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研析國際煉油業溫室氣體可行減量技術研析
中華經濟研究院劉哲良
博士&林俊旭
博士&楊筠
輔佐研究員責任編輯
一、 煉油製程與溫室氣體排放
石油煉化主要是將原油（crude
oil）或各項煉化原料轉化為各種不同品質油品之過程。其製程依功能性分類，可區分為「分離」（separation）、「轉化」（conversion）、「重組」（combination
and
rearrangement）、「產品加工處理」（treating）、「特定產品生產」（blending
and specific product）。各分類所包含的製程項目可整理如表1。
表1、石油煉製主要功能性製程
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分類 |
主要製程 |
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分離 |
常壓蒸餾（atmospheric
distillation unit，CDU）
真空蒸餾（vacuum
unit，HVU） |
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轉化 |
觸媒裂解（catalytic
cracking）
液化結焦（fluid
coking）
延遲結焦（delayed
coking）
減黏裂解（visbreaking） |
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重組 |
烷基化（alkylation
units）
重組與異構化（reformation）
聚合（polymerization）
醚生產（etherification） |
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產品加工處理 |
石油腦/汽油加氫脫硫（Naphtha/Gasoline
Hydrotreating）
柴油/煤油加氫脫硫（Kerosene/Diesel
Hydrotreating）
重油加氫脫硫（Residual
Hydrotreating）
真空製汽油加氫脫硫（VGO
Hydrotreating） |
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特定產品生產 |
潤滑油生產（lube
oil production）
瀝青生產（bitumen
produciton） |
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資料來源：本研究整理 |
在煉油過程中，所排放出的溫室氣體主要為二氧化碳（carbon
dioxide，CO2）（占全部比例的97.67%）、甲烷（methane，CH4）（占2.25%），與氮氧化物（N2O）（占0.08%），就比例而言，仍主要以CO2為主。
若以排放源而言，則依排放比例大小分別為：（1）固定燃燒排放源
(stationary combustion
sources)：如蒸氣系統（steam
system）—主要用於蒸餾製程，以及提供製程熱源之「製程加熱器」（process
heater）等加熱設備，占溫室氣體排放之最大宗；（2）觸媒裂解製程（catalytic
cracking）；（3）製氫製程（hydro
plant）；（4）廢氣燃燒塔（flare）；（5）脫硫及硫化物還原程序
(sulfur plant)；（6）瀝青吹氣製程（asphalt or
bitumen blowing）；（7）結焦製程 (coking
processes)；（8）廢棄物廢水處理（wastewater
treatment）；（9）觸媒重組 (catalytic
reforming)；（10）儲存槽 (storage
tanks)。各相關排放源所占溫室氣體排放比例如圖1所示。
資料來源：U.S. EPA（2010）
圖1、煉油廠溫室氣體排放源及其比例
由圖1可得知各排放源所占比重，其為實務上進行溫室氣體減量的規劃依據。在目前的煉油廠減量實務上，仍主要透過能源效率之提升來達到溫室氣體減量的效果。根據美國能源之星所出版的《石化工業能源效率指引手冊》（Elliott
et
al.，2006）裡提及，各主要製程類別的能源效率提升機會分別為：（1）公共設施(utilities)：包含蒸氣的製造與分配、電力製造、壓縮機，共30%；（2）火力加熱設備(fired
heater)：20%；（3）製程最適化(process
optimization)：15%；（4）熱交換(heat
exchange)：15%；（5）電動機(motor)、內燃機：10%；（6）其他：10%。實務上的可行減量技術相關細節，將於下述章節進行介紹。
二、 煉油業可行減量技術研析
從原理上來進行描述，產業溫室氣體的來源主要來自於能源的耗用，進而在生產過程中排放出温室氣體。目前唯一的溫室氣體終端處理技術為「碳捕集及封存技術」（carbon
capture and storage，CCS），然而，就技術進展而言，此一技術尚在研發示範過程，並未完全成熟。因此，目前在實務上，產業溫室氣體減量技術主要是以透過不同技術方法或措施，以減少能源耗用（或定義為提升「能源效率」）做為溫室氣體的減量方式。從這個角度來說，減少耗能產業生產過程中的能源耗用，即能帶來溫室氣體之排放減量。一般而言，產業的節能性減量技術可以區分為4種，分述如下：
(一) 製程節能減量技術：
能源密集產業所包含的產品類型眾多，與製程相關的節能減量技術，在定義上通常涉及不同物理或化學反應途徑（reaction
route）過程的節能設計，以達減量效果。
(二) 單元操作設備節能減量技術：
能源密集產業生產過程所包含的單元操作設備眾多，以石油煉製與相關石化產業為例，一般涉及輸送設備、加熱設備（如鍋爐、加熱爐、熱交換器、冷卻系統等）、蒸氣系統設備、蒸餾塔設備、乾燥設備等。針對這些操作設備進行節能改善設計，以使之達到最適化的相關技術，即定義為「單元操作設備節能減量技術」。
(三) 生產程序系統整合節能減量技術：
「單位操作設備節能減量技術」著重於單一操作設備系統能源耗用情況的改善；在方法上，主要是透過設備更新、零件更換、維修保養，或其他系統最適化方法，來達到節能減量的目的。與「單位操作設備節能減量技術」不同之處在於，「生產程序系統整合節能減量」主要是指，從系統合理與最適化應用的角度，進行與能源的整合，如「能源轉換」、「回收」（如熱回收）、「再利用」（如煙道氣體之再利用）等，與整個系統有關的節能減量技術。綜言之，「生產程序系統整合節能減量」涵蓋不同操作設備之間的整合，而非強調單一設備改善。
(四) 製程控制節能減量技術：
「製程控制節能減量技術」一般並不涉及操作設備或化學反應方式的改變，多半是透過改變特定的系統操作參數，或配合「能源管理系統」（energy
management
system）的採用，以監管各製程或設備的能源耗用情況、減少異常的能源耗用情形，以達到節能減量的目的。在本質上，「製程控制節能減量技術」可視為「控制技術」（control
techniques）之一種。
資料來源：本研究繪製
圖1、節能性溫室氣體減量技術類型
在實務上對於煉油產業來說，由於特定製程之設計，多由工程專利廠商來提供。在上述的四個節能減量技術中的第一項，亦即「製程節能減量技術」，雖然有其技術可行性，但因為涉及專利製程的改造，通常在實務面的執行成本也較高（或甚至不可行）。也因此，目前國際上相關的節能減量文件，通常多集中討論其餘三種節能減量技術，對於與製程相關的減量技術，較少有系統化的討論。
除了以「節約能源」的方式來達到減量目的之外，「投入原料轉換」（feedstock
switch）為煉油廠實務上最重要的非節能式溫室氣體減量方法，因此以下亦針對此方法進行討論。職是之故，以下本文將歸納國際相關文獻內容
[1]，並以上述節能減量方法中的（2）、（3）、（4）項減量技術類別做為分類基礎，進行對應的減量技術類別整理歸納，並同時考量非節能性的原料轉換方法，進行完整的相關說明，以做為我國煉油產業之參考。
2.1 單元操作設備節能減量技術
此部分的內容包含「蒸氣系統」（steam
system）、「燃燒塔」（flare）、「蒸餾系統」（distillation
system）與「電動機系統」（motors）。
1. 蒸氣系統最適化
對於煉油廠而言，蒸氣的用途十分廣泛。最重要的用途包含用於製程加熱、乾燥、蒸氣裂解或蒸餾。不管採用什麼方式利用蒸氣，提高蒸氣的生產（generation）與分配（distribution）過程的能源效率，將能有效地帶來能源耗用之減少。相關節能減量項目整理如表1與表2所示。
表1、蒸氣生產過程的節能減量機會
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項目 |
鍋爐給水預備（boiler
feed water preparation） |
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說明 |
依據不同的水質，在進行鍋爐給水時，需要進行不同程度的預先處理。在相關的技術裡，以逆滲透膜系統處理
(reverse osmosis membrane
treatment system)，可以過濾掉過硬物質及鹼性物質，透過減少污水處理所需的能源與化學用品消耗，能夠帶來能源使用之節約，是一個已商業化的可行技術（Martin
et al.，2000）。 |
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項目 |
改善製程控制（improve
process control） |
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說明 |
此一項目所提及的控制技術，主要是利用煙道氣監控器來保持適當的火焰溫度，同時監測CO、O2和煙道氣的排放。煙道氣體中的含氧量取決於過剩空氣（注入較多空氣的目的在於減少排放與提高安全性）與外來空氣滲透之混合結果。在已商業化的技術量，主要是利用氧氣計量表(oxygen
monitor)來監控適當的燃料/空氣
(fuel/air)，以達到較高的火焰溫度，藉此提高能源效率和降低溫室氣體之排放。 |
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項目 |
減少煙道氣體（reduce
flue gas quantities） |
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說明 |
當鍋爐和煙道有裂隙時，就會因過多空氣之滲入而導致過多的鍋爐煙道氣之產生，進而透過改變火焰溫度而影響熱傳導效率。 |
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項目 |
減少過剩空氣（reduce
excess air） |
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說明 |
燃料燃燒使用的空氣越多，就會造成越大的熱量浪費。為了製程的安全性考量與減少NOx的排放，空氣量需要稍微高於化學計量觀點的理想燃料/空氣理論值。對於燃氣與燃油鍋爐，過剩的空氣量約為15%較為合適，如果鍋爐保養維護的狀況不佳，其過剩的空氣量可高達140%。 |
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項目 |
保溫之改善（improve
insulation） |
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說明 |
管線及鍋爐的保溫，主要依賴所採用的保溫材料，當鍋爐保溫效果能夠提升，則熱能之運用效率即會增加，進而減少能源之使用。 |
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項目 |
鍋爐養護（maintenance） |
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說明 |
在沒有良好的定期保養與維護下，燃燒器與冷凝水回流系統會持續不斷磨損，這會使得蒸氣系統在2-3年的時間之內，使其效率降至最初安裝的20%-30%，進而造成過多且不必要的能源浪費（US
DOE，2001）。 |
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項目 |
煙道氣體之熱回收（recover
heat from flue gas） |
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說明 |
從煙道氣中回收的熱量，可做為省煤器
(economizer)中預熱鍋爐給水之用。省煤器器壁溫度是影響煙道氣體熱量回收效果的關鍵因素，傳統的做法是使煙道氣體溫度高於酸性氣體的沸點溫度。由於水的熱傳導係數較高，因此省煤器壁的溫度主要取決於給水的溫度，而非決定於煙道氣體的溫度。因此，在給水進入省煤器之前，應使之預熱接近酸性氣體沸點溫度。基本上，鍋爐廢氣每降低25℃，就能帶來1%的燃料節約（Ganapathy，1994）。 |
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項目 |
鍋爐水降壓排放之蒸氣回收（recover
steam from blowdown） |
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說明 |
當水由高壓鍋爐中排出時，由於壓力減小將產生大量品質較差的蒸氣，這樣的蒸氣可以用來做為預熱鍋爐給水之用。 |
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項目 |
減少待機時之損失（reduce
standby losses） |
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說明 |
為防止正在運行的鍋爐發生故障，煉油廠一般都有一個以上的備用鍋爐。透過改善燃燒器、助燃空氣與鍋爐給水的供應，蒸氣生產過程實際上所需的備用鍋爐可以降至最低。藉由安裝自動控制系統（automatic
control system），鍋爐可以在12分鐘內達到滿載運作；換言之，利用此一系統之採用，可以在需要時再開啟預備鍋爐，以減少傳統預備鍋爐待機空轉所造成的能源損失。 |
資料來源：本研究整理
表2、蒸氣分配過程的節能減量機會
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項目 |
保溫之改善（improve
insulation） |
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說明 |
選擇保溫材料的關鍵因素包含：低導熱係數、溫度變化下具有較佳的尺寸穩定性、良好的不吸水性與抗燃性（Baen
and Barth，1994）。就目前實務上的應用案例來說，平均可以帶來3%-13%的能源節約，平均投資回收期間約為1.1年（IAC，2011）。 |
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項目 |
蒸氣怯水閥之改善與維護（improve
steam traps） |
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說明 |
利用現代熱力學的原理改進蒸氣怯水閥能夠帶來能源耗用之減少，同時提高整體蒸氣配送系統之穩定性。在原理上，主要是當溫度非常接近飽和蒸氣壓的溫度時閥門會自動打開，此時可以清除不可冷凝的氣體；另一個特點是，在蒸氣啟動時開啟閥門，能夠令蒸氣系統快速預熱（Alesson，1995）。 |
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項目 |
蒸氣怯水閥之維護（maintenance） |
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說明 |
根據實務上的統計，如果不對蒸氣怯水閥進行定期監控與保養，有15%-20%的蒸氣怯水閥會出現故障。如果對蒸氣怯水閥進行定期的系統檢查與維護，節能效果平均可達10%，平均的投資回收期間約為0.5年（US
DOE，1998；Jones，1997；Bloss
et al.，1997）。 |
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項目 |
蒸氣怯水閥的自動監控（monitor
steam traps automatically） |
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說明 |
與蒸氣怯水閥養護措施相結合，同時在蒸氣怯水閥系統上安裝自動監控儀器可以帶來更多的節能量。此一裝置能進一步提高對蒸氣怯水閥的維護，因為它可以更加快速地發現蒸氣怯水閥的故障訊號。根據實務上相關數據統計，採用自動監控來加強蒸氣怯水閥保養程序，能夠在常能態保養帶來的節能效果之上，再帶來5%左右的節能量，投資回收期間約在1年左右（Johnston，1995；Jones，1997）。 |
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項目 |
裂隙之維修（repair
leaks） |
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說明 |
如同蒸氣怯水閥常發生的情況，蒸氣管線常常會發生滴漏的現象，因而帶來程度不一的能源浪費。針對蒸氣配送管線的裂隙進行定期檢修，能夠帶來約3%左右的能源耗用節約，平均的投資回收期間為0.4年（US
DOE，1998；IAC，2011）。 |
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項目 |
回收閃蒸氣（recover
flash steam） |
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說明 |
當蒸氣閥把來自於高壓蒸氣配送系統中的冷凝水排出時，會在減至常壓的過程中，產生數量不一的閃蒸氣。閃蒸氣可回收用來做為室內暖源或做為给水預熱之用，且此措施的節能減量效果主要受到管線系統位置分佈之影響。此外，許多煉油廠同時會有不同壓力的蒸氣系統，因此從高壓冷凝水系統中形成的閃蒸氣，可以輸送到低壓系統來使用。 |
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項目 |
冷凝水再利用（return
condensate） |
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說明 |
鍋爐冷凝水的重新利用不僅可以用節能，還能藉此減少對鍋爐給水的需求，這將大幅降低能源使用與購買處理給水的化學品成本。根據實務上的相關統計，在沒有冷凝水回收系統或冷凝回收不足的地方加裝或改善回收系統，最大的能源耗用節省可達10%，平均投資回收期間約為1.1年（US
DOE，1998；IAC，2011）。 |
資料來源：本研究整理
2.燃燒塔氣體回收（flare recovery）
降低燃燒塔燃放不僅能減少空氣污染，並且能夠透過節省燃料來提高能源效率。除了利用改善製程控制設備，與採用較先進的火焰燃燒技術達到上述效果外，燃燒塔氣體回收系統（包括回收壓縮機之安裝和收集儲存罐）與低導燃氣（low-pilot-gas
combustion）消耗的新型點火系統的開發，以及不需導燃氣的新型系統，能夠大幅減少火焰氣體的燃放量。美國一個日產6.5萬桶的煉油廠安裝了二個燃燒塔氣體回收系統，使燃燒塔氣體的燃放排放量近幾為零，只有在燃燒塔氣體的產出量超過回收設備容量時，煉油廠才會以應變的方式排放氣體至燃燒塔（Fisher
and
Brennan，2002）。然而，由於此一裝置之建置，多為大型節能工程的子項目，因此目前仍難以評估其節能量與回收期限（US
DOE，2002）。
3.製氫程序最適化
氫氣在煉油過程中被廣泛地使用，例如加氫裂解和加氫脫硫等製程，皆須採用氫氣來達成。生產氫氣是一個高耗能的過程，且不同的製程對氫氣原料的純度有不同要求，因此氫氣的生產及分配，需要精密的控制。透過製氫過程的管理與最適化，將能有效地達到能源節約之效果。表3為氫氣生產及分配過程適用的節能減量技術。
表3、製氫程序最適化適用技術
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項目 |
氫氣管理 |
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說明 |
煉油廠內氫氣管理的主要技術是氫氣集成和氫回收技術，改造和改進已有的氫氣管路，可以使氫容量增加3%~30%。對煉油廠中氫氣集成和最適化是利用節點分析技術進行最適化分析。煉油廠中大多數氫氣系統具有將純氫以重整到煉油廠各個不同製程過程的特徵，這阻礙了氫氣的集成。使用節點分析方法，可以使煉油廠中氫氣的生產和使用量視覺化，以用來確定不同的氫氣來源和基於氫氣輸送之間的最佳聯結，以提升氫氣使用效率。 |
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項目 |
氫氣生產 |
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說明 |
如果煉油廠有多餘的蒸氣，則可以在重組之前安裝一個預重組器。絕熱蒸氣重組使用一種高活性鎳催化劑，利用重組對流段的廢熱重組烴進料，可以增加生產量高達10%。 |
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項目 |
氫氣回收 |
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說明 |
氫氣回收是一項重要的節能技術，可以提高氫氣回收的效率，減少氫氣回收成本，並提高生產氫氣的純度。可以透過將低純度氫氣物流返回到製氫工廠以間接回收氫氣。氫氣也可以透過將尾氣輸送到製氫工廠現有的淨化器進行回收，或通過另外安裝淨水器處理尾氣和排放氣進行回收。適合氫氣回收的氣體物流包括來自加氫裂解裝置、加氫處理裝置、焦化或觸媒裂解的尾氣。回收氫氣的物流源特徵還會影響到回收技術的選擇，氫氣回收可節約的成本大約是製氫成本50%。 |
資料來源：本研究整理
4.蒸餾系統
蒸餾製程是煉油廠中耗能最多的製程之一。蒸餾在煉油廠裡通常被用於分離產品，主要透過對進入蒸餾塔的物料進行加熱，根據不同的沸點分離出不同產品。與蒸餾系統相關的節能減量方法如下表所示。
表4、蒸餾系統節能減量方法
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項目 |
操作程序之最適化 |
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說明 |
對蒸餾塔的回流比進行最適化可以節約大量能源，蒸餾塔的能源效率主要決定於進料的特徵，如果進料隨著時間改變，或者進料與設計條件不符，則應該透過計算得到新的最適化操作程序，以提高操作效率。 |
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項目 |
檢查產品純度 |
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說明 |
許多生產單位傾向於生產過純的產品，然而當純度為95%時，事實上就滿足產品質量要求，不必要特別將產品純度提升到98%。一般應該逐漸遞減回流量，直到產品滿足期望的純度要求，進而降低再沸器的負載。這種提高效率的改變操作方式，事實上不需要額外投資，成本極小。 |
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項目 |
降低再沸器的負載 |
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說明 |
再沸器做為蒸餾塔過程的一部分，佔煉油廠總能耗的大宗。使用冷凝水，原則上可以降低塔頂冷凝溫度，使得再沸器的負載更低。 |
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項目 |
更換蒸餾塔內部零件 |
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說明 |
損壞或老舊的塔內零件會使操作成本增加，因為損壞的塔內零件會降低效率，壓降會上升。隨著時間的推移，會在越來越高的回流比下運作，隨著回比的增加，能源成本也將相應增加。用新塔板替換舊塔板或者增加高性能的填料，可以使蒸餾塔像初建立該裝置時一樣的高運作效率。 |
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項目 |
氣提塔之最適化 |
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說明 |
許多不同的製程使用蒸氣氣提塔，將蒸氣直接注入氣提塔與製程物料混流，CDU即是一個很大的氣提使用單位。氣提塔的蒸氣溫度可能會很高，並且所用的氣提蒸氣量也很大。最適化相關參數可以大幅地降低能源耗用（主要利用節點分析進行）。 |
資料來源：本研究整理
5.電動機系統效率之提升
電動機在煉油廠中普遍被使用，其耗電量約占煉油廠總電耗的80%。電動機主要用於泵（約占電動使用的60%）、空縮機（約占電動使用的15%）、風機（約占電動使用的9%），和其他設備（約占電動使用的16%）。採用「系統觀點」來檢視整個電機系統，並進行系統的最適化，將能帶來的節能效果。表5為相關節能減量方法的說明。
表5、電動機的節能減量方法
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項目 |
電動機規模（correcting
size of motors） |
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說明 |
電動機與泵的規模大小不相符時，會導致不必要的能源損失。同時，減小電動機也可降低尖峰負載。例如，按照美國產業實務上的平均值來考量，透過修正電動機的規模，能夠帶來電力使用節約1.2%，且對規模小的電動機而言，節約率更高。 |
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項目 |
採用高效電動機（higher
efficiency motors） |
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說明 |
透過改進設計、使用更好的材料所製造的高效電動機，可以減少能源使用損失。合理安裝電動機可使高效能電動機運行時的熱能散失更低，因此有更高的線上使用率、更長的生命週期及更小的震動。 |
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項目 |
功率因數（power
factor） |
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說明 |
電感負載如變壓器、電動機和照明系統會因為形成低功率因數而帶來電力消耗的增加，因而增加電力成本。透過最小化電動機待機時間，可以修正功率因數，避免設備運行時超過其制式電壓。將電動機更換為高效能電動機，並在交流電路中安裝電容器，可以減少系統中大部分的無作功功率。 |
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項目 |
電壓波動（voltage
unbalance） |
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說明 |
電壓波動會降低電動機性能，並縮短三相電動機的生命週期。電壓波動造成電流不平衡，進而增加震動和機械應力，增加了能源損失，使電動機過熱。建議的電動機終端電壓波動不能超過1%。透過定期監測電動機電壓波動，利用溫度紀錄儀檢查電動機，可辨認出電壓的波動。 |
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項目 |
速率調節裝置（ASDs/VSDs） |
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說明 |
對於電動機的運行，ASDs能更好地使電動機運行速度與負載要求相符。很多離心系統如水泵、風機和壓縮機的能源耗用與體積流量大致成正比，因此，隨著流量的減少來降低電動機轉速，可以獲得一定程度的能源節約。 |
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項目 |
可變電壓控制（variable
voltage controls，VVCs） |
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說明 |
與ASDs相反，可變電壓控制器可控制電動機，隨著流量變動仍恒長保持固定的轉速，進而達到能源耗用之節約。 |
資料來源：本研究整理
2.2生產程序系統整合節能減量技術
此部分主要包含「製程整合」（process integration）」與「能源回收」（power
recovery），分述如下。
1.製程整合
製程整合主要透過「節點技術」（pinch technology）來達到。「節點技術」是指對系統潛在效能的開發，主要是透過整合協調不同系統的方式來達成。製程整合主要是要確保各獨立運作單位能夠透過規模與功能的協調匹配，進而達到提升效能的效果。而節點分析法則是採用系統原理，確認和校正任何生產過程中的運作瓶頸—亦即「節點」（Kumana，2000）。在石油煉製與相關石化產業裡，由於需要加熱與冷卻程序的製程眾多，因此利用整合或節點分析技術，能夠帶來相當程度的節能減量效果（Neelis
et al.，2008）。此技術可使用於煉油單位的不同製程，簡述如表6。
表6 、煉油廠適用之製程整合技術
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項目 |
整體生產單位的節點分析（total
site pinch analysis） |
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說明 |
目前世界上有40餘個煉油廠都採用整體生產單位的節點分析技術，透過各個製程的加熱與冷卻需求整合，並將CHP納入分析之中，進而找出整體生產單位最適化的電力供應。 |
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項目 |
降低熱損失之製程整合（hot
rundown） |
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說明 |
就一般的狀況，製程整合的研究重點，主要在於進行不同製程之間的蒸氣流協調分配整合；然而，在特定的情況下，將熱量保留於二個製程之間，亦可透過減少其中一個裝置單元進行冷卻的能源需求、或提供另一個裝置單元做為預熱之用而帶來節約能源效果。此一技術之實現，主要是利用安裝自動製程控制裝置，將二個製程之間的蒸氣流進行聯合應用，即能達到整合之效。 |
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項目 |
常壓蒸餾系統之製程整合（CDU） |
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說明 |
在實務上，常壓蒸餾是所有煉製過程中，耗能最多的生產製程（Worrell
and Galitsky，2005），也因此，常壓蒸餾的製程整合也就特別重要。根據一些相關研究文獻指出，常壓餾蒸餾的製程整合，能夠帶來燃料使用減少10%到19%，且投資回收期間少於2年。另一方面，將常壓蒸餾和減壓蒸餾技術結合，能夠帶來燃料使用10%~20%的節省（Petrick
and Pellegrino，1999）。 |
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項目 |
流動觸媒裂解之製程整合（FCC） |
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說明 |
在實務上，FCC也是煉製過程中，耗能甚巨的一個製程。對現有的FCC裝置來說，可以透過熱整合、能量回收等措施來提高能源效率。透過更好的熱能整合與節點技術原理之應用，以及改善加熱及冷卻的負載組合，能夠進一步顯著的降低能源耗用（Golden
and Fulton，2000）。 |
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項目 |
流動觸媒裂解之質傳改變（flow
changes of FCC） |
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說明 |
增加或改變製程中間過程回流的數量可以提高FCC的能源效率，因可透過此一整合設計，增加熱能的回收（Golden
and Fulton，2000）。此外，對設備及操作條件進行適當的改進來改善FCC，能夠使每桶原油加工生產高辛烷值汽油和烷基化物的生產率從3%提高到7%，進而節約了能源使用。 |
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項目 |
重組製程（reformer） |
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說明 |
從催化重組裝置中回收產品可能受到精餾分離各種產品的溫度限制，透過安裝餘熱驅動的氨吸收式制冷裝置，可以降低回收溫度、減少壓縮機故障，進而達到節能減量的效果。 |
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項目 |
結焦之製程整合（coker） |
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說明 |
在中國南京的一個煉油廠，針對焦化裝置進行了製程熱能集中的整合處理，透過改變柴油泵的中間回流，每年約能帶來10萬美元的能源使用成本節省（Zhang，2001） |
資料來源：本研究整理
2.能量回收
煉油或石化產業的許多製程都是在加壓過程中進行，這使得由煙道氣體的壓力中回收能量成為可能。煉油廠回收能量裝置多應用於流動觸媒裂解程序，然而，回收能量裝置還可以應用於加氫精製裝置或其它需要在高壓下操作的裝置。現代化觸媒裂解的設計多採用能量回收渦輪機或是渦輪擴張機（turbo
expander），以從壓力中回收可用的能量，而回收後的能量可用於驅動催化裂解壓縮機或用於發電。美國一家煉油廠進行了能量回收渦輪的加裝，與渦輪擴張機的改善工程，進而透過風機（blower）效能之提升而增加了觸媒裂解的生產能力。此一工程共節約了將近22兆瓦的電力（Valero，2003）。荷蘭的一家煉油廠於加氫製程上加裝了能量回收渦輪系統，透過回收反應器與分餾程序之間的壓力差來回收能量。此一裝置若按每年運轉8000小時來計算，可以發電近730萬度，投資回收期間約為2.5年（CADDET，2003）。
2.3製程控制節能減量技術
煉油廠的製程控制（process control）在實務上，主要透過「能源管理系統」達成。常用的監督與控制系統，依功能做為分類，主要可分為「輔助量測」（sub-metering）、「監督」（monitoring）與「控制」（control）系統三種形式。此一系統之採用，對於特定生產單位而言，不但能夠縮短複雜生產過程所需要的時間消耗，並能夠令提高產品品質、達到數據資料的一致性，以及修正操作過程以達最適化（optimize
process），進而透過能源的節約使用而達到減少排放的效果。一般而言，此系統之採用，通常能夠帶來5%以上的能源成本節省。表7為相關操作細節描述。
表7 、煉油廠適用之製程控制系統
|
項目 |
煉油廠整體生產單位最適化系統 |
|
說明 |
傳統上，早期的監控系統只為特定製程或設備的使用目的而設計，因此只能用於單一或有限數量的生產程序能源控制。然而，「現場整體能源監控與管理系統」（total
site energy monitoring and
management system）能夠透過整合同一煉油廠不同單位的能源使用，進而達到最大的節能空間（Kawano，1996；HCP，2001）。 |
|
項目 |
常壓蒸餾控制系統 |
|
說明 |
Aspen Tech科技公司為常壓蒸餾提供了70多種控制設備與10餘種最適化控制系統，可帶來每桶原料0.05到0.12美元之能源成本節約，且投資回收期間少於6個月。Key
Control科技公司為常壓蒸餾提供了一套專家顧問系統，能夠降低能耗與火焰，並提高生產力，投資回收期間約為1年。 |
|
項目 |
流動觸媒裂解控制系統 |
|
說明 |
部分公司，如ABB
Simcon、Aspen
Tech、Honeywell、Invensys與Yokogawa提供了流動觸媒裂解控制系統，在採用這些系統之下，預期能帶來每桶原料0.02到0.4美元之間的能源成本節省，平均的回收期間為6到8個月。 |
|
項目 |
加氫精製控制系統 |
|
說明 |
南非一家煉油工廠，於加氫精製系統上安裝了多變量預測控制系統（multivariable
predictive control system，MPC）。此系統之採用能夠提高汽油和柴油的收成率、減少火焰氣，使氫氣消耗量減少12%、加熱器的燃料消耗減少18%（Taylor
et al.，2000）。 |
|
項目 |
烷化製程控制系統 |
|
說明 |
提供烷化製程控制系統的商業化公司包含ABB
Simcon、Aspen
Tech、Emerson、Honeywell、Invensys與Yokogawa等科技公司，在一般的情況下，相關控制系統之採用，能夠帶來每桶原料成本節省0.1-0.2美元，投資回收期間約為6-8個月。美國的一個煉油廠於烷基化製程（該廠主要採用硫酸烴化程序）上加裝了上述類同的控制系統。此一控制系統主要整合了化學反應分析、節點分析、流程與能源利用、排放等資訊數據，進而達到製程的最適化。此一系統之採用，預期為該廠帶來了1%的產量增加、減少製程化學品5%-6%的消耗、減少2.2%的蒸氣使用、減少4.9%的冷卻水用量，以及4.4%的電力節省。 |
資料來源：本研究整理
2.4非節能性減量方法—原料轉換帶來的減量機會
由於煉油製程中，所使用的液態燃料通常具有較高的含碳量，因此使用後帶來的溫室氣體排放也會較高。當採用含碳量較低的液化石油氣（LPG）、煉製油氣（refinery
fuel gas）或天然氣做為煉油燃料時，將能有效降低溫室氣體及其他相關氣體的排放。表為依據歐盟煉油廠實際資料所計算出之不同原料對應的排放係數。表9則為燃料轉換可能帶來的個別氣體減排機會。
表9、歐盟煉油製程不同原料所對應的排放係數
|
原料種類 |
原料組成(W/W%)[2] |
kg CO2/ kg
燃料 |
kg CO2/ GJ |
|
燃料氣體 |
H2 (10)；C1
(35)；C2
(35) |
1.99 |
43 |
|
天然氣 |
100%甲烷 |
2.75 |
56 |
|
液化石油氣 |
C3 (50)；C4
(50) |
3.02 |
64 |
|
蒸餾燃料油 |
P (60)；O
(10)；A
(30) |
3.22 |
74 |
|
殘餘燃料油 |
P (50)；A
(50) |
3.26 |
79 |
|
焦煤 |
C(90)；H
(10) |
3.63 |
117 |
|
註1：縮寫「H」為氫、「C」為碳、「P」為鏈烷、「O」為烯烴、「A」為芳香烴；
資料來源：EC
（2003：118） |
表10、煉油製程原料轉換的氣體減排程度
|
排放氣體 |
減量程度
(%) |
|
SO2 |
最高99% |
|
CO2 |
30%－38% |
|
NOx |
30%－50% |
|
資料來源：EU（2003：225） |
由上述表9與表10的內容可以得知，採用含碳量較低的氣體燃料能夠帶來較低的CO2排放。然而，生產單位在進行採用何種燃料之決策時，考量的重點並非全然是基於溫室氣體減量的立場，通常還涉及原物料供應安全及經濟成本等要素之相關考量（CONCAVE，1999；EC，2003）。
三、結語
在溫室氣體減量已成為重要的國家政策方向下，除了在減量策略上進行整體性的規劃外，提供潛在受規範產業相關可行的減量技術資訊，將有利於未來國家減量策略之推動。在本文裡針對國際上煉油業可行的溫室氣體減量技術進行歸納整理，其主要目的在於提供國內煉油廠做為未來減量之參考依據。然而，本文中只涵蓋了現狀下可行的減量技術，並未包含仍在持續發展中的各項新技術之介紹。因此在未來的相關工作，建議能夠擴此一研究方向，以焦點技術的方式，針對發展中的減量技術進行介紹，以提供相關業者做為參考。
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主要包含美國環境保護署（2010）所出版的《煉油工業可行溫室氣體減量控制白皮書》、美國能源之星所出版的《煉油工業能源效率指引手冊》（Elliott
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