沈政憲 經理

工業技術研究院綠能與環境研究所

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人類自從在生活上開始使用火，就大大的改善生活條件，火提供給我們熱量以及光，帶來了生活上的便利，也帶來了後來的工業革命上的大躍進，將人類的生活帶入前所未有的進步。但伴隨而來的大量化石能源的使用造成大量溫室氣體排放，導致全球性環境氣候的劇烈變化，其中尤以二氧化碳的排放影響最為明顯。為解決大量碳排放的問題，科學家研究分析後認為二氧化碳捕獲與封存技術，是目前全球公認最有效能將升溫範圍控制在2^oC以內的技術[1]。

圖1 化學迴路新燃燒技術原理。

 

化學迴路新燃燒技術(Chemical Looping Combustion, CLC)是一種兼具有燃燒前與純氧燃燒特色的二氧化碳捕獲技術。雖然稱為新燃燒技術，但是和傳統燃燒技術最明顯不同的是燃燒過程中沒有火焰，如圖1所示。此外反應所需的氧氣不是由空氣提供，是由金屬氧化物(載氧體)還原反應供應，當燃料與金屬氧化物反應即生成CO₂和H₂O。由於避免了燃料與空氣直接接觸，燃料反應器內沒有大量氮氣，只需將水氣冷凝分離即可獲得高濃度的CO₂，達到捕獲CO₂之目的。

而在化學迴路程序中，被還原的金屬氧化物透過空氣將載氧體還原再生，過程中因為進行氧化反應(燃燒反應)釋放出大量熱量供利用，形成可反覆循環進行的還原與氧化反應系統，因此完成燃料燃燒釋熱目的，同時也完成二氧化碳捕獲目的[2]。

圖2 化學迴路產氫流程圖。

 

化學迴路技術既是新燃燒技術同時也可以利用添加水蒸汽的方式來進行產氫，主要利用H₂O在上述氧化反應中提供氧原子氧化載氧體而生產出氫氣，如圖2所示，因此在相關新興的二氧化碳捕獲技術中，化學迴路技術兼具高能源效率、低污染排放(低NO_x排放)及低成本二氧化碳捕獲之特性，美國能源部亦評估其為未來最具前瞻優勢與發展潛力的技術[3]。

在化學迴路技術當中可以了解載氧體在整個系統扮演了重要且關鍵的角色，不同載氧體有著不同的釋氧特性，因此可應用的範圍也不盡相同。一般而言使用活性較高的金屬氧化物，作為供氧載氧體來源，例如：鐵、鎳、銅、錳，以及複合材料的鈣鈦礦系載氧體。因為配合不同載氧體的應用，故化學迴路技術亦衍生出其他相關應用技術，包括:化學迴路釋氧(chemical looping with oxygen uncoupling, CLOU)、化學迴路製氧(chemical looping air separation, CLAS)、化學迴路產氫(chemical looping hydrogen generation, CLHG)、化學迴路重組(chemical looping re-forming, CLR)等[4]。

圖3 位於工研院高雄楠梓院區30kWt化學迴路新燃燒系統試驗場。

 

工業技術研究院綠能與環境研究所執行經濟部能源局「二氧化碳捕獲及封存技術研發與示範計畫」，發展高效率、低能耗與低成本之二氧化碳捕獲技術-化學迴路新燃燒技術。目前初步已經在高雄楠梓院區完成化學迴路系統驗證平台工作，如圖3所示，後續將繼續進行氣態燃料化學迴路先導系統建立，發展產氫、熱電與釋氧技術，以配合綠能政策，發展高效率低成本的二氧化碳捕獲技術，並結合國內產業研發資源，進行後續測試與開發研究，加速優質的新燃燒先進技術產業化發展。

 

參考文獻

1. International Energy Agency (2017), Energy Technology Perspectives 2017, OECD/IEA, Paris

2. 沈政憲,陳建華,黃國恩,許介寅,彭鏡禹,邱炳嶔, ”30kWt化學迴路新燃燒系統冷模試運轉研究報告”,「燃燒季刊」, Vol. 23, No.3, pp.43-63,2014

3. José D.Figueroa, TimothyFout, SeanPlasynski, HowardMcIlvried, Rameshwar D.Srivastava, “Advances in CO2 capture technology – The U.S. Department of Energy’s Carbon Sequestration Program,” International Journal of Greenhouse Gas Control, vol.2, Issue 1, pp.9 ~ 20, 2008

4. 王厚傳,李秀霞,陳建華,張育誠,黃國恩,沈政憲,邱炳嶔, ”化學迴路載氧體開發在燃燒及產氫應用發展”,「工業污染防治」v.141, pp.113-129, 2017