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Net-Zero issue in Combustion Technology-楊授印 研發長

Net-Zero issue in Combustion Technology-楊授印 研發長

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March 17, 2022
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  1. IAA NCKU, 2022.03.16 淨零碳排的燃燒技術 Net Zero issue in Combustion Technology

    Shouyin Yang 國立虎尾科技大學動力機械系 Department of Power Mechanical Engineering National Formosa University, Taiwan Email: ianyang@nfu.edu.tw
  2. IAA NCKU, 2022.03.16 2 • Current policies are projected to

    result in about 2.7°C warming above pre-industrial levels. • There remains a substantial gap between promises and actions of the governments. • Global emissions need to be reduced rapidly in the coming years and decades → zero emissions with 1.5°C limit by 2050. Sources: https://climateactiontracker.org/global/temperatures/ https://newclimate.org/2021/11/09/cat-global-update-glasgows-2030-credibility-gap/ Global CO2 emissions by 2050 and Warming Projections by 2100
  3. IAA NCKU, 2022.03.16 3 資料來源:環保署(2021),我國淨零排放目標期程及因應作為第 9 次研商會議簡報。

  4. IAA NCKU, 2022.03.16 4 0 50 100 150 200 250

    300 2020 2040 2045 MtCO2e 電力 其他 工業 建築 運輸 2025 不興建新燃煤電廠 再生能源發電占比 20% 六都公共運輸市占率 22% 電動市區公車 3,811輛 電動車市售比 5% 產業使用綠電占比 15% 擴大汰換設備 (鋼鐵業、紡織業) 公有新建建築物 達到建築能效1級 六都公共運輸市占率 25% 改善市區公車全面電動化 電動小客車及貨車市售比30% 電動機車市售比 24.4% 2035 風電累積裝置容量 達 20GW 智慧電表布建率 達 100% 產業使用綠電占比 30% 示範導入低碳製程 (氫能煉鐵技術、CO2 回收合成碳氫燃料) 30%公有新建建築物達到近零能建築 30%民間新建建築物 20%公有既有建築達到建築能效1級 六都公共運輸市占率 30% 電動小客車及貨車市售比 60% 電動機車市售比 40.4% 產業使用綠電占比50% 全面汰換設備 (鋼鐵業80-90%、紡織業100%) 全面導入低碳製程 100%新建建築物(以再生能源碳中和) 40%公有既有建築物 達到淨零建築 (以再生能源碳中和) 六都公共運輸市占率 40% 六都道路完全劃分為低碳交通區 電動小客車及貨車市售比 100% 電動機車市售比 56.4% 2030 光電累積裝置容量 達 25GW CCUS 積極目標 38-400萬噸 CCUS 積極目標 777萬噸 2050 65%電力來自太陽能與風能 智慧變電所布建率達 100% CCUS 積極目標 1,652萬噸 電力 再生能源持續擴大 ,發展新能源科技 、儲能、升級電網 工業 提升能效,燃料 轉換,循環經濟, 創新製程 建築 提升建築外殼設計 、建築能效及家電 能效標準 運輸 改變運輸方式, 降低運輸需求, 運具電氣化 負碳技術 2030 進入示範階段 2050 進入普及階段 我國 2050 淨零路徑 關鍵部門已提出之減排路徑及階段里程碑 1 資料來源:環保署(2021),我國淨零排放目標期程及因應作為第 9 次研商會議簡報。
  5. IAA NCKU, 2022.03.16 5

  6. IAA NCKU, 2022.03.16 6 一、 固態照明技術研發 既有建築節能改善 二、 冷凍空調技術研發 建築節能法規盤點與精進

    三、 工業節能技術研發-- 動力與公用設備效率提升 四、 住商節能技術研發-- 節電氛圍建構 鼓勵全民參與 五、 智慧電網技術研發 六、 二氧化碳捕獲與封存技術發展 政府單位之節約能源技術研發架構 (2021年 ) 綠能科技產業推動中心寄發組月會 2021/11/10
  7. IAA NCKU, 2022.03.16 7 行政院新節電運動之中央與地方共同參與

  8. IAA NCKU, 2022.03.16 8 能源局網站 國內能源消費 Domestic Energy Consumption (by

    Sector)
  9. IAA NCKU, 2022.03.16 9 國內電力消費 Electricity Consumption (by Sector) 能源局網站

  10. IAA NCKU, 2022.03.16 10 台灣四大高排碳產業 資料來源:經濟部2021年3月。製造部門2050淨零排放路徑方向性評估報告。行政院淨零排放專案工作組4月1日會議簡報。

  11. IAA NCKU, 2022.03.16 11 能源效率技術落實 資料來源:經濟部能源局(2021)去碳能源工作圈能源技術科學論證系列會議第一階段辦理結果會議簡報。

  12. IAA NCKU, 2022.03.16 12 資料來源:環保署(2021),我國淨零排放目標期程及因應作為第 10 次研商會議簡報。

  13. IAA NCKU, 2022.03.16 13 資料來源:環保署(2021),我國淨零排放目標期程及因應作為第 10 次研商會議簡報。

  14. IAA NCKU, 2022.03.16 14 14 資料來源:環保署(2021),我國淨零排放目標期程及因應作為第 10 次研商會議簡報。

  15. IAA NCKU, 2022.03.16 15 如何實現「淨零」? 1. 停止使用化石燃料,地下的煤、石油和天然氣就讓它們留在地 下 2. 抑制甲烷排放甲烷是導致地球升溫的有害氣體之一。石油開採

    過程中燃燒天然氣、填埋場垃圾焚燒和農業生產都會排放大量甲 烷。 3. 脫碳,轉用可再生能源 發電和供熱是所有經濟活動中的主要排放源。到 2050 年,如果 各國要實現淨零排放目標,風能和太陽能將需要主導能源結構。 這也意味著電池和蓄電技術需要不斷更新和突破。
  16. IAA NCKU, 2022.03.16 16 如何實現「淨零」? 4. 放棄汽油和柴油,減少乘飛機旅行 綠色交通、機動車電力化,放棄車輛、船舶、飛機的汽油和 柴油驅動方式,代之以其他燃料和驅動方式。 電動汽車?

    5. 努力植樹造林,停止砍伐森林 森林是吸收二氧化碳的冠軍,因此停止砍伐森林並大規模植 樹造林,對實現淨零目標也很重要。 6. 除去空氣中的溫室氣體 7. 提供財政援助幫助較貧窮國家適應氣候變化
  17. IAA NCKU, 2022.03.16 17 17 淨零碳排技術的技術發展重點 CO2 減量 • 既有機組效率提昇1~2%

    • 混燒生質能減少約5% • 汰換老舊電廠減少10~20% CO2 捕獲 • 燃燒後-CO2 排放濃度低可利用化學吸 收(MEA)、物理吸收等已商業化。 • 燃燒前-即為氣化,CO2 達40~60%, 捕獲成本較低。若結合產氫製程,以 PSA或薄膜分離可產生>90% CO2 。 • 富氧燃燒-可直接產生>90% CO2 ,國 際尚在研發階段,困難度高。 • 粉塵-除塵技術(靜電、袋式集塵效率已 達99.5%),已成熟技術。 • SO2 -排煙脫硫(效率達95%以上,國內 已具有技術能力),已成熟技術。 • NOx -SCR(效率達90%以上,國內已具 有設計與建廠能力),已成熟技術。 • 重金屬(Hg)-尚在研發階段。 淨煤技術 燃燒汙染 防治 高效率 發電技術 工業應用 燃料轉換 CO2 減量與 捕獲 • 鋼鐵業-利用氣化技術生產CO作為還 原劑,合成氣作為替代燃料。 • 石化業-生產化學品。 • 工業區氣化廠-利用氣化技術生產CO 、H2 提供淨潔低成本之合成氣。 -直接作為燃料、替代NG與燃料油 -氣電共生 -轉換甲醇或氫燃料 • 超 臨 界 粉 煤 發 電 (SC)-246~250bar/600°C/ 610°C , 電 廠 效 率 已 達 43~44%(LHV) 與 IGCC相當,技術為美、日、歐等大廠所擁有 ,技術成熟度高。 • 超 超 臨 界 粉 煤 發 電 (USC)-280~300bar , 600°C/620°C約45%(LHV),尚屬驗證階段 ,未來可提高至375bar,700°C/ 720°C,效 率可達50%(LHV)。技術以日歐領先。 • 超 臨 界 流 體 化 床 j 燃 煤 鍋 爐 (CFB)-)- 246~250bar/600°C/ 610°C,電廠效率已達 43~44%(LHV)與IGCC相當,技術為美、歐 等大廠所擁有,技術成熟度高,而且可以混 燒生質物降低CO2 排放量。 • 壓 力 式 流 體 化 床 (PFBC)- 效 率 約 42~43% (LHV)與IGCC相當,技術以日、歐領先,但 未來效率提昇潛力不如IGCC,已不被看好。 • 流體化床混燒鍋爐-可以透過流體化床低污染 排放及混燒特性,不但可以降低空氣污染物 排放量,而且因為混燒生質物,可以降低 CO2 排放量。 氣化技術生產CO、H2 為主合成氣作為原料 • 液態燃料(甲醇或二甲醚(DME))-適合搭配 IGCC或工業區氣化廠。 • 產氫-國內已擁有水氣轉換與氣體分離等能量 。 • F-T燃料-此生產較適合於煤產地,轉換成F-T 燃料。 • 氣化複循環發電(IGCC)-效率42~45%(LHV) ,未來有機會提昇至52%(LHV),技術以美 、歐領先,日本積極發展。 • 氣化與燃料電池整合系統(IGFC)-效率可達 60%,大型化困難度極高。
  18. IAA NCKU, 2022.03.16 18 淨零碳排技術國際發展現況:美國 Carbon Capture, Utilization and Storage

    Research a. Carbon Capture b. Industrial Carbon Capture and Storage c. Carbon Storage/Sequestration Advanced Energy Systems a. Hydrogen Turbines b. Gasification Technologies c. Advanced Combustion d. Solid Oxide Fuel Cells e. Hydrogen from coal f. Coal to liquids Carbon Capture, Utilization and Storage Major Demonstrations a. Clean Coal Power Initiative b. FutureGen 2.0 c. Industrial Carbon Capture, Utilization & Storage 美國能源部以20億美金進行10年淨煤發電提案(Clean Coal Power Initiative, CCPI)
  19. IAA NCKU, 2022.03.16 19 Biomass Pretreatment processes Pyrolysis and Gasification

    process ˙Cedar ˙Coffee residues ˙Rice straw ˙Pinewood ˙Drying ˙Crush ˙Temperature ˙Size ˙Residues time ˙Flow rate ˙Carrier gas ˙Reactor Diesel engine test ˙Power ˙Ignition delay ˙Heat release ˙Injector slag ˙Viscosity ˙Heating values ˙Moisture ˙Droplet size ˙Multi-component ˙combustion characteristics Spray combustion Droplet combustion ˙GC-MS ˙TG-FTIR ˙Decompose ˙Depolymerization ˙Micro-explosion ˙Flame temperature ˙Emission ˙Combustion efficiency ˙Cellulose ˙Hemicellulose ˙Lignite 1/37 Biomass Application In GEL
  20. IAA NCKU, 2022.03.16 20 生質物快速裂解系統 feedstock Screw feeder Pre- heater

    Fluidized bed reactor M Cyclone Oil Oil CO2 Condenser Pump Pump Mixing Chamber Porous Burner Air C3 H8 Char Oily phase Aqueous phase 生質裂解油示範車 Products Reactants Mixture (low heating value) biomass and agricultural/forestry residues Recycled Exhaust gas Yang, S. I., Wu, M. S., Wu, C. Y. Energy, Vol. 66, pp.162-171, 2/37
  21. IAA NCKU, 2022.03.16 21 挾帶床式Biomass氣化技術/系統 21 0 30 60 90

    120 150 180 210 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 CC, CGE (%) After start of gasification (min) O/C~0.45 CWS CWS B10 B10 B15 B15 Ash tank cleaning 1. 多料源式進料系統可 兼用煤漿及生質焦碳 進行氣化程序。 2. 冷氣化效率在穩定運 轉狀態下可達60%。 3. 0.3TPD小尺寸氣化爐 可在六小時內完成備 爐進行氣化。
  22. IAA NCKU, 2022.03.16 22 高粘度流體噴霧器開發 1. 針對高粘性流體進行霧化器開 發。 2. 使用於氣化爐中減少壁面slag

    及提升氣化效率。 3. 以數值計算(CFD)及流場量測 (PIV)進行噴霧器參數設定研究 開發。
  23. IAA NCKU, 2022.03.16 23 CO2 capture Tech. in GEL y

    x 2 1 y x O 2Me O O 2Me → + − 1 y x 2 2 y x 2m n O m)Me (2n O mH nCO O m)Me (2n H C − + + + → + + 1 y x 2 2 2 2m n O m)Me (2n O mH nCO )O 2 m (n H C − + + + → + + Air reactor Fuel reactor Total reaction: Chemical Looping
  24. IAA NCKU, 2022.03.16 24 CO2 Application Tech. in GEL

  25. IAA NCKU, 2022.03.16 25 CO2 Application Tech. in GEL

  26. IAA NCKU, 2022.03.16 Hydrogen/Hydrocarbon Combustion 26 ✓ The small and

    light hydrogen molecule is very mobile (high mass diffusivity) and leads to a very low density at atmospheric conditions.
  27. IAA NCKU, 2022.03.16 27 Laminar Flame Speed ✓ The laminar

    burning velocity, ul, of a fuel–air mixture is an important physicochemical property due to its dependence on pressure, temperature, mixture equivalence ratio and diluent concentration. ✓ It affects the combustion rate in an engine, the equivalence ratio limits for stable combustion
  28. IAA NCKU, 2022.03.16 28 Dual Chamber Combustor

  29. IAA NCKU, 2022.03.16 29 Dual Chamber Combustor H2/air, Φ=3.75

  30. IAA NCKU, 2022.03.16 30 CO+H 2 Combustion ✓ Laminar flame

    speeds were accurately measured for CO/H2/air and CO/H2/O2/helium mixtures at different equivalence ratios and mixing ratios by the constant-pressure spherical flame technique for pressures up to 40 atmospheres. ✓ A kinetic mechanism based on recently published reaction rate constants is present- ed to model these measured laminar flame speeds as well as a limited set of other experimental data. ✓ The detailed CO/H 2 /O2 kinetic mechanism with elementary reaction rate constants is listed in Table.
  31. IAA NCKU, 2022.03.16 31 ✓ CO+H2 Combustion ✓ The thermochemical

    properties for the species in the mechanism were obtained from the NIST- JANAF Thermochemical Tables . ✓ The transport parameters were obtained from the Sandia CHEMKIN transport database. The SENKIN, PREMIX, and SHOCK codes from the CHEMKIN package were used to calculate the species concentration pro- files, flame speeds, and ignition delay times.
  32. IAA NCKU, 2022.03.16 32 CO+H 2 Laminar Flame Speed ✓

    The measured laminar flame speeds for CO/ H 2 /air and CO/H2/O2/helium mixtures as a function of equivalence ratio at different mixing ratios for pressures of 1, 2, 5, 10, 20, and 40 atmospheres are shown in Figs., with comparisons to measured data from literature and also to calculated flame speed data using different mechanisms. The measured flame speeds increase with increasing H 2 content in the CO/H 2 mixtures, while they decrease with increasing pressure for the helium-diluted mixtures.
  33. IAA NCKU, 2022.03.16 33 33 CO+H 2 ignition temperature ✓

    Figure compares the calculated ignition temperatures as a function of pressure with the experimental data at strain rates of 100 s-1 for 5% H2 in CO [5]. A sensitivity analysis indicated that the reactions of H+ O2 =O+OH, O+H2 =H+OH, H+HO2 = OH+OH, H2 +O2 =HO2 +H, and CO+ OH = CO2 + H are the most important for the prediction of ignition temperatures around 900 K at pressures lower than 0.3 atmospheres. Our satisfactory predictions strongly support the accuracy of the rate constants used in the current model.
  34. IAA NCKU, 2022.03.16 Hydrogen Safety 34

  35. IAA NCKU, 2022.03.16 35 35 計畫架構 Biomass gasification with Super-critical

    cycle for energy supply system Big Success
  36. IAA NCKU, 2022.03.16 36 智慧綠能示範場域  建置地點:國立虎尾科技大學有機集團栽培園區(雲林縣虎尾鎮馬光農場)  場域特色: ◼

    綠電智能化生活應用情境:打造「創能」、「節能」、「儲能」與「能源智慧化管理」之智慧化節能與 能源管理技術貨櫃示範場域,以達碳匯新能源微電網新型住宅。 ◼ 建置零耗能示範區整合智慧化節能與能源管理技術貨櫃示範場域,除結合中心、夥伴大學相關技術外, 亦可以導入模組課程,使參與夥伴高中教師與聯盟相關修課學生更進一步理解綠能科技化。 太陽能板儲能 智慧窗戶 遮陽板 汙水、雨水再利用 塑木地板、格柵圍籬 廢棄輪胎 貨櫃屋內部散熱 材 智慧能源 監控顯示 面板 空氣層保持通風散熱 • 採用頂部架空產生空氣層 • 貨櫃採用鑽泥板與樹酯塗層 以達隔熱效能 • 汙水、雨水貯集利用系統建置 • 透過屋頂、屋簷所裝設集水管 承接雨水 • 回收再利用 • 植栽美化 • 白天收集電力 • 隔熱、節能、採光通透 • 玻璃含:隔熱層、霧面層、反射層 • 能源監控、預測與管理 • AIoT、感測器、微電網 • 抗紫外光 • 塑料回收與 生質碳結合 再利用 俯視 圖 前視 圖 不等角視 圖 等角視 圖 農業廢棄 物 電池剩餘量 KWh 用電趨勢 能耗預警 用電預測 智慧監控管理系 統
  37. IAA NCKU, 2022.03.16 37 Thanks for your attention!