反應穩定時間測試

四、結果與討論

4.1 探討最佳之石灰石礦產種類

本研究依據石灰石重量損失測試、反應穩定時間測試和含水率對系統 操作的影響，來探討國內最適合用來吸附 CO₂之礦產種類，以下分別就石 灰石重量損失測試、反應穩定時間測試和含水率對系統操作的影響這三種 實驗的結果來討論。

4.1.1 石灰石重量損失測試

此測試是在只有氮氣存在的條件下將 3 種試料分別置入 TGA 內，爐 溫以15℃/min 上升至 950℃後，在 950℃持續 15min，每種試料進行 5 次。

表 4-1 列出各試料脫附量（加熱損失的重量(CO₂) /最後重量(CaO)），

與理論值吸附量(0.7857 g CO₂/g CaO)相較之下，各石灰石的脫附量高低不 一，但相差並不大，因此我們推測這些商用的石灰石中可能含有其他成 分，造成他們重量損失上的差異。

4.1.2 反應穩定時間測試

先將試料在氮氣下鍛燒，接著將氣體切換至 10 vol.% CO₂/N₂氣體，進 行對CO₂吸附反應，共計2 小時，以重量變化量對時間做圖，決定穩定反 應時間。

表4-1 3 種試料各取 5 次進行鍛燒後的 CO₂脫附量，單位(g CO₂/g CaO)

1 2 3 4 5 平均值 A 0.7883 0.7899 0.7899 0.7905 0.7915 0.7900±0.0012 B 0.7737 0.7737 0.7721 0.7740 0.7712 0.7729±0.0012 C 0.7825 0.7787 0.7794 0.7803 0.7809 0.7804±0.0015

由圖 4-1 結果可知，CaO 吸附由降溫至 650℃時開始計算，至 CaO 重 量迅速增加之第一次轉折點會出現吸附延遲時間，而在到第二次轉折點 (breakthrough point)前之吸附速率相當快，其後即迅速減緩直到趨於穩 定。各個石灰石重量提升至 84.0%後，重量增加速率明顯下降，所以將達 原始 CaCO₃重量之 84.0%定義為轉折點。以 C 為例，其 CaO 吸附由降溫 至650℃且溫度穩定後，於 96.0min 切換為 CO₂氣體進行吸附，至CaO 重 量迅速增加之第一次轉折點(99.1 min)時共計需要 3.1 分鐘之吸附延遲時 間，而再到第二次轉折點(breakthrough point)時則為 106.8min，總計自降 溫到快速吸附結束所需之時間為10.8min。

圖 4-2 即為 A、B、C 三種不同石灰石之吸脫附反應穩定時間 2 個小 時內的變化結果。由圖形的變化情況來判斷，反應時間1 小時與 2 小時的 CO₂吸附量相差很小，實驗於總反應時間為96.0 min 時切換為 CO₂氣體進 行吸附，試料 A 在總反應時間為 156 min 時的重量變化率為 87.90%，而在 216 min 時的重量變化率為 88.91%，兩者相差 1.01%，甚至 10 min 和 1 小 時的差距也不大，試料 A 在總反應時間為 108.9 min 時的重量變化率為 84.03%，而在 156 min 時的重量變化率為 87.90%，兩者相差 3.87%；試料 B 在總反應時間為156 min 時的重量變化率為 87.06%，而在 216 min 時的重 量變化率為 87.92%，兩者相差0.86%，甚至 10 分鐘和 1 小時的差距也不大。

圖4-1 3 種試料吸附反應穩定時間測試短時間內的重量變化圖

圖4-2 3 種試料吸脫附反應穩定時間測試重量變化圖

試料B 在總反應時間為 110.7 min 時的重量變化率為 84.04%，而在 156 min 時的重量變化率為 87.06%，兩者相差 3.02%；試料 C 在總反應時間為 156 min 時的重量變化率為 88.06%，而在 216 min 時的重量變化率為 89.19%，兩者相差1.13%，甚至 10 分鐘和 1 小時的差距也不大，試料 C 在 總反應時間為106.8 min 時的重量變化率為 84.03%，而在 156 min 時的重 量變化率為 88.06%，兩者相差 4.03%。因此假如考量到將來實廠上的應 用，可以將後續實驗之吸附時間設定為 1 小時或更短；而三種石灰石的最 終吸附量相差不大，且由圖4-1 可看出，C 的石灰石吸附 CO₂的速率似乎 較 A 與 B 來的快，可在較短時間內達到較高之吸附量，因此我們選定 C 的石灰石來進行後續CO₂進流濃度的影響、石灰石再生率測試與實驗級氧 化鈣之反覆再生比較的實驗。

圖 4-3 為三種石灰石 1 小時和 2 小時二氧化碳負載率比較圖，由圖中 可以看出3 種石灰石 2 小時的二氧化碳負載率較 1 小時的負載率略微高一 點，但同一時間內3 種石灰石二氧化碳負載率各有高低但相差極微；且表 4-2 中 3 種石灰石鍛燒成氧化鈣後，2 小時的二氧化碳吸附量較 1 小時的 吸附量也是略微提高一點，同一時間內3 種氧化鈣二氧化碳負載率同樣是 相差極微，由此可知這次實驗 3 種國內的石灰石雖然不同礦區，但是石灰 石的基本性質不會有非常大差異。

吸附時間 1hr 0.5500 0.5268 0.5312 吸附時間

2hrs 0.5678 0.5419 0.5509