3.1 研究流程
本研究之研究流程圖如圖 3-1 所示。經蒐集氣化技術相關文獻整理 瞭解目前氣化技術之趨勢，確立研究目的。後續進行採樣系統的設計，
因分析樣品為合成氣，故需在採樣前端進行焦碳及煤焦之過濾，以維護 後續分析的氣相層析儀。研究中之廢棄物採人工模擬的方式，其原料為 木屑、PP 塑膠顆粒與 PE 袋，並將此三項進行元素分析、主成份分析與 熱值分析，上述流程完成後即可進行實驗。實驗參數分別為溫度、ER 值、添加銅與添加鋅，而銅與鋅的添加又區分為添加的濃度不同以及單 一或混合添加。每組實驗完成經由氣相層析儀(TCD)分析獲得數據，經 後續計算獲得產氣分佈 (mol%)、產氣率 (Nm3/kg)、產氣熱值 (MJ/kg) 與 H2產量 (kg/kg)，藉由實驗結果對銅與鋅對產氣之影響進行討論。依 研究結果，希望能夠提供流體化床氣化爐對廢棄物氣化處理程序設計及 後續操作的參考。
圖 3-1 研究流程圖
3.2 人工模擬廢棄物製備
本研究使用之廢棄物採用人工模擬廢棄物的方式，分別以木屑、PP 塑膠顆粒以及 PE 模擬廢棄物之各元素，以 PE 袋分別裝入 PP 塑膠顆粒 以及粉狀木屑進行實驗。其材料的元素分析、主成份分析以及熱值分析 結果如表 3-1
表 3-1 材料的元素分析、主成份分析以及熱值分析
Species Wood chips Polypropylene (PP) Polyethylene (PE) Ultimate analysis (wt%)
C 43.12 86.16 85.71
H 5.80 12.20 13.04
O 46.07 0.52 0.39
N 5.01 1.12 0.86
Proximate analysis (wt%)
Moisture 0.74 0.01 0.01 Volatile matter 81.6 99.99 99.99 Fixed carbon 16.6 0 0
Ash 1.07 0 0
LHV* (MJ/kg) 15.10 45.63 44.92
重金屬添加劑分別使用硝酸銅 (Cu(NO3)2‧3H2O，SHOWA 試藥級)與硝 酸鋅 (Zn(NO3)2‧6H2O，SHOWA 試藥級)，配製所需濃度以水溶液的形 式加入已依計算比例所配製好之含木屑及 PP 塑膠顆粒的 PE 袋內。其濃 度添加為 0、0.1、0.3 與 0.5 wt%。本研究所使用之 ER 值不同所計算出 廢棄物的進料量也不同，因此其不同 ER 所需進料量以及進料的百分比 如表 3-2 及表 3-3 所示。含水量的多寡則依照其進料量的比例進行調配，
含水量以 10 wt%的比例加入 PE 袋內封住並放置靜置到隔天，使水能被 木屑吸收，不會被蒸散。
表 3-2 不同 ER 所需進料量
ER Wood chips (g) PP(g) PE (g) Moisture (ml) Total (g) 0.2 10.62 0.60 0.60 1.31 13.13 0.3 6.50 0.60 0.43 0.83 8.368 0.4 4.22 0.60 0.43 0.58 5.831
表 3-3 不同 ER 所需進料量百分比
ER Wood chips (%) PP(%) PE (%) Moisture (%) 0.2 80.88 4.57 4.57 9.98
0.3 77.68 7.17 5.14 10.04 0.4 72.37 10.29 7.37 9.95
3.3 流體化床氣化爐
本研究使用流體化床氣化爐如圖 3-1，爐床材質為不鏽鋼 (AISI 310) 厚度約 3 cm。爐床高度 150 cm，內徑 10 cm。爐床底部之分散板為不鏽 鋼材質，其開孔面積為 15.2%。升溫方式利用電加熱系統並在爐體外包 附石英棉(3 英吋)來防止熱散失，以三支 T 型熱電偶來記錄爐體內之溫 度變化。使用雙閥的進料孔以防止爐體內產生之合成氣在進料過程中合 成氣的外洩或者是外界空氣混入爐體中。藉由浮子流量計調整鼓風機打 入氣體流量以及採樣的氣體流量，初始進入爐床之氣體流量為最小流體 化流量之 1.3 倍，其最小流體化流量為 30 L/min。實驗前以水柱壓力計 測定床質有達到最小流體化之氣速。而最終產生之合成氣體與顆粒藉由 旋風集塵器以及袋式集塵器除去大部分之顆粒由最末端之誘引抽風機 將合成氣體排出。研究所使用之床質為石英砂，其平均粒徑為 545 μm，
密度 2,600 kg/m3，主要組成為 SiO2，佔 97.8 %、Al2O3佔 2 %、 Fe2O3 佔 0.07 %。
本研究採樣方式為採樣氣體先經過玻璃纖維過濾器裝置將大部分顆 粒截留於 GF/A 濾紙(Cat. No. 1820 047)，通過氣體在經過在低溫水槽中 之裝有重金屬吸收液 100 ml ，其中含有 H2O2 33 ml (SHOWA 30 %，試 藥級)，HNO3 7.67 ml (Scharlau 65 %，試藥級)，以去離子水定量至
圖 3-2 流體化床氣化爐設備
(1)溫度壓力控制器, (2)鼓風機, (3)浮子流量計, (4)熱電偶, (5)壓力傳送器, (6)旋風集塵器, (7)電加熱管, (8)爐床, (9)可控式氣動閥, (10)袋式集塵器,
(11)低溫水槽, (12)玻璃纖維過濾器裝置, (13)矽膠, (14)誘引抽風機
1
3 2 4
7
8 9
6
14
5
10
3
11 12
13
3.4 數據分析與計算
實驗採樣樣品經過氣相層析儀(GC-TCD)分析後獲得其氣體組成與 含量再藉由計算公式計算其產氣效率(Gas yield)、氣體熱值(Heat value)。其各式計算如下:
PV=nRT P: 1atm
R:0.0823 atm L/mole K
T: 298K (因氣體經低溫後由採樣袋以常溫保存)
假設每個試程分析皆在等溫等壓下，故氣體體積皆相同，由式子 21 得 到的質量不同會受到分子量影響，以空氣分子量作為基準 1，計算各氣 體之重量百分比。
重量百分比=體積百分比/100×(H2、CO、CH4或 CO2分子量/空氣分子量) H2分子量:2
CO 分子量:28 CH4分子量:16 CO2分子量:44 空氣分子量:28
以總重量百分比作為 100%，再分別計算一次各氣體之重量百分比 (21)
(22)
氣體熱值 (MJ/ kg waste)
CO = 合成氣 CO 濃度(%)×總產氣量(mol gas/kg waste)×合成氣 CO 之最 低發熱量(0.28229 MJ/mol gas)
H2= 合成氣 H2濃度(%)×總產氣量(mol gas/kg waste)×合成氣 H2 之最低 發熱量(0.24183 MJ/mol gas)
CH4 = 合成氣 CH4濃度(%)×總產氣量(mol gas/kg waste)×合成氣 CH4 之 最低發熱量(0.80234 MJ/mol gas)
總氣體熱值 (MJ/ kg waste)=
∑
(CO、H2及 CH4之熱值)杜隆(Dulong)熱值公式：
高位發熱量 HHV (kcal/kg)=8080×mC + 34160 (mH-mO/8)+2250×mS
低位發熱量 LHV(kcal/kg)=HHV-583(mH2O+9mH) 低位發熱量 LHV(kJ/kg)= LHV(kcal/kg)×4.18(J/cal) 註：mί表示成份ί 的質量分率
(25)
(26)
(27)
(28)
(29) (30) (31)
3.5 儀器設備
(1) 電熱式氣相層析儀 (GC-TCD)：
氣 相 層 析 儀 Agilent 4890 ， 使 用 偵 測 器 為 TCD ， 管 柱 使 用 Carboxen-1000 60/80 mesh (SUPLECO)。注射孔溫度 150 oC，偵測器 溫度為 275 oC。烘箱初始溫度設定 35 oC，烘箱升溫程序為初始恆溫 在 35 oC 維持 3 分鐘，再以 20 oC /分鐘升溫至 225 oC，恆溫 4 分鐘。
總分析時間為 16.5 分鐘，其分析氣體為 H2、CH4、CO、CO2及 N2。 (2) 元素分析儀 (EA) ：
元素分析儀型號為 PerkinElmer2400II。將木屑、PP 塑膠顆粒與 PE 袋 分別取元素分析儀所需之適當量（約 3-5mg）置於錫箔壓錠，以分析 天平精秤。在高溫純氧環境下燃燒後，信號經處理後定量運算，即可 自動分別計算 C、H、O、N 之重量百分比，本研究再藉由元素分析 結果經杜隆公式計算熱值。
(3) 熱重分析儀 (TGA)：
熱重分析儀型號為 PerkinElmer STA6000。 將木屑、PP 塑膠顆粒與 PE 袋分別取元素分析儀所需之適當量(10-20mg)至入陶瓷缽中秤重，
以 105 oC 烘乾後秤重得水份含量，通入空氣經升溫速率 20 oC /min 至 800 oC 分析出灰份，揮發份則是通入 N2氣經升溫速率 20 oC /min
3.6 實驗試程
本研究主要評估重金屬對流體化床氣化爐產氣效果之影響。實驗試 程先改變不同流體化床操作參數如溫度及當量比 ER 值對流體化床產氣 之影響。重金屬的添加以硝酸鹽的方式加入模擬之廢棄物內，分別以單 一金屬 Cu 及 Zn 和雙金屬 Cu、Zn 混合評估對流體化床產氣之影響。其 實驗試程如表 3-4
表 3-4 實驗試程
Run 溫度 (oC) ER 值 Cu (wt%) Zn (wt%)
Run 1 700 0.3 - -
Run 2 800 0.3 - -
Run 3 900 0.3 - -
Run 4 800 0.2 - -
Run 5 800 0.4 - -
Run 6 700 0.3 0.3 -
Run 7 800 0.3 0.3 -
Run 8 900 0.3 0.3 -
Run 9 800 0.2 0.3 -
Run 10 800 0.4 0.3 - Run 11 800 0.3 0.1 - Run 12 800 0.3 0.5 -
Run 13 700 0.3 - 0.3
Run 14 800 0.3 - 0.3
Run 15 900 0.3 - 0.3
Run 16 800 0.2 - 0.3
Run 17 800 0.4 - 0.3