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低耗能二氧化碳捕獲之前瞻化學迴圈程序技術

2014/07/05 經濟部能源局 點閱人次: 441

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撰文、圖片提供/經濟部能源局 關鍵字/化學迴圈程序、二氧化碳捕獲、載氧體、產氫

面對氣候變遷議題,全球皆致力於抑制溫室氣體排放,二氧化碳捕獲技術,有利於CO2 再利用與封存作業,為未來減少碳排放的可行技術之一。

現今火力電廠以空氣作為氧化劑,其煙道氣中二氧化碳含量較低,進行二氧化碳捕獲相對不易,需額外加裝二氧化碳捕獲設施,並損耗大量能源,以捕獲高純度之二氧化碳,故使二氧化碳減排之操作成本大增。化學迴圈程序(Chemical Looping Process)為一開發中之前瞻能源技術,不需額外加裝二氧化碳捕獲設施即可捕獲高純度的二氧化碳,未來深具節能減碳產業應用潛力。

二氧化碳的捕獲、封存與再利用

二氧化碳之捕獲、封存與再利用已為世界各國達成二氧化碳減排、降低溫室效應的重要選項之一。二氧化碳依其捕獲路徑可區分為「燃燒後」(Postcombustion)、「燃燒前」(Pre-combustion)以及「富氧燃燒」(Oxy-fuel Combustion)等3 種類型。

美國能源部轄下之國家能源技術實驗室(NationalEnergy Technology Laboratory)即針對各種二氧化碳捕獲技術之商業化示範時程繪製成路徑圖(圖1);並將化學迴圈技術列為未來發展重點項目之一,以進一步降低二氧化碳捕獲成本。有鑑於化學迴圈技術之未來成本效益性,兼之該技術尚有可突破與布局之處,經濟部能源局乃針對該項技術推動相關研發工作,期望可建立國內自有能源技術,並展望於全球能源產業占有一席之地。

化學迴圈的技術特性

化學迴圈技術歸類為燃燒技術,該技術與一般熟知之燃燒過程的差異處在於燃燒所需的氧氣來源改由金屬氧化物供應,其運作機制可參閱圖2。該技術是利用以金屬氧化物為主之載氧體,在燃料反應器中與燃料進行反應;其機制為載氧體因失去氧而還原為金屬,燃料則與氧結合產生以二氧化碳與水蒸氣為主之生成氣體離開反應器。該生成氣經過污染物去除以及水蒸氣冷凝後,即可獲得純度大於百分之95 的二氧化碳。被還原為金屬之載氧體則送入空氣反應器與空氣中的氧進行氧化,重新生成金屬氧化物後再送回燃料反應器。簡言之,化學迴圈技術即是藉由載氧體,將空氣中的氧以氧化物的形式搬移至燃料反應器,使燃料得以與高純度的氧進行燃燒,並產生高純度的二氧化碳。

技術開發的挑戰

化學迴圈技術在國際上的發展正方興未艾,面臨到的現況挑戰不外乎為載氧體材料的選擇與反應器設計方面,茲將國際上發展現況簡述如下:

載氧體

載氧體主要任務為氧以及熱能之傳輸,其為系統運轉性能之主要影響因素。載氧體材料的特性與評估項目包含:(1)反應性(即氧化以及還原的速度)、(2)載氧量(即單位重量可輸送之氧重量)、(3)機械強度(輸送中因摩擦等因素導致破碎等重量損失)、(4)操作溫度(最高與最低反應溫度)、(5)循環使用次數(使用壽命)、(6)環境影響(載氧體材料於大氣環境中是否會產生有害物質)、(7)成本⋯⋯等。依上述條件進行篩選後,目前較受採用的載氧體有鎳(Ni)、鐵(Fe)、銅(Cu)及錳(Mn)等系列的氧化物。

因載氧體須在高溫環境下操作,若單就前述之金屬氧化物進行操作,則該金屬氧化物容易發生劣化或燒結,致使其使用反應性與壽命下降。為解決這個問題,通常將金屬氧化物與其他惰性擔體進行結合使用。惰性載體本身並未參與反應,常用之惰性擔體有氧化鋁(Al2O3)、二氧化矽(SiO2)、氧化鎂(MgO)等。

反應器

於反應器設計上,基本的設計需求為:(1)載氧體的氧是否可有效傳送至燃料反應器進行反應、(2)載氧體在兩反應器間之循環順暢度,避免因載氧體流動不順利產生阻塞、(3)燃料反應器與空氣反應器間之氣密性需優良,以避免燃料反應器出口氣體的二氧化碳濃度因此被稀釋。現在主流的反應器形式有2 種,一種為流體化床反應器,另一種為移動床反應器。

產氫的應用

化學迴圈技術除單純應用於燃燒外,亦可藉由適當之程序調整進行氫氣產製。第一種形式為於燃料反應器中進行調整,燃料並不直接燃燒生成二氧化碳,而是不完全燃燒產生一氧化碳。產生之一氧化碳再經與水蒸氣進行反應產生氫氣與二氧化碳,最後再將氫氣與二氧化碳分離即可獲得高純度之氫氣與二氧化碳。第二種形式為於空氣反應器中進行調整,將原來之空氣改為水蒸氣。藉由水蒸氣與金屬之反應,產生金屬氧化物與氫氣。

發展現況與未來趨勢

化學迴圈為一頗具潛能之前瞻能源技術,不須額外加裝二氧化碳捕獲設施即可提供純度大於百分之95 以上二氧化碳。經由近幾年的積極發展,反應器規模已由百瓩(kW)等級進展至百萬瓦(MW)等級之水準;美國能源部更挹注經費進行550 百萬瓦之商轉規模之設計與經濟分析的計畫,顯示化學迴圈技術之發展願景可期。現階段化學迴圈技術在載氧體材料開發、反應器設計、系統程序設計以及技術應用等方面皆尚有諸多可行性留待開發。我國可於技術尚未發展成熟前切入此一技術領域,並強化技術開發與產業應用面之連接,相信未來可在化學迴圈技術領域取得一席之地。


關鍵字:化學迴圈程序,二氧化碳捕獲,載氧體,產氫

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