108 關務特考三等 化學工程 化學程序工業（包括質能均衡） 考古題詳解

核心觀念

生物質（biomass）​是由生物體或其代謝、分解產生的有機物質，通常包括植物、木材與農林廢棄物、能源作物、動物排泄物、污水污泥及可生物分解的有機廢棄物。其化學能主要來自生物生長時透過光合作用固定的太陽能。

生質能源（biofuel）​是以生物質為原料，經物理、化學、生物或熱化學轉換後取得的燃料，可呈固體、液體或氣體形式，例如木質燃料、生質柴油、生質酒精及沼氣。

解題方法：依原料特性選擇轉換途徑

作答時先說明生物質的來源與範圍，再依原料成分和轉換方式，分述固體、液體及氣體燃料的產製路徑：

1. 直接燃燒 木材、農業剩餘物等固態生物質可直接燃燒，供熱或產生蒸汽，再帶動汽輪機發電。這是直接利用生物質化學能的方式。

2. 生物化學轉換

• 發酵製酒精：含糖或澱粉的原料，經水解（澱粉原料需先轉成可發酵糖）後，由微生物發酵生成乙醇，再經蒸餾、脫水，可作為燃料酒精或汽油摻配燃料。代表反應為 $\mathrm{C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2}$
• 厭氧消化製沼氣：畜牧糞尿、污泥及有機廢水等，在缺氧條件下由微生物分解，產生以甲烷和二氧化碳為主的沼氣。沼氣可直接燃燒發電或供熱；去除二氧化碳、硫化氫及水分後，可提升為生質甲烷，作為燃氣使用。

3. 油脂的化學轉換 植物油、動物脂肪或廢食用油可與甲醇進行轉酯化，生成脂肪酸甲酯（FAME）及甘油。FAME 即生質柴油，可用於柴油引擎或與石化柴油摻配。其概念反應為 $\mathrm{三酸甘油酯 + 3CH_3OH \rightarrow 3RCOOCH_3 + 甘油}$

4. 熱化學轉換

• 熱裂解：在缺氧或無氧條件下加熱生物質，產生生質油、可燃氣及木炭；生質油通常需再精製或加氫處理，才能改善品質並作為液體燃料。
• 氣化：在氧氣不足的條件下，以空氣、氧氣或水蒸氣使生物質部分氧化，產生含一氧化碳與氫氣的合成氣。經淨化及調質後，可燃燒供熱、發電，或再合成液體燃料及化學品。

解題技巧

用「固體直接燃燒、糖澱粉發酵、濕有機廢棄物厭氧消化、油脂轉酯化、固體熱裂解或氣化」整理，可完整呈現常見轉換途徑。容易混淆之處是：沼氣主要由生物分解產生；合成氣則主要由氣化等熱化學程序產生，兩者組成與製程不同。

（二）合成氣及其能源用途

核心觀念

合成氣（synthesis gas，syngas）​是以氫氣（$\mathrm{H_2}$）和一氧化碳（$\mathrm{CO}$）為主要可燃成分的氣體混合

核心觀念

本題考查燃燒後煙道氣的二氧化碳捕獲，以及胺液吸收—再生流程的原理與主要設備。煙道氣中二氧化碳分壓低，常用單乙醇胺（MEA）等水溶性胺液化學吸收；吸收後以加熱再生胺液，使二氧化碳脫附並得到較濃的二氧化碳產品氣。

流程的核心是「低溫吸收、高溫再生」：吸收塔內胺液與煙道氣逆流接觸，胺液吸收二氧化碳成為富液；富液經熱交換與汽提再生，回收成貧液，再循環至吸收塔。

解題方法與流程圖

作答時依物料流向，交代煙道氣的前處理、吸收、富液再生、二氧化碳產品處理，以及胺液循環。典型流程如下：

煙道氣
 │
 ▼
除塵／脫硫等前處理
 │
 ▼
冷卻、增壓或鼓風
 │
 ▼
吸收塔（氣液逆流接觸） ─────────────► 淨化煙道氣排出
 ▲ （含少量未捕獲 CO₂）
 │
貧胺液 富胺液
 ▲ │
 │ ▼
貧液冷卻器 ◄── 貧液泵 ◄── 貧液槽 貧富液熱交換器
 ▲ │
 │ ▼
 └──────────── 再生塔／汽提塔 ◄───────┘
 ▲
 │
 再沸器供熱
 │
 ▼
 CO₂＋水蒸氣塔頂氣
 │
 ▼
 冷凝器／氣液分離
 │ │
 │ └── 凝結水回流再生塔
 ▼
 CO₂ 產品氣
 （脫水、壓縮後供利用或封存）

1. 煙道氣前處理與冷卻

煙道氣先除去粉塵，並視來源進行脫硫等處理，再冷卻至適合胺液吸收的溫度。前處理可降低酸性雜質、粉塵及其他污染物造成的胺液降解、腐蝕、起泡與設備結垢。煙道氣通常由鼓風機送入吸收塔。

2. 吸收塔捕獲二氧化碳

冷卻後的煙道氣由吸收塔下部進入，胺液由塔頂向下流，兩者逆流接觸。二氧化碳由氣相傳入液相，與胺基反應而被吸收；塔頂排出二氧化碳濃度降低的淨化煙道氣，塔底排出吸收二氧化碳後的富胺液。

以 MEA 為例，常以胺基的質子化反應及氨基甲酸根形成來表示吸收。簡化反應式為：

核心觀念

本題考查含回流流程的穩態物料衡算、單程轉化率、分離回收率及污染控制設施破壞效率。

題目所示「進料空氣與正丁烷之摩爾比為 $60:$」擷取不全；以下依常見題目寫法，假設其完整比值為空氣：正丁烷 $=60:1$。本題要求的正丁烷衡算不受空氣比影響。

另依題意將分離設施效率 $99\%$ 視為未反應正丁烷的回收率：未反應正丁烷的 $99\%$ 回流，剩餘 $1\%$ 送環保控制設施；環保設施再破壞其中 $99\%$。反應器轉化率 $85\%$ 為單程轉化率。

解題方法

以新鮮正丁烷進料 $100\ \mathrm{kgmol/hr}$ 為基準，令回流正丁烷為 $R\ \mathrm{kgmol/hr}$。進入反應器的正丁烷總量為 $100+R$。

由反應式：

可知正丁烷與 MA 的化學計量莫耳比為 $1:1$。反應器單程轉化率為 $85\%$，因此未反應正丁烷為：

（一）正丁烷回流量

分離設施回收未反應正丁烷的 $99\%$，所以：

（二）MA 產量

反應器進料正丁烷總量為：

核心觀念

本題考查生質物的熱化學轉換：在高溫下，以不足以完全燃燒原料的氧化劑進行部分氧化及氣化反應，將固態農林廢棄物轉成可燃氣體。氧化劑可為空氣、氧氣、水蒸氣或其混合物；供氣量受控是氣化與完全燃燒的關鍵差異。

氣化常用的代表反應如下：

部分氧化會放熱，提供水煤氣、布德瓦等吸熱反應所需熱量。因此，氣化器內同時有放熱與吸熱反應，而非單一反應。

解題方法

依序掌握「定義—產物與污染物—製程流程」三部分。先定義氣化的限制供氧與高溫轉換，再按原料中的元素判斷氣體產物與污染物，最後以原料前處理、氣化反應、粗燃氣淨化及能源利用串成流程。

（一）何謂氣化反應？

氣化是指含碳固體燃料在高溫下，與低於完全燃燒所需量的氧化劑反應，經熱裂解、部分氧化及還原等反應，將固體碳質轉換為以一氧化碳、氫氣為主的可燃氣體；產物通常另含二氧化碳、甲烷、水蒸氣及其他成分。

若以空氣氣化，氮氣會隨空氣進入產物氣體並稀釋燃料氣；若以氧氣或水蒸氣氣化，氣體組成與熱值則有所不同。

（二）產物與污染物各有哪些？

主要產物：可燃氣體

• 一氧化碳（CO）及氫氣（H₂）：合成氣的主要可燃成分，可供燃燒發電、供熱，或作為後續製氫及化學合成原料。
• 甲烷（CH₄）及少量低碳烴類：具有燃料價值。
• 二氧化碳（CO₂）、水蒸氣（H₂O）及氮氣（N₂）：通常伴隨產生；空氣氣化時氮氣含量較高。

除氣體外，製程也會產生炭渣／焦炭、灰分，以及可能回收利用的熱能。炭渣若未完全轉化，可循環回氣化器或作為固體殘渣處理。

污染物及需控制的雜質

• 焦油（tar）及冷凝性有機物：容易在降溫時凝結，造成管線、換熱器或引擎積垢。
• 粉塵、飛灰、炭粒及鹼金屬微粒：可能磨損設備、堵塞管線；灰分中的鹼金屬也可能造成高溫結渣或腐蝕。
• 硫化物：原料含硫時，燃氣可能含硫化氫（H₂S）、羰基硫（COS）等，燃燒後可能生成硫氧化物。
• 含氮化合物：原料含氮時，燃氣可能含氨（NH₃）、氰化氫（HCN）等；燃燒時也可能形成氮氧化物。
• 其他痕量污染物：依廢棄物組成而異，例如氯化氫（HCl）及微量金屬化合物。