張慶源臺灣大學:環境工程學研究所杜文凱Tu, Wen-KaiWen-KaiTu2010-05-102018-06-282010-05-102018-06-282009U0001-2402200913550300http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/181577現今全球的能源供需有八成以上仰賴化石燃料，其中石油就佔了三成以上。 但由於世界石油蘊藏量日益減少，且其燃燒後所排放之二氧化碳亦為造成地球溫室效應的主因之一。 也因此為了降低石油短缺所帶來之衝擊及減緩全球溫室效應，開發新的替代性及環保可再生能源將是21世紀人類的重要課題。 而合適的替代性能源，主要在其可提供無碳排放的能源及有大規模商業化的潛力，在眾多選擇中以生質能源在臺灣具有非常大的發展潛力。 質物(Biomass)簡稱為生質，泛指由生物產生的有機物質。 而生質能(bioenergy)則是指將生質物利用各種轉換程序(氣化、熱解、直接燃燒、厭氣分解、及發酵等)進行能源轉換，並將轉換後之能源進行發電等其他用途。 生質物及有機廢棄物屬於生質能源之一部份，適當處理以回收能源及資源是趨近零廢棄全循環目標很重要的途徑。 稻米為臺灣地區之最大糧食來源，也因此每年會產生近140萬噸的稻桿廢棄物。 而其傳統處理方式為直接戶外露天燃燒和現地掩埋兩種，但這兩種方式均會對環境造成負擔。 統熱轉換程序受限於加熱方式而有加熱速率及質傳效率上的限制，因此本論文利用高週波電漿之高加熱速率及能產生高能量物種之特性來克服傳統熱轉換程序中常見的氣體產物量偏低且產物中常有焦油污染之缺點。 此外文獻中指出在生質物熱轉換過程中搭配合適的觸媒能促進生質物之轉換效率、減少焦油之生成及提升目標氣體(如氫氣和甲烷)之產量。此本論文研究重點即為以高週波電漿為新一代加熱源來建立高週波電漿熱裂解設備，並搭配K2CO3觸媒來提升稻稈之熱轉換效率及NiO/CaO-Al2O3觸媒及Fe2O3-Cr2O3觸媒來增加產氣中氫氣與甲烷之產量，以將稻稈生質廢棄物轉換為可使用之能源及資源。 本研究除了得到高週波電漿處理稻稈之最佳操作條件、不同供給電壓時之高週波電漿熱裂解動力模式、高週波電漿設備能量平衡等結果外。 最後更依據所得到之實驗結果來發展與一套高週波電漿多階段熱裂解稻稈流程以供作為未來實際應用與商業用設計之參考。Bioenergy from biomass has a potential to provide a significant portion of the projected renewable energy provisions for the shortage of the oil. Among the available biomass wasrtes, rice straw is one of the favorable bioenergy sources, because it is the residue from the end use of the biomass products. The reutilization of rice straw not only saves the cost of disposal but also produces valuable bioenergy, achieving the goal of resources recovery and reuse. In Taiwan, rice is one of the principal foods and the total annual generation of rice straw is about 1.4 million tons. ransform of the biomass wastes into bioenergy can be efficiently achieved applying thermochemical methods such as pyrolysis and gasification. Two main disadvantages of the pyrolysis and gasification of biomass wastes for producing gases of medium calorific value via the traditional thermolysis technology are (1) the low gas yield, reducing the total energy value of gas and (2) the high content of tar in gas, causing the corroding problem of the gas collection equipment and increasing the need for the further treatment of the gas produced.pplication of a novel heating method via the radio frequency (RF) plasma is one of the feasible choices for overcoming the disadvantages of thermolysis using traditional heating methods. The heating method using RF has many advantages such as high heating rate, short heating time to reach setting temperature, low heat loss and low residual tar. Hence, this novel method can overcome the problems encountered in the traditional pyrolysis of biomass. Low tar content in product obtained from RF plasma thermolysis also can be achieved because high energy species, such as electron, ion, atom and free radical, produced from RF plasma can enhance the decomposition of tar. According to the references, adding the suitable catalysts in the pyrolysis of biomass is helpful for improving the thermolysis of biomass, enhancing the decomposition of tar and modifying the gas products.n this study, the RF plasma thermolysis reactor was used for pyrolyzing the biomass waste of rice straw. The application of RF plasma combined with various catalysts of K2CO3, NiO/CaO-Al2O3 and Fe2O3-Cr2O3 was studied. The results indicate that the uses of the said three catalysts can improve the conversion of pyrolysis, yield of H2 and yield of CH4, respectively. The effects of some major system parameters on the performance of the pyrolysis of rice straw via RF plasma were studied and elucidated. The kinetic model employed to describe the pyrolytic conversion of rice straw at various loading powers agrees well with the experimental data. In addition, a multi-stage RF plasma treatment process for rice straw pyrolysis was presented and discussed.he data and information obtained are useful for the rational design and operation of pyrolysis of rice straw via RF plasma.致謝 i文摘要 ii文摘要 iv錄 vi文圖目錄 x文圖目錄 xiii文表目錄 xviii文表目錄 xx號及英文簡寫說明 xxii中對照 xxv一章 緒論 1-1 研究背景 1-2 研究目的 4二章 文獻回顧 7-1 生質能源相關研究 7-1-1 生質物之介紹 7-1-2 生質能之介紹 8-1-3 生質物資源化及能源化之相關研究 9-2 稻稈相關研究 9-2-1 國內稻稈產量 9-2-2 國內稻稈處理方式 10-2-3 國內外稻稈實際應用之介紹 11-3 傳統熱處理相關研究 11-3-1 傳統熱處理技術 11-3-2 傳統熱處理技術應用於生質物之處理 12-3-3 傳統熱處理技術應用於稻稈之處理 16-4 電漿熱處理相關研究 16-4-1 電漿(Plasma)簡介 16-4-2 電漿種類及其原理 18-4-3 電漿應用 19-4-4 高週波(Radio-frequency, RF)電漿熱處理生質物之介紹 20-5 觸媒相關研究 21-5-1 觸媒原理 21-5-2 常見觸媒種類及其於環工上之應用 24-5-3 觸媒結合傳統熱處理生質物之研究 24-5-4 觸媒結合傳統熱處理稻稈之研究 27三章 研究及實驗方法 29-1 實驗藥品及原料 29-1-1 實驗樣品 29-1-2 實驗氣體 29-1-3 實驗藥品及觸媒 29-1-4 分析用標準品 31-2 實驗設備 31-2-1 傳統熱處理反應實驗系統設備-大型熱重分析系統 (L-TGA) 32-2-2 高週波電漿熱處理反應系統設備 36-3 實驗步驟 45-3-1 樣品前處理步驟 45-3-2 傳統熱處理稻稈之特性分析 46-3-3 高週波電漿熱處理-與傳統熱處理之特性比較 48-3-4 高週波電漿熱處理稻稈實驗 50-3-5 高週波電漿結合觸媒熱處理稻稈實驗 52-4 實驗分析方法與儀器 56-4-1 固態樣品分析 56-4-2 氣態樣品分析 61四章 結果與討論 67-1 稻稈特性分析 67-1-1 三成分、元素、熱值和BET比表面積分析 67-1-2 金屬含量分析 69-1-3 熱重分析 71-2 高週波電漿熱處理反應系統特性 73-2-1 實驗樣品質量的決定 73-2-2 工作氣體流量與系統壓力評估 73-2-3 系統加熱溫率評估 75-2-4 反應管溫度梯度 81-3 傳統熱處理與高週波電漿熱處理之比較 84-3-1 質量消失速率與消失趨勢之比較 85-3-2 產物分佈之比較 89-3-3 能量消耗之比較 91-4 高週波電漿熱處理稻稈分析 92-4-1 高週波電漿熱處理稻稈之質量消失速率與消失趨勢 92-4-2 產物分佈 95-4-3 固體產物分析 97-4-4 氣體產物分析 99-4-5 質量平衡 106-4-6 動力模式分析 110-4-7 能量平衡 115-5 高週波電漿結合觸媒熱處理稻稈分析 120-5-1 觸媒促進稻稈裂解效率 120-5-2 觸媒進行產氣改質化 128-5-3 能量效益 132-6 高週波電漿多階段處理流程分析 134-6-1 高週波電漿多階段處理流程之建立 134-6-2 高週波電漿多階段處理流程之能量分析 136五章 結論與建議 140-1 結論 140-1-1 稻稈特性分析 140-1-2 高週波電漿熱處理反應系統特性 140-1-3 傳統熱處理與高週波電漿熱處理之比較 141-1-4 高週波電漿熱處理稻稈分析 142-1-5 高週波電漿結合觸媒熱處理稻稈分析 143-1-6 高週波電漿多階段處理流程分析 143-2 建議 144考文獻 146錄A 高週波電漿熱裂解稻稈技術之模廠化工程經濟計算結果 157錄B 本整合型計畫之個別子計畫成果簡述 164錄C 作者相關著作 170application/pdf1717781 bytesapplication/pdfen-US生質廢棄物生質能源高週波電漿稻稈熱裂解Biomass wasteBioenergyRadio frequencyPlasmaRice strawPyrolysis[SDGs]SDG7thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/181577/1/ntu-98-F92541111-1.pdf