生質能為重要再生能源，透過快速裂解技術可將廢棄生物質轉換成生質裂解油，可有效提高生質物能源密度約4倍並降低污染物排放。中油綠能所除發展生質熱裂解技術外並開發相關衍生應用，生質裂解油做為燃料附加價值不高，但透過本研究之成果轉換為多重孔洞碳材(Hierarchical carbon)可大幅提高其應用價值。生質裂解油透過模版法可製作可調控之高比表面積之多重孔洞碳材(800~1300m2/g)、中孔比例可達50%以上，目前碳材批次產量已可達1kg，未來將逐步放大至10kg。本研究已將多重孔洞碳材應用於超級電容(Supercapacitor，SC)，以1M TEATFB/PC為電解質在10mV/s之掃描速率進行CV測試，比電容量可達150F/g並具高電容保留率(>60%)。除開發碳材製程之外，本研究亦同步開發水性漿料碳材塗佈技術(塗重2mg/cm2)，已可製作1200F之40138超級電容，進行40A大電流充放電10000圈，經測試後電容保留率約80%。

環境議題一直以來都是世界各國關注的焦點，隨著人口的不斷地增長，人們對於能源的需求量也是急遽增加，為了改善日益嚴重的環境汙染，我國正致力於推動再生能源的發展，而沼氣作為台灣四大再生能源之一，可謂是具有相當大的發展潛力，除了開發新的清潔能源外，同時節能也是非常重要的考量因素，因此本研究將沼氣作為主要燃料並結合新式汽電共生系統以達到對能源開源節流的效果。

一般的汽電共生系統之架構主要可分為燃氣渦輪(Gas Turbine, GT)、有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle, ORC)以及吸收式製冷系統(Absorption Refrigeration Cycle, ARC)，本研究在基於此系統架構上，提出一種新型的多重熱回收汽電共生系統(Combined Cooling, Heating and Power, CCHP)，透過加裝兩個復熱器(REC1以及REC2)，將ORC與ARC之間無用的顯熱再次進行回收，更進一步地提升能源的轉換效率。

CCHP系統使用了MATLAB完成數學模型的建立，其中ORC與ARC內部工作流體性質是透過NIST Refprop 9.0資料庫獲取，而燃氣渦輪系統工作流體為空氣，是由多種成分組成之混合物，並且循環過程中牽涉燃燒化學反應，求解過程過於複雜，故無法使用NIST Refprop 9.0，因此本研究參考Bejan等人所提出之狀態方程式，以求得燃氣渦輪機之流體性質。

為了探討CCHP系統與其他系統差異性，因此本研究與一般汽電共生系統進行比較，並透過改變ORC與ARC之關鍵設計參數(如熱源入口溫度以及ORC蒸發溫度)，探討對於系統第一效率改善率的影響。最後結果顯示，加裝REC2可顯著地提升系統性能，而加裝REC1則對系統影響不大。此外，當熱源入口溫度為200℃，ORC蒸發溫度為165℃時具有最高的第一效率改善率1.37%。

國內每年約41萬公噸都市高含水率生質廢棄物，因不易燃燒、堆肥臭味等導致去化難。根據調查國內地方清潔隊每年回收堆肥廚餘約20萬公噸。堆肥廚餘以厭氧醱酵產製堆肥去化。堆肥醱酵時間長，需要大量場地處理，因此除少數清潔隊自行製作堆肥，大多數堆肥廚餘利用勞務標案委託私人處理廠處理，堆肥廚餘目前委外處理成本約1,500~2,000元/公噸。堆肥廚餘因處理成本高、經濟價值低，作為生質料源時，將具有低成本、料源集中優點。若每年含水率約80%之20萬公噸堆肥廚餘，利用水熱液化技術轉製成水熱液化油，估計水熱液化油轉化率30%時，約有1.2萬公噸/年水熱液化油當量。以目前每公秉重油12,000元，則可額外獲得1.4億元產值，並可減少堆肥廚餘委外處理費用4億元/年。下水道有機污泥部分，全國於105年度共產出含水率70~80%，約21萬公噸下水道有機污泥。污水處理廠須花每噸6,000~8,000元污泥處理費送至焚化廠或掩埋廠去化。然而掩埋廠趨近飽和，若是將有機污泥利用水熱液化技術轉化成燃料，可產生6,300公噸/年水熱液化油(密度為1)，若以目前重油價格12,000元/公秉，估計可額外獲得每年約7仟5百萬元水熱液化油產值。經過水熱液化處理後可省去每公噸4,000元處理費，因此每年21萬公噸污泥共可省去8.4億元處理費。本研究之目的在於利用水熱液化技術，將都市生質廢棄物有效去化並轉製生質燃油之潛力。台灣每年產出廚餘廢、下水道有機污泥廢棄物量約41萬公噸（含水率約80%），廢棄物容易發酵、變質、腐爛，如果處置不當，不僅影響人體健康，還會污染水體和大氣環境。製作堆肥因耗時且價值低所以不容易去化。廚餘及下水道有機污泥富含碳、氫、氧等元素，可視為一種能源生質原料。目前料源集中收運，因此料源穩定。若能此類廢棄物充分利用轉化成生質燃料，除能將廚餘有效去化，並可提升國內生質燃料的產量。本中心研發以都市生質廢棄物為料源，開發高壓水熱液化技術包括設備與製程設計，目標為生質油轉化率≧30%、熱值≧30MJ/kg (7,200Kcal/Kg)。

生質能是一種相當受重視的新興能源，根據國際能源總署就能源使用現況而言，目前生質能是全球第四大能源(總值約14%)，僅次於石油、煤及天然氣，也提供了開發中國家約35%的能源，為最廣泛使用的一種再生能源，約佔世界再生能源應用的80%。生質能的主要來源有：生長快速的樹林(柳木、白楊木、尤加利樹)，木材廢棄物(鋸木機、建築/工業的廢棄物)，糖的產物(甜菜、甜蜀黍、耶路撒冷的綠果)，澱粉的產物(玉蜀黍、小麥)，草本木質纖維產品，油的產品(油菜仔、向日葵)，農業廢棄物(稻草、泥漿)，鄉鎮市的固態廢棄物及垃圾、工業廢棄物(木材工業所帶來的廢棄物)。台灣地區在生質能的主要來源為垃圾焚化發電，然而焚化處理廢棄物並不是完全沒有限制；焚化操作不適當的話將可能會造成二次污染的問題，其中又以煙道燃氣所排放之污染物最直接且影響廣泛，這些二次污染物包括粒狀污染物、有機污染物、揮發性重金屬及酸性氣體等。而焚化處理廢棄物的生質能轉換過程包括燃燒、氣化反應、熱解/碳化等方式。這些過程均會產生含有煙塵飛灰等粉塵微粒物質之高溫高壓氣體，含有焦油、飛灰、雜質等；尤其焦油為一黏稠物，若無法清除，則焦油、灰份及雜質等會附著在管線、熱交換器及渦輪機等設備上，影響系統之運轉效率。此外，氣體中粉塵微粒如果撞擊渦輪發電機進氣端之葉片，將會嚴重損壞機器設備壽命。故高溫氣體需透過淨化機構以保護下游設備，如管線、熱交換器、渦輪發電機等，防止其遭侵蝕、腐蝕、或結垢等侵害，並增加下游設備之選用自由度，以達到便宜、操作簡單、高效率及高穩定性的目標。
目前常被應用在淨化高溫氣體中的懸浮粒狀物質之高溫廢氣淨化裝置主要可分為：(1)重力沉降箱、(2)旋風分離器、(3)濕式洗滌器、(4)濾袋集塵器、(5)靜電集塵器、(6) 陶瓷過濾器、以及(7) 流動式顆粒床過濾器。重力沉降箱，其原理為利用粉塵與氣體的比重不同，使得粉塵靠自身的重量從流動的氣體環境中沉降下來。在一般工廠的廢氣排放道中，其氣流速度約為每秒10~15 m。倘能使此氣流至煙囪排放前突然減慢速度，則混合之粉塵微粒可藉本身的重力作用而沉降。因此，重力沉降箱的作用原理係以體積龐大之密閉箱子連接於煙道及煙囪之間，讓廢氣在箱子內之速度大減，則粉塵微粒降落，使的廢氣得以淨化。其缺點是淨化效果差，設備所需空間大，只能有效去除30~40 µm以上之較大粒徑粉塵，常應用於粗淨化或淨氣前處理設備；旋風分離器之作用原理為利用慣性力和離心力之組合，當含粉塵之廢氣氣流以切線方向進入分離器的導入外管後，原為直線運動之含塵廢氣將轉變為迴旋運動，並以螺旋狀向下旋轉到底部。混存在廢氣中之粉塵微粒受離心力作用，便黏附於分離器的內壁，脫離廢氣而析出，最後落入灰斗。另一方面，淨化後的廢氣，便從分離器的內管排出。此類型的系統構造簡單、操作簡便及維護容易，然其缺點為只能捕集10 µm以上之大粒徑粉塵微粒。另外，其集塵效果也不足以提供渦輪發電機所需規格之潔淨氣流，一般作為淨氣前之處理設備；濕式洗滌器為利用水滴與廢氣在相對運動中，經過慣性衝擊、直接阻截及擴散等機制，將粒狀物帶到水滴上，藉由水滴將粒狀物去除，並使廢氣得以淨化而排放。此項設備為捕集2 µm以上之粉塵微粒其效率可達85%；另外，不易故障及運轉成本低廉也為此設備之優點。在缺點方面，濕式洗滌器需不斷的噴水，使用與維護較為不便，且水源不足之場地不能採用；而且廢水與污泥必須妥善處理，以免造成二次污染；濾袋集塵器為目前工業上最常採用的空氣污染防治設備之一，其原理乃利用慣性衝擊、直接攔截及擴散沉降等機制將粒狀污染物捕集於濾布上，且隨著濾餅的形成，可成為捕集細小粒子的主要機制，而被捕集的粉塵微粒可以利用逆氣流脈衝或震盪方式將粉塵微粒洗下。雖然濾袋集塵器對粉塵微粒有相當高的過濾效率(可捕集0.2 µm以上之粉塵微粒，其效率可達99.9%)，但其缺點為需廣大的場地來建造濾袋集塵器，濾袋破損率高且需停止系統的操作以更換濾袋。另外，由於濾袋為纖維或不織布類製品，其所能承受的最大溫度都在200℃以下。再加上其抗酸鹼及耐濕性差，造成濾袋壽命有限，需有備品隨時更換；而對於高溫燃氣淨化系統則需安裝冷卻系統設備；靜電集塵器為高效率之集塵設備(可捕集0.2 µm以上之粉塵微粒，其過濾效濾可達99.5%)，其基本構造為具高電壓之陰電極(放電極)與陽電極(集塵極)，兩極距離約為12~15 cm，電位差約為50,000~70,000 V。系統主要利用放電之電極線產生電暈放電，使空氣分子游離而形成帶電之空氣離子，而空氣離子再與粉塵微粒接觸及產生電荷，並在電場力的作用下，使粉塵微粒朝向其電性相反之收集板方向做運動，進而沉積在集塵板上。其缺點是需佔用較大的場地，且設置費用最高及系統操作複雜；在高溫氣體淨化技術方面，陶瓷過濾器為目前被廣泛採用的系統之一。當粉塵微粒通過陶瓷濾棒，粉塵微粒所產生的慣性衝擊與濾棒上的微孔孔道壁接觸時被攔阻與捕集，而使乾淨氣體經過中空濾棒之內通道流出。此設備的過濾效率可達99.9%以上，但系統的高成本、高壓降(低氣體出口流量)及機械性質的耐久性差為急需解決的課題。另外，常有陶瓷碎裂及表面堵塞狀況產生，因此經常造成系統停機維修。若燃氣或過濾氣體中含有焦油，會阻塞濾棒導致無法逆洗，而需定期更新，造成系統使用成本增加；流動式顆粒床過濾器之除塵率亦頗佳，可達99.5%以上；系統所採用的過濾介質價格低廉、耐高溫、耐酸鹼、不易毀壞、容易更換、除塵力佳，而且壽命長。在除塵技術上，其具有較低壓力損失、高氣體流量等特性；其次，其成本較低，且過濾器本體之耐久性佳，未來亦可望發展為複合淨化技術。而影響系統過濾效率的因素包括：進氣口葉片之尺寸及形狀、葉片傾斜之角度、濾材之間及濾材與顆粒床體邊壁所產生之摩擦係數的影響等
依據上述，重力沉降箱、旋風分離器、濕式洗滌器及濾袋集塵器等氣體淨化系統除了因無法在高溫過濾所造成的熱能源利用效率降低外，更有二次污染或無法滿足下游設備規格需求等缺點。靜電集塵器設備費用高，複雜的設備操作需專業的人員來控制；因此，目前以陶瓷及流動式顆粒床過濾器最常被廣泛採用於高溫氣體淨化相關技術及設備。其優點在於可增加顯熱利用率，提高能源效率，並可簡化程序設備，如熱交換器等；且當熱回收時，因有較高之溫度差，回收效率高，設備成本也低。此外，利用乾式過濾方式，亦可減少廢水的產生並降低處理成本。如何選擇一套具有適用性及實務性之淨化設備，為中高溫氣體淨化技術上一重要課題。相關業者對於所需的氣體淨化技術及設備，往往只靠過去經驗及理論來互相搭配，去選擇所需要之淨化系統。而本篇文章所提出的中高溫氣體淨化技術的探討之主要訴求是希望根據本篇文章的分析，提供給相關業者一個思考方向，不是只針對能儘快處理污染物，而沒有正視後續可能所衍生出的問題。藉由本篇文章的探討，讓相關業界對於高溫氣體淨化技術及設備能有較佳的選擇方向，以投資最經濟之設備與操作成本，選擇最佳之系統，以達到最好的淨化處理效率及經驗傳承之參考依據。

關鍵詞：中高溫氣體；燃氣渦輪機；粒狀物質；中高溫廢氣淨化裝置

The advantages of gasification include: (1) recovery and utilization of energy from biomass are effective; (2) The structure of the gasifier is simple and operation is easy; (3) the highly flexible and wide range of biomass feedstock is always suitable for gasification; (4) because the required air is less than that of direct combustion, investment of dust removal devices is low; (5) emissions of nitrogen oxides and carbon dioxide are very low; (6) utilization of gaseous fuel converted from solid feedstock can avoid a large amount of PM2.5 produced by direct combustion of solid fuel; and (7) partial oxidation reaction leads lower residual oxygen content to avoid the production of chlorophenol, the dioxin precursor.

Based on the gasification advantages, an innovative technology was developed to convert biomass into the combustible syngas through a small scale downdraft gasifier without tar and wastewater problems. The syngas then directly enters the generator set for electricity generation. Afterward, the portable batteries charged at the charging zone from the above system were sent to the microgrid systems for supplying electricity to residential communities. All installations form a multi-regional decentralized power system. A 100 kWe gasification power generation system can convert 500 kg/hr of biomass into 100 kWh of electricity. Totally one hundred 1.2 kW portable lithium batteries charged continually from the above system are installed into 20 sets of 5 kW microgrid systems. For the rural areas in Southeast Asia, a 5 kW microgrid system can provide sufficient electrical energy to support about 20 households of four-member family and two street lamps. A net-zero carbon emission community can be constructed via the biomass gasification-based microgrid power system.

Therefore, the technology we developed comprises an innovative biomass gasification power generation set integrated portable microgrids system which is a 100% renewable energy (bioenergy) decentralized power system to achieve net-zero carbon emissions. The installation cost is also lower. The more popular promotion and market penetration of the technology are expected.