因應石油、天然氣能源的日漸匱乏，潔淨且具經濟效益的石油替代能源莫不受到工業國家的重視，以煤炭為進料的煤炭氣化複循環發電系統 (IGCC) 具有能源效率及環保性能極佳的技術優勢，在將來具有發電成本上很大的競爭力，若進一步將具有高電能轉換效率的燃料電池融入系統中，發展出煤炭氣化-燃料電池複循環發電系統 (IGFC)，將可創造出更高的發電效率。
本論文，針對四個發電系統進行研究：「IGCC」、「IGCC (Brayton-extended Rankine Cycle)」、「IGCC/H2 Process」與「IGFC」。論文中主要使用兩套程序軟體：Aspen Plus進行四個發電系統之程序設計與模擬；而「IGCC/H2 Process」除了使用Aspen Plus外，更結合了SuperTarget進行狹點分析和熱交換器網路合成，有效完成其發電系統的熱能整合。

Due to the shortage of petroleum and natural gas in the future, the use of clean coal with economic benefits of oil alternative energy has been attracted by the industrialized countries.  As a result, the integrated coal gasification combined cycle (IGCC), that has both the high fuel efficiency and the low CO2 emissions, can be quite competitive in terms of electricity cost.  Further, IGCC will possess even better electric efficiency provided that we combine the solid oxide fuel cell with the IGCC system, i.e., IGFC.
In this thesis, we have investigated four power systems pertaining to coal gasification including “IGCC”, “IGCC (Brayton-extended Rankine Cycle)”, “IGCC/H2 Process” and “IGFC.”  Two kinds of process software were utilized in the study--AspenPlus and SuperTarget. AspenPlus was used to carry out the process synthesis, design, and simulation for the four coal-gasification power systems.  In addition to AspenPlus, SuperTarget was used to carry out the pinch analysis and the synthesis of heat exchanger network for the “IGCC/H2 Process.”

中文摘要……………………………………………………………i
英文摘要……………………………………………………………ii
目錄……………………………………………………………………iii
圖目錄………………………………………………………………vii
表目錄…………………………………………………………………ix
第一章  緒論 …………………………………………………………1
1.1 研究方向……………………………………………………1
1.2 研究方法與目的……………………………………………2
第二章  煤炭氣化與發電技術………………………………………3
2.1  IGCC發電系統……………………………………………3
2.2 煤炭簡介……………………………………………………5
2.2.1 煤炭的分類……………………………………………5
2.2.2 煤炭的化學結構…………………………………………6
2.3 煤炭前處理技術………………………………………………7
2.4 煤炭乾燥處理…………………………………………………7
2.5 煤炭氣化技術…………………………………………………8
2.5.1 煤炭氣化與燃燒之區別…………………………………8
2.5.2 煤炭氣化之基本原理……………………………………9
2.5.3 煤炭氣化的分類…………………………………………10
2.5.4 氣流床氣化技術…………………………………………11
2.6 煤氣淨化技術…………………………………………………14
2.6.1 除塵淨化處理……………………………………………14
2.6.2 脫硫淨化處理……………………………………………15
2.7 燃氣-蒸汽複循環發電系統……………………………………16
2.7.1 布雷頓循環與朗肯循環 (Brayton-Rankine Cycle) ……17
2.7.2 朗肯循環之理想再熱與再生循環………………………20
2.8  IGFC發電系統………………………………………………23
2.9 燃料電池原理…………………………………………………24
2.9.1 固態氧化物燃料電池……………………………………25
2.9.2  SOFC電力計算………………………………………27
第三章  Aspen Plus/SuperTarget 軟體簡介……………………31
3.1 程序模擬………………………………………………………31
3.1.1  Aspen Plus的基本架構………………………………31
3.1.2  AspenPlus的模擬步驟…………………………………32
3.2  Aspen Plus固體處理…………………………………………34
3.2.1 成份種類 (Classes of Components) ……………………34
3.2.2 成份屬性 (Components Attributes) ……………………35
3.2.3 固體性質 (Solid Properties) ……………………………36
3.2.4 物流種類 (Stream Classes) ……………………………37
3.3 狹點技術在能源節約上之應用………………………………38
3.3.1 狹點技術於應用上之步驟……………………………38
3.3.2 狹點分析原理…………………………………………38
第四章  煤炭氣化複循環發電系統之整合設計……………………41
4.1  IGCC程序設計………………………………………………41
4.1.1  IGCC程序簡介………………………………………41
4.1.2 研究步驟…………………………………………………42
4.1.3 煤炭於製程中之條件……………………………………44
4.1.4 煤炭前處理之製程單元目標……………………………45
4.1.5 煤炭乾燥處理之製程單元目標與設計…………………45
4.1.6 煤炭氣化之製程單元設計………………………………47
4.1.7 燃氣-蒸汽複循環發電系統之製程單元設計…………48
4.2  IGCC程序分析與模擬………………………………………49
4.2.1 製程描述…………………………………………………49
4.2.2 製程模擬…………………………………………………54
4.3  IGCC (Brayton-extended Rankine Cycle) 程序設計與……71
4.3.1 製程描述…………………………………………………71
4.3.2 製程模擬………………………………………………75
4.4  IGCC結合氫能程序之應用…………………………………84
4.4.1 氫能程序簡介……………………………………………84
4.4.2 壓變吸附PSA之基本原理………………………………85
4.4.3 製程描述………………………………………………86
4.4.4 製程模擬…………………………………………………88
4.4.5 氫能程序之熱能整合應用………………………………95
第五章  煤炭氣化-燃料電池複循環發電系統……………………104
5.1  IGFC製程簡介………………………………………………104
5.2  IGFC程序設計與模擬………………………………………106
5.2.1 製程描述………………………………………………106
5.2.2 製程模擬………………………………………………111
5.2.3  IGFC之SOFC發電量計算…………………………120
第六章  結果與討論………………………………………………121
6.1 各發電系統之設計成果……………………………………121
6.1.1  IGCC…………………………………………………121
6.1.2  IGCC (Brayton-extended Rankine Cycle) ……………122
6.1.3  IGCC/H2 Process……………………………………122
6.1.4  IGFC…..……………………………………………122
6.2 發電系統之發電效率計算…………………………………123
6.3 各發電系統發電效率之比較………………………………124
第七章  結論與建議………………………………………………125
7.1  結論…………………………………………………………125
7.2  建議…………………………………………………………126
參考文獻…………………………………………………………127

圖目錄
圖2.1  煤炭化學結構………………………………………………6
圖2.2  煤炭的氣化過程………………………………………………9
圖2.3  燃氣-蒸汽複循環發電系統基本示意圖……………………17
圖2.4  熱力學布雷頓循環之T- S圖………………………………18
圖2.5  熱力學朗肯循環之T-S圖……………………………………19
圖2.6  理想再熱朗肯循環…………………………………………20
圖2.7  理想再生朗肯循環…………………………………………21
圖2.8  燃料電池的基本元件及運作方式示意圖…………………24
圖2.9  氫氣為燃料之兩極式SOFC示意圖…………………………26
圖3.1  複合曲線預測能源目標……………………………………40
圖3.2  換熱系統的熱源與熱沼特性………………………………40
圖3.3  狹點分解 (零越過狹點熱流) ……………………………40
圖3.4  狹點分解 (越過狹點XP單位的熱流) ……………………40
圖4.1  煤炭氣化複循環發電系統 (IGCC) 程序設計之方塊流程圖43
圖4.2  IGCC之程序流程圖…………………………………………51
圖4.3  IGCC之程序流程圖 (續1) …………………………………52
圖4.4  IGCC之程序流程圖 (續2) ………………………………53
圖4.5  Aspen Plus之IGCC程序模擬流程圖………………………56
圖4.6  煤炭前處理程序前之煤炭累積粒徑質量分率圖…………67
圖4.7  煤炭前處理程序後之煤炭累積粒徑質量分率圖…………67
圖4.8  合成氣組成與溫度變化圖……………………………68
圖4.9  合成氣組成與壓力變化圖…………………………………69
圖4.10  燃氣-蒸汽複循環發電系統之程序流程圖……………74
圖4.11  Aspen Plus之燃氣-蒸汽複循環發電系統程序模擬流程圖76
圖4.12  熱回收蒸汽鍋爐HRSG之T-Q圖…………………………82
圖4.13  氫能應用於SOFC發電整合設計之方塊流程圖…………85
圖4.14  IGCC/H2 Process之程序流程圖……………………………87
圖4.15  Aspen Plus之IGCC/H2 Process程序模擬流程圖…………89
圖4.16  PSA出口之氫氣之熱交換器E-401之T-Q圖………………96
圖4.17  淨合成氣入口之熱交換器E-402之T-Q圖………………97
圖4.18  熱交換器E-403之T-Q圖…………………………………97
圖4.19  PSA入口之熱交換器E-404之T-Q圖………………………98
圖4.20  迴流之熱交換器E-405之T-Q圖…………………………98
圖4.21 △Tmin=10℃時，氫能/燃料電池程序之冷熱物流複合曲線99
圖4.22 △Tmin=10℃ 氫能/燃料電池程序之網路合成網格圖……101
圖4.23  氫能程序之最後組態節能設計圖………………………103
圖5.1  煤炭氣化-燃料電池複循環發電系統 (IGFC) 程序設計之方 塊流程圖…………………………………………………105
圖5.2  IGFC之程序流程圖…………………………………………109
圖5.3  IGFC之程序流程圖 (續) …………………………………110
圖5.4  Aspen Plus之IGFC程序模擬流程圖………………………112
圖5.5  熱回收蒸汽鍋爐HRSG之T-Q圖…………………………118

表目錄
表2.1  三種典型氣化法之比較……………………………………11
表3.1  Aspen Plus流體型態說明……………………………………32
表3.2  成份屬性型態分析表………………………………………35
表3.3  煤炭性質模式表……………………………………………36
表3.4  次物流組合之物流形式……………………………………37
表4.1  煤炭組份分析表……………………………………………44
表4.2  煤炭元素分析表……………………………………………44
表4.3  煤炭硫成份分析表…………………………………………44
表4.4  進料煤炭的粒徑分佈表……………………………………45
表4.5  熱解反應之產物及假設產率………………………………47
表4.6  氣化反應之產物…………………………………………48
表4.7  IGCC程序參數設定表 (Design Specs) ……………………54
表4.8  IGCC程序之物流資料表…………………….………………57
表4.9  煤炭前處理程序之煤炭粒徑分佈表………………………65
表4.10  IGCC程序之系統成效表…………………………………70
表4.11 燃氣-蒸汽複循環發電系統程序之物流資料表……………77
表4.12  IGCC (Brayton-extended Rankine Cycle) 程序之發電系統成效表..……………………………………………………83
表4.13  IGCC/H2 Process程序之物流資料表………………………90
表4.14  IGCC/H2 Process程序之發電系統成效表…………………94
表4.15  冷、熱物流資料表…………………………………………95
表4.16  △Tmin=10℃之氫能程序熱交換器網路配對資料表……100
表5.1  IGFC程序之物流資料表……………………………………113
表5.2  IGFC程序之發電系統成效表……………………………119
表6.1  各發電系統之淨發電量及發電效率………………………124

[1] 陳中舜，邱耀平，蔡原祥，黃志中，陳偉忠，陳柏壯，整合型氣化複循環 (IGCC) 電廠的發展現況，能源季刊，第37卷，第1期，第83-92頁 (2007)。 

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