工業區氣化多元應用

• 演講者：蕭述三教授• 日期：2015. 03. 03

LOGOOutline

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背景

MAGIC

Route Map

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LOGO

Energy Continuity Guidelines

source：Institute of Nuclear Energy Research 3

背景(1/2)

LOGO

我國能源總供給自民國82年6,735萬公秉油當量逐年成長，102年達14,314萬公秉油當量，年平均成長率為3.84%。102年能源總供給中，自產能源占2.10%，進口能源占97.90%；若按能源別區分，則煤炭占30.15%，石油占47.60%，天然氣占11.97%，生質能及廢棄物占1.28%，水力發電占0.36%，核能發電占8.42%，地熱、風力及太陽光電占0.13%，太陽熱能占0.08%。

煤炭總供給量自82年2,567萬公噸增至102年6,595萬公噸，年平均成長率達4.83%，自90年起，已無自產，煤炭全為進口；煤炭消費量則自2,353萬公噸增至6,401萬公噸，年平均成長率達5.13%。

我國能源需求預測(2020年)

source ： THE ENERGY SUPPLY AND DEMAND SITUATION IN TAIWAN, R.O.C. Renewables 2014 Global Status Report

• Renewable Energy Share of Global Final Energy Consumption, 2014

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背景(2/2)

LOGOMAGIC

工業區氣化多元應用：MAGIC (Multiple Applications of Gasification for Industrial Complex)

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LOGO整體發展策略

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LOGO工業區氣化示範產業技術化應用

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LOGO計畫團隊

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總主持人：蕭述三教授

共同主持人：

1. 施聖洋教授*1

2. 周正堂教授*1

3. 楊授印助理教授*2

4. 林錕松教授*3

5. 余慶聰副研究員*4

協同研究人員：

1. 徐恆文博士*5

2. 沈政憲博士*5

3. 歐正章博士*6

顧問：

1. 王亭教授2. 林立夫博士*4

3. 邱耀平博士*4

LOGO中央大學淨煤研究中心團隊

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中心主任：蕭述三教授

技術開發成員： 氣化技術：蕭述三教授、施聖洋教授、周正堂教授、江康鈺教授、蕭大智教授。

P-SOFC ：林景崎教授、鄭憲清教授、李勝偉教授、張仍奎教授、曾重仁教授。 封存：田永銘教授、洪日豪教授、林殿順教授。

再利用：陳郁文教授、張木彬教授、李岱洲教授、謝介銘教授。

經濟評估： 臺經中心吳大任主任

政策顧問： 蔣偉寧教授

擬邀請朱雲鵬、梁啟源、管中閔、施顏祥、沈世弘等相關專家人士參與。

LOGO挾帶床式水煤漿氣化技術/系統

0 30 60 90 120 150 180 2100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

CC

, CG

E (%

)

After start of gasification (min)

O/C~0.45 CWS CWS B10 B10 B15 B15

Ash tank cleaning

1. 多料源式進料系統可兼用煤漿及生質焦碳進行氣化程序。

2. 冷氣化效率在穩定運轉狀態下可達60%。

3. 0.3TPD小尺寸氣化爐可在六小時內完成備爐進行氣化。

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LOGO高粘度流體噴霧器開發

1. 針對高粘性流體進行霧化器開發。

2. 使用於氣化爐中減少壁面slag及提升氣化效率。

3. 以數值計算(CFD)及流場量測 (PIV)進行噴霧器參數設定研究開發。

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LOGO除塵系統種類

除塵器種類 優點 缺點

Settling chamber 成本低、構造簡單、無能源消耗

效率低、占空間、無法補集小粒徑之

粉塵

Cyclones separator 成本低、耐高溫 對細小粒子過濾效率低

Bag filter 過濾效率佳 成本高、不耐高溫

Scrubber 成本低、操作維修易

水汙染處理

Electrostatic precipitator

過濾效率佳、耐高溫

須經常保養、易損壞

Ceramic candlefilter

耐高溫高壓、抗腐蝕

成本高、表面易碎裂堵塞、機械可靠

性差

Metal candle filter 更耐高溫高壓、抗腐蝕

反洗壓力更高、清洗簡單、彈性高、

不易碎裂

Granular bed filter

成本低、耐高溫高壓、抗腐蝕、壽命長、添加可吸附物質可多功能過濾

顆粒床滯留區(stagnant zones)

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LOGO顆粒床周邊系統專利應用

即時調控之粉粒體旋轉篩分裝置(I350197)

流動式顆粒床之雙葉片流動過濾粉塵校正裝置及方法(I314062)

移動式顆粒床及其氣體導引系統(I404563)無導流板裝置

加裝導流板裝置

Stagnant Zone

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LOGO長時間再生循環移動床過濾系統過濾測試

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LOGO

中高溫脫硫觸媒之合成最佳化及結構特性分析鑑定

工作項目：•Zn2TiO4最佳合成條件及結構特性鑑定•CuO/CeO2-Al2O3最佳合成條件及結構特性分析•Fe3O4最佳合成條件及結構特性分析•ZnxFe3-xO4最佳合成條件及結構特性鑑定

中高溫脫硫觸媒之量產技術/經濟成本評估/脫硫效率估算

工作項目：•建立lab-scale H2S脫硫效率測試吸附設備•建立lab-scale H2S脫硫吸附最佳操作條件/參數•完成lab-scale H2S脫硫效率測試•完成各種脫硫觸媒之脫硫效率測試與評估比較•建立各種脫硫觸媒之量產技術及成本估算

預期研發成果：•完成4種新穎中高溫脫硫觸媒之最佳合成條件及結構特性分析鑑定•建立lab-scale H2S脫硫吸附設備及操作條件/參數•建立各種脫硫觸媒之量產技術•完成各種脫硫觸媒之脫硫效率測試比較及脫硫觸媒量產之成本估算

種類 反應機制反應溫度/壓力

可否再生/效率

Durable Mixed-Metal

Oxide Sorbents

Zn2TiO4 + 2H2S → 2ZnS + TiO2 + 2H2O2ZnS + TiO2 + 3O2 → Zn2TiO4 + 2SO2

450℃Yes

(ZnS/Zn2TiO4)85~90%

Iron Oxide (Fe3O4) Based

Sorbent

Fe3O4 + 3H2S + (H2,CO)↔3FeS + 3H2O + (H2O,CO2)Fe3O4 + 3COS + (H2, CO)↔3FeS + 3CO2 + (H2O, CO2)

4FeS + 7O2 ↔ 2Fe2O3 + 4SO24Fe3O4 + O2↔6Fe2O3

3Fe2O3 + (H2, CO) ↔2Fe3O4 + (H2O, CO2)

350℃/1bar

Yes(Fe3O4)70~80%

CuO/CeO2-Al2O3

2CeO2 + H2S + H2→ Ce2O2S + 2H2O2CuO + H2S + H2 → Cu2S + 2H2O

Ce2O2S + SO2 → 2CeO2 + S2Cu2O + H2S → Cu2S + H2O

CuO + H2 → Cu + H2O2Cu + H2S → Cu2S + H2

600℃/1 bar

Yes(CuO/CeO2/

Cu2S)85~90%

Zinc Ferrite-SiO2

Composite Powder

ZnO + H2S → ZnS + H2OZnxFe3-xO4 + 2H2S + H2→ZnS + FeS + H2O

(ZnxFe3-xO4 can be regenerated and reused)

450℃/0.98 MPa

Yes(ZnS/FeS/ZnFe2O4)85~90%

新穎氣化爐含硫化氫合成氣脫硫觸媒特性比較總覽

待測吸附氣體H2S

模擬動態流速測定

脫硫觸媒

中高溫範圍350℃-600℃

建立lab-scale脫硫觸媒吸附硫化氫系統 探討不同硫化氫組成比例之影響 建立不同溫度/壓力之最佳化條件 測試最佳脫硫觸媒/H2S之S/G比例 確認最佳GHSV/WHSV流量條件

中高溫脫硫觸媒之量產成本及脫硫效率估算

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LOGO

中高溫脫硫觸媒固定床系統之建立及確認最佳操作參數

工作項目：•各種觸媒之蜂巢式載體技術及固/氣比估算•建立lab-scale固定床脫硫測試吸附設備•確認固定床脫硫系統之脫硫效率測試及成本估算•確認脫硫系統最佳操作參數

中高溫脫硫觸媒固定床系統工程放大之可行性評估

工作項目：•建立小型氣化爐合成氣之H2S污染檢測設備•脫硫系統設備防蝕材料確認及成本估算•模擬小型氣化爐含H2S合成氣之脫硫系統最佳操作參數•合作廠商之技術熟悉及場地配合

預期研發成果：•各種蜂巢式觸媒固/氣比估算•建立lab-scale H2S脫硫吸附設備及操作條件/參數•建立lab-scale固定床脫硫效率測試吸附設備及成本估算•確認脫硫系統最佳操作參數•建立小型氣化爐合成氣之H2S污染檢測設備•脫硫系統設備防蝕材料確認及成本估算•模擬小型氣化爐含H2S合成氣之脫硫系統最佳操作參數•合作廠商之技術學習熟悉及測試場地配合中高溫脫硫觸媒固定床系統初步簡圖

Outlet

Inlet

蜂巢式觸媒

蜂巢式觸媒

中高溫脫硫觸媒固定床系統及工程放大之評估

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LOGO

含過渡金屬氧化物如錳、銅、鋅等元素，具有高除汞量、並能scale-up等優點

除汞劑開發製造

kW級汞移除測試系統• 高性能除汞劑可用於廣溫度範圍

室溫至300°C移除率高達90-100%，有效降低活性炭在高溫低除汞缺點。

• 已申請台灣與美國專利，布局除汞技術產業發展:臺灣專利：103122587美國專利： 14/450,413

氣化程序之除汞技術開發

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LOGO

結合除汞劑與脫硝觸媒進一步提升現有工業程序除汞性能，延長SCR/FGD使用壽命，達國際指標90%移除率並降低成本。

URS Power, 2008

多功能商用除汞/脫硝觸媒性能提升

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LOGO合成氣系統之WGS吸附反應器應用

Gasification

WGSreactor

CO2H2

TSA

CO2Captur

e

H2

O2

SyngasCO+H2

Steam

Water-gas-shift(WGS) reaction: CO + H2O ↔ CO2 + H2 (△H298 = -41KJ/mol)

WGS吸附反應器

Temperature Swing Adsorption(TSA):利用氣體對吸附劑選擇率的不同而分離，在低溫進行吸附，而高溫進行脫附再生。sorption enhanced reaction (SER)CO + H2O ↔ CO2 + H2

計畫目標H2 Purity > 99%, with CO purity < 100ppmCO2 Purity > 90% and Recovery > 90% 19

LOGO

本研究參考美國能源部在2009年提出的IGCC期末報告書中從氣化爐排出並進行除硫後的氣體組成作為進料條件，氣體溫度為503K，進料壓力15atm，其成份為11% CO2、22% CO 、 22% H2 、 45% H2O。

WGS TSA單塔六步驟程序

WGS TSA程序之步驟如下：• Sorption enhanced reaction• CO2 rinse• Batch heating• Steam purge• Depressurization and cooling• Pressurization

Step 1503K

Step 2503K

Step 3823K

Step 4823K

Step 5503K

Step 6503K

CO+H2O+CO2+H2

15atm503K

H2O+H2

CO215atm503K

H2O40atm823K

H2O1atm503K

H2O15atm503K

CO2+H2O waste waste

waste

WGS TSA單塔六步驟程序模擬

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LOGO

低氮氧化物合成氣燃燒器實體燃燒器之組件分解圖

可替換之噴嘴設計

加速噴嘴

增強混合之孔板

紊流產生器

具漩渦流設計之預混腔體

專利名稱：富氫氣體燃燒器(I 435978)專利期間：2014.05.01~2031.10.30發明人: 邱耀平，施聖洋，劉建嘉，吳志揚

本專利具有有效混合燃料與空氣、避免回火以及防止燃燒器損壞之優點

四組產生弱漩渦流場之20

o斜角噴嘴

低氮氧化物合成氣燃燒器設備圖

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LOGO

圖一、結合加壓型SOFC實驗測試平台與MGT之複合式發電系統示意圖。

圖二、使用ASPEN Plus軟體建立的PSOFC與MGT之複合式發電系統模型。

Hybrid System

SOFC

建立可使用氣化合成氣之加壓型PSOFC-MGT複合發電系統中所需技術。圖一為高溫(700oC~850oC)高壓(1~5atm)型SOFC，實驗平台可通入多種燃料(合成氣、甲烷)進行發電並量測性能與阻抗，配合圖二建構一個120kW的加壓型SOFC，分別結合不同發電功率的燃氣渦輪機構成複合式發電系統，可進行效率與可用能損失分析。

高壓型SOFC使用合成氣為陽極燃氣之實作技術開發

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LOGO

推動工業區MW級的氣化廠的設立 整合各子項計畫所建立之技術，經由產、學、研以及國際

的合作。

由建廠初步可行性研究、工程與經濟可行性分析、細部設計與工程施工等階段，最終達成示範運轉測試與建立產業基礎的目標。

氣化廠以煤炭為主燃料，並混拌一定比例之生質物或廠區的有機廢棄物。

以區域能源整合的概念，集中提供潔淨之低碳合成氣與高品質蒸汽，作為燃料或化學品原料，同時達成廢熱回收有效利用。

規劃完成一座工業區多元進料氣化廠

驗證各子項計畫技術研發成果。

藉由產業的參與，以建立本土化技術與產業之競爭力。

協助政府達成永續能源政策綱領的目標。

建廠可行性評估

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LOGO

全程計畫工作重點：

尋找具產業合作潛力的廠商，目標為建立MW級氣化廠 以本計畫發展之氣化技術與淨化技術，或國際合作進行設計規劃與建

廠工作

分年完成建廠初步可行性研究、工程與經濟可行性分析、進行細部設計與工程施工，最終達成示範運轉測試與建立產業基礎的目標

FY103年：初步可行性研究 與業界合作共同規劃與訂定氣化廠之條件

• 廠址條件、燃料範圍與設計煤質之訂定、工業區內各用戶對氣化廠之需求、工業區內各用戶現有燃燒系統燃用合成氣之替代性評估與建議、氣化廠之規模等

基本設計條件

• 氣化廠規模、廠址條件、設計參考燃料(煤炭、生質物)、設計標準(氣化效率、環境要求)

• 系統流程規劃與質能平衡計算

初步可行性研究

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LOGO

• 規劃方案– 規模：8MWt氣化廠之氣化爐– 燃料量：40噸/天生質能+煤炭– 生質能可能來源：中鋼自有廢棄物、廢塑膠與橡膠、生質物等– 土地空間需求：30m×30m– 合成氣熱值：>2,500 kcal/nm3 (LHV)

• 氣化系統選擇– 考慮料源的彈性初步以流體化床氣化爐為設計規劃方向– 氣化技術來源將採技術引進與計畫研發技術共同參與方式進行– 淨化系統採用計畫研發技術– 合成氣應用

• SOFC發電採用計畫研發技術• 燃燒應用採用計畫研發技術• 產氫與氣體分離採用計畫研發技術

初步可行性研究

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LOGO2014永續淨煤減碳技術研討會

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研討會宗旨：提升國內學術、研究單位及產業界之淨煤減碳技術研發能量，本計畫在科技部NEP-II減碳淨煤主軸中心、經濟部能源局指導下，籌辦2014永續淨煤減碳技術研討會，以期發展適合我國中、小型產業特性之淨煤減碳技術。

本次研討會邀請到中鋼王錫欽副總、能源局蘇金勝組長、科技部席時昶組長、王亭教授等86名產官學研參與，藉此機會促進國內產業與學術界交流，增進產學合作。

LOGO

淨化技術

SOFC技術

source：中鋼公司、工業技術研究院

產業合作方向

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LOGORoute Map

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