臺灣博碩士論文加值系統

本論文乃採用氣－固流體化床反應器，水蒸氣為流體化氣體，對廢塑膠顆粒－高密度聚乙烯（HDPE）進行氣化研究，探討不同氣化溫度與水蒸氣流量對產物重量百分比、氣體分佈之影響。反應後氣體產物包括H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6等組成以氣相層析儀分析，並利用反應曲面法分析氣體總產量、H2和CO，求得產率最大化之實驗條件。

反應過程以氣化溫度（505～605℃）及水蒸氣流量（20.3～37.7 g/min）為實驗參數，每次實驗約15 g之HDPE進入反應器內。結果顯示，在氣化溫度影響方面，當溫度由505℃升高到605℃時，蠟與油平均產率從47.0 wt%（wt% of feed）降低為12.9 wt%，氣體平均產率從40.8 wt%增加為72.3 wt%。因此隨氣化溫度升高，蠟與油產率減少，氣體產率增加。而水蒸氣流量影響方面，以氣化溫度605℃為例，當流量由20.3 g/min升高至37.7 g/min時，蠟與油產率從10.6 wt%增加為18.9 wt%，氣體產率由78.7 wt%降低為67.6 wt%。故蠟與油產率隨水蒸氣流量升高而增加，氣體產率隨水蒸氣流量升高而減少。

在實驗操作參數範圍內，由反應曲面法之結果得知，當實驗條件605℃、20.3 g/min時，預計產生較高產率的氣體產物、H2和CO，產率各為77.5 wt%、1.96 wt%、1.66 wt%。

Pyrolysis study of high density polyethylene (HDPE) was performed in a gas-solid fluidized bed reactor with steam as fluidized gas. The effects of the reaction temperature and gas flow rate on the product distribution are experimentally investigated. The composition of the gas products H2, CO, CO2, CH4, C2H4, and C2H6 were determined by gas chromatography. Within the range of experimental conditions, the maximum yields of total amount of gas product, H2, and CO are searched by response surface method.

The operation conditions of the reaction temperature and steam flow rate were confined in the range of 505~605℃ and 20.3~37.7 g/min, respectively. About 15 gram of HDPE was fed into the reactor for each run of the experiment. In the aspect of the reaction temperature, the results showed that the yield of wax and oil decreased from 47.0 wt% (based on HDPE feed) to 12.9 wt%, and the average gas yield increased from 40.8 wt% to 72.3 wt% as the temperature increased from 505 to 605℃. However, the flow rate of steam showed the reverse effect. For the reaction temperature of 605℃, the yield of wax and oil increased from 10.6 wt% to 18.9 wt%, and gas yield decreased from 78.7 wt% to 67.6 wt% as the flow rate increased from 20.3 g/min to 37.7 g/min.

In the range of operation temperature and steam flow rate, the maximum yield of gas product, H2, and CO at reaction temperature 605℃ and flow rate of steam 20.3 g/min being 77.5, 1.96, and 1.66 wt% respectively can be predicted by response surface method.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
長庚大學博碩士論文著作授權書 iii
致謝 iv
中文摘要 v
Abstract vi
目錄 vii
圖目錄 x
表目錄 xii
符號說明 xiii
第一章　緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 3
第二章　文獻回顧與原理 4
2.1 生質物轉換能源技術 4
2.1.1 熱轉換 7
2.1.2 生物／化學轉換 13
2.2 氣－固流體化床技術 14
2.2.1 氣－固流體化床原理 14
2.2.2 固體粒子的流體化 17
2.3 氣－固流體化床反應器類型 20
2.3.1 氣泡式流體化床 20
2.3.2 循環式流體化床 22
2.3.3 渦旋式流體化床 24
2.3.4 噴流床 26
2.4 流體化床技術文獻回顧 28
第三章　實驗材料、設備與方法 36
3.1 研究方法 36
3.2 實驗材料與性質測量儀器 37
3.3 氣化實驗設備 38
3.4 實驗方法 49
3.4.1 熱重分析實驗步驟 49
3.4.2 氣化實驗步驟 49
3.5 最小流體化速度與終端速度計算方法 52
第四章　結果與討論 55
4.1 熱重分析測驗結果 55
4.2 高密度聚乙烯氣化反應實驗結果 56
4.2.1 氣化溫度影響 59
4.2.2 水蒸氣流量影響 75
4.2.3 以反應曲面法探討HDPE氣化反應結果 86
4.3 氣化反應生成物產率和質量平衡計算範例 92
第五章　結論與建議 99
參考文獻 102

圖目錄
圖1-1. 國內廢塑膠容器回收量比例圖 2
圖2-1. 2005年全球初級能源供應比例圖 5
圖2-2. 2005年全球再生能源供應比例圖 5
圖2-3. 生質物轉換能源方法種類 6
圖2-4. 媒合服務中心低溫催化裂解流程圖 8
圖2-5. 氣－固流體化床示意圖 16
圖2-6. 氣泡式流體化床示意圖 21
圖2-7. 循環式流體化床示意圖 23
圖2-8. 渦旋式流體化床示意圖 25
圖2-9. 噴流床示意圖 27
圖3-1. 實驗研究流程圖 36
圖3-2. 氣－固流體化床實驗設備流程圖 39
圖3-3. 氣－固流體化床反應器主體規格 42
圖3-4. 溫度控制與顯示器儀表圖 43
圖3-5. 濕式氣體流量計外觀與原理 46
圖3-6. 氣體儲存槽原理示意圖 47
圖3-7. 氣體儲存槽體積校正檢量線 48
圖4-1. HDPE熱重分析圖譜 55
圖4-2. 水蒸氣流量20.3 g/min時，氣化溫度對產物分佈之影響 65
圖4-3. 水蒸氣流量23.8 g/min時，氣化溫度對產物分佈之影響 66
圖4-4. 水蒸氣流量37.7 g/min時，氣化溫度對產物分佈之影響 67
圖4-5. 水蒸氣流量20.3～37.7 g/min時，氣化溫度對產物分佈之影響 68
圖4-6. 水蒸氣流量20.3 g/min時，氣化溫度與各氣體產率的關係 71
圖4-7. 水蒸氣流量23.8 g/min時，氣化溫度與各氣體產率的關係 72
圖4-8. 水蒸氣流量37.7 g/min時，氣化溫度與各氣體產率的關係 73
圖4-9. 氣化溫度505℃時，水蒸氣流量對產物分佈之影響 77
圖4-10. 氣化溫度553℃時，水蒸氣流量對產物分佈之影響 78
圖4-11. 氣化溫度605℃時，水蒸氣流量對產物分佈之影響 79
圖4-12. 氣化溫度505℃時，水蒸氣流量與各氣體產率的關係 83
圖4-13. 氣化溫度553℃時，水蒸氣流量與各氣體產率的關係 84
圖4-14. 氣化溫度605℃時，水蒸氣流量與各氣體產率的關係 85
圖4-15. 氣化溫度與水蒸氣流量對氣體總產率的反應曲面圖 89
圖4-16. 氣化溫度與水蒸氣流量對H2產率的反應曲面圖 90
圖4-17. 氣化溫度與水蒸氣流量對CO產率的反應曲面圖 91

表目錄
表2-1. 流體化床技術文獻回顧綜合整理表 29
表2-2. 朱穎等大陸學者試驗採用的反應氣氛及其特性參數表 34
表3-1. 各溫度下氣體流速、體積流率及莫耳流率數值表 54
表4-1. HDPE氣化反應各點溫度與平均溫度表 57
表4-2. HDPE氣化反應水蒸氣流量、平均流量及其滯留時間 58
表4-3. HDPE氣化反應產物分佈 61
表4-4. HDPE氣化反應氣體產物體積組成、平均分子量及燃燒熱 62
表4-5. HDPE氣化反應氣體產物重量組成 63
表4-6. HDPE氣化反應氣體產物重量百分比 64
表4-7. HDPE氣化反應實驗數據與文獻比較 74
表4-8. No. 7氣化反應預熱時之各點溫度與冷凝水生成量 93
表4-9. No. 7氣化反應進料時之各點溫度與氣體儲存槽高度 94
表4-10. No. 7 HDPE氣化反應之氣體產物組成與平均分子量 96
表4-11. HDPE氣化反應冷凝水質量平衡表 98

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