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生質原料快速熱解成生質油之設備研製及製程最佳化研究

為了解決乾式鏈條油缺點的問題，作者陳延昌 這樣論述：

本研究針對生質原料化為生質油之製程，開發一創新型的快速熱解試驗機，在熱解反應系統中設計一獨特之單擠壓推拔型導螺桿，利用變頻器控制馬達轉速，再搭配鏈條傳動導螺桿，以輸送生質原料並同時進行熱解，熱解反應之生成產物，經固/氣分離器將揮發份氣體與微粒炭灰(ash)分離，然後揮發份氣體再經一冷凝器被快速冷凝成生質油，揮發份中之非凝結性氣體可做為燃料。本研究所開發之雛型機具有裝置簡單、轉化效率高、價廉且設備易放大等優點，另一方面，熱解反應器之特點係採用一單擠壓推拔型導螺桿，克服了傳統生質原料顆粒大時內部無法完全熱解之缺點。又，導螺桿之材質為自行研發配製之耐高溫、抗氧化及具低膨脹係數之球墨鑄鐵，在

長期高溫熱解反應使用過程中，可以顯著減少導螺桿發生翹曲變形及卡鎖阻礙傳動之問題。 本研究選用林業廢棄物，如：茄苳樹(cedar)、樟樹(camphor)及痲瘋樹(jatropha)等，作為生質原料(biomass)進行本裝置之初步測試，探討一些關鍵熱解反應製程參數對於熱解效率(生質油之產值及熱值)之影響。製程參數包含：生質原料粒徑大小(1.0mm)、烘乾時間(2~6hr)、熱解速率(導螺桿轉速20rpm)及冰水冷凝溫度控制在5±2oC等。初步實驗結果顯示，茄苳樹與樟樹之熱解溫度在520 oC及500 oC時，生質油可獲得最高產率，分別為42.9wt%及49.6wt%，而熱值(High H

eating Value, HHV)則分別為18.73MJ/kg及19.14MJ/kg。針對痲瘋樹而言，所得到之最高生質油產率為41.6wt%，熱值(HHV)為31.41MJ/kg，其最佳熱解溫度為560 oC。 本研究亦針對所開發之創新型生質原料熱解系統，進一步探討並建立最佳製程條件，實驗上選用樟樹作為生質原料。首先，(1) 固定導螺桿轉速為20rpm，探討不同生質原料粒徑大小(0.425~3.35mm)及熱解溫度(400~550oC)，對生質油產率之影響，實驗結果得知，在固定(非最佳)導螺桿轉速條件下，獲致最高生質油產率的最佳熱解溫度與生質原料粒徑大小有關，即熱解溫度在470oC時，

生質原料粒徑在0.425~0.6mm及0.6~0.85mm之生質油產率分別為60.4wt% 和58.2wt%。另外，熱解溫度在500oC時，生質原料粒徑在<0.425mm、0.85~1.18mm、1.18~1.70mm、1.70~2.50mm及2.50~3.35mm之生質油產率分別為50.2wt%、57.6wt%、52.5wt%、53.0wt%和50.8wt%。其次，(2) 固定熱解溫度為500oC，探討不同導螺桿轉速(20~60rpm)及不同生質原料粒徑大小(0.425~3.35mm)對生質油產率之影響，實驗結果得知，導螺桿轉速在20rpm時，生質原料粒徑在<0.425mm、0.

425~0.6mm、0.60~0.85mm及0.85~1.18mm之生質油產率分別為50.2wt%、51.8wt%、57.0wt% 和57.6wt%。另外，導螺桿轉速在40rpm時，生質原料粒徑在1.18~1.70mm、1.70~2.50 mm及2.50~3.35mm之生質油產率分別為57.8wt%、56.0wt% 和60.2wt%。綜合上述實驗結果得知，當粒徑大小(1.70~3.35mm)增大時，生質原料的熱解效率隨著導螺桿轉速(40rpm)的提高而升高，由此可知，設備的生產效能(4kg/h)一定會大大的提高。 由於生質油之產率同步受到導螺桿轉速、熱解溫度、生質原料粒徑大小等之影響，為

獲致最高生質油產率之最佳製程條件，本研究進一步以田口實驗設計方法與SPSS複迴歸分析，根據上述之初步研究結果，選定關鍵製程參數之條件範圍，如：熱解溫度(X1：450 oC、470 oC和500 oC)、熱解速率(導螺桿轉速X2：20rpm、40rpm和60rpm)及生質原料粒徑大小(X3：0.425mm、1.70mm和3.35mm)等作更深入之分析探討。實驗結果得知，本創新熱解系統之最佳製程條件為︰熱解溫度為500oC、導螺桿轉速為40rpm、生質原料粒徑為3.35mm，所得到之生質油產率(Y)為60.2 wt%。以SPSS複迴歸分析得到：Ycamphor = 1409.04+0.00672X

12-0.0519X22–6.253X32 + 0.0071X1X2– 0.133X1X3+0.157X2X3–6.221X1+ 87.99X3 。