吳耿東 / 中興大學
生質物氣化技術可將生質物於高溫且限氧條件下轉換為以氫氣、一氧化碳等為主之合成氣。相較於直接燃燒，氣化所產生之合成氣具有較高之下游利用彈性，可進一步應用於發電、熱電共生、氫氣製造、甲醇與合成天然氣製備、費托燃料合成等。本文以合成氣應用為主軸，探討生質物氣化合成氣主要應用路徑、發展現況與關鍵挑戰。整體而言，生質物氣化之研究重點已由單純提升產氣效率，逐步擴展至氣體純化、組成調變、製程整合與終端產品高值化；而應用端則由傳統燃燒利用，延伸至燃料、化學品與碳管理之多元路徑。未來若能結合高效率氣體淨化、模組化系統設計、智慧控制、碳捕捉再利用及綠氫整合，生質物氣化合成氣可望成為低碳能源、綠色化學與生物循環經濟體系之重要中介平台。
【內文精選】
合成氣之主要應用路徑
生質物氣化合成氣最成熟之應用途徑仍為直接作為能源利用，包括內燃機、燃氣鍋爐、燃燒器及熱電共生系統等，但作為非直接能源利用的應用路徑，乃始於費托合成(Fischer-Tropsch Synthesis)。費托合成是一種將一氧化碳與氫氣轉換為液態碳氫化合物的重要催化合成技術，其發展可追溯至1920年代。此技術由德國化學家費歇爾(Franz Fischer, 1877-1947)與托羅普施(Hans Tropsch, 1889-1935)在德國魯爾區穆爾罕(Mülheim, Ruhr)的煤炭研究所(Kaiser-Wilhelm Institute for Coal Research; KWI)所建立。兩位學者以合成氣為原料，在鐵、鈷及釕等金屬觸媒作用下，成功合成出液態碳氫化合物，奠定了合成柴油與其他合成燃料製造的技術基礎（吳耿東等，2005），其研究成果並於1925年申請德國專利(Fischer and Tropsch, 1925)，也成為日後眾多化學合成的重要基礎。
費托合成的主要意義，在於提供了一條不依賴天然石油、而可由含碳與含氫氣體製造液態燃料的技術途徑，目前最大商業化規模的費托燃料廠是在南非， Sasol公司早於1955年即在南非的Sasolburg建立一日產8,000 bbl的商業化F-T廠SASOL 1 Plant。
雖然費托合成技術早在1920年代初期即已發明，但將其與生質物氣化結合以生產液態生質燃油（即Biomass-to-Liquid; BtL）的技術路徑，則是1990年代才開始發展，特別是德國於2003年前後的BtL技術發展，常被視為此一路線的重要里程碑。然而，當年的合成氣即是以煤炭氣化作為基礎，也因此煤炭氣化合成氣的H2與CO比為2:1，成為費托燃料的合成基準；但改以生質物為原料時，氣化合成氣的H2與CO比並不會是2:1，往往氫氣產量是不足的，使得生質物氣化在應用費托合成的商業化進展緩慢，但前景可期，同時也成為製備永續航空用油(Sustainable Aviation Fuel; SAF)的一環。
除前述費托合成的生質燃油技術外，合成氣也成為製備甲醇、二甲醚、合成天然氣及氫氣等製備生質燃料及化學品的平台氣體。甲醇因兼具化工原料與能源載體特性，常被視為生質合成氣高值利用之關鍵產品；若進一步搭配綠氫與CO2管理，則有助於提升碳利用效率與產品經濟性。
一般經由合成氣可製備之化學品主要有三類，包括氨及其產品、甲醇及其衍生製品，以及羰基類化學製品(Oxochemicals)。表一為常見之合成氣轉換化學品主要程序的操作條件---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
▼表一、合成氣轉換主要化學品操作條件
★本文節錄自《工業材料雜誌》474期，更多資料請見下方附檔。