先進中高溫二氧化碳捕獲 及分離系統技術開發

第二期能源國家型科技計畫－減碳淨煤主軸中心成果發表會

地點:義大皇家酒店

報告人: 余慶聰 (核能研究所)

參加團隊: 簡瑞與(中興大學)、陳維新(成功大學)、陳三元(交通大學)

時間: 104. 11. 07

報告內容

1. 前言

2. 計畫內容/目標

3. 研發成果

4. 結語

1. 前言 • Carbon capture and storage (CCS) has been identified as an essential technology to meet the

internationally agreed goal of limiting the temperature increase to 2°C, CO2 emissions begin to drop before 2030 and we get close to achieving the 450 ppm atmospheric stabilization level for CO2.

• Growing world energy demand from fossil fuels plays a key role in the upward trend in CO2

emissions, annual CO2 emissions from fuel combustion increased to approximately 40 Gt CO2.

We are currently capturing 0.08% of those emissions. As part of a portfolio of actions, CCS

accounts for 13% of total energy-related CO2 reductions needed by 2050 by 2015 report from IEA.

• 台灣自定碳排放 2030年排放量要回到2005年排放水準50%(假設GDP平均年成長率%)，預估2030年時溫室氣體排放量原會達到4.28億公噸，但目標要把它減半到2.14億萬公噸，較目前碳排放量減少4千8百萬公噸。

CCS具有削減二氧化碳濃度重要貢獻

Fig. CCS contributes 13% of total emission reductions

through 2050 in 2DS. (IEA, 2015)

IEA, 2015; 中研院2015

Fig. 我國各類溫室氣體排放占比(環保署, 2015)

CO2 Capture Process • Postcombustion: ~10-15%CO2,flue gas, RT~100°C, energy penalty30%

• Precombustion: ~15-50%CO2,fuel gas, (>400°C), HP ,energy penalty10-20%

• Oxyfuel: oxygen (usually 95–99%), energy penalty20%

• APS技術評估以較高濃度CO2捕獲源所需能量較低

• 中高溫捕獲結合氣體淨化與WGS轉化技術

具有提供潔淨能源潛在優點

IPCC, 2005 Wilcox, 2014, APS, 2011, NETL 2012, USEPA

多元深度減碳(DPP)路徑

多元碳捕獲技術

多元碳捕獲技術

2.計畫內容/目標

總計畫:先進中高溫CO2捕獲及分離系統(淨化+捕獲+分離)

(一) 子計畫一：煤碳/生質合成氣轉化二氧化碳與氫之超高溫水氣轉化觸媒研製與測試 設施建置 (二) 子計畫二：結合水煤氣轉換及CO2捕獲/分離的中高溫薄膜反應器數值分析/設計/ 製作 (三) 子計畫三：高捕獲效能及穩定性中高溫二氧化碳吸附劑之材料與製程技術開發 (四) 子計畫四：中高溫二氧化碳捕獲程序與驗證技術開發

• 建立中高溫(300～500 °C)測試平台驗證設施，開發自主技術

• 協助產業開發先進CO2捕獲技術

• 建立排放源實地測試設備與能量

*了解產業需求利基，開發測試系統所需之本土化關鍵技術

3.研發成果_CO2捕獲/分離測試平台 • 完成「先進CO2捕獲/分離測試平台」建置，包含合成氣淨化系統(吸收塔、吸附

床、觸媒反應器等)、 kW級捕碳反應器及薄膜反應器；並建立線上合成氣組成分析儀、GC-FPD、GC/MS及ICP-AES等合成氣分析方法。

• 合成氣淨化後含硫汙染物 90% ，CO2 純度 > 90%

Pretreatment and Analysis

CO2 capture CO2

membrane

CO2 捕獲

CO2 分離

氣體淨化

學術成果 • 論文發表: 已發表9篇國外論文(SCI 5篇、EI 1

篇)、2篇國際研討會論文、1篇國內研討會論文、欲發表論文9篇。IF最高 5.9。

• 專利申請與發表: 獲得2篇、 申請2篇 1. 「 Method of Fabricating High-Temperature Anti-

Sintering CO2 Capture Agent 」 ( 美 國 專 利US9,089,837 B2)

2. 「 一種利用水煤氣進行二氧化碳分離及產生氫氣之薄膜反應器結構」 (台灣專利證書發明第I491437號)

3. 擬申請專利「連續測量鈀膜滲特係數的方法」。中華民國專利 (案號: 104133383)

4. 擬申請專利「新穎奈米3D骨架結構之合成與高溫二氧 化碳捕獲」。

• 研究團隊: 中興大學、成功大學、交通大學、聯合大學、清華大學、中央大學、工研院、北卡羅萊納大學夏洛特分校陳聖恩教授、中油煉研所、中鋼公司、佳臣企業(系統商)、潔鼎科技(環保廠商)

• 博碩士培育: 博士培育人數(2人)、碩士培育人數(12人) • 技術活動: 6場次

提供資料協助環保廠商參展「2015中國國際節

能低碳創新技術與裝備博覽會」

• 建立合成氣/淨化/CCS相關技術knowhow，有助於建立本土化專利布局，協助產業進行產業鏈可行性評估，促進NEPⅡ於國內建立CCSU產業之目標。

4

2015中國國際節能低碳創新技術與裝備博覽會

研發成果_高溫WGS觸媒

T (oC)

XN

2(%

)

750 800 8500

10

20

30

40

50

2.5wt%Pt/2.5wt%Ni/5wt%CeO2/Al

2O

3

2.5wt%Pt/2.5wt%Ni/5wt%CeO2/TiO

2

(d)

S/C=5

S/C=3S/C=1

T (oC)

XC

O(%

)

750 800 8500

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2.5wt%Pt-2.5wt%Ni/5wt%CeO2/TiO

2

2.5wt%Pt-2.5wt%Ni/5wt%CeO2/Al

2O

3

S/C=5

S/C=3

S/C=1

(a)

T (oC)

YH

2(%

)

750 800 8500

10

20

30

40

50

2.5wt%Pt-2.5wt%Ni/5wt%CeO2/TiO

2

2.5wt%Pt-2.5wt%Ni/5wt%CeO2Al

2O

3

S/C=5

S/C=3

S/C=1

(b)

T (oC)

YC

O2

(%)

750 800 8500

10

20

30

40

50

2.5wt%Pt/2.5wt%Ni/5wt%CeO2/Al

2O

3

2.5wt%Pt/2.5wt%Ni/5wt%CeO2/TiO

2

S/C=5

S/C=3

S/C=1

(c)

以TiO2及Al2O3為載體之雙金屬觸媒高溫水氣轉化性能之比較。(a) CO轉化率，(b)產氫率，(c) CO2產率，(d) N2轉化率。CO轉化率及CO2產率較不受載體影響，但TiO2載體可抑制N2轉化成NH3，因而可獲得較高之產氫率。

Time (hr)

XC

O(%

)

0 10 20 30 40 50 60 700

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1wt%Pt/2.5wt%Ni/TiO2

2.5wt%Pt/TiO2

Equilibrium

S/C=5

(a)

Time (hr)

YH

2(%

)

0 10 20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

1wt%Pt/2.5wt%Ni/TiO2

2.5wt%Pt/TiO2

Equilibrium

S/C=5

(b)

應用開發之觸媒於750°C進行WGSR長時間測試，結果顯示於72小時測試期間，觸媒可維持穩定。

計畫目標:

研發高溫觸媒，可直接應用於氣化爐出口單一反應器進行水氣轉化，以提高熱效率及降低成本。

重要成果:

1. 完成以模擬合成氣為進料之高溫(750~850°C)水氣轉化觸媒性能測試 2.以合成氣進行水氣轉化時，N2參與反應，降低氫產率。 3.開發之觸媒經長時間測試，具有熱穩定性。

研發成果_薄膜反應器 • 設計並完成薄膜管之測試平台，用以測量鈀基薄膜管之滲透係數。 • 數值模擬方法及結果，鈀膜管之邊界條件及中溫環境下鈀膜管內之氫氣濃度

分佈，可得知薄膜測試平台內之質傳現象 • 鈀膜管操作溫度可達450°C，膜管滲透係數高達10-3 mol m-2 s-1 Pa-0.5

• 混合氣體成份分別為75% H2及25% CO2氫氣通量達398 cm3/cm2 min

Permeation

subsystem

Gas feeding

subsystem

Data collection

Subsystem

Pd-membrane tubes

H2-rich gas

薄膜製程開發

薄膜測試平台架設

數值模擬方法及結果

薄膜測試裝置及幾何構型

71LAM0.75-15K於固定床反應器進行5個循環迴圈之捕獲量圖

6

研發成果_中高溫捕碳劑

在固定床反應器中的二氧化碳捕獲循環迴圈

條件為，在450度、5%二氧化碳環境中進行

二氧化碳捕獲60分鐘，在700度、氮氣環境

中脫附二氧化碳30分鐘。經過第一個循環迴

圈後，二氧化碳捕獲量為37.45wt%，經過

五個循環迴圈後，二氧化碳捕獲量則為

24.60wt%，五個循環迴圈捕獲量維持率為

65.7%。

0 5 10 15 200

10

20

30

40

50

60

70

stability= 54.4%

stability= 74.8%

capacity (

wt%

)

cycle

F-71LAM0.75-15K-T400-D700(10)-10cyc

F-71LAM0.75-15K-T550-D700(10)-10cyc

F-71LAM0.75-15K-T450-D700(10)-10cyc

stability= 96.6%

(a)0%K+,(b)5%K+,(c)15%K+, and (d)25%K+ ion

TGA

Reactor

研發成果_捕碳程序

建立Na/MgO捕碳劑製造技術。探討Na-promoted MgO捕碳劑分別於實際生質物氣化合成氣、自行配製模擬氣化合成氣及100% CO2等三種環境下之CO2捕獲能力。

以15~40% CO2 (含配製模擬合成氣)測試Na/MgO捕碳劑於5kW模擬氣體反應測試系統之捕獲能力。填充量40克、流量300 mL/min、捕獲溫度375 ℃，初步結果顯示CO2捕獲量介於950~2900 mL CO2之間。後續並將測試在實際生質物氣化合成氣下之捕獲能力，提升應用價值。

國際合作 • 獲科技部「邀請國際科技人士短期訪問」之經費補助，已邀請加拿大安大略理工大學(UOIT)教授及國際期刊 International Journal of Energy Research (Wiley, SCI journal) 主編，Prof. Ibrahim Dincer於5月17-23日赴成功大學、 台南大學、中興大學及中鋼參訪，進行學術交流。

• 於2015年6月18日及7月6日期間至加拿大英屬哥倫比亞大學化學與生物工程學系進行學術訪問，並與 Xiaotao Bi 教授洽談雙方未來合作事項。預計於2016年4月共同提出「台加（MOST-NSERC）合作研究計畫」，以進行國際合作。

• 邀請美國北卡羅來納大學夏洛特分校 (University of North Carolina at Charlotte) 土木系陳聖恩教授於中興大學機械系演講：From Carbon Storage to Infrastructure Management。並另邀請至核能研究所參觀計畫所建置之設施，洽談未來合作之可能性與規劃。

研究案實例_「生質物氣化結合SOFC發電試驗」技術服務案

深度淨化

初步淨化

三次合成氣組成(air balance)約 17.7% H2 ，28.9% CO，4.5% CH4，25.0% CO2 ， 「先進CO2捕獲/分離測試平台」可將硫化物含量降至 1 ppm以下，CO2 捕獲量於 300-700 °C 時可達 15-50 wt.%。

「生質物氣化結合SOFC發電試驗」

結語 • 以MgO、CaO捕碳劑開發先進捕碳技術，目前技術中高溫300-500°C捕碳量30

wt.%能耗約2.9GJ/ton，與低溫型PEI/silica捕獲10wt.%s能耗相當。MgO理論捕碳量達110%，具有後續開發潛能。

• 先進測試平台包含CO2捕獲、WGS觸媒、薄膜分離與氣體淨化功能，同時具有廢氣處理、捕碳、燃氣conditioning等功能，目前已有系統與環保廠商具有合作意願，後續可推廣於產業界協助建立技術。

• 我國政府已通過溫減法，環保署並已公布台灣溫室氣體減量「國家自定預期貢獻」2030年溫室氣體排放量為BAU減量50%。目標期望在2020年時封存100萬噸CO2。台灣在2030年的排放量降至220~260百萬公噸，距離INDC目標還差6百萬公噸，將以新技術來補足。發展多元減碳路徑為重要方向。(多元深度減碳DPP--> CCS--> 多元碳捕獲)

墨西哥

美國

加拿大 俄羅斯

中國大陸 摩洛哥

加彭

衣索 比亞 新加坡

澳洲 紐西蘭

日本 韓國

馬紹爾 群島

肯 亞

千里達及托巴哥 貝南

馬其頓

吉布地

多明尼加

剛果

阿爾 及利亞

哥倫比亞

約旦

象牙海岸

尚未提交 INDC 國家 已提交INDC國家

歐盟（28） 冰島 挪威 瑞士

安道爾 摩納哥 塞爾維亞 列支敦斯登

環保署, 2015

一四九個國家 八十七％的溫室氣體排放總量

Thanks for your attention ~

本研究感謝科技部能源國家型計畫經費補助

MOST 104-3113-E-042A-001