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雙流體化床技術之產業應用

2015/05/05 經濟部能源局 點閱人次: 564

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撰文、圖片提供/經濟部能源局

10多年前,奧地利Güssing地區啟動了一種全新的能源概念,成功地以現地生質物供應所有能源的需求,達到自給自足的目標。

將吸熱與放熱反應串接,放熱反應的熱能就可被利用而達成自熱程序(auto-thermal process), 此種應用最廣為人知的例子就是石化工業中的流體化觸媒裂解(FCC)單元。串聯2個流體化床的FCC反應器已成功商轉超過半個世紀。就目前開發中的能源方案而言,氣化為頗被看好的技術之一,但其中熱解作用時卻需要補充相當的能量方能進行。科學家經過多年的努力,氣化程序無論在節約能源或是全方位的應用都有了突破性發展。奧地利Güssing 地區自1991 年以來,啟動全新的能源概念,全面捨棄使用化石燃料,所有的能源需求完全依靠當地最豐富的資產─由占有全鎮面積約45%的林木來提供;由早期僅以焚化廠提供需要的熱能,轉為以現地生質物供應所有能源(包括油品、電力、燃料)的需求,達到自給自足的目標。

雙流體化床氣化程序

在Güssing廠,生質物熱電共生程序採用FICFB(Fast Internal Circulating Fluidized Bed)概念來實現氣化系統。基本上,FICFB的概念是將流體化床分成2個區塊:氣化和燃燒區;這兩區域間利用床內的固體顆粒形成一個循環迴路,但氣體則保持分離(圖1)。依照這個概念,就可以得到一個高品質的氣體產品而不需要使用純氧。

此概念使用惰性物質循環於2個流體化床之間,作為從燃燒區到氣化區的載熱體。生質原料被供給到氣化區,在含有蒸汽的環境下進行氣化反應;因此,這個區域所產生的氣體幾乎是沒有氮氣存在的。床中的載熱體為氣化反應提供熱量,而後與碳一同循環至燃燒區。燃燒區底部則注入空氣形成流體化狀態,並和木炭燃燒。在燃燒區放熱反應提供蒸汽氣化所需吸收的能量。因此,燃燒區出口處的載熱體比在入口處具有更高的溫度。煙道氣將去除,不得進入與產物氣體接觸。這些過程可經由具有輸送能力的2個流體化床或具有內循環連接的2個流體化床(圖2)來實現。

Güessing 氣化廠於2001 年11 月開始試俥,2002年4月開始併聯發電,至今已十餘年。各項設計參數與實際運轉結果極為相近,數值差異極小。多年的運轉已確認其發電量與運轉時數皆達穩定狀態,可算是一座相當成功的工廠。

具CO2捕獲之氣化程序

由於近來能源研究朝減碳(煙道氣內二氧化碳的去除)與生產富氫氣體,先前描述的雙流化床氣化程序也開始向SERP (sorption-enhanced reforming process) 發展。維也納科技大學的學者使用現場(in-situ)捕獲二氧化碳的載體材料─氧化鈣(CaO)作為除碳與載熱雙重作用的介質。該方法之原理如圖3)所示,而氣體產物的組成與之前原有方法比較,二氧化碳可由20%到25%降至7%到20%,氫氣則由36%到42%提升為55%至70%。

這個程序比原有的氣化操作多了若干優點:(1)內部焦油重整被抑制而避免形成更大的焦油分子,(2)整合放熱碳化以及水─氣移轉反應至氣化過程以簡化程序,(3)較低的操作溫度及CaO具有的催化活性允許處理部分困難原料(如具有高礦物含量和水分的生質物、稻稈、污泥等)氣化。但在實際的設計中,因為碳酸化需要更久的反應時間和與氣體產物更好的接觸,故床中的停留時間與被流體化的物料都需更審慎的考慮。

新型雙流體化床之開發

雙流化床的概念同樣可應用於開發具二氧化碳捕獲的反應器。循環由固體進入燃燒反應器(CR)開始,粗與細的床材由煙道氣流中分離,並通過由蒸汽流體化的上環封(upper loop seal) 傳送到氣化反應器(GR)。氣化反應器中的固體主要經由連接2個反應器底部區域的下環封(lower loop seal)流回燃燒反應器中。被夾帶以及從GR氣體產物中分離的微小粒子則重回系統(圖4)。通過流體化床的幾何形狀修飾來改善氣─固接觸;GR反應器的管柱內縮而分成數段,因此CR固體能夠由接近頂部的適當位置進入GR的流體化床。由於流入的固體不在反應器底部,這允許氣體和固體產生逆向(countercurrent)流動方式,在GR床體中,流體化的物材流動與容器中攪拌相似,最佳停留的時間分布決定於原料輸入的位置。

產業應用

雙流體化床技術現已朝產業端應用前進,諸如美國West Biofuels 公司即與Güssing生質物熱電共生廠及維也納科技大學進行合作,並於2014年完成MW級生質物氣化試驗廠(圖5);預計於美國境內推廣生質物氣化之多元應用。此外,日本石川島播磨重工業株式會社(IHI)亦於2004年起開始進行雙流體化床氣化之開發,並建置6噸/日之先導廠進行測試。並已於印尼建置每日進料50噸之商用氣化廠,該廠於2015年2月正式完工並規劃於一年間完成運轉測試。顯見雙流體化床技術之產業應用正逐漸擴展中。

結語

正有越來越多的雙流化床系統應用在各式能量轉換程序,如氣化、吸附(碳酸酯循環)和化學迴路,所有過程中強化的氣─固接觸是關鍵的參數。藉由雙循環流體化床的設計結合GR內燃料逆向流動以及各段的床料堆積過程,可帶來更高的轉換率和整體效率。而且,隨著焦油產量的減少,氣體質量的提高是可預期的。


關鍵字:雙流體化床,氣化,產氫,生質燃料

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