李俊錡、王儀婷 / 工研院材化所
本研究以食品工業高變動廢水場域為案例，探討沼氣脫硫技術於能源化應用下之操作穩定性與經濟效益。隨著我國環保法規要求高有機廢水優先採行厭氧處理並進行沼氣能源化利用，硫化氫去除成為關鍵前處理單元。研究比較生物脫硫結合活性炭吸附與生物脫硫結合液鹼洗滌兩種系統。結果顯示，生物脫硫系統雖具低操作成本（約新臺幣375元/kg H2S），但受限於負荷變動範圍，難以應對高濃度波動；搭配活性炭於正常條件下具經濟性（每日約12,300元），惟高濃度時成本可升至43,500元。相較之下，半乾式液鹼系統具良好負荷調節能力，結合生物脫硫後，在一般及高濃度條件下操作成本分別約為10,140元與15,420元，顯著優於活性炭系統。研究結果顯示，在優化程序上使用「生物＋液鹼」雙段式系統，可兼顧低成本與高彈性相關操作成本，有效穩定出流品質並避免操作費用失控，為高變動場域沼氣能源化之最佳策略。
【內文精選】
物化脫硫系統
生物脫硫系統在應用上雖然有低成本之效益，但其對硫化氫處理濃度變化窗口相對較小，僅約10~15%，使得應用在硫化氫總量變異度大之場域時，硫化氫出口濃度變化也相對較大。為能夠持續有效利用生物脫硫低成本之優勢，研究團對將生物脫硫系統改置成與沼氣儲存裝置進行氣體內循環，此舉雖然會使出流濃度混合到未處理之沼氣而使得沼氣硫化氫濃度提高，但可完全摒除生物脫硫在面對硫化氫濃度變異度大導致處理量不符合需求之缺點，並可以充分利用生物脫硫除硫之低成本特性，而因進流濃度變異度大導致生物脫硫系統無法負荷之硫化氫，則透過安裝第二套物化脫硫系統進行保護純化，因此第二套保護系統在挑選上則要能夠處理硫化氫濃度50~6,500 ppmv，且出流濃度不得高於50 ppmv。
如上述文章所提到活性炭吸附法，或氧化鐵氧化吸附法等皆能符合第二套保護系統的選擇標準。然硫化氫濃度變異大，會使吸附材的使用壽命變的難以預測，頻繁地更換吸附材也造成在操作上與應用上之困難。在目標計畫輔導之食品廠內，因廠內製程關係，儲備有49%液鹼以及軟水製造與儲存設施，利用液鹼與硫化氫進行酸鹼中和去除，技術上有三種模式①全濕式洗滌；②全乾式洗滌；③半乾式洗滌等。鹼洗時面對沼氣中含有超過20%的二氧化碳會與硫化氫產生競爭作用，因此在設備選擇上，若採用全濕式洗滌法，優點是初期建置成本低，且出流沼氣不含二氧化碳，且硫化氫濃度可低至10 ppmv以下，沼氣出流品質接近天然氣等級，缺點是液鹼用量大，處理成本高。
以計畫內輔導之食品廠進行計算，平均處理一公斤硫化氫需要超過200 L液鹼用量。採用硫化氫乾式吸附批次處理，透過吸附材先吸附沼氣中之硫化氫，並使沼氣出流硫化氫濃度符合標準，吸附材待濃度破出飽和後進行液鹼洗滌，乾式液鹼洗滌法可將液鹼完全利用在硫化氫去除上，液鹼用量低，透過理論計算去除一公斤硫化氫僅需約2~3公斤液鹼量，而吸附材填充量體與吸脫附材質特性，決定了沼氣脫硫之品質，系統設備程序較為複雜，包含吸脫附管路切換，出口硫化氫即時監測等，初設成本高。採用半乾式連續式吸脫附處理模式，則可以取前述兩者之優點，系統亦填充有硫化氫吸附材，但由於硫化氫是邊吸附邊進行液鹼洗滌並脫附於水中，可連續性操作，設備結構簡單，相關比較雷達圖如圖三。
圖三、鹼脫硫設備之比較雷達圖
實務觀察進出流沼氣成分，二氧化碳進口濃度25%，出口濃度僅下降至22.5%，據實廠數據分析，去除硫化氫包含二氧化碳的消耗，平均去除一公斤硫化氫需消耗約22公升之液鹼，半乾式液鹼脫硫液鹼用量與硫化氫去除濃度差呈現高度正相關，可與進流沼氣流量與進出流硫化氫濃度進行液鹼用量調配，具有操作成本可控且操控彈性佳等優點，三種模式之相關優缺點比較整理如圖三雷達圖所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》476期，更多資料請見下方附檔。