民國115年 普通考試 化學工程 工業化學概要
第2題
合成氣（synthesis gas）為CO 及H2 之混合氣體，試分別列出以煤炭製 備合成氣及其伴隨發生副反應之化學反應式。（20 分）
題目
合成氣（synthesis gas）為CO 及H2 之混合氣體，試分別列出以煤炭製 備合成氣及其伴隨發生副反應之化學反應式。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、煤炭氣化之意義：合成氣（synthesis gas）主要為 CO 與 H2，可將煤中之碳經氣化（gasification）轉為可燃氣。氣化不同於完全燃燒，須控制氧量使部分氧化，並常通入蒸汽。常用爐型包括 Lurgi 移動床、Winkler 流體化床，以及 Shell、GE（Texaco）、Koppers-Totzek 等氣流床（entrained flow）。
- 二、主要氣化反應：C + H2O → CO + H2（水蒸氣氣化，吸熱）；C + 1/2 O2 → CO（部分氧化，放熱）；C + O2 → CO2（完全燃燒，放熱）。前兩者生成合成氣，燃燒反應則提供爐內所需熱量。若以二氧化碳為氣化劑，另有一氧化碳生成反應：C + CO2 → 2CO。
- 三、水氣轉移與組成調整：CO + H2O ⇌ CO2 + H2（water-gas shift, WGS）。商業上高溫使用鐵鉻（Fe-Cr）觸媒，約 350–450°C；低溫使用銅鋅鋁（Cu-Zn-Al）觸媒，約 200–250°C。此反應可提高氫氣比例並調整 H2/CO 莫耳比，供費托合成（Fischer-Tropsch synthesis）、甲醇合成或製氫使用。
- 四、伴隨副反應：Boudouard 反應 C + CO2 → 2CO（吸熱，高溫有利）；甲烷化 C + 2H2 → CH4 及 CO + 3H2 → CH4 + H2O（放熱，會降低合成氣產率）；煤中硫生成 H2S、COS，氮則可能生成 NH3、HCN；灰分熔融形成爐渣。這些副反應影響氣體組成、熱效率與後續淨化負荷。
- 五、操作與淨化：氣化溫度約 700–1500°C，視爐型而定；壓力約 1–40 atm，需供給氧氣或空氣及蒸汽。粗氣經除塵、水洗、脫硫（如胺洗）、水氣轉移與脫碳後，可得合格合成氣。答題應區分主反應與副反應，並指出水氣轉移雖為副反應，卻是調整氣體組成之必要步驟。
AI 依官方試題文字產生的參考解答，非考選部公告答案，內容僅供備考參考。