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焦點專欄

生質物雙流體化床氣化處理技術

  • 發佈日期:2022/6/30
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一、前言

氣化技術係將固體生質物經由熱化學轉化過程生產有價值之合成燃氣,該合成燃氣可利用於各種應用產業。蒸汽氣化所生產之合成燃氣體組成具有低含氮量、低焦油含量和高氫氣組成等優勢,而流化床氣化爐是目前可適用於多元性生質物原料轉化成合成燃氣燃料之應用技術。

生質物藉由氣化反應吸熱以轉化成合成燃氣,然其能源供應可以透過生質物之部分燃燒或以交換器或熱載體間接供應(如雙流化床氣化爐)。當選擇純氧為氣化載氣介質時需有相當經濟規模,然當選擇空氣為生質物氣化介質時,因氮氣稀釋而降低合成燃氣熱值。

生質物雙流體化床(dual fluidized bed, DFB)氣化爐係利用蒸汽進行氣化吸熱程序,氣化後所產生之焦炭,則藉由另一流體化床燃燒以提供氣化吸熱所需熱源,藉由雙床分離合成燃氣與煙燃氣的製程,合成燃氣幾近無氮氣組成,因可大幅提高於各種類之氣體應用方式。在過去數十年中,有關生質物各式雙流體化氣化技術研發已大幅成長。本文主要介紹目前商業化或示範性生質物雙流體化床氣化爐之案例。

二、雙流體化床氣化爐原理

雙流化床氣化技術為可將生質物燃料有效提高合成燃氣品質之技術,具低操作溫度和高熱值合成燃氣等優點。其反應基本原理如圖1所示。

圖1 生質物雙流體化床氣化系統能量流向示意圖

雙流體化床氣化爐設計將氣化吸熱與燃燒放熱程序分別進行,生質物與蒸汽在氣化區流體化床反應以生產合成燃氣,藉由氣固流體化特性將氣化區中床砂和氣化焦炭傳至流體化床燃燒區,燃燒後所產生之熱量再藉由床砂傳送至氣化區。整體雙流體化生質物氣化與燃燒主要反應式如下:

三、示範廠介紹 (一)奧地利Güssing生質物氣化汽電廠

Güssing位於奧地利東部的一個偏遠小城鎮,由於偏遠故能源傳輸成本高,因擁有大量木材天然資源,政府結合學術與廠商興建8 MWth生質物氣化汽電共生廠使該小鎮能源能夠自給自足。木材生質物需求量約為2,000公斤/小時,自該鎮半徑30-40公里蒐集。該廠自2003年起商業化運轉,提供Güssing地區2 MWe電力和4.5 MWth熱能,總體能源效率約達80%以上。

圖2為奧地利Güssing生質物氣化汽電廠流程示意圖,技術主要來自維也納科技大學Fast Internally Circulating Fluidized Bed (FICFB)雙流體化床技術。生質物在蒸汽氣化溫度約850℃之氣泡式流體化床轉化合成燃氣。未氣化焦炭在循環式流體化床燃燒器與空氣完全燃燒。在燃燒室中產生的熱量則藉由砂床轉送到氣化區以提供氣化過程所需要的熱量。

圖2 奧地利Güssing生質物氣化汽電廠流程示意圖[1]

蒸汽代替空氣在氣化區反應可降低合成燃氣焦油濃度,同時合成燃氣所回收之焦油可提供燃燒區所使用的輔助燃料。合成燃氣組成分別為氫氣35-45%、一氧化碳20-30%、二氧化碳15-25%、甲烷8-12%、氮氣3-5% [1, 2]

有關合成燃氣淨化流程則為利用熱交換器使氣體溫度從850-900℃降低到約160-180℃,接續以纖維布過濾器分離粒狀物質,焦油則使用菜籽油甲酯(Rape methyl ester, RME)溶劑以達到焦油分離效率。淨化後合成燃氣溫度約40℃,適用於燃氣發動機應用以產生電力和熱量。整體CHP工廠並沒有液體排放,唯一的固體殘留物是來自燃燒區的灰分( <0.5%)。整廠投資成本1,000萬歐元,每年營業成本約10至15%的投資成本,熱量與電力售價分別為2.0分歐元 /kWhth和16.0分歐元/kWhe

(二)荷蘭ECN 800 kWth生質物氣化系統

ECN (Energy research Centre of the Netherlands)於1987年開始進行氣化實驗,1996年建立500 kWth循環式流化床氣化爐實驗廠。MILENA氣化爐研究始於1999年起,2004年完成30 kWth MILENA試驗設備,2008完成800 kWth MILENA實驗工廠建造。

MILENA製程是間接加熱(allothermal)生質物氣化程序,圖3為ECN 800 kWth 生質物氣化系統示意圖,生質物由上升管內進行蒸汽氣化,氣泡式流體化床則進行燃燒端,產出合成燃氣藉由雙管冷卻器從850°C溫度降低至400°C,粒狀物體以旋風分離器分離,焦油和細小灰塵則由OLGA程序以淨化合成燃氣,焦油可提供燃燒區所需要之熱源。

圖3 ECN 800 kWth生質物氣化系統示意圖[1]

此外,合成燃氣含焦油之露點溫度需高於燃氣發動機氣體供應系統的最低溫度,以確保後端發動機的運轉。經由燃燒器的煙氣冷卻到200℃,部分熱量作為預熱燃燒空氣使用[1, 3]。表1為MILENA氣化程序的基本設計數據。

表1 MILENA氣化系統基本設計值
(三)美國Vermont生質物氣化汽電廠

SilvaGasTM氣化技術開發始於美國DOE中Battelle’s Columbus Laboratories之生質能源計畫,1992年FERCO公司購買該技術權利並進行商業化規模建造,合作夥伴包含美國DOE、NREL和Battelle’s Columbus實驗室等,共同建立McNeil生質物發電站(Vermont)並於1999年開始運轉。

美國Vermont生質物氣化汽電廠規模為50 MWth,為少數具規模之木材發電站。SilvaGasTM製程係由兩個循環式流化床所組成,生質物經由蒸汽氣化區生產合成燃氣,在旋風分離器中分離固體組成。固體組成則被傳遞到燃燒室進行燃燒以產生熱量,同時藉由惰性床砂料將熱量傳送到氣化爐,以提供氣化程序中所需要能源。經由燃燒室排放高溫煙道氣,則回收其熱源作為生質物乾燥前處理,合成燃氣則經由降溫熱回收、洗滌等淨化程序後以混燒模式提供後端鍋爐燃料。

合成燃氣淨化程序主要處理對象為焦油,該工廠所生產粗合成燃氣焦油濃度約16g/Nm3。焦油組成屬於芳香族類,相對不溶於水,焦油淨化效率則依後續應用而有所不同,若合成燃氣作為鍋爐混燒料源氣體,一般以水洗程序分離水性焦油;若作為內燃機的燃料,則需要將焦油進行冷凝與分離,SilvaGasTM程序技術中,於除焦油程序部分開發新型的觸媒催化劑可使焦油裂解成較低的分子。圖4為美國Vermont生質物氣化汽電共生流程示意圖,目前以混燒進行汽輪機發電。

圖4 美國Vermont生質物氣化汽電共生流程示意圖[4]

綜合上述,針對不同設計型式比較之商業化或示範型生質物雙流體化床氣化爐(如表2)。美國Vermont生質物氣化汽電廠主要選擇雙循環式流體化床在於其高處理量考量;奧地利Güssing地區生質物氣化電廠則針對偏遠地區之分散性概念興建;至於荷蘭ECN 生質物氣化系統則在於其特殊產氣而設計。

表2 各種型式雙流體化床氣化系統比較表
四、結論

雙流體化床生質物氣化技術可生產較高品質之合成燃氣,具低含氮量、低焦油量及高氫氣組成等特性,該合成燃氣可利用於各種產業應用。近年,國際間已有關於不同生質物雙流體化氣化技術發展與測試結果,相關資訊可作為國內未來發展相關產業化技術應用之參考。

參考文獻
  1. Kaushal, P., & Tyagi, R. (2012). Steam assisted biomass gasification—an overview. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 90(4), 1043-1058.
  2. Hermann, H., Reinhard, R., Klaus, B., Reinhard, K., & Christian, A. (2002, October). Biomass CHP plant Guessing–a success story. In Expert meeting on pyrolysis and gasification of biomass and waste
  3. van de Meijden, C. M. (2010). Development of the MILENA gasification technology for the production of Bio-SNG. Petten: ECN.
  4. Farris, M., Paisley, M. A., Irving, J., & Overend, R. P. (1998, October). The biomass gasification process by Battelle/FERCO: design, engineering, construction, and startup. In Gasification Technology Conference, San Francisco, California, USA (pp. 4-7)


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