陳維新 特聘教授

國立成功大學航空太空工程研究所

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隨著逐年增加之農業廢棄物與日趨嚴重的能源危機，已對地球的生態環境問題造成影響。菱角殼即是農作物菱角的廢棄物，菱角的產地主要分佈在歐洲、北美、中國、印度、日本與台灣等 [1]，屬於易繁殖的水生植物，目前已成為印度及許多亞洲國家的日常食品 [2]。

圖1 菱角殼生物炭物理水蒸氣活化程序。

 

根據聯合國糧食及農業組織統計，中國是世界上最大的菱角產地，每年產量超過一億噸，卻也因此帶來大量的菱角殼廢棄物 [3]。國內官田地區則是全台菱角產量最高的地區，估計每年生產約6800噸，其菱角殼廢棄物之產量每年更是達到1300噸 [4]。因此，如何將固態廢棄物轉化成可再利用之固態燃料，同時將轉化過程所產生之廢熱有效地回收並發展具商業價值之替代能源，儼然已成為產業界刻不容緩的目標 [5]。廢熱根據溫度範圍可分為低溫 （250 °C以下）、中溫 （250 °C-650 °C）及高溫 （650 °C以上），其中，低溫廢熱屬全球佔比率相對較高之能源，並且不易回收再利用 [6]。熱電發電機（Thermoelectric generator; TEG）是一種具潛力的熱電轉換設備，主要功能是將熱能轉換為電能 [7-9]。根據塞貝克理論（Seeback theory），熱電發電機所輸出的功率大小與熱電發電機熱側和冷側間的溫差有關，溫差與輸出功率成正比 [10]。廢熱回收發電的技術已被廣泛應用至工業爐（例如，鍋爐、熔爐、焚化爐或水泥窯）和汽油發電機等 [11]。此外，固態廢棄物可藉由熱解碳化技術將生質物轉化成生物炭，使其提升成具高熱值之固態燃料 [12]。碳化製程大致上可分為兩類，分別為非氧化反應（惰性氣體環境條件下）和氧化反應（氧氣或空氣環境條件下） [13]，非氧化反應所產製之生物炭具疏水性，而氧化反應所產製之生物炭則具親水性 [14]。經碳化後之生物炭，經過適當活化程序，可有效改善生物炭結構之物理或化學性質，例如材料表面之親/疏水性、孔洞結構之比表面積以及熱值等 [15]。生物炭目前已被廣泛使用在農業領域，添加於土壤中，可改變土壤之pH值、提升保水能力；在日常生活應用，因生物炭特殊的孔洞結構特性，故可作為過濾、脫色、除臭等材料使用；在工業應用上，因熱值的提升，可作為替代燃料以取代石化燃料的使用 [4]。

圖2 複合再生能源系統示意圖。

 

複合再生能源系統（Double-energy system）是一種結合固態燃料產製與廢熱回收發電的複合式系統，操作簡單且運作成本低廉，固態廢棄物可直接投入系統爐體，經加熱至適當溫度與時間後，即藉灑水方式進行生物炭蒸氣活化程序，如圖1所示，利用蒸汽將生物炭表面的微孔打開並鏈結OH官能基至結構表面，即完成活化生物炭製備。圖2為系統示意圖，此示範性系統共安裝13個熱電模塊（Thermoelectric modules; TEM），平均分配並裝設至3塊導熱鋁板上，熱電模塊數量依序為3片、4片和6片以使其熱電模塊於鋁板之覆蓋率達24 ％、32 ％和48 ％。

圖3 導熱鰭片裝置圖。

 

為加強導出爐體內所產之廢熱至熱電模組，於每片鋁板下方均裝設24片鰭片(尺寸為長20 × 寬0.2 × 高2.5 cm)，如圖3所示。本示範系統使用農業廢棄物菱角殼作為試驗標的，結果顯示當熱電模塊冷測與熱測溫差達200-240 °C左右時，平均每片熱電模塊之輸出功率高達14.1瓦左右，而於700-800 °C碳化溫度所產製之菱角殼生物炭，其固態產率與熱值 (higher heating value; HHV) 分別為23 % 與28.17 MJ/kg。為量化其示範性系統之商業化價值，根據能量守恆定律，可計算出此系統當投入每公斤的農業廢棄物，約可產出熱值為28.17 MJ/kg的固態燃料，佔原料能量的40.3%，而系統廢熱能量約可回收2.8%，相關數據如圖4所示。

圖4 複合再生能源系統之能量守恆示意圖。

結合產製固態燃料與廢熱回收發電的複合式系統，回顧過去的文獻報導，很少有類似的研究。Shaughnessy團隊於2013年曾提出使用木材作為熱源燃料，於攜帶型爐體將所產生之熱量利用TEG來加以回收並發電 [16]。本研究團隊受到上述研究的啟發，故結合產製生物炭與TEG熱電轉換裝置，開發複合再生能源系統。所產製之生物炭是在空氣環境條件下之爐體，經氧化碳化反應產生，所配置之中低溫型TEG則使用於收集系統廢熱以發電。經一系列試驗所獲得之結果，均指向複合再生能源系統將有利於環境和替代能源的可持續性。

 

參考文獻

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2. Wang, C.-C.R., et al., Physicochemical properties of water caltrop (Trapa taiwanensis Nakai) starch during growth period. Carbohydrate Polymers, 2008. 71(2): p. 310-315.

3. Guo, J.Y., et al., Morphological and physicochemical characterization of starches isolated from chestnuts cultivated in different regions of China. International Journal of Biological Macromolecules, 2019. 130: p. 357-368.

4. Chen, W.-H., et al., Novel Renewable Double-Energy System for Activated Biochar Production and Thermoelectric Generation from Waste Heat. Energy & Fuels, 2020. 34(3): p. 3383-3393.

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6. Chen, W.-H., et al., Thermal pretreatment of wood (Lauan) block by torrefaction and its influence on the properties of the biomass. Energy, 2011. 36(5): p. 3012-3021.

7. Raşit Ahıska*, H.M., A review: Thermoelectric generators in renewable energy. International Journal of Renewable Energy Research, 2014. 4: p. 128-136.

8. Chen, W.-H., et al., Modeling and simulation for the design of thermal-concentrated solar thermoelectric generator. Energy, 2014. 64: p. 287-297.

9. C.A. Gould, N.Y.A.S., S. Grainger, I. Taylor, A Comprehensive Review of Thermoelectric Technology, Micro-electrical and Power Generation Properties. PROC. 26th INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICROELECTRONICS (MIEL 2008), NIŠ, SERBIA , 11-14 MAY, 2008, 2008.

10. Wang, C.-C., C.-I. Hung, and W.-H. Chen, Design of heat sink for improving the performance of thermoelectric generator using two-stage optimization. Energy, 2012. 39(1): p. 236-245.

11. 洪源鴻, 低溫廢熱發電機在低溫熱能發電之應用. 台灣ESCO會訊, 2018. 34.

12. Isemin, R., et al., Comparative Studies Between Hydrothermal Carbonation and Torrefaction for Biofuel Production from Poultry Litter, in Proceedings of the 2019 9th International Conference on Bioscience, Biochemistry and Bioinformatics - ICBBB '19. 2019. p. 97-101.

13. Son, S. and F.D. Toste, Non-oxidative vanadium-catalyzed C-O bond cleavage: application to degradation of lignin model compounds. Angew Chem Int Ed Engl, 2010. 49(22): p. 3791-4.

14. Nishimiya, K., et al., Analysis of chemical structure of wood charcoal by X-ray photoelectron spectroscopy. Journal of Wood Science, 1998. 44(1): p. 56-61.

15. Hyung Won Lee*, Y.-M.K., Seungdo Kim, Changkook Ryu, Sung Hoon Park, and Young-Kwon Park, Review of the use of activated biochar for energy and environmental applications. Carbon Letters 2018. 26: p. 1-10.

16. O’Shaughnessy, S.M., et al., Small scale electricity generation from a portable biomass cookstove: Prototype design and preliminary results. Applied Energy, 2013. 102: p.