崑山科技大學 環境工程系

專題研究報告

高效率低耗能沼氣純化技術

指導老師：林龍富

班 級：四環四Ａ

學 生：林家輝、吳政謙、林琨智、

曾威憲、李岳翰

中 華 民 國 九 十 九 年 五 月

I

致謝致謝致謝致謝

專題研究期間，承蒙指導老師林龍富副教授，在研究期間給予專

業領域上的指導，以及對本文的指正與建議，使得本文得以順利完成。

研究期間感謝新化畜產試驗所提供沼氣與氧化鐵；感謝南台灣提

供硫化氫偵測儀器；感謝李聖慧學姐協助製作反應器、沼氣袋及相關

零件；特別感謝黃慶昌學長幫忙載運沼氣及相關資訊上的諮詢。

II

摘摘摘摘 要要要要 台灣畜牧業非常發達，所產生的沼氣大多未經處理直接排放，若

將此能源善加利用，不僅合乎環保且能帶來龐大效益。沼氣中的硫化

氫對燃燒設備造成嚴重腐蝕，本研究使用三種吸附材料去除硫化氫，

包括，廢棄木片混合鐵粉、細竹條混合鐵粉和氧化鐵顆粒，針對這三

種吸附材質的去除率與成本來做探討。研究結果顯示三種吸附材質中

氧化鐵對硫化氫的去除效率最高，並有相當穩定的高去除率;細竹條

混合鐵粉去除效率低於氧化鐵但成本較便宜;木片混合鐵粉之去除效

率為三者中最低。整體而言考慮材料成本及操作穩定性，氧化鐵為最

佳選擇。 沼氣是有機物質在厭氧環境中，一定的溫度、濕度、酸鹼度的條件下，

通過微生物發酵作用，產生的一種可燃燒的氣體。由於這種氣體最初

是在沼澤、湖泊、池塘中發現的，所以人們叫它沼氣。沼氣含有多種

氣體，主要成分是甲烷(CH4)。沼氣是一種混合氣體，它的主要成分

是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氫(H2S)、氮及其他一些成分。沼氣

的組成中，可燃成分包括甲烷、硫化氫、一氧化碳和重烴等氣體；不

可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等氣體。在沼氣成分中甲烷含量為

55%～70%、二氧化碳含量為 28%～44%、硫化氫平均含量 0.034%。台灣目前只將豬糞尿視為事業廢水。要求養豬場必須設置廢水處理設

施，豬糞尿經過妥善處理，且能符合放流水標準後，才能排放。但對

資源回收利用的畜牧糞尿廢水，採處理卻不回收的措施，徒然造成電

力資源及水資源雙重浪費。台灣早期就有沼氣生產及再利用的研究，

也應用在畜牧場的糞尿處理，但因為沒有解決沼氣中含硫化氫，造成

機械易腐蝕的缺點，阻礙這項資源再利用的推廣。由於沼氣中主要成

份為高熱值甲烷氣體並夾雜部份高腐蝕性硫化氫氣體，如果能透過妥

善規劃加以集中及純化，高純度的甲烷是可成為價值可觀的可燃性燃

料。

III

目錄

致謝.................................................... Ⅰ

摘要.................................................... Ⅱ

目錄.................................................... Ⅲ

表目錄.................................................. Ⅳ

圖目錄.................................................. Ⅴ

前言..................................................... 1

文獻回顧................................................. 2

2.1 沼氣來源............................................ 2

2.2 沼氣純化............................................ 3

2.3 沼氣純化之研究...................................... 3

2.3.1 化學方法......................................... 3

2.3.1.1 乙醇胺法...................................... 3

2.3.1.2 1、2 一二乙醇胺法............................. 4

2.3.1.3 氧化鐵粉+木屑法............................... 4

2.3.1.4 熱碳酸鉀...................................... 4

2.3.1.5 Benfield...................................... 4

2.3.1.6 石灰石法...................................... 5

2.3.2 物理方法......................................... 5

2.3.3 生物方法......................................... 5

2.4 沼氣利用............................................ 6

2.4.1 家庭燃料用....................................... 6

2.4.2 沼氣保溫燈....................................... 6

2.4.3 仔豬保溫燈....................................... 7

實驗設備與方法........................................... 9

3.1 設備與材料.......................................... 9

3.2 沼氣硫化氫純化..................................... 13

結果與討論.............................................. 14

4.1 各種吸附材料對硫化氫之去除效果..................... 14

4.1.1 木片混合鐵粉.................................... 14

4.1.2 竹條混合鐵粉.................................... 16

4.1.3 氧化鐵.......................................... 19

4.1.4 三種吸附材料之比較.............................. 20

結論.................................................... 24

參考文獻................................................ 25

附錄一.................................................. 26

IV

表目錄 表2-1沼氣組成分.......................................... 2

表 2-2 沼氣用熱水器之沼氣消耗量與熱水量................... 6

表 4-1 木片混合鐵粉吸附材對硫化氫的去除效果.............. 14

表 4-2 竹條混合鐵粉吸附材對硫化氫的去除效果.............. 16

表 4-3 氧化鐵吸附材對硫化氫的去除效果.................... 19

表 4-4不同吸附材料之比較................................. 23

V

圖目錄 圖 2-1 沼氣保溫燈......................................... 7

圖 2-2 仔豬保溫板......................................... 8

圖 3-1 紅泥膠皮沼氣袋..................................... 9

圖 3-2 反應器............................................. 9

圖 3-3反應器示意圖....................................... 10

圖 3-4幫浦............................................... 11

圖 3-5浮子流量計......................................... 11

圖 3-6硫化氫偵測器....................................... 11

圖 3-7氧化鐵............................................. 11

圖 3-8細竹條............................................. 12

圖 3-9木片............................................... 12

圖 3-10沼氣硫化氫試驗流程................................ 13

圖 4-1木片混合鐵粉對硫化氫之吸附效能..................... 15

圖 4-2竹條混合鐵粉對硫化氫之吸附效能..................... 18

圖 4-3氧化鐵對硫化氫之吸附效能........................... 21

圖 4-4不同吸附材料之硫化氫去除效能比較................... 22

圖 4-5不同吸附材料硫化氫去除效率比較..................... 22

1

一一一一、、、、前言前言前言前言 目前台灣畜牧業者，其牧場產生之畜牧廢水，經厭氣發酵處理

後，產生大量沼氣，而這些沼氣大多沒有利用便直接排出。沼氣中含

有甲烷、二氧化碳及微量的硫化氫和水氣，甲烷是一個很好的生質能

源，如能善加利用，不僅合乎環保及減少溫室氣體的排放且能帶來龐

大的商機，有非常大的潛力。沼氣成分甲烷 55～65%、二氧化碳 35～40%、硫化氫 2.7～3.8%(郭等，1999)。但是，沼氣中含有硫化氫，

若未經過純化去除沼氣中的硫化氫，會與水氣結合而形成具有腐蝕性

的硫酸，進而造成管線的腐蝕損壞，所以去除硫化氫為值得探討的課

題。台灣目前去除硫化氫的技術大多以水洗的方式去除，雖然水洗式

的去除率高，但操作費用太高，所以我們選擇固體吸附的方法，以減

少成本，希望能找出低成本，高效率的方法。

2

二二二二、、、、文獻回顧文獻回顧文獻回顧文獻回顧

2.1 沼氣來源沼氣來源沼氣來源沼氣來源

目前台灣的沼氣來源以廢棄物為大宗，其種類包括畜牧廢水、家

庭污水、城鎮垃圾及各行業廢水等四大類，其中，畜牧廢水以豬隻糞

尿廢水為大宗；家庭污水以都市污水處理場為主；城鎮垃圾主要以垃

圾掩埋場為主；各行業廢水（物）則來自食品業、紡織業、膠帶業等

(吳等，2004)。指出沼氣是潔淨能源，有機物質經微生物在厭氣環境

下分解而成，沼氣含有甲烷（CH4）48～65％、二氧化碳(CO2) 30～45％、氮(N2)17％以上、微量的硫化氫(H2S)及水氣(Rasi et al., (2007); Harasimowicz et al., (2007))。表2-1顯示豬糞尿產生之甲烷含量高於一

般農場廢棄物，而畜牧生產中體重60 kg之肉豬每天每頭約可生產0.23 m3沼氣；沼氣成分含甲烷60～75%、二氧化碳25～40%、硫化氫0.2～0.5%，每g COD可產生0.22～0.39 L的甲烷。鴨糞厭氣處理，每公

升厭氣槽每日約產生0.6～1.1 L沼氣，每g COD約產生0.2～0.36 L沼氣，沼氣成分甲烷55～65%、二氧化碳35～40%、硫化氫2.7～3.8%(郭等，1999)。

表2-1 沼氣組成分

氣體 百分比(一般)% 百分比(豬糞尿)%

甲烷 54～70 60～80

二氧化碳 27～45 16～38

氫 1～10 1

氮 0.5～3.0 1～2

一氧化碳 0.1 －

氧 0.1 －

硫化氫 ＜0.1 0.2～0.5

水 － 0.2

王(1993)

沼氣中可利用的成分是甲烷，純化後的沼氣由於甲烷含量比

例較高，所以燃燒值也比未純化者為高。含量不高的硫化氫與水

蒸氣混合時，會產生硫酸，會對金屬的管件和容器，產生強烈的

腐蝕作用。純化的目的就是在於去除硫化氫，以減少腐蝕性。 沼氣有下列兩項優點：

a. 熱值高：一般約為 5000 kcal/m3 以上，比煤氣瓦斯的標準熱值

4500 kcal/m3 還高。

3

b. 具燃料特性：可作為引擎燃燒的燃料，引擎燃燒過程可使之更

滑潤、減少排氣中有毒物質、低速運轉時可增加扭力。 未純化沼氣的缺點：

a. 二氧化碳稀釋甲烷熱值，造成沼氣整體熱值低於純甲烷。 b. 純化後氣體體積減量，減低設計管路尺寸，進氣口徑。

2.2 沼氣純化沼氣純化沼氣純化沼氣純化

未純化沼氣因含有20～30％之CO2和0.2～0.5％之H2S，而H2S 與水氣結合成具腐蝕性硫酸，直接腐蝕金屬管壁故不可以直接壓縮裝

瓶，而沼氣又不容易液化，如以紅泥貯氣袋方式讓車輛攜帶，則體積

龐大，所能帶的能量密度較低，所以只能行駛近距離或農場內使用，

若要行駛長距離(50km)以上，則必需壓縮於鋼瓶以提高能量密度。為

避免壓縮鋼瓶受腐蝕，同時增加能量密度，就必需純化去除沼氣中之

CO2、H2S和H2O。

2.3 沼氣純化之研究沼氣純化之研究沼氣純化之研究沼氣純化之研究 沼氣純化有化學、物理及生物方法等三類，分述如下：

2.3.1 化學方法化學方法化學方法化學方法 常用的化學方法包括：

2.3.1.1 乙醇胺乙醇胺乙醇胺乙醇胺(Monoethanolamine,MEA)法法法法 20年代發展成的乙醇胺(MEA)，到目前仍是氣體處理技術中最普

遍者。

乙醇胺法的優點為高反應性、低溶劑費用、高安定性，回收容易。

其缺點為： (1) 蒸氣壓高，溶劑損失大。 (2) 需較大之再生熱。 (3) 有顯著的腐蝕現象。 (4) 不適合處理氣體中含硫化羰(COS)及二硫化碳(CS2)。由於裝置的腐

蝕為乙醇胺法之主要問題，因此，其適用濃度不可過高，通常為

15~20%(Wt)。然而近年來發展成的腐蝕抑制劑，使乙醇胺的可

用濃度提高至 30%以上(工業技術研究院,1982)。最近國外對

MEA 加以改良，在 MEA 溶液中加八腐蝕抑制劑，可使 MEA 之限制濃度提高，而不致有顯著腐蝕現象，其吸收能力亦大增，故

此改良之 MEA process 可用來處理高濃度 CO2 氣體。

4

2.3.1.2 1、、、、2 一二乙醇胺一二乙醇胺一二乙醇胺一二乙醇胺(Diethanolamine,DEA)法法法法 DEA 法也是廣泛使用的一種氣體純化技術。DEA 和 MEA 法相

似，但可用於氣體中含有硫化羰及二硫化碳場合，且溶劑氧化損失較

小。缺點則為較低反應性，需較高溶劑循環速率及較昂溶劑費用。

DEA 的腐蝕性較 MEA 為小，因此其使用濃度可較高。法國 SNDA公司註冊之ㄧ種專利程序，稱 SNDA-DEA 濃度為 20~30(Wt)可處理

酸性成分較高的氣體(工業技術研究院,1982)。

2.3.1.3 氧化鐵粉氧化鐵粉氧化鐵粉氧化鐵粉(Fe2O3 ．．．． 3H2O) + 木屑法木屑法木屑法木屑法 以氧化鐵粉與木屑重量比 2:1混合(按重量比約 2：1 或體積比 1：

5~1：10)，填置於一圓柱管中，使硫化氫轉變成硫化鐵或硫化亞鐵，

予以分離。 Fe2O3 ． 3H2O + 3H2S → Fe2S3 + 6H2O Fe2O3 ． 3H2O + 3H2S → 2FeS + S + 6H2O 此法H2S 去除率可達80~98%，脫硫劑用盡後，取出放在空氣中，

利用空氣中的氧，再生： 2Fe2S3+3O2→2Fe2O3+6S 4FeS+3O2→2Fe2O3+4S 此種脫硫劑在使用之前，須先將氣體中的水份除去，操作溫度在

20~40℃最佳(工業技術研究院,1982)。

2.3.1.4 熱碳酸鉀熱碳酸鉀熱碳酸鉀熱碳酸鉀(Hot potassium carbonate，，，，簡稱簡稱簡稱簡稱 Hot Pot Method) 熱碳酸鉀法的設備及流程和乙醇胺法類似，只是接觸塔的溫度較

高，須(200~250℉)其溶劑為 25~35%(Wt)之碳酸鉀水溶液。 K2CO3 + CO2 + H2O 2KHCO3 熱碳酸鉀法的程序特點如下: 1. 溶劑較乙醇胺便宜，溶劑損失低，且需較少再生熱。 2. 適合於含高量二氧化碳，而硫化氫含量低的進氣，且二氧化碳

不必脫除至很純淨(工業技術研究院,1982)。

2.3.1.5 Benfield 法法法法 Benfield為改進的 Hot-Pot法，其吸收劑乃將熱碳酸鉀溶液配合

加成物而成。Benfield適合於二氧化碳含量高的進氣，而二氧化碳含

量越高，則脫除效果愈好。其溶液於二氧化碳、硫化羰及硫化氫中均

能吸收。溶劑腐蝕性小，且所需再生熱及循環量均較 Hot-Pot法低，

因此對於大量脫除酸性氣體，其所須的投資及操作費用均較 Hot-Pot低(工業技術研究院,1982)。

5

2.3.1.6 石灰石法石灰石法石灰石法石灰石法 石灰石法脫除硫化氫，乃以碳酸鈣(CaCO3)或白雲石(MgCO3．

CaCO3)及石灰(CaO)之混合物為吸附物質，其吸附程序如下: (

CaCO3 CaO ) + H2S → CaS + H2S + (CaO

CO2 ) (工業技術研究院,1982)

2.3.2 物理方法物理方法物理方法物理方法 物理方法有分子篩法(Molecular sieve)一種，說明如下：

分子篩法分子篩法分子篩法分子篩法(Molecular sieve) 分子篩吸附劑於 1954年由 UCC公司引入工業界，由於其操作簡

單，及其獨特的吸附性能，因此用途日廣。 分子篩為結晶性鋁-矽化合物，其結構由均勻小孔連結如蜂巢

狀。隨著分子篩類型的不同。孔徑大約為 3~10Å 結晶間的孔隙約為

結晶體積的 50%，因此分子篩擁有極大的內部表面積，分子篩的吸附

能力完全取決於不純物的分子大小，型態極性程度，因此，即使在很

低濃度的不純物及較高溫度下，分子篩仍具有極佳的吸附能力。以分

子篩做氣體處理。 其程序設計上應考慮下列幾點: (1) 操作條件 一般而言，溫度越高，則吸附能力減低，如在常溫範圍內，溫度

提高 10℉將使得分子篩用量增加 20%，因此準確的預估進氣溫度乃

為必須。另外，吸附劑的負荷隨硫化氫的分壓而增加，但其關係並非

成直線關係，因此須詳加考慮。 (2) 再生條件 為使得分子篩處理系統操作良好且得到高品質的氣體，再生塔進

口溫度以保持在 555℉為佳，再者再生系統通常需以高壓操作，此皆

為設計上須考慮的因素(工業技術研究院,1982)。

2.3.3 生物方法生物方法生物方法生物方法 台灣動物科技研究所則是利用硫氧化菌之特性(H2S→S0→SO4

2-)研發出一套沼氣生物脫硫之生物濾床系統。工業上利用微生物之硫循

環(sulfur cycle)原理包括硫的氧化(H2S + 2O2→SO42- + 2H+)與硫酸的

還原(SO42-+ 4H2→S2- + 4H2O)將相關之微生物設置於實廠之除硫反應

槽內，把硫由含有硫化氫之氣體與廢水中去除，並可以回收元素硫固

體(Janssen et al., 2001)。

6

2.4 沼氣利用沼氣利用沼氣利用沼氣利用 沼氣的用途雖然很廣，但由於在利用上僅能以管線輸送因而受到

很大之限制，且市售沼氣用具不普遍。此外，沼氣中因含有微量硫化

氫和水蒸氣，在使用時如有漏氣發生，會腐蝕金屬用具。目前沼氣在

台灣養豬農家之利用上，大都用於養豬場之輔助能源，例如家庭燃料

用瓦斯爐、熱水爐、仔豬保溫燈、仔豬保溫板、焚化爐、沼氣動力車

及沼氣發電用於自家牧場所需如飼料之加工、混合、畜舍或廢水處理

場之操作等用途。

2.4.1 家庭燃料用家庭燃料用家庭燃料用家庭燃料用 台灣地區家庭烹煮及熱水器之使用燃料主要為天然氣，而厭氣醱

酵產生之沼氣可充當替代燃料。蕭(1991)指出沼氣應用在炊事利用，

每年可替代 12桶瓦斯，每年節省 6000元以上。Koh et al.,(1988)指出

一般家庭用之瓦斯爐噴嘴孔徑 1.5 cm消耗沼氣約 0.7 m3/h，而厭氣醱

酵槽輸送之沼氣壓力低於 5 cm/H2O，為使爐火氣焰相同於使用天然

氣者，需將瓦斯爐噴嘴孔加大。沼氣用熱水器之改裝亦然，除擴大噴

嘴孔徑外，尚需縮短自動點火與主爐之距離。沼氣用熱水器之沼氣消

耗量與熱水量如表 2-2，水溫加熱至 40、60、90℃所產生之熱水量與

沼氣消耗量分別為 17.4 L/min與 34 L、7.0 L/min與 114 L、2.9 L/min與 197 L。

表2-2 沼氣用熱水器之沼氣消耗量與熱水量

熱水溫度(℃)

40 60 90

熱水量(L/min) 17.4 7.0 2.9

沼氣用量(L) 34 114 197

王(1993)

2.4.2沼氣保溫燈沼氣保溫燈沼氣保溫燈沼氣保溫燈

剛出生仔豬需輔以保溫設施，提供溫暖環境利其生長，以免受

寒。利用燃燒液化石油氣的紅外線燈具作為保溫設施，改以沼氣作為

燃料來源，即可供畜舍內仔豬保溫用。紅外線燈具原先燃燒液化油氣

比是 1 比 23，在使用沼氣作為燃料時，其沼氣與空氣比則需調整為

1 比 7.5，沼氣才具有較佳之燃燒條件使其充分發揮熱效率，所以需

將燈具之沼氣噴口改大，同時將空氣進口改小，以逹到上述之沼氣與

7

空氣比。當逹到最佳燃燒狀況時，火焰呈藍紫色，熱度亦最高，但這

必須先使空氣與沼氣在爐管中事先混合好，否則將會產生燃燒不完全

之現象，而且多秏費沼氣，甚至會產生一氧化碳之有毒氣體，而危害

到人畜安全。蕭(1991)指出使用紅外線沼氣保溫燈後不僅有效控制室

溫(較燈泡之室溫高 5～6℃)及殺菌之雙重功效，每月節省電費 17,500元與保溫燈泡及電線等材料 4,000元，年支出共節省 258,000元。由

於在畜舍一般均使用多盞保溫燈，因此需有增壓裝置將沼氣壓力提升

至 20 cm/H2O，此可利用加壓貯氣槽或 1/4～1/2 Hp之加壓馬達，以

便將沼氣壓送至較遠處之保溫燈。沼氣保溫燈具的構造如圖 2-1 所

示。沼氣用仔豬保溫燈屬紅外線保溫方式，可分成小型及大型兩種，

小型及大型仔豬保溫燈之受熱面積與沼氣用量分別為 0.3 m2與 300～400L 及 0.4 m2 與 500～600L，且在國內養豬場已普遍被應用(蕭1991)。

圖2-1 沼氣保溫燈

2.4.3仔豬保溫板仔豬保溫板仔豬保溫板仔豬保溫板

本裝置乃由畜試所開發的溫差循環式仔豬保溫系統(邱，1991)，利用沼氣作為熱源。溫水器附有煙窗叢管式加熱器，其下端備有燃燒

室，室內置一小型沼氣爐蕊，燃點沼氣當熱源。溫水器進出水管與保

溫板連接相通，管內充滿清水，當其底部接受由沼氣點燃的熱源時即

昇高溫度，減輕密度而往上昇流入保溫板，下端則取自保溫板中的冷

8

水而補充，如此循環可免裝設為循環而設的電力泵。溫水器實際上是

一小鍋爐，與保溫板之進出口相接，保溫板可用直徑 25 mm 之錏管

做成 6～8 道蛇形彎道，將其焊接於一多孔鍍鋅鐵板以便散熱，管內

通以 32～40℃之溫水，即構成保溫板如圖 2-2 所示，在此保溫裝置

中，溫水器以垂直方式安裝，並藉加熱器與溫度控制器之作用使加熱

與散熱於所設定的溫度下達成平衡(邱，1991)。

圖2-2 仔豬保溫板

9

三三三三、、、、實驗實驗實驗實驗設備設備設備設備與方法與方法與方法與方法

3.1 設備設備設備設備與材料與材料與材料與材料

實驗設備: 1. 紅泥膠皮沼氣袋如圖3-1所示，其容量為500公升。 2. 反應器如圖3-2及圖3-3所示，尺寸：反應區長50cm、直徑5cm、有

效體積981.25cm3。 3.幫浦如圖3-4所示，廠牌：lwaki co,Lid，型號APN-085V-1-31、最大

流量5~6L/min。 4.浮子流量計如圖3-5所示，最大流量150ml/min。 5.硫化氫偵測器如圖3-6所示，型號：PGM2020，規格：請參照附錄

一。 實驗材料: 1. 氧化鐵如圖3-7所示，為紅棕色條狀，長約為0.5公分、直徑約為0.2

公分。 2. 細竹條如圖3-8所示，取自廢棄竹掃把末端竹枝 3. 木片如圖3-9所示，取自廢棄木材

圖3-1 紅泥膠皮沼氣袋 圖3-2 反應器

10

圖3-3 反應器示意圖

氣體出口

採樣口#6

液體入口

採樣口#5

採樣口#3

採樣口#4

採樣口#2

氣體入口

採樣口#1

液體出口

多孔性填料口支撐架

液體分配

5cmID

20cm

50cm

10cm

註:每 10cm 設置一個採樣口

材料:壓克力

規格:反應區長 50cm、直徑 5cm

有效體積：981.25cm3

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圖3-4 幫浦 圖3-5 浮子流量計

圖3-6 硫化氫偵測器 圖3-7 氧化鐵

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圖3-8 細竹條 圖3-9 木片

13

3.2 沼氣硫化氫純化沼氣硫化氫純化沼氣硫化氫純化沼氣硫化氫純化 沼氣硫化氫純化試驗流程如圖3-10所示。

圖3-10 沼氣硫化氫純化試驗流程

本研究探討三種不同的硫化氫吸附材質之處理效能，木片混合鐵

粉、細竹條混合鐵粉及氧化鐵顆粒。本研究所有之沼氣取自新化畜產

試驗所，硫化氫平均濃度約為 5500ppm。利用幫浦與浮子流量計將沼

氣以 100ml/min通入填滿吸附材料的反應器中，處理後的沼氣以硫化

氫偵測器偵測硫化氫濃度，每 10 分鐘擷取數據一次，以探討各種吸

附材質對硫化氫的去除效率。 本研究之氣體處理量以填充床體積(Bed Volumes, BV)表示，BV

的計算方法如式(1)所示。 反應器容積:π/4 × D2 × H BV＝處理時間(min)×氣體流量(ml/min)/反應器容積(ml) - - - - (1)

14

四四四四、、、、結果與討論結果與討論結果與討論結果與討論 4.1 各種吸附材料對硫化氫之去除效果各種吸附材料對硫化氫之去除效果各種吸附材料對硫化氫之去除效果各種吸附材料對硫化氫之去除效果 4.1.1木片混合鐵粉木片混合鐵粉木片混合鐵粉木片混合鐵粉

以 150g木片混合 7.5g鐵粉之吸附材料去除硫化氫之試驗結果如

表 4-1及圖 4-1所示。 沼氣中硫化氫之原始濃度約為 5000ppm，在試驗範圍內，經過木

片混合鐵粉吸附材處理後，硫化氫濃度介於 3 ~ 164ppm之間，平均

值為 31.89ppm，硫化氫去除率介於 96.72 ~ 99.94%之間，平均值為

99.36 %。 除了試驗初期，處理效果較不穩定外，整體而言，在試驗範圍(30

BV)內，木片混合鐵粉對硫化氫的去除率均可達 99%以上。

表表表表4-1木片混合鐵粉木片混合鐵粉木片混合鐵粉木片混合鐵粉吸附材對硫化氫的去除效果吸附材對硫化氫的去除效果吸附材對硫化氫的去除效果吸附材對硫化氫的去除效果

處理時間(min) 沼氣處理量(BV*) 尾氣硫化氫濃度(ppm) 硫化氫去除率(%)

0 0 - -

30 3 87 98.26

40 4 164 96.72

50 5 85 98.30

60 6 27 99.46

70 7 9 99.82

80 8 3 99.94

90 9 3 99.94

100 10 4 99.92

110 11 5 99.90

120 12 5 99.90

130 13 6 99.88

140 14 8 99.84

150 15 13 99.74

160 16 17 99.66

170 17 17 99.66

180 18 17 99.66

190 19 20 99.60

200 20 16 99.68

210 21 38 99.24

220 22 33 99.34

230 23 44 99.12

240 24 34 99.32

250 25 38 99.24

15

處理時間(min) 沼氣處理量(BV*) 尾氣硫化氫濃度(ppm) 硫化氫去除率(%)

260 26 45 99.10

270 28 46 99.08

280 29 46 99.08

290 30 31 99.38

註* BV：Bed Volumes 註：沼氣中硫化氫原始濃度為5000ppm。

圖圖圖圖4-1木片混合鐵粉對硫化氫之吸附效能木片混合鐵粉對硫化氫之吸附效能木片混合鐵粉對硫化氫之吸附效能木片混合鐵粉對硫化氫之吸附效能

木片150g加鐵粉7.5g

0

50

100

150

200

0 5 10 15 20 25 30

處理量 (Bed Volumes)

硫化

氫濃度

(pp

m)

木片 150g混合鐵粉 7.5g

16

4.1.2竹條混合鐵粉竹條混合鐵粉竹條混合鐵粉竹條混合鐵粉 以 150g竹條混合 7.5g鐵粉之吸附材料去除硫化氫之試驗結果如

表 4-2及圖 4-2所示。 沼氣中硫化氫之原始濃度約為 6000ppm，在試驗範圍內，經過木

片混合鐵粉吸附材處理後，硫化氫濃度介於 0 ~ 75ppm之間，平均值

為 18.91ppm，硫化氫去除率介於 98.64 ~ 100%之間，平均值為 99.68 %。

除了試驗初期，處理效果較不穩定外，整體而言，在試驗範圍(70 BV)內，木片混合鐵粉對硫化氫的去除率均可達 99%以上。

表表表表4-2竹條混合鐵粉竹條混合鐵粉竹條混合鐵粉竹條混合鐵粉吸附材對硫化氫的去除效果吸附材對硫化氫的去除效果吸附材對硫化氫的去除效果吸附材對硫化氫的去除效果

處理時間(min) 沼氣處理量(BV*) 尾氣硫化氫濃度(ppm) 硫化氫去除率(%)

0 0 - -

30 3 75 98.75

40 4 69 98.85

50 5 65 98.92

60 6 61 98.98

70 7 59 99.02

80 8 57 99.05

90 9 55 99.08

100 10 50 99.17

110 11 47 99.22

120 12 44 99.27

130 13 47 99.22

140 14 44 99.27

150 15 40 99.33

160 16 45 99.25

170 17 37 99.38

180 18 36 99.4

190 19 32 99.47

200 20 29 99.52

210 21 34 99.43

220 22 28 99.53

230 23 20 99.67

240 24 20 99.67

250 25 19 99.68

260 26 18 99.70

17

處理時間(min) 沼氣處理量(BV*) 尾氣硫化氫濃度(ppm) 硫化氫去除率(%)

270 28 17 99.72

280 29 16 99.73

290 30 13 99.78

300 31 10 99.83

310 32 7 99.88

320 33 7 99.88

330 34 7 99.8

340 35 5 99.92

350 36 9 99.85

360 37 9 99.85

370 38 9 99.85

380 39 7 99.88

390 40 7 99.88

400 41 7 99.88

410 42 7 99.88

420 43 6 99.90

430 44 11 99.82

440 45 11 99.82

450 46 10 99.83

460 47 12 99.80

470 48 7 99.88

480 49 4 99.93

490 50 1 99.98

500 51 1 99.98

510 52 4 99.93

520 53 0 100.00

530 54 0 100.00

540 55 0 100.00

550 56 0 100.00

560 57 0 100.00

570 58 0 100.00

580 59 0 100.00

590 60 0 100.00

600 61 0 100.00

610 62 0 100.00

620 63 4 99.93

18

處理時間(min) 沼氣處理量(BV*) 尾氣硫化氫濃度(ppm) 硫化氫去除率(%)

630 64 4 99.93

640 65 4 99.93

650 66 5 99.92

660 67 3 99.95

670 68 4 99.93

680 69 4 99.93

690 70 4 99.93

註* BV：Bed Volumes 註：沼氣中硫化氫原始濃度為6000ppm。

圖圖圖圖4-2竹條混合竹條混合竹條混合竹條混合鐵粉對硫化氫之吸附效能鐵粉對硫化氫之吸附效能鐵粉對硫化氫之吸附效能鐵粉對硫化氫之吸附效能

竹條100g+鐵粉5g

0

20

40

60

80

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

處理量 (Bed Volumes)

硫化

氫濃

度(p

pm)

竹條 150g混合鐵粉 7.5g

19

4.1.3氧化鐵氧化鐵氧化鐵氧化鐵

以氧化鐵當吸附材料去除硫化氫之試驗結果如表 4-3 及圖 4-3 所

示。 沼氣中硫化氫之原始濃度約為 5800ppm，在試驗範圍內，經過氧

化鐵吸附材處理後，硫化氫濃為 0ppm，硫化氫去除率為 100 %。

表表表表4-3氧化鐵氧化鐵氧化鐵氧化鐵吸附材對硫化氫的去除效果吸附材對硫化氫的去除效果吸附材對硫化氫的去除效果吸附材對硫化氫的去除效果

處理時間(min) 沼氣處理量(BV*) 尾氣硫化氫濃度(ppm) 硫化氫去除率(%)

0 0 - -

30 0 0 100

40 4 0 100

50 5 0 100

60 6 0 100

70 7 0 100

80 8 0 100

90 9 0 100

100 10 0 100

110 11 0 100

120 12 0 100

130 13 0 100

140 14 0 100

150 15 0 100

160 16 0 100

170 17 0 100

180 18 0 100

190 19 0 100

200 20 0 100

210 21 0 100

220 22 0 100

230 23 0 100

240 24 0 100

250 25 0 100

260 26 0 100

270 28 0 100

280 29 0 100

290 30 0 100

20

處理時間(min) 沼氣處理量(BV*) 尾氣硫化氫濃度(ppm) 硫化氫去除率(%)

300 31 0 100

310 32 0 100

320 33 0 100

330 34 0 100

340 35 0 100

350 36 0 100

360 37 0 100

370 38 0 100

380 39 0 100

390 40 0 100

400 41 0 100

410 42 0 100

420 43 0 100

430 44 0 100

440 45 0 100

450 46 0 100

460 47 0 100

470 48 0 100

480 49 0 100

490 50 0 100

500 51 0 100

510 52 0 100

520 53 0 100

530 54 0 100

540 55 0 100

550 56 0 100

560 57 0 100

570 58 0 100

580 59 0 100

590 60 0 100

600 61 0 100

610 62 0 100

620 63 0 100

630 64 0 100

640 65 0 100

650 66 0 100

21

處理時間(min) 沼氣處理量(BV*) 尾氣硫化氫濃度(ppm) 硫化氫去除率(%)

660 67 0 100

670 68 0 100

680 69 0 100

690 70 0 100

700 71 0 100

710 72 0 100

720 73 0 100

730 74 0 100

740 75 0 100

750 76 0 100

760 77 0 100

770 78 0 100

註* BV：Bed Volumes 註：沼氣中硫化氫原始濃度為5800ppm。

圖圖圖圖4-3氧化鐵對硫化氫之吸附效能氧化鐵對硫化氫之吸附效能氧化鐵對硫化氫之吸附效能氧化鐵對硫化氫之吸附效能

氧化鐵4.5g

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

處理量 (Bed Volumes)

硫化

氫濃

度(p

pm

)

氧化鐵 454.5g

22

4.1.4三種吸附材料三種吸附材料三種吸附材料三種吸附材料去除硫化氫效能去除硫化氫效能去除硫化氫效能去除硫化氫效能之比較之比較之比較之比較 本研究所採用的三種吸附材料(木片混合鐵粉、竹條混合鐵粉、氧

化鐵)對硫化氫去除效能的比較如圖 4-4及圖 4-5所示，氧化鐵對硫化

氫的去除效率高於細竹條混合鐵粉及木片混合鐵粉，而且氧化鐵擁有

相當穩定的高去除效率。 三種硫化氫吸附材料的價格、去除效率及回收利用情形如表 4-4

所示，很明顯的，雖然氧化鐵的價格稍貴一點，但考量硫化氫之去除

效率及操作穩定性，氧化鐵為最佳選擇。 三種吸附材質比較

020406080

100120140160180

0 10 20 30 40 50 60 70 80

處理量 (Bed Volumes)

硫化氫濃度

(ppm

)

木片150g+鐵粉7.5g 竹條100g+鐵粉5g 氧化鐵454.5g

圖圖圖圖4-4不同吸附材料之硫化氫去除效能比較不同吸附材料之硫化氫去除效能比較不同吸附材料之硫化氫去除效能比較不同吸附材料之硫化氫去除效能比較

三種吸附材質去除率

96%

97%

98%

99%

100%

0 10 20 30 40 50 60 70 80處理量 (Bed Volumes)

硫化

氫去除

率(%)

木片150g加鐵粉7.5g 竹條100g+鐵粉5g 氧化鐵454.5g

圖圖圖圖4-5不同吸附材料硫化氫去除效率比較不同吸附材料硫化氫去除效率比較不同吸附材料硫化氫去除效率比較不同吸附材料硫化氫去除效率比較

23

表表表表4-4不同吸附材料之比較不同吸附材料之比較不同吸附材料之比較不同吸附材料之比較

價格(NT/kg) 硫化氫去除效率 回收利用

木片+鐵粉 1.25 高，但初期不穩定 可

細竹條+鐵粉 2.35 高 可

氧化鐵 2.80 高且穩定 不可

註:鐵粉一公斤2.5元

24

五五五五、、、、結論結論結論結論

研究結果顯示，硫化氫吸附材料木片混合鐵粉對硫化氫的去除效

率可達 99%以上，但試驗初期的效果較不穩定；經過硫化氫吸附材細

竹條混合鐵粉處理後的沼氣，硫化氫濃度可從 6000ppm降至 75ppm以下，除了試驗初期，硫化氫去除率均高於 99%；經過氧化鐵處理後

的沼氣，在整個實驗範圍內(<79 BV)均未偵測出硫化氫，氧化鐵對於

硫化氫之去除效率明顯高於摻有鐵粉之細竹條和木片並且有相當穩

定的高去除效率。若以吸附材料的成本來看，摻有鐵粉之木片每公斤

1.25元最低，其次為摻有鐵粉之細竹條每公斤 2.35元；氧化鐵成本

最高，每公斤需 2.80元。本研究所採用的三種材料中，氧化鐵屬於

高成本之吸附材，當氧化鐵吸附飽和之後雖可經再生後重複使用，但

效率明顯降低，所以飽和之後通常直接廢棄。竹條與木片為低成本可

再利用材料，當這兩種吸附材料吸附飽和後可從反應器取出，清洗晒

乾後再使用。以去除率來説三種材料皆為高效率，但氧化鐵可以維持

長時間穩定的高去除率，木片與竹條雖為高效率但維持時間並不長。

整體而言，考慮硫化氫之去除效率、材料成本及操作穩定性，氧化鐵

為最佳選擇。

25

六六六六、、、、參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻

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biogas and utilization in Taiwan. Proceeding of the utilization and poultry

manure. FFTC EB.279.pp1-12.

26

附錄一

27

GENERAL INFORMATION

1. General Information The QRAE Plus is a programmable multi-gas monitor designed to provide continuous

exposure monitoring of toxic gases, oxygen and combustible gases for workers in

hazardous environments.

There are two models available: the PGM-2000, a pump unit, and the PGM-2020, a diffusion unit.

The figures and displays in this manual are primarily for the PGM-2000 model.

The QRAE Plus monitors inorganic toxic gases and oxygen concentrations with

electrochemical sensors. It monitors combustible gases with a combination catalytic bead

and thermal conductivity sensor.

The QRAE Plus includes:

• Calibration Adapter

• Quick Reference Guide

• Operation and Maintenance Manual

• Training Video

• Rubber Boot with Belt Clip

• 10 Water Trap Filters (PGM-2000 only)

• 3” Inlet Probe (PGM-2000 only)

• Water Trap and C-Filter Adapters (PGM-2000 only)

• Alkaline Battery Pack

• Lithium-Ion Battery Pack

• 120 V AC/DC Wall Adapter

28

GENERAL INFORMATION

Table 1. QRAE Plus Specifications

Dimensions: 3” L x 4.5” W x 1.8” H

(7.6 cm x 11.4 cm x 4.3 cm)

Weight: 15 oz (525 g) with battery

Detectors: 2 Electrochemical toxic gases sensors

1 Electrochemical oxygen sensor

1 Catalytic/Thermal conductivity sensor for

combustibles

Battery: Rechargeable, Li-ion battery pack with built-in

charger – 8 hours of charge time

Alkaline battery adapter (3 AA’s)

Operating Time: Li-ion battery pack – up to 16 hours of

continuous operation

Display: Two-line, 16-character LCD with automatic

LED backlight for dim lighting conditions

Keypad: One operation key; two programming keys

Direct Readout: Up to four instantaneous values, sensor name,

high and low values for all detectors, TWA and

STEL values for toxic, battery voltage and

elapsed time

Sampling Pump: Internal integrated pump with adjustable

settings for low or high speed sampling

Alarms: 95 dB buzzer, flashing red LED, vibration

alarm, LCD to indicate exceeded preset limits,

low battery, or sensor failure

Alarm Settings: Separate alarm limit settings for TWA, STEL,

low and high alarms

(Continued)

29

GENERAL INFORMATION

Calibration: Two-point field calibration for fresh air and

standard reference gas

Three-point optional oxygen calibration

Attachments: Rubber boot, belt clip, wrist strap

Protection: Password protected calibration settings, alarm

limits, and data

Intrinsic Safety: UL Class I, Division I, Group A, B, C, D, and Class II,

Division I, Group E, F, G

(Europe)

CE 0575 II 2G

DEMKO 02 ATEX 04201X

EEx ia d IIC T4 (with Battery P/N 015-3052)

EEx ia d IIC T3 (with Battery P/N 015-3053)

CSA Class I, Division 1, Group A,B,C,D

EM Immunity: No effect when exposed to 0.43mW/cm2 RF interference (5 watts at 12”)

Data Storage: 16,000 points of non-volatile memory (up to 67

hours of reading four sensors at one-minute

intervals)

Datalog Interval: Programmable 1-second to 36,000-second

intervals

External Alarm: Optional, plug-in, pen-size vibration alarm

External Printer: Optional, plug-in, thermal serial printer

Communication: Download data to PC

Upload monitor setup from PC through an RS-

232 link to serial port on PC

Temperature: UL / ATEX

-20 C to 45 C (-4 F to 113 F) CSA

0 C to 45 C (32 F to 113 F) -20 C to 45 C (pending)

Humidity: 0% to 95% relative humidity