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█    觸媒轉化甘油為氫氣與合成氣
[ 本篇摘要 ]

摘要

  甘油為生質柴油製程中所衍生的副產物。隨著生質柴油需求的與日俱增,甘油已供過於求。將甘油轉化為氫氣與合成氣可利用過剩的甘油並提供再生性的氫氣與合成氣。蒸氣重組、部分氧化及液相重組為常見的甘油製氫與合成氣技術;但仍有許多瓶頸待突破。近年於觸媒化學與反應器設計的發展提供了許多創新的思維。作者相信甘油將不再是世人邁向永續社會的負擔,反之將是極富價值的綠色氫能與合成氣來源。

前言

  甘油又稱丙三醇,為用途廣泛的化學品。甘油之應用範圍涵蓋食品、化妝品和製藥工業。此外,由於具三個碳的架構和三個羥基,甘油也可作為塑膠與人造樹脂的原料。舉例來說,Solvay化學公司所研發的EPICEROL製程可將甘油轉化為環氧樹脂的中間物-環氧氯丙烷[1]。圖1顯示全球甘油的應用情況。

  甘油可由天然與人工合成方法取得。天然甘油可由於製造生質柴油過程中的轉酯化與肥皂製作的皂化獲得。合成甘油源自於丙烯的氧化與氯化反應。此外,微生物發酵也可獲得甘油。天然甘油,特別是以皂化反應所得的甘油,為傳統甘油市場的主要來源。

  甘油的產量將大幅增加。預估粗甘油(未經純化的甘油)產量將於2020年達到年產量約3百萬噸,而甘油的商業應用每年僅約50萬噸-過剩的甘油造成供過於求的危機[3];陶氏化學公司也已停止了全球唯一生產合成甘油(年產量七萬噸)的產線。甘油產量快速增加的主因為生質柴油的持續需求。燃燒生質柴油驅動載具被視為環保且永續的能源使用概念;政府也提出相關補貼措施並規範生質柴油的使用,促使生質柴油市場持續成長;也因此衍生出過剩的粗甘油。粗甘油中含有許多雜質,例如無機鹽、脂肪酸、水及甲醇等。粗甘油經過甲醇回收和酸鹼中和處理後仍存在大量鹽類與脂肪酸。含雜質的粗甘油不易焚燒(高溫下易聚合),且不完全燃燒下會釋放出有毒的丙烯醛(acrolein)。因知,粗甘油無法直接使用,大多將其囤積儲存。長久下來,囤積的粗甘油不僅阻礙了生質柴油產業的發展,也帶來環境污染的問題。

  甘油的市場價格易受石油、生質柴油及全球甘油供需牽動。圖2為2010至2011年間純化甘油的價格。以亞洲市場為例,第一季從每噸520美元升至640美元,又於八月下跌至每噸503美元。2011年初則又升高至858美元每噸。此外,甘油的市場規模小(約100萬噸/年),造成價格難被精確的預測。與精製甘油相比,粗甘油價格相對穩定,且成本不到純化甘油的三分之一。但精煉處理 (例如蒸餾)十分昂貴,不適用於小規模的生質柴油廠。

甘油可做為氫氣或合成氣的來源。氫氣可用於燃料電池系統,長久以來石化原料為主要的氫氣來源。將廢棄的甘油轉化為氫氣可視為再生氫能。合成氣為石化業中諸多化學品的原料,比如氨氣或Fischer-Tropsch製程所合成的碳氫化合物。合成氣也是製備甲醇的原料。應用生質柴油製程中的副產物所衍生的合成氣製備甲醇可視為碳的循環與再利用。

本文著眼於甘油轉換為氫氣與合成氣的熱化學技術,包括蒸氣重組、部分氧化、自供熱重組及液相重組。由於異相催化扮演重要的角色,本文也會探討觸媒化學、反應器設計與反應機制。














更多內容請參考 化工技術 2012年12月號

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