旋轉式反應爐焙燒

本節使用實驗室自行設計的批次式旋轉式反應爐，針對稻稈進行焙燒。實驗 方法如 3.4-3 節所示。4.3 節使用高溫爐作為焙燒加熱源，優點為較易控制停留時 間，但無法蒐集氣體與液體產物，而本節所使用的旋轉式反應爐，則設計為可蒐 集氣體與液體產物，液體產物的部分包括為冷凝與氣體中可溶性物質，惟本反應 爐需在升溫前置入樣品，故本實驗所標時間包括反應爐升溫時間。

為了比較兩種加熱源控制器顯示溫度與稻稈焙燒程度的差異，故每次取烘乾 稻稈 40 g，選用 4.3 節所用的最高與最低溫之 280 與 320 °C 作為焙燒溫度。停留 時間(tR)包含升溫時間與持溫時間，持溫時間選用 4.3 節最長持溫時間之 60 min，

升溫時間則控制在 15 min 左右，總計 t_R為 75 min。此外為了討論兩種加熱源的 熱量傳送效應的差異，亦針對 280 °C 焙燒 15, 40, 50, 60 min 的條件做測試。本實 驗主要測試兩種條件，R_r-280-75 與 Rr-320-75，以下標 r 表示為旋轉式反應爐的 裂解條件，與 4.3 節沒有下標的做區隔，以下將針對其固體與氣體產物做討論。

4.4-1 固體產物

以旋轉式反應爐針對稻稈做焙燒，使用 280 °C 75 min (持溫 60 min)、以 320

°C 焙燒 75 min (持溫 60 min)兩種焙燒條件，針對生質炭(固體產物)的部分做顆 粒粒徑dP、質量損失RmD、乾基高位熱值HHMD、平衡含水率MW以及能量密度ED

作分析，並以水份換算濕基高位熱值 HHMW列於表 4.17，再細分各項與 4.3 節結 果做比較，其餘條件則僅針對質量損失列於表 4.18。

表 4.18 為質量損失RmD與平衡含水率 M_W並與 4.3 節結果比較，數據顯示以 旋轉式反應爐使用 R_r-280-75 與 R_r-320-75 裂解條件的質量損失，與 4.3 節同溫度 停留時間為 60 min 的質量損失相近。但以旋轉式反應爐於 280 °C 焙燒 15 min(僅 升溫時間)，其質量損失大於 4.3 節 R-280-20 之質量損失，顯示旋轉式反應爐初 期對焙燒物之熱量傳送效應較佳，可能是由於使用旋轉式反應爐，稻稈初期即會 直接與熱管柱接觸其加熱型態有熱傳導與熱輻射，而 4.3 節所用高溫爐於焙燒初 期則僅有熱輻射所致。

表 4.17 不同裂解條件生質炭特性分析

0 3978.1±15.8 3978.1±15.8 3978.1±15.8 3978.1±15.8 3978.1±15.8

10 4083.3±34.4 4139.1±14 4436.6±5.6 - -

表 4.18 數據顯示焙燒可降低焙燒物之平衡含水率，此與 4.3 節結果相同，與 原料相比皆大幅降低。熱值方面則則顯示旋轉爐焙燒可提升熱值，與 4.3 節結果 相似，R_r-320-75 比 R_r-280-75 熱值還低，R-320-60 熱值亦低於 R280-60，顯示焙 燒稻稈溫度過高，會造成熱值下降。R-320-60 熱值低於 R-320-30，故溫度較高 時，若時間過長亦會降低產物之熱值。上述 R_r-280-75 濕基熱值大於 5000 kcal/kg，

符合台電標準，而 Rr-320-75 則不符合，因此 280 °C 比 320 °C 還適合稻稈焙燒。

若將本節顆粒粒徑與能量密度與 4.3-10 節公式預測值做比較，列於表 4.19，

由於 Rr-320-75 質量產率低於 51%，故僅列出 Rr-280-75 數據。數據顯示不論是 顆粒粒徑或是能量密度，接與公式預測值非常接近，其相對誤差皆在 1.5%以內。

再次證明本研究公式可適用於不同加熱源。

結果顯示使用高溫爐與旋轉式反應爐對稻稈焙燒，可得性質相近之生質炭，

而焙燒溫度為 280 °C 時，其生質炭符合台電標準，是非常適合的焙燒溫度，將 本節數據與公式預測值比較，其結果相符，增加公式的可信度。

4.4-2 氣體產物

由於本實驗結果建議稻稈以 280 °C 焙燒，故再針對 280 °C 焙燒時氣體產物 做分析。圖 4.23 為本次實驗溫度記錄，總計 75 min 包含升溫時間 15 min 與持溫 時間 60 min。實驗時將產氣每五分鐘裝一採樣袋，共 15 袋，檢測其 CO、CO2、 H2與 N₂與濃度，此濃度代表五分鐘的平均濃度，由於 H₂低於偵測極限(500 ppm)，

故無法量測。

由於本實驗以氮氣以 50 sccm (Q_N

2)穩定送入反應爐內，而焙燒氣體不會產生 氮氣，故以氮氣檢測濃度(C_VN2, vol.%)估算五分鐘的平均產氣量(PR_G, sccm)，並 將 CO、CO₂檢測濃度(C_VCO、C_VCO2, vol.%)用下述公式轉換單位為 sccm，以PR_CO與 PR_CO2表示。

N₂、CO 與 CO₂的檢測濃度可以下列公式計算：

和緩下降(40-60 min)以及平緩下降(60-75 min)。而PR_CO下降趨勢則較為平緩。

表 4.20 為質量損失與其平均斜率(質量損失速率)，平均斜率為將該時間點與

前、後時間點的斜率平均，表示該時間點下質量損失的劇烈程度。結果顯示於 15 min 的平均斜率最大，於 40 min 之後平均斜率的變化趨於平緩，表示裂解反 應在前 40 min 質量損失最為劇烈。圖 4.26 顯示，在前 40 min 反應最劇烈的階段，

PR_CO、PR_CO2與PR_G則於此時劇烈產出。

超過 40 min 的部分由於PR_CO下降趨勢較平緩，較難分段比。故以下僅以 PR_CO2與PR_G比較。圖 4.26 顯示焙燒大約超過 40 min 時，PR_G減緩下降趨勢，PR_CO2 的趨勢亦如此。對照 40-60 min 質量損失的平均斜率，亦顯示此階段的質量損失 變化減緩。超過 60 min 時，PR_CO2與PR_G已趨於平緩，對照 Rr-280-60 與 Rr-280-75 的質量損失(43.03 與 44.96 wt.%)，則顯示兩者相差不遠。故推測當PR_CO2與PR_G變 化趨於平緩時，即達到裂解完成的條件，而PR_CO2與變化趨勢和C_VCO2相同，故亦 可從 CO₂濃度趨於平緩予以判斷。

圖 4.23 R_r

-280-75 升溫曲線。

圖 4.24 Rr

-280-75 之氣體濃度。

0 60 120 180 240 300

0 15 30 45 60 75

T ( °C)

t

(min)

0 25 50 75 100

0 15 30 45 60 75

Conce n tr ation (vol.% )

t

(min)

C_VN2+ C_VCO2+ C_VCO C_VN2

C_VCO2 C_VCO

P rod u ction r ate (sc cm )

t

(min)

P rod u ction r ate (sc cm )

t

(min)

表 4.20 Rr

-280-75 之質量損失與平均斜率(質量損失速率)

tR (min) RmD (wt.%) S (wt.%/min) Savg (wt.%/min)

0 0

1.54

15 23.05 1.05 (tR =15)

0.56

40 37.01 0.38 (tR =40)

0.21

50 39.10 0.30 (tR =50)

0.39

60 43.03 0.26 (tR =60)

0.13 75 44.96

S: Slope of RmD, = RmD/t by forward difference.

Savg: Average S.