煤──沈睡中的能源巨人

【摘要】1974年人類面臨第一次石油危機時，在美國底特律舉行的第九次世界能源會議中，主席班德博士演講時，曾下了結論：「煤是沈睡中的能源巨人」。

在這次能源危機中，本文擬介紹煤能取代石油而成為人類主要能源所具備的條件，由煤製造石化原料的經濟評估，及煤在發展中尚待解決的一些問題。

煤能取代石油的原因與條件

一、沒有其他新的且來源豐富的能源。

二、尚未發展出新的、改革性的技術方法，使人們改變使用能源的態度。

三、由煤的蘊藏量顯示，唯有煤才能面對此項能源取代之挑戰。據估計，煤的蘊藏量最少為8萬億噸，佔世界礦物能源總貯量90％，而石油及天然氣才佔10％。

目前已探勘到的煤藏量（僅為煤總藏量的50％左右），即可供應全世界2000年以上的能量使用，如世界能量消耗量較目前增加一倍，亦足夠供應1000 年使用。

四、煤礦的分布遍及世界各地，且各主要能量消耗國均擁有大量的煤藏量。

五、用煤發電的技術已有不少改進。加壓煤氣化反應法（pressurized coal gasification）及流化床燃燒法（fluidized bed combustion），不久將能經濟而有效的應用，且不會引起環境污染問題。

六、至1985年，世界鍊鋼量將超過10億噸，屆時所需焦煤量，將較目前多2億噸（即增至6億噸），成為煤的第二主要市場。

七、由於新技術的發展，尤其是氣化反應（gasification）及液化反應（liquefaction），拓寬了煤的應用範圍。據估計，未來十年中，煤將可在實質上取代部分石油和天然氣的應用。

八、由於全世界對煤需求量日益增加，迫使煤的生產量不斷增加。目前世界煤產量為每年22億噸，至1985年將達每年35億噸。

由煤製造石油化學品的經濟評估

人們已認為，由煤製造化學品乃一可行之途，因此煤將成為有機化學品之一大來源，其優點如下：

一、在國際價格上，煤比石油或天然氣來得低廉。

二、由煤製造合成燃料的過程中，可產生大量合成氣及化學原料。

三、新式煉焦煤法已可解決環境污染問題，並且副產品產量較前增加。

下面為一些以煤為原料製造出來的石油化學品，及其經濟評估。

合成氣

合成氣的主要成分為一氧化碳和氫，有時亦含有少量的二氧化碳。由煤製成合成氣的過程，是將煤經過除油煙、灰燼和硫化物之後而得，有時亦作某種程度的反應，以調整H₂/CO的比例。合成氣常用來與其他原料反應，或製成氫、甲烷、氨、甲醇和其他化學品。煤經氣化反應後所得的氣體成分變動甚大，故H₂/CO比例的變化範圍為0.4∼2.6，其中甲烷含量可為0∼25％以上。

常用的煤氣化設備為Lurgi及Koppers-Totzek（簡稱K-T）裝置。新的氣化技術仍在不斷研究之中。 據報導，若操作條件為溫度1093℃，壓力20atm　或更高，則可處理各種組成的煤礦，產量亦高；估計1980年中可正式使用，成為第二代氣化設備。

經濟價值方面，如以日產量1000噸的氨廠或甲醇廠為基準，作成本比較，此裝置每年可將50萬噸煤轉變為300∼350BTU／SCF合成氣（BTU：英熱單位，SCF：標準立方呎）。目前所用氣化設備製造合成氣的成本為5.20美元／MM BTU，而新的氣化設備，製造成本為4.30美元／MM BTU，由天然氣製造合成氣所需成本為3.25∼4.90美元／MMBTU。新發展的煤氣化設備可望與天然氣製成者競爭。（註：化工單位常以MM表百萬）

甲醇與氨

在美國製造甲醇與氨的傳統原料是天然氣，歐洲和日本則採用石油腦（naphtha）或燃料油（fueloil）。1950∼1974年間，共有25家利用煤為原料的工廠在世界各地成立，以製造甲醇或氨，其中最大者是南非莫德芬登（Modderfontein）的非洲爆炸品與化學品公司（African Explosive and Chemicals），所採用之設備為K-T氣化裝置，產能是氨1000噸／日，及甲醇60噸／日。

據調查研究，至1980年，由煤製成甲醇或氨將可與其他原料製成者競爭──主要原因是煤的成本較低。

醋酸

以往醋酸是由乙烯－乙醛（ethylene-acetaldehyde）或正丁烷（n-butane）製造而成。1966 年，美國波頓化學公司（Borden Chemical）首次將甲醇經碳醯化反應（carbonylation）製成醋酸的技術，成功地應用在商業產品上。

1970年孟山都公司（Monsanto Co.）在德薩斯市設廠，以另一種新的碳醯化反應製造醋酸。此法是利用經碘增觸的銠元素（iodine promoted rhodium）為觸媒，可在較低壓力（150atm；舊方法需500∼700atm）得到較高的產量。對甲醇而言，生產率（yield）為99 mole％，對一氧化碳而言，生產率為95 mole％。

由於甲醇可以由煤生產，故醋酸亦可視為「煤化學品」（coal chemical）的一種。

乙二醇

以煤為原料，製造乙二醇之方法有兩種，一為杜邦公司的乙醇酸（glycolic acid）法，一為UCC公司（Union Carbide Co.）的合成氣直接轉變法。

杜邦公司製造乙二醇之方法，是在200℃及700atm的條件下，將甲醛及過量的一氧化碳先形成乙醇酸，再與甲醇進行酯化，所產生的酯類化合物在亞鉻酸鹽觸媒（chromite catalyst）催化下，進行氫化而得乙二醇，其生產率（以甲醇為基準）可達70mole％。

UCC的方法是將合成氣在1400∼3000atm及大約200℃下，以銠－羰基（rhodium-carbonyl）為觸媒進行直接反應，所得產品為以乙二醇為主的混合體。目前此法所用的觸媒成本較高，若此缺點能獲得改良，將極具商業化經濟價值。

由煤生產乙二醇目前尚未達經濟效果，但預計至1990年將逐漸具有競爭能力。

乙烯

不少方法顯示可由煤製造乙烯，其中四種分別介紹如下。

1.F－T法：有兩種不同的製造方式。第一方式為利用F－T法所得的合成氣製造乙烯及其他較低級之烯屬烴，然後將後者除去。典型的製造過程如圖一所示。（編註）

第二方式是將由F－T所得之液態碳氫化合物以蒸氣裂解（steam cracking）方法製成乙烯。根據文獻記載，本方法因含有非鹼性流化床系統（nonalkalized fluid bed system），故所得產品為各種比重較輕的碳氫化合物混合體。其簡單之製程如圖二所示。

與傳統由石油裂解製成乙烯的方法作成本比較，則此二法的經濟價值極令人失望。以年產量為400,000噸的乙烯廠為基準，則傳統方法的製造成本為0.18∼0.19美元／磅，第一方式的成本為0.3美元／磅，第二方式成本更高，為0.35∼0.50美元／磅。

2.脫水法：本法是將甲醇先轉變成乙醇後，再經脫水而得乙烯。目前僅有少數文獻記載此法，但一般認為此法不久將可發展成為商業化技術，其製程如圖三所示。據專家評估，由此法所得之乙烯，製造成本約為0.20∼0.22美元／磅。

3.二甲醚裂解法（dimethyl ether cracking）：此法目前僅有一資料來源。整個製程是由合成氣先製成甲醇，再將甲醇轉變成二甲醚，然後裂解而得乙烯。美國化學系統公司（Chemical Systems Inc.）有兩個實驗室正進行裂解技術研究，並已獲得初步成果。而且美孚公司（Mobil）與另外兩家公司，亦聯合研究由合成氣製成乙烯獲致最大產量的方法，據稱可望超越化學系統公司的成果。

4.由CO/H₂混合物直接合成法：不少人從事此合成研究，且已有不少獲得專利，但都缺乏具體資料以為本法作經濟評估。

目前世界對乙烯的要求量極大，除上述四種方法外，尚有不少方法可由煤製成乙烯，但產能均低，故若要由煤製成乙烯，而又能與傳統方法競爭，仍有待繼續研究發展，以求技術突破。

煤在發展中尚待解決的問題

由於採礦和運輸的困難，形成了煤的發展障礙，有賴於節省人力的新開採技術，及一創新的運輸系統，以打破此項困難。

擴充煤產量必須有一合理的能源政策，且煤的角色必須定義清楚。煤的政策因屬能源政策之一部分，故預計未來十五年中，將完全受到石油輸出國的油價政策決定。

美國國家煤政策計畫已進入第二階段，該計畫首期報告是同意推動，並建議將有關環境及工業兩方面的人士聯合起來，以使該政策達到環境及經濟兩方面的最佳效果。1980年度的計畫預算是40萬美元。

為了有效推動工作，該計畫將工作重點分為五部分，包括：一、採礦，二、運輸，三、空氣污染，四、燃料應用與貯存，五、及能源價格。雖然目前世界各機構對上述五重點之有關報告及建議不少，但均不夠具體化，無法解決實質上由煤導致的各項難題，故參與該計畫的人員一致認為有進一步研究的必要。

結語

煤具有足夠條件成為世界主要能源的供應，惟如何去使此沈睡巨人甦醒，則有待煤礦工業界之行動，和世界能源政策之訂定。

參考資料：

1. Dr. K. Bund, "Coal Resources and Their Use Now and in The Future", Delivered at the 9th World Energy Conference, Detroil, Sep, 1974.

2. P. H. Spitz, "Petrochemicals from Coal ", Chemtech, May, 1977.

3. "Coal Policy Project Enters New Phase", C ＆ EN, Jan. 1, 1979.

編註：參閱科月7卷3期與4期吳貽謙先生的有關文章。

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