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气体污染物之中高温净化技术
作者:管理员    发布于:2017-12-21 09:14:03    文字:【】【】【

  联合国政府间气候变迁专门委员会(Intergov-)显示,暖化现象已昭然若揭,而主要元凶亦呼之欲出。为减缓气候变迁,各国必须尽速投资于科技知识来支持人类活动全方位的必要改变,以确保迈向一个永续的未来。鉴于地球暖化的举世效应,其因应对策亦须为化格局。近年来,各国面临气候暖化及石化燃料短缺所带来的问题,莫不积极投入洁净能源的开发,例如,如何减少火力电厂、化工厂、炼钢厂等大量废气排放的净碳技术颇受各方关注。有鉴于此,各国之权责单位宜务实面对此一问题,及早规划因应对策。核能研究所的研究团队经由促进国际交流、提升相关研发技术及开拓研发领域,预期将可加速强化本所在此方面的未来竞争优势;其次,与国际团队共同努力分担风险,将有助于对国际社会宣示台湾对暖化议题之重视,亦可充分表达对永续发展议题积极参与态度。

  近几年,核能研究所的研究团队针对相关领域研发促进能源多元化、提高能源效率的先进技术,以积极应对暖化议题,建构洁净环境与永续能源的策略愿景。其研发项目包括气化技术、合成气净化技术、先进燃料转换制程、碳捕捉与再利用技术等,而本技术论文所提出的流动式颗粒床过滤器气体净化技术及中高温脱硫技术为所发展的其中两项技术。为整合型气化复循环系统典型程序与改善程序之温度变化图,其中实线部分为现有典型整合型气化复循环系统程序温度变化曲线。由现有程序温度变化可发现整体程序于气体净化程序中(gasclean-upsystem)有明显降温情形,此乃因现有商业化大型捕获硫化物以及C02程序皆是以化学溶液来进行移除。又热力学分析指出程序温度若能维持在相对高温之情形下将可提升系统之整体效能。故在此一大原则下,将典型低温气体处理程序由室温提升至中高温层级,藉由气体处理温度的增加,可降低处理气体污染物浓度因温度变化所导致的可用能量减损,进而提升系统整体效能。中虚线为净碳系统(以整合型气化复循环系统为例)潜在效能提升之部分,并展示与本篇论文所提技术之关联性。

  在气体净化技术的发展上,为各类含有粉尘微粒气体净化系统的性能比较。传统气体净化技术(如重力沉降箱、旋风分离器、湿式洗涤器及滤袋集尘器)除了因低温过滤所造成的能源利用效率降低外,更有二次污染或无法满足下游设备规格需求等缺点。目前在高温状态下,过滤粉尘微粒的技术有两大主流:为啕瓷高温过滤技术,另一则为颗粒床过滤器(GranularBedFilter,GBF)技术。目前商业化市场以前者之技术较成熟、为被广泛采用,此技术乃利用耐高温高压之桶槽内置入排列整齐之啕瓷滤棒来进行除尘。啕瓷过滤器之除尘率,可达99.9以上;然而,其代价为高成本、高压力损失、耐久性差、啕瓷表面易堵塞及碎裂、低气体流量等。要解决上述问题,根本上的办法就是重新选择过滤介质;而此种过滤介质要能价格低廉、耐高温、耐酸碱、不易毁坏、容易更换及除尘力佳,而且寿命长。

  先进国家于这近10多年来,致力发展一新构想,即选取细小砂砾或类似的颗粒状物质为过滤介质;而这种过滤方式在净水过程中已被广泛应用且效果良好,因而被引用到气体的净化上。这种以细小砂砾来过滤的方式统称为颗粒床过滤器,此即为本篇所介绍的另一高温过滤粉尘微粒技术。相比之下,流动式颗粒床过滤器之除尘率亦颇佳,可达99.5以上;其具有较低压力损失、高气体流量等特性,其成本较低,且过滤器本体之耐久性佳。先进国家如美国之能人力物力发展颗粒床净化系统,学界亦日益重视相关系统的研究开发。

  各类型过滤器之性能比较M表1为各种除硫技术的优缺点比较。传统的低温除硫方式,如Selexol或Rectisol方法,因为一批次可处理废气量大,而且出口硫化物浓度相当低,(1.5X102g/Nm3)以下,因此广泛成为现今气化厂除硫的方式。但由于采用有机溶剂作为吸收来源,使得处理后的废水产生二次污染,甚至会对生态造成毒害。Amine溶剂因为强碱的缘故,还会对单元设施造成腐蚀。相比之下,以金属氧化物吸附方式效能亦颇佳,可将出口浓度处理至0.1ppm(1.5X102g/Nm3)以下。而且吸附剂具有再生特性,因此可降低操作成本。加上操作温度在中高温范围(200700°C),因此无须耗费能源再次将合成气加热,可提升现有机组的发电效率。金属氧化物吸附方式又称作中高温脱硫程序,反应机制如下:反应与24mm黑粗砂(右侧),滤材质量流率330g/min.由2观察得知,至第60min时,左侧流场已无存在任何黑色追踪粒子,及粗细砂流场并无任何混合现象产生。因此,可得到流动式颗粒床过滤器无停滞区的几何配置及设计。

  2两段模型之滤材流场型态依据二维流场之佳化配置,建立三维过滤器系统,并针对影响过滤器效率的参数进行测试;其进口自由面风速参数采用7.4、12.3cm/s及17.2cm/s、滤材质量流率为110、330g/min及660g/min,及床体挡板长度120mm及80mm之配置等。经过一系统的初步测试,当自由面风速为7.4cm/s、床体挡板长度80mm及滤材质量流率为330g/min,可得佳的过滤效率99.34;风速为低风速(7.4cm/s)时,其过滤效率均比其他风速参数为佳,另外,过滤效率并不会随着滤材质量流率成正比或反比的关系,而是以滤材质量流率330g/min为高。

  3.2中高温脱硫技术在中高温脱硫方面,脱硫剂历经ICP、XRD与BET分析,目的是为了确认材料是否符合需求。表2为ICP分析结果,显示出实际的氧化物附载量与理论计算相去不远,也印证了含浸法过程活性金属不易损失的优点。此外,XRD分析上,则显示脱硫剂具有明显的活性金属氧化物晶相,表示煅烧温度足以产生该结构,如3所示。在BET分析上,结果显示脱硫剂表面积大都在130m2/g以上,表示材料具有良好气固接触机会,有利于脱硫反应进行,如表3所示。

  表2脱硫剂活性金属负载量丨CP分析结构3脱硫剂表3各种脱硫剂BET表面积分析结果在脱硫反应方面,实验先以1纯H2S气氛进行脱硫剂筛选,反应温度在500C,空间流速选在8000mLAgh)。分析过程采取自动取样,每几分钟取样一次,结果如4. 4各种脱硫剂在1H2S气氛下的贯穿曲线(其他参数如空间流速为8000mL/(gh),反应温度在

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