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焦點專欄

化學迴路 空氣分離新技術

  • 發佈日期:2022/7/29
  • 資料來源:本站
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化學迴路程序(CLP, Chemical Looping Process)為一種新興燃燒技術,其固有的氣體分離效益,能夠使傳統化石燃料燃燒後所產出的氣體僅為水蒸氣與二氧化碳,省去了二氧化碳與其他氣體的分離程序,可大幅增進二氧化碳後續再利用或封存的價值。其利用金屬氧化物,又稱為載氧體,作為氧氣的載體,並藉由其於空氣中的氧化反應來分離氮氣與氧氣。

化學迴路空氣分離反應(CLAS, Chemical Looping Air Separation)為化學迴路程序的一種新興應用,其擷取了化學迴路程序中金屬氧化物中氧化的程序,並利用其於高溫低氧分壓環境下,自發性的釋放出氧氣達到產製氧氣的效益,產出的氧氣並具備高溫高純度的優勢,並可藉由上述優勢與如固態氧化物燃料電池(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)或整合型煤炭發電(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)來達到最大經濟效益。

進一步比較化學迴路空氣分離技術與傳統氧氣分離技術差異,化學迴路供氣分離技術源於高壓高溫固定床體系統,因此所產製出的氧氣,具備出口壓力與溫度較高之特色。比起傳統需將氧氣加壓灌儲至高壓容器後再使用的方式,如冷凍空氣分離法(CAS, Cryogenic Air Separation)或變壓吸附法(PSA, Pressure Swing Adsorption)等方式,化學迴路空氣分離技術因需先降溫再加壓氧氣,因此所需造成較高能耗與成本,因此較為劣勢[1,2]

但若能利用其高溫高壓氣體特性,與富氧燃燒技術整合(Oxy-fuel Combustion),作為其氧氣來源供給,則可大幅降低預熱氣體的能耗。根據澳洲紐卡斯爾大學(Newcastle University)團隊模擬計算結果,以CAS與CLAS作為燃燒之氧氣供應比較,CLAS其製氧能耗僅需CAS法的十分之一,約0.045 kWh/m3[3,4]

載氧體扮演著化學迴路空氣分離技術的核心,下表整理了適合作為載氧體的相關性質,選用首要考量到材料的氧化還原能力(即反應性),以及其在各個價數間的穩定性。當金屬氧化物完全還原至金屬態時,其製氧能力最強。但載氧體之選用不能單純只其製氧能力,當載氧體經過多次價數轉換(結晶結構亦會變化),其穩定性可能會下降。另外,當提高操作溫度與降低氧分壓時,雖然能夠加速載氧體的還原速率,但當操作溫度提高時,可能也會伴隨著載氧體顆粒間燒結情形。除此之外,當金屬氧化物完全還原成金屬態時,更須避免其達到或接近熔點溫度,造成載氧體顆粒完全熔融團聚,會嚴重降低其反應面積而導致性能衰退。

綜觀化學迴路空氣分離技術,除了單純作為製氧效益外,相對於其他商業方法,其所產出之氧氣溫度高,傳統如PSA或分子篩方式,產出之氧氣溫度普遍皆低於室溫,化學迴路製氧之氧氣可達至少200oC以上。其利基在於可直接提供富氧燃燒,省去預熱與加壓氣體之能耗。此外,考量到高溫氧氣的應用,搭配固態氧化物燃料電池(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)也是一種新興應用,SOFC的操作溫度約在800oC上下,高溫氧氣可省去預熱氣體的能耗,可直接通入陰極作為氧氣來源,氧氣透過電解質傳遞氧離子至陽極與燃料氣體反應產生電與水。

載氧體性質需求表
參考文獻


  • International energy agency, New method of detecting singlet oxygen production, technical study, 2007.
  • S. Farooq, D. M. Ruthven and H. A. Boniface, Numerical simulation of a pressure swing adsorption oxygen unit, Chemical Engineering Science, Vol. 44, pp. 2805-2816, 1989.
  • J. Fan and L. Zhu, A Novel Technique based on Coal Gasification Integrated with Chemical Looping Air Separation, Journal of Fundamentals of Renewable Energy and Applications, Vol.5, 2015.
  • C. Zhou, K. Shah and B. Moghtader, Techno-Economic Assessment of Integrated Chemical Looping Air Separation for Oxy-Fuel Combustion: An Australian Case Study, Energy Fuels, Vol. 29, pp. 2074-2088, 2015.


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