TW201711743A - 捕捉二氧化碳之方法 - Google Patents

Abstract

一種捕捉二氧化碳之方法，其包含步驟：提供一吸收裝置及一再生裝置，其中該吸收裝置中的一吸收液吸收一廢氣中的二氧化碳以形成一第一液體；根據該吸收液的一液面使該第一液體選擇性輸出至該再生裝置中；透過該再生裝置加熱該第一液體以脫除該第一液體中的二氧化碳以形成一第二液體；及輸出該第二液體至該吸收裝置中。當該液面下降達一預設低液位時，停止輸出該第一液體，且迴流至該吸收裝置中；當該液面上升達一預設高液位時，開始輸出該第一液體至該再生裝置中，且加壓該第二液體。

Description

捕捉二氧化碳之方法

本發明係關於一種捕捉氣體之方法，特別是關於一種捕捉二氧化碳之方法。

利用醇胺為吸收劑並以化學吸收法捕捉二氧化碳為現行最常用的捕碳方式，然而因為吸收劑的再生能耗偏高，造成目前實際大規模應用有困難。利用化學吸收法進行捕捉二氧化碳的操作時，通常會有吸收塔及再生塔的裝置，並且吸收劑循環流動於此二者中。例如，吸收劑在吸收塔中吸收廢氣中的二氧化碳後形成富含二氧化碳的吸收液(後稱富液)，之後流動到再生塔進行再生處理以形成缺乏二氧化碳的吸收液(後稱貧液)，進而不斷的再次利用吸收液。

例如，中華民國發明專利I421123揭示的一種適用於捕捉燃燒爐產生之煙囪廢氣中二氧化碳之方法，其吸收液的再生處理是透過加熱方式來將二氧化碳脫除，且吸收液以固定的速率循環於吸收塔及再生塔中(例如中華民國發明專利I421123)。再生能耗主要來自三種能量的消耗，分別為吸收液的顯熱(與分別位在再生塔與吸收塔的吸收液的溫度差相關)、潛熱和反應熱(加熱反應脫附二氧化碳所需的能量)。已知加壓操作能降低潛熱的能耗，但高壓操作會阻礙二氧化碳脫附，故吸收液不易完全再生，且此舉會導致反應脫附的能量增加。所以，例如美國專利(公開號：US20120125196)是取一些再生塔底部的吸收液至另一再生塔或再生槽中加熱，以使這些吸收液達完全再生後再導引到原循環系統中。但是，這種方式需額外的再生塔或再生槽，會提高成本。

故，有必要提供一種捕捉二氧化碳之方法，以解決習用技術所存在的問題

本發明之主要目的在於提供一種捕捉二氧化碳之方法，其係利用批次方式處理吸收液的再生處理及吸收處理，進而提高吸收液的處理效率及降低吸收液的再生能耗。

本發明之次要目的在於提供一種捕捉二氧化碳之方法，其當該吸收液之液面下降達一預設低液位時，停止輸出第一液體至再生裝置中，且迴流至吸收裝置中，以提高吸收液的處理效率；當吸收液之液面上升達一預設高液位時，開始輸出第一液體至再生裝置中，且加壓在再生裝置中的第二液體，以降低吸收液的再生能耗。

為達上述之目的，本發明提供一種捕捉二氧化碳之方法，其包含步驟：提供一吸收裝置及一再生裝置，其中該吸收裝置中的一吸收液吸收輸入至該吸收裝置的一廢氣中的二氧化碳以形成富含二氧化碳的一第一液體；根據該吸收液的一液面使該第一液體選擇性輸出至該再生裝置中；透過該再生裝置加熱該第一液體以脫除該第一液體中的二氧化碳以形成缺乏二氧化碳的一第二液體；以及輸出該第二液體至該吸收裝置中，以循環捕捉該廢氣中的二氧化碳，其中當該吸收液之液面下降達一預設低液位時，停止輸出該第一液體至該再生裝置中，且迴流至該吸收裝置中；當該吸收液之液面上升達一預設高液位時，開始輸出該第一液體至該再生裝置中，且加壓在該再生裝置中的該第二液體。

在本發明之一實施例中，該吸收液係醇胺類、氨水、氫氧化鈉水溶液、有機胺類、有機鹼或其混合的至少一種。

在本發明之一實施例中，根據該吸收液的液面使該第一液體選擇性輸出至該再生裝置中的步驟係透過一液位控制器控制而進行。

在本發明之一實施例中，當停止輸出該第一液體至 該再生裝置中，且迴流至該吸收裝置中時，更包含：對欲迴流至該吸收裝置之該第一液體進行一冷卻步驟，以降低該第一液體之溫度

在本發明之一實施例中，該廢氣的輸入流量為11.2立方公尺/小時，且在輸出該第一液體時該第一液體的輸出流量是大於100公斤/小時且小於等於200公斤/小時；以及該第二液體的輸出流量為100公斤/小時。

在本發明之一實施例中，該吸收液之液面下降達該預設低液位以及上升達該預設高液位係一週期循環過程。

在本發明之一實施例中，該週期循環過程係每週期4至8分鐘。

在本發明之一實施例中，該預設低液位之高度係該吸收裝置之高度的0.1%~49%。

在本發明之一實施例中，該預設高液位之高度係該吸收裝置之高度的50%~100%。

在本發明之一實施例中，當該吸收液之液面上升達該預設高液位時，以常壓以上之壓力加壓在該再生裝置中的該第二液體。

100‧‧‧系統

110‧‧‧吸收裝置

111‧‧‧第一管路

111A‧‧‧閥門

111B‧‧‧迴流支管

112‧‧‧氣體入口

113‧‧‧氣體出口

120‧‧‧再生裝置

121‧‧‧第二管路

122‧‧‧加壓閥

130‧‧‧液位控制器

140‧‧‧冷凝器

200‧‧‧方法

210‧‧‧步驟

220‧‧‧步驟

230‧‧‧步驟

240‧‧‧步驟

第1圖：本發明實施例之捕捉二氧化碳之系統之示意圖。

第2圖：本發明實施例之捕捉二氧化碳之方法200的流程示意圖。

第3A圖：實驗例的氣體入口及氣體出口的二氧化碳濃度隨時間的關係圖。

第3B圖：實驗例的二氧化碳處理率(回收率)和單位能耗隨時間的關係圖。

第4圖：比較例的能耗隨時間的關係圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖，第1圖係本發明實施例之捕捉二氧化碳之系統之示意圖。該捕捉二氧化碳之系統100包含一吸收裝置110及一再生裝置120，其中該吸收裝置110之底部設有一第一管路111連通到該再生裝置120之頂部，且該再生裝置120之底部設有一第二管路121連通到該吸收裝置110之頂部。該吸收裝置110內設有一氣體入口112及一氣體出口113，以供待吸收二氧化碳之處理的一氣體從該氣體入口112進入該吸收裝置110中進行二氧化碳吸附處理(後稱吸收處理)，並從該氣體出口113排出。另外，該第一管路111還包含一閥門111A及一迴流支管111B連通至該吸收裝置110。當該閥門111A關閉時，位於該吸收裝置110中的一吸收液會從該第一管路111經過該迴流支管111B迴流到該吸收裝置110中；當該閥門111A開啟時，位於該吸收裝置110中的該吸收液會從該第一管路111流到該再生裝置120中，以脫除該吸收液中的二氧化碳(後稱再生處理)。另一方面，流通到該再生裝置120的該吸收液在進行再生處理之後，會從該第二管路121流至該吸收裝置110中，以進行吸收處理。此外，該再生裝置120還包含一加壓閥122，當該閥門111A關閉時，該加壓閥122不動作；當該閥門111A開啟時，該加壓閥122提供一壓力予位在該再生裝置120中的該吸收液。在一實施例中，該再生裝置120是透過加熱方式脫附該吸收液中的二氧化碳。在另一實施例中，該系統100還包含一液位控制器130，其偵測該吸收裝置110中該吸收液的液位高度，其中當該液位控制器130偵測該吸收液之液面下 降達一預設低液位時，該液位控制器130控制該閥門111A關閉，以停止輸出該吸收液至該再生裝置120中，且迴流至該吸收裝置110中，且關閉該加壓閥122；當該液位控制器130偵測該吸收液之液面上升達一預設高液位時，該液位控制器130控制該閥門111A開啟，以開始輸出該吸收液至該再生裝置中，且該液位控制器130控制該加壓閥122開啟，以加壓在該再生裝置中的該吸收液。

請參照第2圖所示，第2圖係本發明實施例之捕捉二氧化碳之方法200的流程示意圖。本發明實施例之捕捉二氧化碳之方法主要包含下列步驟：提供一吸收裝置及一再生裝置，其中該吸收裝置中的一吸收液吸收輸入至該吸收裝置的一廢氣中的二氧化碳以形成富含二氧化碳的一第一液體(步驟210)；根據該吸收液的一液面使該第一液體選擇性輸出至該再生裝置中(步驟220)；透過該再生裝置加熱該第一液體以脫除該第一液體中的二氧化碳以形成缺乏二氧化碳的一第二液體(步驟230)；以及輸出該第二液體至該吸收裝置中，以循環捕捉該廢氣中的二氧化碳(步驟240)，其中當該吸收液之液面下降達一預設低液位時，停止輸出該第一液體至該再生裝置中，且迴流至該吸收裝置中；當該吸收液之液面上升達一預設高液位時，開始輸出該第一液體至該再生裝置中，且加壓在該再生裝置中的該第二液體。

請一併參照第1及2圖所示，本發明實施例之捕捉二氧化碳之方法200首先係：提供一吸收裝置110及一再生裝置120，其中該吸收裝置110中的一吸收液吸收輸入至該吸收裝置110的一廢氣中的二氧化碳以形成富含二氧化碳的一第一液體(亦可稱為富液)。在本步驟210中，該吸收液可以是係醇胺類、氨水、氫氧化鈉水溶液、有機胺類、有機鹼或其混合的至少一種。其他可用來吸收二氧化碳的液體也可以作為本發明實施例中的該吸收液。

請一併參照第1及2圖所示，本發明實施例之捕捉 二氧化碳之方法接著係：根據該吸收液的一液面使該第一液體選擇性輸出至該再生裝置120中。在本步驟220中，可以是透過該液位控制器130控制而進行。例如，當該吸收液的液面下降達(或低於)一預設低液位時，停止輸出該第一液體至該再生裝置120中，且迴流至該吸收裝置110中；當該吸收液之液面上升達(或高於)一預設高液位時，開始輸出該第一液體至該再生裝置120中，且加壓在該再生裝置120中的該第二液體。在一示範實施例中，可以透過本發明實施例之捕捉二氧化碳之系統100來進行上述的步驟。例如，透過該液位控制器130偵測該液面的高低狀況後，相對應地啟動或關閉該閥門111A或該加壓閥122。在又一實施例中，當停止輸出該第一液體至該再生裝置120中，且迴流至該吸收裝置110中時，還可以對欲迴流至該吸收裝置110之該第一液體進行一冷卻步驟(例如在該系統100的迴流支管111B上設有一冷凝器140)，以降低該第一液體之溫度。這主要是因為該廢氣通常是高溫狀態，所以欲迴流之該第一液體經過該廢氣會被加熱，故需降溫該第一液體，以維持吸收裝置的熱穩定性。在一實施例中，該預設低液位之高度係該吸收裝置110之高度的0.1%~49%及該預設高液位之高度係該吸收裝置110之高度的50%~100%。例如，該預設低液位之高度係該吸收裝置110之高度的20%及該預設高液位之高度係該吸收裝置110之高度的80%。在又一實施例中，當該吸收液之液面上升達該預設高液位時，以常壓以上之壓力加壓在該再生裝置120中的該第二液體。例如以1.5公斤/平方公分之錶壓力加壓在該再生裝置120中的該第二液體。

請一併參照第1及2圖所示，本發明實施例之捕捉二氧化碳之方法接著係：透過該再生裝置120加熱該第一液體以脫除該第一液體中的二氧化碳以形成缺乏二氧化碳的一第二液體(亦可稱為貧液)。對於該系統100已進入穩定循環作業的情況而言，本步驟230中的該再生裝置120的加熱動作實際上是連續進行。

請一併參照第1及2圖所示，本發明實施例之捕捉二氧化碳之方法最後係：輸出該第二液體至該吸收裝置110中，以循環捕捉該廢氣中的二氧化碳。對於該系統100已進入穩定循環作業的情況而言，本步驟240中的輸出該第二液體的動作實際上是不斷的進行。

在一實施例中，該廢氣的輸入流量為11.2立方公尺/小時；在輸出該第一液體時，該第一液體的輸出流量是大於100公斤/小時且小於等於200公斤/小時；以及該第二液體的輸出流量為100公斤/小時。然而，要提到的是，該第一液體的輸出流量及該第二液體的輸出流量僅是舉例，使用者可依照需求自由調整。惟，該第一液體的輸出流量需大於該第二液體的輸出流量。

在一實施例中，該吸收液之液面下降達該預設低液位以及上升達該預設高液位係一週期循環過程。例如，該週期循環過程係該吸收液之液面從下降達該預設低液位起算，然後上升達該預設高液位後，再下降達該預設低液位為一週期，其中每週期可以是4至8分鐘。惟，此週期可依據使用者需求自由進行調整，例如少於4分鐘，或是多於8分鐘的情況。

在一實施例中，本發明實施例的捕捉二氧化碳之方法主要是利用批次方式處理該吸收液的再生處理及吸收處理，進而提高該吸收液的處理效率及降低吸收液的再生能耗。此處需分成二部分介紹，第一部分是該閥門111A關閉且該加壓閥122關閉(該加壓閥不進行加壓)；及第二部分是該閥門111A開啟且該加壓閥122開啟(該加壓閥進行加壓)。首先，就第一部分而言，該第一液體會迴流至該吸收裝置110中，因此該第一液體會不斷的吸收該廢氣中的二氧化碳以達飽和狀態，充分利用該第一液體的二氧化碳的攜帶量。同時，位在該再生裝置120中的吸收液不斷受熱而脫除二氧化碳，由於沒有富含二氧化碳的該第一液體進入該再生裝置120中，所以該再生裝置120提供的熱量主要是用在脫除位在其中的吸收液的二氧化碳所使用的反應熱(即前述的反應 熱)，而無需像傳統方式需額外提供熱量予新注入的富液以提升其溫度(即前述的顯熱)，故可以提高單位能量捕捉二氧化碳的效果。接著說明第二部分，其是該第一液體流動至該再生裝置120中，且該加壓閥122對位在該再生裝置120的該吸收液進行加壓動作。當加壓狀態的該吸收液可以降低其潛熱，以使該再生裝置120提供予該吸收液的熱量主要用在反應熱及顯熱上，故可以提高單位能量捕捉二氧化碳的效果。由此可見，透過批次方式可以提高該吸收液的處理效率及降低吸收液的再生能耗(即提高單位能量捕捉二氧化碳的效果)。

在一實施例中，可以預先決定前述第一部分及第二部分所需進行的時間後，再來決定該預設高液位及該預設低液位。例如，第一部分若是進行2分鐘可以達到一個較佳的經濟價值(例如考量時間效率、人力及/或能源成本等等)，則可以對應調整該預設高液位、該預設低液位及該第二液體的輸出流量，以使該液位控制器130判斷該液位從下降達該預設低液位開始至上升達該預設高液位結束的所需時間為大致2分鐘；亦或是第二部分若是進行4分鐘可以達到一個較佳的經濟價值，則可以對應調整該預設高液位、該預設低液位、輸出該第一液體時該第一液體的輸出流量及該第二液體的輸出流量，以使該液位控制器130判斷該液位從上升達該預設高液位開始至下降達該預設低液位結束的所需時間為大致4分鐘。

以下列舉一實驗例及一比較例，以說明本發明實施例之捕捉二氧化碳之方法確實優於傳統方法。

實驗例：

提供本發明實施例之捕捉二氧化碳之系統以執行本發明實施例之捕捉二氧化碳之方法，其中廢氣輸入吸收裝置的輸入流量為11.2立方公尺/小時；輸出第一液體時，第一液體的輸出流量是大於100公斤/小時且小於等於200公斤/小時；第二液體的輸出流量為100公斤/小時；當吸收裝置中的吸收液之液面上升達 預設高液位時，以1.5公斤/平方公分之錶壓力加壓在再生裝置中的第二液體；預設低液位之高度係吸收裝置之高度的20%；及預設高液位之高度係吸收裝置之高度的80%。週期循環過程是在從循環開始至接近200分鐘之間為每週期4分鐘，之後為每週期8分鐘。

比較例：

提供類似於本發明實施例之捕捉二氧化碳之系統，其不同點在於傳統的系統沒有加壓閥、閥門等裝置，且是以連續式的處理方式來吸收廢氣中的二氧化碳，其中廢氣輸入吸收裝置的輸入流量為11.2立方公尺/小時；第一液體的輸出流量約等同於第二液體的輸出流量為100公斤/小時。

在進行上述實驗例及比較例時，分別在氣體入口及氣體出口架設二氧化碳偵測器以偵測吸收液吸收二氧化碳的總量，並且根據再生裝置加熱的能耗來計算處理廢氣二氧化碳的單位能耗。請參照第3A及3B圖，第3A圖係實驗例的氣體入口及氣體出口的二氧化碳濃度隨時間的關係圖，第3B圖係實驗例的二氧化碳處理率(回收率)和單位能耗隨時間的關係圖。雖然週期循環過程為每週期8分鐘的效果略低於每週期4分鐘的效果，但其整體平均的二氧化碳處理率為97%左右，且單位能耗為每處理一噸二氧化碳需消耗46.7億焦耳(4.67GJ)的能量。請參照第4圖，第4圖係比較例的能耗隨時間的關係圖。比較例在能耗平均是8.22千瓦，若是換算成單位能耗則為每處理一噸二氧化碳需消耗54.1億焦耳(5.41GJ)的能量。由此可見，本發明實施例的捕捉二氧化碳之方法確實降低吸收液的再生能耗。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

200‧‧‧方法

210‧‧‧步驟

220‧‧‧步驟

230‧‧‧步驟

240‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種捕捉二氧化碳之方法，其包含步驟：提供一吸收裝置及一再生裝置，其中該吸收裝置中的一吸收液吸收輸入至該吸收裝置的一廢氣中的二氧化碳以形成富含二氧化碳的一第一液體；根據該吸收液的一液面使該第一液體選擇性輸出至該再生裝置中；透過該再生裝置加熱該第一液體以脫除該第一液體中的二氧化碳以形成缺乏二氧化碳的一第二液體；及輸出該第二液體至該吸收裝置中，以循環捕捉該廢氣中的二氧化碳；其中當該吸收液之液面下降達一預設低液位時，停止輸出該第一液體至該再生裝置中，且迴流至該吸收裝置中；當該吸收液之液面上升達一預設高液位時，開始輸出該第一液體至該再生裝置中，且加壓在該再生裝置中的該第二液體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之捕捉二氧化碳之方法，其中該吸收液係醇胺類、氨水、氫氧化鈉水溶液、有機胺類、有機鹼或其混合的至少一種。
3. 如申請專利範圍第1項所述之捕捉二氧化碳之方法，其中根據該吸收液的液面使該第一液體選擇性輸出至該再生裝置中的步驟係透過一液位控制器控制而進行。
4. 如申請專利範圍第1項所述之捕捉二氧化碳之方法，其中當停止輸出該第一液體至該再生裝置中，且迴流至該吸收裝置中時，更包含：對欲迴流至該吸收裝置之該第一液體進 行一冷卻步驟，以降低該第一液體之溫度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之捕捉二氧化碳之方法，其中該廢氣的輸入流量為11.2立方公尺/小時，且在輸出該第一液體時，該第一液體的輸出流量是大於100公斤/小時且小於等於200公斤/小時及該第二液體的輸出流量是100公斤/小時。
6. 如申請專利範圍第1項所述之捕捉二氧化碳之方法，其中該該吸收液之液面下降達該預設低液位以及上升達該預設高液位係一週期循環過程。
7. 如申請專利範圍第6項所述之捕捉二氧化碳之方法，其中該週期循環過程為每週期4至8分鐘。
8. 如申請專利範圍第1項所述之捕捉二氧化碳之方法，其中該預設低液位之高度係該吸收裝置之高度的0.1%~49%。
9. 如申請專利範圍第1項所述之捕捉二氧化碳之方法，其中該預設高液位之高度係該吸收裝置之高度的50%~100%。
10. 如申請專利範圍第1項所述之捕捉二氧化碳之方法，其中當該吸收液之液面上升達該預設高液位時，以常壓以上之壓力加壓在該再生裝置中的該第二液體。