料袋收集体系，利用塑料裂解产油技术生产塑料再生油，可用于发电燃料或作为工业锅炉的燃料。岛内每年塑料袋产量约18万吨，粗估每年将近生产24亿个塑料袋，目前无适当废弃塑料袋回收机制。以处理岛内1%废塑料袋、产油率60wt%估计，产油量可达1350万吨油当量。塑料再生油的产值以柴油每公升32.4元计，相当于每年新台币4374万元再生燃料油产值。此部分或可结合现有资源回收体系，扩大废塑料袋回收管道，并结合中游废塑料裂解技术而逐步达成。

在农林材料利用方面，已完成处理量1.44吨/日快速裂解先导系统设置与测试，林业材料产油率大于65wt%、农业材料产油率大于50wt%，可作为未来商业化设计与运转依据。为推动生物质裂解油于工业应用，岛内企业已建立生物质物处理量每小时30公斤裂解产油设备，未来建设商业化裂解系统所生产的裂解油将取代化石燃油，以降低钢铁厂所产生的大量二氧化碳。

图5 生物质燃料焙烧设备

图6 沼气发电设备

此外，台湾中油公司基于以生物质油替代部分工业燃料油构想，研究在工业燃料油中添加1%至2%生物质裂解油可行性，未来更规划建立年产1万吨生物质裂解油示范厂，产制的生物质燃料油对于减少工业燃料油所产生的二氧化碳排放可做出具体贡献。

气化技术

岛内研究机构在废弃物气化利用技术发展方面，已进行稻壳气化回收热能研究，开发出10千瓦下吸式稻壳气化反应炉，以及900千瓦先导型循环式流体化床气化炉，同时也开发完成300千瓦农业气化利用示范系统，有助于开发本土生物质物气化发电系统。另一方面，还建立进料每日2吨煤炭的压力式挟带床气化系统，并进行生物质物与煤炭混合气化的技术开发，预期可建立本土化的气化技术，并逐步扩大至产业利用，建置工业区气化厂为目标。此外，台湾核能研究所也已建立日处理量2吨生物质物的先导型电浆生物质物气化发电研发系统，未来将持续进行系统放大研究。