在可見之未來，化石燃料發電仍將是能源供應之最主要方式，其二氧化碳捕捉是面對溫室效應必須採行之作法。處理燃燒後二氧化碳的最可行技術為醇胺化學吸收程序，然而該程序耗能較高，除了研究高效節能之吸收溶劑外，也需藉由節能流程設計、最佳操作條件與有效控制系統，以使該技術能夠應用於二氧化碳之捕捉。
本研究針對一個300MW燃煤電廠煙道氣之二氧化碳化學吸收程序，利用程序模擬軟體Aspen Custom Model®(ACM)完成了二氧化碳乙醇胺化學吸收程序之動態速率模式建立。使用30wt% MEA並以90%吸收效率為目標，探討了簡單分流節能流程的設計與穩態最佳化分析，以最低單位二氧化碳捕捉再沸器熱負荷為目標函數，繼而提出利用穩態最佳解為設定點之最佳化控制策略，提出多種控制架構，與傳統控制架構進行控制性能之比較。
穩態最佳化分析，以最低單位捕獲能耗為目標得到簡單分流流程之能耗為3.5 GJ/ton CO2。各種控制架構的控制性能分析結果顯示LG-TStr為最佳之控制架構，相較於CC-TStr傳統控制，LG-TStr 達最終穩態所需時間較傳統控制減少約0.7小時，安定期之二氧化碳排放量可減少61%，安定期能耗可減少62%。

Fossil-fueled power generation will still be the major energy supply method, hence the carbon capture for power plant is essential for the control of global warming. Chemical absorption using amine solvents has been identified as the most feasible technology for post-combustion carbon capture. However, the high energy consumption is still a major problem and requires the development of high-efficient solvents, energy-saving flowsheets, optimal operation conditions and effective process control.
In this study, for a 300 MW coal-fired power plant, a dynamic rate-based model for the overall amine-based absorption processes has been developed on the Aspen Custom Modeler® platform. The model was further utilized for steady state optimization of an energy-saving flowsheet, i.e. the simple-split flow configuration. Several control schemes based on the optimal solutions as the set-points of controllers were proposed and compared to the conventional control scheme for the control performance.
For the energy-saving process, the steady state optimization study gives the minimal unit capture reboiler-duty of 3.5 GJ/ton CO2. The best control scheme is LG-TStr, compared to the conventional control scheme, CC-TStr, the stabilization period CO2 emission and reboiler-duty can be reduced by 61% and 62%, respectively.

目錄
中文摘要	I
英文摘要	II
目錄	IV
圖目錄	VII
表目錄	XI
第一章	緒論	1
第二章 文獻回顧	5
2.1 二氧化碳化學吸收程序與節能設計	5
2.2 二氧化碳化學吸收簡單分流程序	8
2.3 二氧化碳化學吸收穩態與動態模擬	9
第三章 模式建立與驗證	16
3.1 模式建立	16
3.1.1數學模式	16
3.1.2 熱力學與性質模式	21
3.1.3 模式求解與運算時間	21
3.2 模式驗證	23
3.3.1 穩態驗證	24
3.3.2 動態驗證	26
第四章 穩態最佳化分析	32
4.1 最佳化分析流程	34
4.2 流程求解	37
4.3 分段數無關化	39
4.4 最佳化結果與討論	40
4.4.1 吸收塔回流位置	40
4.4.2 吸收塔回流溫度	41
4.4.3 氣提塔分流流率	41
4.4.4吸收塔塔高與氣提塔分流位置	42
4.4.5簡單分流程序最佳化結果	43
第五章 簡單分流程序控制	50
5.1 控制架構	50
5.1.1控制自由度	50
5.1.2 控制架構配對特性	53
5.1.3 傳統控制之控制架構	57
5.1.4 最佳化控制之控制架構	60
5.1.5 控制參數調諧	66
5.2 控制響應	71
5.2.1 干擾控制	72
5.2.1.1 煙道氣流量干擾	72
5.2.1.2 煙道氣濃度干擾	78
5.2.1.3 煙道氣溫度干擾	84
5.2.1.4 干擾控制小結	89
5.2.2 設定點控制	90
5.2.2.1 吸收效率設定點85%	90
5.2.2.2 吸收效率設定點87.5%	95
5.2.2.3 吸收效率設定點92.5%	99
5.2.2.4吸收效率設定點 95%	103
5.2.2.5設定點控制小結	105
5.3 控制性能分析	107
5.3.1 響應時間(Response time)	107
5.3.2 偏差積分(IAE)	109
5.3.4 模式誤差	119
第六章 結論	121
符號說明	123
參考資料	125
附錄 A: ELECNRTL模式參數	131
附錄 B: Sulzer BX填充物之關聯式	136
附錄 C: 控制器參數設定	145
附錄 D: 節能流程控制器參數設定	148
 
圖目錄
圖1.1 二氧化碳吸收/氣提捕獲程序	2
圖1.2 化學與物理吸收劑之吸收能力比較	3
圖2.1 醇胺水溶液捕獲二氧化碳氣提塔替代架構	6
圖2.2 熱泵蒸餾之分流氣提流程	6
圖2.3 Linda-BASF novel amine-based PCC technology features	8
圖2.4 空氣氣提與二氧化碳回收之碳捕集程序	8
圖2.5 簡單分流程序示意圖	9
圖2.6 TNO二氧化碳捕捉試驗工廠與其控制結構	10
圖2.7 Nittaya 等人 (2014)控制結構C	12
圖2.8  UT研究系統: (a)具中間冷卻之吸收塔、(b)具旁流之氣提塔	15
圖3.1 氣液相之熱質傳	18
圖3.2 簡單分流配置模擬示意圖	20
圖3.3 NTNU試驗場流程	23
圖3.4 NTNU試驗場動態驗證-個案1	30
圖3.5 NTNU試驗場動態驗證-個案2	31
圖4.1 簡單分流程序流程圖	32
圖4.2 基本流程最佳設計	35
圖4.3 簡單分流配置吸收塔與氣提塔分段數無關化	39
圖4.4 簡單分流配置吸收塔不同回流位置之影響	40
圖4.5 簡單分流配置吸收塔不同回流溫度之影響	41
圖4.6 簡單分流配置吸收塔不同回流流率之影響	42
圖4.7 簡單分流配置吸收塔不同塔高、分流配置與貧液負載的影響	42
圖4.8 不同煙道氣流量與貧液負載之影響	45
圖4.9 不同煙道氣濃度與貧液負載之影響	46
圖4.10 不同煙道氣溫度與貧液負載之影響	47
圖4.11 不同吸收效率與貧液負載之影響	48
圖4.12 簡單分流程序最佳個案模擬結果(LL=0.22)	49
圖5.1 簡單分流程序控制閥配置	51
圖5.2 簡單分流程序CC-Tstr控制流程圖	59
圖5.3 簡單分流程序LG-CC控制流程圖	61
圖5.4 簡單分流程序LG-LL控制流程圖	62
圖5.5 簡單分流程序LG-Tabs控制流程圖	63
圖5.6 簡單分流程序LG-Tstr控制流程圖	64
圖5.7 簡單分流程序LG-Tstr-Cascade控制流程圖	65
圖5.8 開環控制調諧示意圖(一階程序)	67
圖5.9 開環控制調諧示意圖(高階程序)	68
圖5.10 ATV調諧示意圖	69
圖5.11 簡單分流程序干擾(流量+10%)控制響應-濃度控制	74
圖5.12 簡單分流程序干擾(流量+10%)控制響應-溫度控制	75
圖5.13 簡單分流程序干擾(流量-10%)控制響應-濃度控制	76
圖5.14 簡單分流程序干擾(流量-10%)控制響應-溫度控制	77
圖5.15 簡單分流程序干擾(二氧化碳濃度+10%)控制響應-濃度控制	80
圖5.16 簡單分流程序干擾(二氧化碳濃度+10%)控制響應-溫度控制	81
圖5.17 簡單分流程序干擾(二氧化碳濃度-10%)控制響應-濃度控制	82
圖5.18 簡單分流程序干擾(二氧化碳濃度-10%)控制響應-溫度控制	83
圖5.19 簡單分流程序干擾(溫度+12.5%)控制響應-濃度控制	85
圖5.20 簡單分流程序干擾(溫度+12.5%)控制響應-溫度控制	86
圖5.21 簡單分流程序干擾(溫度-12.5%)控制響應-濃度控制	87
圖5.22 簡單分流程序干擾(溫度-12.5%)控制響應-溫度控制	88
圖5.23 簡單分流程序設定點(吸收效率=85%)控制響應-濃度控制	93
圖5.24 簡單分流程序設定點(吸收效率=85%)控制響應-溫度控制	94
圖5.25 簡單分流程序設定點(吸收效率=87.5%)控制響應-濃度控制	97
圖5.26 簡單分流程序設定點(吸收效率=87.5%)控制響應-溫度控制	98
圖5.27 簡單分流程序設定點(吸收效率=92.5%)控制響應-濃度控制	101
圖5.28 簡單分流程序設定點(吸收效率=92.5%)控制響應-溫度控制	102
圖5.29 簡單分流程序設定點(吸收效率=95%)控制響應-濃度控制	104
圖5.30 簡單分流程序干擾控制吸收效率IAE分析結果(final)	111
圖5.31簡單分流程序干擾控制吸收效率IAE分析結果(ideal)	111
圖5.32 簡單分流程序設定點控制吸收效率IAE分析結果(final)	112
圖5.33 簡單分流程序設定點控制吸收效率IAE分析結果(ideal)	112
圖5.34 簡單分流程序干擾控制二氧化碳排放量IAE分析結果(final)	114
圖5.35 簡單分流程序干擾控制二氧化碳排放量IAE分析結果(ideal)	114
圖5.36 簡單分流程序設定點控制二氧化碳排放量IAE分析結果(final)	115
圖5.37 簡單分流程序設定點控制二氧化碳排放量IAE分析結果(ideal)	115
圖5.38 簡單分流程序干擾控制再沸器熱負荷量IAE分析結果(final)	117
圖5.39 簡單分流程序干擾控制再沸器熱負荷量IAE分析結果(ideal)	117
圖5.40 簡單分流程序設定點控制再沸器熱負荷量IAE分析結果(final)	118
圖5.41 簡單分流程序設定點控制再沸器熱負荷量IAE分析結果(ideal)	118
 
表目錄
表2.1 胺液吸收二氧化碳速率模式分類	11
表3.1 吸收塔速率控制反應之指前因子與活化能	17
表3.2 氣提塔速率控制反應之指前因子與活化能	17
表3.3 Sulzer BX填充物之關聯式	19
表3.4 模式運算時間比較	22
表3.5 NTNU試驗場操作條件	25
表3.6 NTNU試驗場二氧化碳吸收與脫附量(穩態驗證-個案1)	26
表3.7 NTNU試驗場二氧化碳吸收與脫附量(穩態驗證-個案2)	26
表3.8 NTNU試驗場吸收塔入口條件(個案1)	27
表3.9 NTNU試驗場各單元初始條件(個案1)	27
表3.10 NTNU試驗場各設備之滯留時間設定(個案1)	27
表3.11 NTNU試驗場吸收塔入口條件(個案2)	28
表3.12 NTNU試驗場各單元設備初始條件(個案2)	28
表3.13 NTNU試驗場各設備之滯留時間設定(個案2)	28
表4.1 燃煤電廠煙道氣條件	33
表4.2 基本流程最佳解個案條件	34
表4.3 分流流程分流條件參數影響分析個案	34
表4.4 分流流程操作條件參數影響分析個案	36
表4.5 簡單分流程序最佳個案條件	43
表5.1 操作與受控變數	51
表5.2 典型控制環路之延遲效應設定	57
表5.3 簡單分流程序控制各桶槽之持留時間與體積設定	58
表5.4 Ziegler-Nichols控制參數經驗公式(Open-loop)	68
表5.5 IMC控制參數經驗公式(Open-loop)	68
表5.6 液位控制之控制器參數	70
表5.7 流量控制之控制器參數	70
表5.8 基本流程貧液流量控制器參數調諧結果	70
表5.9 基本流程再沸器熱負荷控制器參數調諧結果	70
表5.10 簡單分流流程初始穩態	71
表5.11 簡單分流程序干擾控制性能分析-響應時間(小時)	107
表5.12 簡單分流程序設定點控制性能分析-響應時間(小時)	108
表5.13 簡單分流程序模式誤差對吸收效率偏差之影響	120
表A.1 介電常數係數參數	131
表A.2 分子-分子對參數內定值	132
表A.3 分子-電解質對參數內定值	133
表A.4 電解質-電解質對參數內定值	134
表A.5 分子-分子對參數非內定設定值	135
表A.6 電解質-電解質對參數非內定設定值	135
表B.1 質傳係數與介面面積關聯式(Bravo et al., 1992)	136
表B.2 液體持流量關聯式(Stichlmair et al., 1989)	140
表B.3 熱傳係數關聯式(Chilton and Colburn)	143
表C.1 基本流程CC-Tstr控制器設定與參數調諧結果	145
表C.2 基本流程LG-CC控制器設定與參數調諧結果	145
表C.3 基本流程LG-LL控制器設定與參數調諧結果	146
表C.4 基本流程LG-Tabs控制器設定與參數調諧結果	146
表C.5 基本流程LG-Tstr控制器設定與參數調諧結果	147
表C.6 基本流程LG-Tstr-Cascade控制器設定與參數調諧結果	147
表D.1 節能流程CC-Tstr-TIC控制器設定與參數結果	148
表D.2 節能流程LG-CC-TIC控制器設定與參數結果	148
表D.3 節能流程LG-LL-TIC控制器設定與參數結果	149
表D.4 節能流程LG-TAbs-TIC控制器設定與參數結果	149
表D.5 節能流程LG-Tstr-TIC控制器設定與參數結果	150
表D.6 節能流程LG-Tstr-TIC控制器設定與參數結果	150

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