重金屬鋅對氣化過程之產氣效率影響

圖 4-17 主要探討在溫度 800^oC，ER 值為 0.3 的條件下，添加不同重 金屬 Zn 濃度對於產氣組成之影響。可以發現未添加 Zn 時，H₂的莫耳 百分率為 10.66%，添加 Zn 後 H₂的莫耳百分率為 14.18%，有增加的趨 勢，且在添加濃度 0.1 wt%時，對於 H₂的莫耳百分率的提升就已經達到 穩定，因此 Zn 在 0.1 wt%時就能對氣化過程之 H₂的莫耳百分率有增加 的作用。Tsuji et al. (1996) 氣化煤碳，添加 ZnO 粉末造成 H₂產量增加 主要因為 Zn 在氣化過程中扮演了催化劑的角色，其機制如下：

Step 1 CHx+ZnO⇒^x₂H₂ +CO+Zn

(15) Step2 ^{Zn+H2O⇒ZnO+H2} (16)

因此對於 CO 以及 H₂都會有增加的趨勢。而 Encinar et al. (1998) 以添加 ZnCl2作為觸媒進行煤碳的氣化，發現含有 ZnCl₂之煤碳的 H₂會提升，

因 ZnCl₂會造成碳表面的微孔表面積增加。而添加過多時反而造成大孔 徑的增加使得表面積減少，因此 Zn 含量越多不一定會使得反應表面積 增加，因此在高濃度的情況下 H₂不一定會有比較多的莫耳百分率。

圖 4-17 添加不同濃度 Zn 對產氣組成之影響

Zn concentration (wt%)

0 0.1 0.3 0.5

G as com p o sit ion ( m o l%)

0 20 40 60 80 100

H₂ CO CH₄ CO₂

圖 4-18 主要討論在添加不同濃度 Zn 在溫度 800 ^oC，ER 值為 0.3 條

Zn concentration (wt%)

0 0.1 0.3 0.5

Gas yield (Nm3 /kg)

0

圖 4-19 討論添加不同濃度 Zn 在溫度 800 ^oC，ER 值為 0.3 條件下對 於 H₂產量之影響。由實驗結果可以發現添加 Zn 是可以增加 H₂產量的 效果，因為 Zn 在氣化過程中扮演了催化劑的角色，且添加濃度 0.3 wt%

時 H₂產量為最高為 0.0018 kg/kg。根據文獻 Encinar et al. (1998) 以添加 ZnCl2作為觸媒進行煤碳的氣化，發現含有 ZnCl₂之煤碳的 H₂會提升，

因 ZnCl₂會造成碳表面的微孔表面積增加。而添加過多時反而造成大孔 徑的增加使得表面積減少，因此 Zn 含量越多不一定會反應表面積增加。

0 0.1 0.3 0.5

H

2

(10

-3

kg/ kg)

0 2 4 6 8 10 12

4.2.2.2 添加鋅條件下，操作參數對產氣效率之影響

圖 4-20 為 Zn 添加 0.3 wt%時，固定 ER 值 0.3，在不同操作溫度下，

對於產氣組成之影響。由結果發現，隨著溫度升高，H₂莫耳百分率有上 升的趨勢，CO 莫耳百分率有下降的趨勢。Tsuji et al. (1996) 氣化煤碳，

添加 ZnO 粉末，操作溫度由 900 ^oC 升高至 1000 ^oC 時，H2會隨溫度升高 而增加，CO 會隨溫度增高而減少，且催化劑具有降低活化能的特性，

因此使得吸熱反應進行，增加 H₂莫耳百分率。

Temperature (

^o

C)

700 800 900

Gas com p o sit ion ( m o l%)

0 20 40 60 80 100

H₂ CO CH₄ CO₂

圖 4-20 添加 Zn 條件下，不同操作溫度對產氣組成之影響

圖 4-21 為添加 Zn0.3 wt%時，固定 ER 值 0.3，在不同操作溫度下，

對於氣體熱值與產氣率之影響。由結果顯示當溫度上升時，氣體熱值有 下降的趨勢，而對於產氣率沒有明顯的變化。因高溫環境下一會促使吸 熱反應進行，而催化劑具有降低活化能的特性，使得反應中高熱值的 CH4下降，造成熱值降低。

Temperature (

^o

C)

700 800 900

LHV (MJ/kg)

Gas yield (Nm3 /kg)

0

圖 4-22 為添加 Zn0.3 wt%，固定 ER 值 0.3，在不同操作溫度下，對 於 H₂產量的影響。由圖 4-22 顯示隨溫度增加，H₂產量會有上升的趨勢。

因為溫度增加時會促使 Methane-steam reform、Water gas reaction 與 Boudouard reaction 進行 (Lou et al., 2009)。和圖 4-4 未添加重金屬條件 下比較後發現在溫度 700^oC 和 800^oC，H2產量皆有增加。根據 Tsuji et al.

( 1996)氣化煤碳，Zn 在氣化過程中扮演催化劑的角色。故添加 Zn 可以 增加 H₂產量。

圖 4-22 添加 Zn 0.3 wt%條件下，不同操作溫度對 H₂產量之影響

Temperature (

^o

C)

700 800 900

H

2

(1 0

-3

kg/kg)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

圖 4-23 主要探討不同 ER 條件下，添加 Zn0.3 wt%對於氣體分佈的 影響。在固定溫度為 800 ^oC，改變其 ER 值 0.2、0.3 以及 0.4。由研究 結果顯示，ER 值增加時 H₂的莫耳百分率會有些微的下降，ER 值 0.2 之 H₂的莫耳百分率為 17.55%，ER 值 0.3 之 H₂的莫耳百分率為 14.18%，

ER 值 0.4 之 H2的莫耳百分率為 14.29%，但整體而言變化不大，因此推 測可能是因為添加 Zn 之後降低反應活化能，有促進反應進行的作用，

對於在未添加時 ER 值提升會造成 H₂莫耳百分率大幅下降的趨勢減緩。

Equivalence ratio

0.2 0.3 0.4

Gas c om po si ti on ( m ol% )

0 20 40 60 80 100

H₂ CO CH₄ CO₂

圖 4-24 為不同 ER 值條件下，添加 Zn0.3 wt%對於氣體熱值與產氣

Gas yield (Nm3 /h)

0

圖 4-25 為不同 ER 值條件下，操作溫度 800 ^oC 並添加 Zn0.3 wt%對 H2產量之影響。由結果顯示當 ER 增加時，會造成 H₂產量下降。從 0.027 kg/kg 減少到 0.010 kg/kg。過去文獻指出當 ER 值增加時會稀釋產出的氣 體(Kumar et al., 2009)。和圖 4-7 未添加重金屬比較發現，當 ER 值增加 到 0.3 和 0.4 時，添加 Zn 可以獲得較高的 H₂產量。

Equivalence ratio

0.2 0.3 0.4

H

2

(10

-3

kg/ kg)

0 5 10 15 20 25 30

4.3 混合銅與鋅對氣化過程之產氣效率影響 4.3.1 混合銅與鋅對於產氣組成之影響

圖 4-26 探討以 1:1 添加 Cu 與 Zn，在溫度 800 ^oC，ER 值 0.3 條件下，

不同添加濃度下對產氣組成之影響。由研究結果顯示，混合添加 Cu 與 Zn 時 H2的莫耳百分率會上升，但隨著添加濃度的增加，H₂的莫耳百分 率會逐漸減少。根據文獻添加 Cu 會降低反應活化能，而低濃度 Zn 會造 成微孔徑增加(Carlos et al., 1987; Encinar et al., 1998)。當濃度增加時 Zn 造成中孔徑增加使得反應的表面積變小，因此 H₂的莫耳百分率在濃度 0.1 wt%情況下最高。

圖 4-26 添加不同濃度 Cu 與 Zn 對產氣組成之影響

Cu and Zn concentration (wt%)

0 0.1 0.3 0.5

Gas composition (mol%)

0 20 40 60 80 100

H₂ CO CH₄ CO₂

4.3.2 混合銅與鋅對於氣體熱值與產氣率之影響

Cu and Zn concentration (wt%)

0 0.1 0.3 0.5

Gas yield (Nm3 /kg)

0

圖 4-28 為以 1:1 添加 Cu 與 Zn，在溫度 800 ^oC，ER 值 0.3 條件下，

不同添加濃度下對 H₂產量之影響。由圖 4-28 結果顯示，同時添加 Cu 和 Zn 比沒有添加重金屬的 H₂產量高，而添加的 Cu 和 Zn 濃度隨著添加 濃度的增加，H₂產量會隨著減少。根據文獻添加 Cu 會降低反應活化能，

而低濃度 Zn 會造成微孔徑增加(Carlos et al., 1987; Encinar et al., 1998)。當濃度增加時 Zn 造成中孔徑增加使得反應的表面積變小，因此 H2的莫耳百分率在濃度 0.1 wt%情況下最高。

圖 4-28 不同添加 Cu 和 Zn 濃度下對 H2產量之影響

Cu and Zn concentration (wt%)

0 0.1 0.3 0.5

H

2

(10

-3

kg/ kg)

0 2 4 6 8 10 12 14

4.4 單一與混合銅與鋅對氣化過程之產氣效率影響

圖 4-29、圖 4-30 為比較單一添加 Cu0.3 wt%、Zn0.3 wt%與混合添加 Cu、Zn0.3 wt%，在操作溫度 800 ^oC，ER 值 0.3 條件下，對產氣組成、

氣體熱值以及產氣率之影響。由圖 4-29 結果顯示當添加濃度均為 0.3 wt%時，各種氣體種類的莫耳百分率變化不大，即單一不同重金屬以及 混合重金屬在中濃度時對於產氣的組成變化均不會有影響。

由圖 4-30 顯示混合添加時氣體熱值與產氣率均有較低的趨勢，其原 因可能是因為 Zn 造成中孔徑的增加而 Cu 雖然可以降低反應之活化能，

但兩者同時存在時呈現抑制的效果。由圖 4-8、圖 4-17 以及圖 4-26 發現 添加濃度 0.3 wt%為一個反應極限的濃度，故先進行討論。然而重金屬 在廢棄物中的組成濃度很低，因此後續將討論濃度時個別單一添加與混 合添加對產氣組成的影響。

圖 4-29 添加不同重金屬及混合重金屬對產氣組成之影響

圖 4-30 添加不同重金屬及混合重金屬對氣體熱值與產氣率之影響

Addition (0.3 wt%)

Cu Zn CuZn

G as com p o sit ion ( m o l%)

0

Addition (0.3 wt%)

Cu Zn CuZn

Gas yield (Nm3 /kg)

0

圖 4-31 為比較單一添加 Cu0.3 wt%、Zn0.3 wt%與混合添加 Cu、

Zn0.3 wt%，在操作溫度 800 ^oC，ER 值 0.3 條件下，對 H2產量之影響。

由圖 4-31 結果顯示，單一添加 Cu 或 Zn 之 H₂產量較同時添加高。顯示 當 Cu 和 Zn 同時添加時可能有抑制 H₂產量的效果。

Addition (0.3 wt%)

Cu Zn CuZn

H

2

(10

-3

k g /kg )

0 2 4 6 8 10 12

圖 4-31 添加不同重金屬及混合重金屬對 H2產量之影響

圖 4-32 為添加重金屬 0.1 wt%時，單一添加重金屬與混合添加重金 屬對於產氣組成之影響。由實驗結果顯示，單一添加 Cu0.1 wt%時，H₂ 的莫耳百分率最低為 9.58%，而 Zn0.1 wt%與 CuZn0.1 wt%的 H₂莫耳百 分率分別為 16.47%與 16.29%。由此結果顯示 Zn 對於氣化過程之 H₂莫 耳百分率的提升有較佳的效果，且混合添加並不會提升 H₂莫耳百分率，

但也不會因此有明顯的抑制情況。因此當兩者均以低濃度的情形存在於 氣化爐床內，對於未添加重金屬的操作條件下，可以提升 H₂ 莫耳百分 率的效果。

圖 4-32 添加不同重金屬及混合重金屬對產氣組成之影響

Cu Zn CuZn

Gas composition (mol%)

0 20 40 60 80 100

H₂ CO CH₄ CO₂

Addition (0.1 wt%)

圖 4-33 為添加重金屬低濃度時，單一添加重金屬與混合添加重金屬

Gas yield (Nm3 /kg)

0

Addition (0.1 wt%)

圖 4-34 為添加重金屬低濃度(0.1 wt%)時，單一添加重金屬與混合添 加重金屬對於 H₂產量之影響。由實驗結果顯示，同時添加重金屬 Cu 和 Zn 可獲得最高的 H2產量，為 0.0122 kg/kg。由此顯示兩者同時添加可以 促進 H₂產量增加而不會有抑制 H₂產量的效果。

圖 4-34 添加不同重金屬及混合重金屬對 H2產量之影響

Addition (0.1 wt%)

Cu Zn CuZn

H

2

(10

-3

kg/ kg)

0 2 4 6 8 10 12 14

在文檔中 銅與鋅在廢棄物氣化過程中對產氣效率之影響 (頁 70-89)