由World Congress of Chemical Engineering看化工發展亮點

 

刊登日期:2013/10/7
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 王允欣/工研院材化所

目前世界上85%的能源來自石化燃料,除了會排放出大量二氧化碳危害環境之外,石化燃料並非取之不盡用之不竭,替代能源的開發已迫在眉梢,截至2006年的資料,僅有13%的能源來自再生能源,希望在2030年能將再生能源的使用量提升至30%,而石化燃料的使用降至79%。

再生能源的種類眾多,包括了太陽能、風力以及生質能等,另外於研討會中也提到了hydrogen economy這個名詞:a proposal for distribution of energy by using hydrogen。氫能的特點為乾淨無污染,並且在使用上的唯一產物為水,相較於石化燃料並不會排放任何危害環境之物質,將此種概念導入post-combustion中,可為目前石化工業帶來一大契機。氫能的來源可利用再生能源像是太陽能、生質能、風能和地熱等,透過水裂解(direct water splitting)或電解(electrolysis)等方式產生,或者是以石化燃料為原料,經由蒸氣重組(steam reforming process)等化學途徑取得。

 
圖一、南韓發電廠二氧化碳捕獲示意圖(pilot scale)

傳統的post-combustion二氧化碳捕獲為經過高溫約800~1100度的煤炭氣化之後,首先將NOx和Sox等汙染物去除後,得到的產物為氫氣、水、一氧化碳和二氧化碳(315psi),而此時可與水煤氣反應(Water-Gas Shift;WGS)結合,反應式如下:CO+H2O→CO2+H2
此反應為一放熱反應,因此僅需在250~400度即可進行,產物經由PSA等氣體純化方式,即可將氫氣分離出來做為燃料使用。在WGS過程中,若是將催化和二氧化碳吸附的概念相結合,可以增進整體效率,稱做(Sorption Enhanced WGS;SEWGS)。會中的講者一一列舉所使用的催化劑和吸附劑,在前端汙染物的處理,採用K2CO3和ZnO,可將煙道氣中的HCl降至5~100ppm,而H2S和COS降至低於1ppm,而SEWGS的反應式如下:CO+H2O+MO→H2+MCO3
利用K2CO3、MgO做為二氧化碳吸附劑(promoted hydrotalcite),根據勒沙勒列原哩,會促使反應向右進行,經過CuO和ZnO的催化後,不僅可以直接得到高純度的氫氣(約92~95%),也無須經過氣體純化處理,而吸附劑經過再生之後,亦可得到高純度二氧化碳(約90%),同時SEWGS轉換率由 86.2% 提升至 99.5%,大幅增進整體經濟效益。吸附劑和催化劑於反應器中的位置也是個研究的重點,不論是多排混合填充、單排混合填充,或者是one body hybrid solid,將吸附劑包覆在催化劑之外,都會對最終產率有所影響。於SEWGS中所使用的吸附劑為了配合WGS反應,必須能在高溫下進行吸附,而水滑石結構(hydrotalcite)即符合此種條件需求,結構式為[MII1-x MIIIx(OH-)2](An-x/n)‧zH2O,MII可以為Mg2+、Ca2+、Ni2+、Zn2+等二價金屬,MIII則可以為Al3+、Fe3+ 、Co3+ 等三價金屬,層間陰離子則可為CO32-、SO42-、NO3-、OH- 等陰離子團,此類吸附劑不只擁有高比表面積、高熱穩定性,同時其----以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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