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燃燒後二氧化碳捕獲技術之開發Development of CO2 Capture
Technologies for Post-Combustion
燃燒後二氧化碳捕獲技術之開發Development of CO2 Capture
Technologies for Post-Combustion
鄭西顯 教授國立清華大學化學工程系
2015年11月7日
鄭西顯 教授國立清華大學化學工程系
2015年11月7日
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National Tsing Hua University
二氧化碳捕獲的重要性
「化石燃料和碳密集型產業在經濟發揮主導作用，碳捕獲和儲存將仍然是一個重要的溫室氣體減排解決方案。」
–IEA Technology Roadmap CCS 2014
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二氧化碳捕獲的現況
隨著加拿大Boundary dam 計畫（年捕獲量百萬噸）的正式商業示範運轉、CCS已經在電力部門成為現實。預計2016年會有更多大型CCS計畫在世界各地許多行業實現，此一低碳技術將達到廣泛部署的臨界質量。
–Global Status of CCS: 2014 report, Global CCS Institute
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二氧化碳捕獲技術分類
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技術選擇
子計畫二
子計畫三
子計畫一
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計畫價值、挑戰、組織架構
建立CO2捕獲研發平台，開發自主性技術。於產業排放源建立示範工廠，實地測試。培養CO2捕獲技術的研發人才。幫助產業界儲備CO2捕獲技術能量。
燃燒後二氧化碳捕獲鄭西顯教授
子計畫一：化學吸收法清華大學：鄭西顯教授、汪上
曉教授中原大學：李夢輝教授、陳昱
劭教授
子計畫二：吸附法臺灣大學：蔣本基教授、
臺北醫學大學：張怡怡教授臺北科技大學：陳奕宏教授
子計畫三：化學迴路程序臺灣科技大學：顧洋教授、曾堯宣教授、郭俞麟教授、
李豪業教授
二氧化碳捕獲主流技術
二氧化碳捕獲與廢棄物利用
二氧化碳捕獲與新型燃燒系統
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子計畫一：化學吸收法捕獲CO2
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National Tsing Hua University
化學吸收法的挑戰
由於質傳限制，所需設備龐大吸收劑再生需要相當能耗預估能耗相當發電量之20%(Parasitic Power Consumption)原定吸收劑所需再生熱路徑圖如下
目前如Boundary Dam等商業示範計劃之評估再生熱耗為2.5 GJ/ton.
Status of CCS: 2014 reportGlobal CCS Institute
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封裝儲存與監測
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解決方法
化學吸收法目前已經可以商業化，但需要的吸收設備非常大，能耗非常高。
開發新溶劑，降低再生能耗，適用於超重力旋轉床。
我們在中鋼公司建立 0.1 ton/day 先導工廠，獲得化學吸收法的製程操作經驗。並證明旋轉床吸收塔可以整合到傳統傳統吸收製程，在同等能耗下及捕獲條件下，使用旋轉床吸收塔可以減少固定床吸收塔2/3的體積。
0
20
40
60
80
100Absorbent = 30% MEALean Loading=0.345 mol CO2/mol MEAVPB=2.9 VRPB
130 / 6.5110 / 5.5
Cap
ture
Effi
cien
cy (%
)
Operation Condition: QL (kg/hr) / QG (Nm3/hr)
PB RPB
90 / 11.2 120 / 11.2 120 / 6.0
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實驗室設備及技術驗證平台
快速溶劑篩選 實驗室規模超重力旋轉床
熱物性測量
中鋼公司 0.1公噸 CO2/日示範工廠
超重力旋轉床設備(0.1 公噸CO2/日)
實驗室規模固定床 11
特殊吸收塔組合設計技術
在相同氣體處理量及CO2捕獲量的情況下，相較於單一操作PB，此特殊吸收塔組合設計操作時，體積可縮小約 47.6%~75.4%；相較於單一操作RPB，此特殊吸收塔組合設計操作時，體積可縮小約 44.9%~49.1% 。
此特殊吸收塔組合設計中，RPB旋轉時之能量消耗約為單一操作RPB之1/10~1/120左右。
80 90 95 991E-3
0.01
0.1
1
10 1600 RPM1000 RPM
Pow
er [k
WH
/kg-
CO
2]
RPB RPB+PB
700 RPM
80 90 95 99
Capture Ratio [%] 80 90 95 99
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新平台建立
地點：台塑麥寮廠捕獲量 : 1公噸 CO2/日化學吸收法+超重力製程預訂完成日期 : 2015年11月
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子計畫二：超重力碳酸化吸附法
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研發「超重力碳酸化」技術
無需CO2濃縮至高濃度、無需CO2儲存場址、無需再生吸附劑。整合工業廢棄物處理/安定化，產物可作為綠色水泥。可同步處理廢水，具pH中和與重金屬去除效果。提升轉換率/捕碳量、降低反應時間、可常溫常壓操作。
超重力碳酸化效率與傳統反應器比較
LimestoneCaCO3(s)
QuicklimeCaO(s)
Slacked limeCa(OH)2(s)
Waste Flue Gas (CO2)
CarbonationCycle
Water added
Carbonated
Heated
Industrial Wastewater(Alkaline / Acid)
Reacted Water(Neutralized)
CO2(g)
Alkaline Solid Wastes(Ca‐rich)
Green CementitiousMaterials
鹼性工業固體廢棄物
工業酸鹼廢水
含CO2排氣
綠色建材
中性排放水
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規模化進程（與中鋼公司合作）
使用現場熱風爐尾氣現階段 0.17 t-CO2/day
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建立 3E（工程/環境/經濟）分析
工程面：最大化捕碳效率/容量。環境面：最小化能耗/環境衝擊。經濟面：最小化操作成本。建立最適化操作模組。
生命週期評估系統邊界
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各單元操作程序能耗分析
L1 L2 L3 M1 M2 M3 H1 H2 H3
CO2 Em
ission
Amou
nts (kg / t‐BO
FS)
-350
-300
-250
-200
-150
-1000
10203040
Capture (Carbonation)RPB Reactor BOFS Grinding Air Compressor StirringPumps Blower Net CO2 Capture
282
208
126
253
187
219
133110110
CO2 Source
CO2 Sink
不同操作模式下CO2排放量
碳酸化產物資源化應用
碳酸化後轉爐渣作為水泥拌混材料（綠色水泥）反應後產物再利用（相較於未反應爐渣）水泥砂漿「早期強度」有效提升。水泥砂漿「抗膨脹性」更優異。爐渣「重金屬毒性溶出」可被抑制。
Time (days)
0 10 20 30 40 50 60
Rel
ativ
e St
reng
th (C
ompr
essi
ve)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
OPCBOF10 (90 % OPC + 10 % BOFS)CBOF10 (90 % OPC + 10 % carbonated BOFS)
80%82%
85%91%
105%102% 98% 96%
反應後產物製成水泥砂漿樣本 反應後產物水泥砂漿之抗壓測試
早期抗壓比純波特蘭水泥更優異
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子計畫三：化學迴路程序
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化學迴路程序原理及優點
關鍵技術:反應器操作載氧體配方
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研究架構
1 KW 移動床燃料反應器架設測試
載氧體配方研發
生質及廢棄物燃料與產氫的應用
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以電弧爐收集之集塵灰製作載氧體
富鐵氧化物廢棄物於固定床反應器中，經過二十圈之循環測試：
The CO2 yield (YCO2) can bemaintained of about 95%.
Fresh 20 cycles
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化學迴路移動床反應器之產氫效能評估
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
CH
2 and
stea
m c
onve
rsio
n (%
)
Hydrogen flow rate
FAT7212-S0 oxygen carrier, 1.0~1.4 mmFeeding rate of oxygen carrier: 14.91 g/minOperating temperature: 900 oCCarrier gas: 4 L/min, N2
Hyd
roge
n flo
w r
ate
(ml/m
in)
Steam flow rate (mmole)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Steam conversion Hydrogen concentration
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
CH
2 and
stea
m c
onve
rsio
n (%
)
Hydrogen flow rate
FA323-S1 oxygen carrier, 1.0~1.4 mmFeeding rate of oxygen carrier: 18.39 g/minOperating temperature: 900 oCCarrier gas: 2, 4 L/min, N2
Hyd
roge
n flo
w r
ate
(ml/m
in)
Steam flow rate (mmole)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Steam conversion Hydrogen concentration
以載氧體生產製程進行生產 Fe2O3/Al2O3與Fe2O3/Al2O3/TiO2 兩種載氧體，並應
用於 1 kW 移動床式化學迴路反應器進行產氫測試，結果顯示 Fe2O3/Al2O3 具有
優異的機械強度與熱穩定性，可作為實廠運轉，其最大氫氣產量可達84 L/hr。
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Scal
e
Time
熱重分析儀模擬測試及載氧體合成
實驗室級固定床及半套熱模反應
器架設
1 kW移動床反應器冷模架設及載氧體大量製備製程開
發
以產學合作方式建立10
至100 kW 之反應器
20142009 2011
1 kW移動床反應器架設、流體化床反應器架設及氣化爐系統模擬
2015-2016
規模化進程
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產學合作廠商及合作領域範疇
1. 台塑 : 促進台塑公司投資及建立CO2捕獲工廠，預計於11月完工。進行碳酸化捕捉二氧化碳，透過開發超重力旋轉填充床，提昇其淨捕碳之效率與容量。
2. 中鋼 : CO2 捕獲與再利用技術諮詢，示範工廠設計、建造與操作 (超重力碳酸化系統)，建立模廠級超重力系統與其質能平衡分析。
3. 東和鋼鐵 : 建構東和鋼鐵苗栗廠整合式溫室氣體減量策略規劃，CO2 捕獲技術諮詢，提升整體能源利用效率。
4. 工研院 : 化學迴路法之氧化鐵複合載氧體試量產。
5. 核能所 : 載氧體於化學迴路燃燒程序中的可行性評估。
6. 優勝奈米科技公司 : 以化學迴路程序進行錫金屬純化。
7. 水善研發有限公司 : 以超重力旋轉床淨化煙道氣體。25
1. 將於產業排放源建立示範工廠，進行自行開發之CO2捕獲技術實地測試，並建立自主性製程。
2. 培養CO2捕獲技術的研發人才，提升國內節能減碳技術能量，並協助國內建立新興產業。
3. 藉由與國內重要公司進行產學合作、舉辦國內外研討會或座談會議，建立我國產學研界與國際合作之橋樑。
結論
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感謝聆聽敬請指教
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