以吸收與吸附捕獲CO2技術的發展現況

 

刊登日期:2017/5/5
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自煙道氣中捕獲CO2的技術,包括物理吸收、化學吸收、物理吸附、化學吸附、低溫冷凝、薄膜等,其相對應的技術發展與商業化時程如圖一所示。至於國內捕獲CO2技術以應用於燃燒後為主,因國內尚未有氣化及富氧燃燒的電廠。依Rochelle的預測,到2030年時,化學吸收法會是燃燒後捕獲的最主要的技術。根據Global CCS Institute的調查,目前全球已有六座大規模的CO2捕獲實場,其規模與所使用的捕獲技術如表一所示。另基於筆者實驗室的專業,此篇文章重點將注重於化學吸收(Chemical Absorption)及吸附(Adsorption)兩項技術的發展。

圖一、二氧化碳捕獲技術的發展及商業化時程
圖一、
二氧化碳捕獲技術的發展及商業化時程

化學吸收
現今化學吸收法最常使用的吸收劑為醇胺類吸收劑,由於醇胺為強鹼物,因此使用時所衍生的問題與挑戰包括:吸收劑的腐蝕性、吸收劑的劣化、吸收劑的揮發以及吸收劑的再生能耗等。就吸收劑的再生能耗部分,以目前最廣泛使用的吸收劑Monoethanolamine(MEA)為例,其再生能耗介於3.2~5.5 GJ/ton CO2,將吸收劑再生能耗降低至2.0 GJ/ton CO2是一企圖達到的指標。

目前研究主要致力於改善製程與改良吸收劑配方兩方面。就製程改善部分,傳統吸收製程多半使用固定吸收塔(Packed Bed; PB),但由於醇胺類吸收劑的黏度以及氣液質傳阻力過大,導致吸收塔的整體吸收效率不佳;另因與吸收劑長時間的接觸,材料腐蝕也成為一大問題。因此本研究團隊使用超重力旋轉填充床(Rotating Packed Bed; RPB)技術,開發出捕獲CO2的新製程,現已成功的運作於台塑石化、長春及中鋼示範工廠中。在操作RPB時,液體進料從RPB中心進入後藉由離心力快速往外側流動,透過高速旋轉可產生100~1,000 G重力場,使液體被切割成細小的液珠及液膜,大幅增加氣液的接觸面積,降低質傳阻力,提升質傳速率(如圖二所示),也因此RPB體積較PB為小,因此成本降低,而較小的體積也較易安裝及維修;另外旋轉床在高轉速下可允許較大的氣體進料流量,傳統PB在高氣體流量時會發生的溢流情況可得以減緩;此外高離心力亦可解決吸收劑黏度高的問題,因此超重力旋轉床的製程相當具有發展性。表二整理了台灣CO2捕獲示範廠的相關資訊。

圖二、超重力旋轉床示意圖
圖二、超重力旋轉床示意圖

吸附
由於化學吸收法仍有尚待解決的問題,因此近年來研究亦朝固體吸附的方向進行。物理吸附法是利用CO2與吸附劑之間的凡得瓦力或靜電力作用力捕獲CO2,通常適合在高壓、低溫的環境下操作。理想的固體吸附劑需要滿足高吸附量、高選擇性、快速吸/脫附速率及成本低廉等特性。一般來說,物理吸附法比較適用於中/小規模的CO2捕獲。吸附法的操作方式可依吸附劑吸附/再生方式的不同分為溫度擺盪吸附法(TSA)、壓力擺盪吸附法(PSA)或電力擺盪吸附法(ESA)。通常TSA適用於CO2低濃度範圍;PSA適用於CO2高濃度範圍;至於ESA仍屬開發中之方式,其是使用具有導電性及熱阻之吸附材作為吸附劑,在脫附時只需通電即可升溫吸附材並將吸附之CO2快速脫附,由於所需消耗之電能與氣體的吸附熱相近,因此可降低…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:蕭暐翰、王清海、談駿嵩 / 國立清華大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」365期,更多資料請見下方附檔。


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