摘要

由於國內各重化產業缺乏以吸收捕捉二氧化碳相關操作設計經驗，中鋼公司為此正建立以MEA水溶液為吸收劑之二氧化碳吸收脫附先導工場，本研究目的為替先導工場建立一整廠模擬，作為相關操作研究的依據，用以認證整體的模擬結果。
本計畫的主要研究成果為下 :
1. 完成二氧化碳先導工廠製程中吸收塔、氣提塔整廠模型的建立。
利用整廠模型完成現場數據的驗證，並可達預期去除率和去除總量的要求。
模擬以達到原設計設定的去除率95%與總捕捉量100 kg/day的標準。
2. 對二氧化碳先導工廠進行後續節能措施以及能耗評估。
目前捕捉每噸CO2所產生之CO2為203 kg，已實現CO2之淨捕捉。然而目前操作結果並未達歐盟要求的捕捉耗熱量標準3.2GJ/Ton CO2。評估目前可行節能措施有：加大熱交換器面積以增加熱回收、增加氣提塔壓力、更換溶劑。

目錄
摘要 I
謝誌 II
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 IX
第一章、緒論 1
第二章、文獻回顧 3
二.1 醇胺水溶液吸收CO2機制 3
二.1.1 醇胺的分類 3
二.1.2 反應吸收機制 4
二.1.3 混合醇胺之開發 6
二.2 製程改善方案 8
二.2.1 製程理論最小能耗要求 10
二.2.2 實際製程能耗計算 10
二.2.3 創新節能製程 12
二．3總結 14
第三章、研究方法 15
三. 1 熱力學及動力學模式 15
三.1.1 Electrolyte-NRTL 熱力學理論 15
三.1.2 平衡反應(solution chemistry and equilibrium governing equation) 20
三.1.3動力學方程式(kinetic reaction) 21
三.2 質傳模型研究 23
三.2.1平衡模型(equilibrium model) 23
三.2.2以質傳速率為基礎的模型(rate-based model) 24
三.3 中鋼實驗工廠之Aspen Plus模擬 32
三.3.1 Aspen Plus熱力學及動力學模型的設定 32
三.3.2 吸收塔模型 33
三.3.3 氣提塔模型 35
三.3.4 整廠模型 35
第四章、結果 37
四.1 Rate-based model驗證 37
四.2 現場數據驗證結果 38
第五章、節能措施評估與模擬 44
五.1 現階段的製程能耗 44
五.2 現有製程之最佳化操作 44
五.3 增加吸收塔底出料與脫附塔底出料間之熱交換 46
五.4 增加汽提塔壓 48
五.5 更換填充物增加塔高 49
五.6 更換吸收溶劑 50
第六章、結論 53

圖目錄
圖二. 1: 煙道氣CO2化學吸收標準製程 9
圖二. 2 : 二氧化碳捕捉分離及壓縮簡單製程 10
圖二. 3: 多段壓力氣提塔裝置圖19 13
圖二. 4: 雙重矩陣氣提塔操作流程15 13

圖三. 1: 平衡階段模型說明圖 24
圖三. 2: 質傳速率為基礎之精餾及吸收模擬 25
圖三. 3: 雙膜質傳模型 28
圖三. 4: 使用質傳速率吸收模型對MDEA化學吸收之模擬25 31
圖三. 5: 使用質傳速率吸收模擬對DMPEG物理吸收之模擬31 31
圖三. 6: 中鋼實驗工廠Aspen Plus ELECNRTL熱力學模式設定 32
圖三. 7: 中鋼實驗工廠Aspen Plus MEA與CO2化學吸收動力和平衡反應 33
圖三 8: 中鋼實驗工廠Aspen Plus吸收塔模擬設--計算方法及板數 33
圖三. 9: 中鋼實驗工廠Aspen Plus吸收塔模擬設定--填充物設定 34
圖三. 10: 中鋼實驗工廠Aspen Plus吸收塔模擬設定-- Rate Based 計算選項 34
圖三. 11: 氣提塔外部流程設置 35
圖三. 12: 中鋼公司二氧化碳吸收脫附先導工場 36
圖三. 13: 中鋼公司二氧化碳吸收脫附工廠整場模擬流程示意圖 36

圖四. 1: 中鋼公司吸收塔之模擬溫度分布 37
圖四. 2: 中鋼吸收塔MEA溶液流量對出口廢氣二氧化碳濃度影響模擬 38
圖四. 3: 中鋼公司二氧化碳捕捉實驗工廠 39
圖四. 4: CO2 去除率實驗及模擬結果比較 40

圖五. 1: 現有製程之最佳化操作 45
圖五. 2: 氣提塔溫度與CO2負載之關係圖 45
圖五. 3: 熱回收及塔壓與熱耗之關系 46
圖五. 4: 熱交換器示意圖 47
圖五. 5: 壓力對氣提塔能耗之影響 48
圖五. 6: 有效塔高對能耗之影響 49

圖六. 1: 各節能措施效果比較 54

表目錄
表二. 1:各類醇胺的化學結構 3
表二. 2 : Piperazine及與CO2反應衍生物之化學結構 6
表二. 3: 歐盟CO2製程能耗標準18 11

表三. 1: Elec-NRTL 參數表 19
表三. 2: 平衡常數溫度描述式之常數值以及亨利常數 21
表三. 3: 動力學反應常數溫度表示式的參數值 22

表四.1: 現場數據與模擬數據驗證0308 case1 41
表四 2現場數據與模擬數據驗證0308 case2 41
表四.3: 現場數據與模擬數據驗證0309 case1 42
表四.4: 現場數據與模擬數據驗證0325 case1 42
表四.5: 現場數據與模擬數據驗證0325 case2 43
表四.6: 現場數據與模擬數據驗證0325 case3 43

表五. 1: 現場數據的模擬和現場數據驗證 44
表五. 2: 吸收塔底出料預熱溫度與換熱量、換熱器進出料溫度、換熱器對數平均溫差、及換熱器總面積的關系 48
表五. 3: 更換溶劑改善製程之整理表 52

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