Biomass-derived pyrolysis oil: production emulsification and reaction

論文翻譯標題: 生質物裂解油:製備、乳化及反應
  • 林 柏志

學生論文: Doctoral Thesis

摘要

燃料來源及環境之永續發展為世界各國相當關注的重要議題,其中,生質燃料(biofuel)的開發已被視為減少化石燃料使用及降低二氧化碳排放的有效對策。生物質裂解(biomass pyrolysis)已被廣泛用於生質油製造,並且生質油被視為深具前瞻性之能源載體用以替代統化石燃料;乳化(emulsification),為生質油應用於柴油發動機及工業加熱中深具經濟效益之技術。本論文主要根據生物質裂解途徑以製備燃料之概念,包含生質油製備、生質油改值及改質後生質油之燃料應用做為研究框架;因此,本研究主要可分為三個部分:(1)生質物裂解製備生質油之特性;(2)生質油與柴油乳化;(3)乳化燃料之氧化反應。 第一部分之研究在於探討不同條件下之生質物裂解行為,並可分為兩個子研究項目。第一個子項目為加熱模式對於蔗渣裂解的影響,並且反應主要在二氧化碳氣氛下進行,用以增加二氧化碳使用達再利用之效益。在微波裂解實驗中,主要以木炭被用作微波吸收劑以幫助裂解反應。實驗結果發現,裂解產物之產率受加熱方式影響甚鉅。在傳統電熱加熱中,主要產物為生質油,其產率在51-54 wt%,然而生物炭則是微波加熱條件下之主要產物,其產率為61-84 wt%。在微波裂解實驗中,以兩種不同的吸收劑混合比為0 1和0 3進行比較。結果發現,吸收劑混合比從0 3降至0 1時,固體產率降低,而氣體和液體產率增加。主要是因為於在較低混合比下,反應器供於蔗渣熱裂解的能量較多。另外,在微波裂解下亦有氫氣生成,濃度為2-12 vol%,主要是微波輻射環境中比傳統加熱更容易產生蒸汽及生質炭之二次裂解反應。在第二個子項目中,主要進行了油棕纖維(oil palm fiber,OPF)和油棕纖維造粒(oil palm fiber pellet,OPFP)在氮氣和二氧化碳環境中之裂解反應,用以評估生物質形貌和攜帶氣體對三相產物的影響。操作條件主要考慮了400,450和500 °C三種不同反應溫度,並進行30分鐘之裂解反應。結果發現,相較於OPF之熱裂解,OPFP裂解後產生較高的液態產率,並且使用CO2作為攜帶氣體之液態產率高於使用N2的反應之液態產率。整體而言,攜帶氣體及生物質形貌對於產出之生質油組成影響不大。所得固態生質炭之脫氧和脫氫現象明顯,並且後者比前者更為明顯。來自熱解的OPF和OPFP的較高熱值分別增強至39%和24%。在產出氣體分析中, CO2和CO濃度分佈表示最劇烈的裂解反應發生在7-9分鐘。CH4的生成較晚於CO和CO2生成,主要是由於破壞甲氧基合成CH4所需的能量更多。整體而言,OPFP可在CO2環境中進行裂解反應製造生質油,並且可節省設備空間並實現CO2再利用。 第二部分之研究在於探討生質油和柴油在各種操作條件下的乳化特性,使用了三種不同的商業乳化劑(即Span 80,Tween 80和Atlox 4914)和四種不同來自業界之木材廢棄物快速熱解生物油。當單獨使用三種乳化劑時,乳化劑的效能順序為Atlox 4914 > Span 80 > Tween 80。藉由混合Span 80和Tween 80或Span80可獲得特定HLB(hydrophilic-lipophilic balance)值之雙元乳化劑。研究結果發現,生質油和柴油進行乳化的之最佳HLB值隨著O / C或H / C原子比,含水量或生質油的高位發熱值(higher heating value,HHV)的增加而線性增加。藉由最佳HLB值和生質油HHV的線性關係,可以尋得最適合乳化之HLB值,並可應用於生質油和柴油之間的乳化反應以得到高穩定性之生質乳化燃料。另外,本研究亦藉由傅立葉轉換紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)分析乳化劑,生物油和柴油中的官能基以瞭解生質乳化燃料之分層現象。結果發現,在乳化燃料之分層現象不明顯之條件下,FTIR可做為快速且有效的方法來檢測乳化燃料的穩定性和均勻性。 在第三部分研究中,旨在探討不同生質油含量和生質油與乳化劑重量比(即B / E比)下,生質油與柴油乳化燃料在氧化反應時之交互作用,用以作為裂解質油應用之研究基礎。此部分研究所用的生質油主要來自橡膠木快速裂解產出之生質油,並以商業用Atlox 4914作為作乳化中的乳化劑。實驗主要利用熱重分析儀進行反應與分析。研究結果發現,乳化燃料在氧化反應過程中苦觀察到顯著之協合效應(synergistic effect),其中相互作用可以分成拮抗區(antagonistic zone)(?210 °C)和增效區(synergistic zone)(?210 °C)。反應過程中之最大交互作用發生於約380 °C,並且反應在增效區可增強乳化燃料的氧化效果。本研究亦引入無因次參數,增效因子(synergistic index,SI),將乳化燃料在氧化反應中之交互作用程度進行量化。
獎項日期2019
原文English
監督員Wei-Hsin Chen (Supervisor)

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