TW201819296A - 二氧化碳捕獲裝置與系統及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種二氧化碳捕獲(CO2 capture)裝置，包括一管殼部和一反應床面。管殼部具有一第一開口端和一第二開口端。反應床面位於管殼部之中，並在用以容納複數個吸附劑顆粒，並容許含有二氧化碳的反應氣體進入管殼部，使這些吸附劑顆粒懸浮於管殼部中。並藉由這些吸附劑顆粒與反應氣體之反應作用所生成的反應熱激發管殼部發出震盪聲波，並藉由震盪聲波擾動使反應氣體在管殼部中產生局部紊流，延長吸附劑顆粒在管殼結構中懸浮滯留的時間。

Description

二氧化碳捕獲裝置與系統及其方法
本說明書所揭露的是關於一種二氧化碳捕獲(CO2 capture)裝置及其應用，特別是一種使用鈣循環或是鈣迴路(calcium looping cycle)來捕獲二氧化碳的裝置及其應用。
鈣循環或是鈣迴路二氧化碳捕獲程序是採用產量豐富且價格低廉的石灰石(碳酸鈣，CaCO3)經過煅燒爐(calciner)煅燒後生成氧化鈣(CaO)，再置入碳酸化爐(carbonator)作為吸附劑來吸附二氧化碳，氧化鈣與二氧化碳反應之後所生成的碳酸鈣可重複循環再利用。目前已成為廣泛應用於捕獲發電廠、水泥廠或工業所排放的二氧化碳。
典型的鈣循環或是鈣迴路二氧化碳捕獲技術是將碳酸化爐及煅燒相互連通以進行連續性反應。其中，碳酸化爐一般是採用流體化床(fluidized bed)式的反應爐。然而，習知的流體化 床式碳酸化爐在實務操作時，因為吸附劑的顆粒粒徑分布不易掌握，流體化氣體的動力需求高，且容易發生高壓降和渠道化(Channeling)現象，導致氣/固兩相無法充分混合，甚至會有完全不反應的滯區(Dead Zone)發生的缺點。
因此，如何確保吸附劑顆粒在反應槽中受到有效地擾動，使濃度較高的二氧化碳的反應氣體在通過流體化床反應爐時能與懸浮的吸附劑顆粒充份混合，達到高吸附捕獲二氧化碳效率的效果，已成為該技術領域所面臨的重要問題。
本說明書中的一實施例是在提供一種二氧化碳捕獲裝置，包括具有一管殼部和一反應床面。此管殼部具有一第一開口端和一第二開口端。反應床面位於管殼部之中，係用以容納複數個吸附劑顆粒，並容許含有二氧化碳的反應氣體進入管殼部，使這些吸附劑顆粒懸浮於管殼部中。並藉由這些吸附劑顆粒與反應氣體之反應作用所生成的反應熱激發管殼部發出震盪聲波，並藉由震盪聲波擾動使反應氣體在管殼部中產生局部紊流，延長吸附劑顆粒在管殼結構中懸浮滯留的時間。
本說明書中的另一實施例是在提供一種二氧化碳捕獲系統，包括如前所述的二氧化碳捕獲裝置以及一個煅燒爐。此煅燒爐經與管殼部連通，用來回收並煅燒與反應氣體作用後的吸附劑顆粒。
本說明書中的另一實施例是在提供一種二氧化碳捕獲方法，包括下述步驟：首先，提供一個包括管殼部的反應槽。然後，將複數個吸附劑顆粒置入管殼部中。接著，將含有二氧化碳的反應氣體導入管殼部，使這些吸附劑顆粒懸浮於管殼部中。並藉由這些吸附劑顆粒與反應氣體作用所生成的反應熱激發管殼部發出震盪聲波。
根據上述，本說明書的實施例是揭露一種二氧化碳捕獲裝置以及應用此裝置的二氧化碳捕獲系統及方法。其係採用具有特定管殼結構的反應槽，將複數個吸附劑顆粒置入反應槽的管殼結構中，使吸附劑顆粒與含有二氧化碳的反應氣體發生反應。無須額外加熱裝置，僅藉由二者的反應熱即可激發管殼結構發出震盪聲波，並藉由震盪聲波擾動使反應氣體在管殼部中產生高強度的局部紊流，延長吸附劑顆粒在管殼結構中懸浮滯留的時間。不僅有助於強化吸附劑顆粒與二氧化碳氣/固兩相的均勻混合，防止結塊與堆積現象的發生，有效改善流化床的渠道化和滯區的問題。更可藉由聲波效應促使反應氣體中的二氧化碳更深入吸附劑顆粒的多孔結構內部，提高吸附劑的整體利用率。
20‧‧‧二氧化碳捕獲系統
100‧‧‧二氧化碳捕獲裝置
101‧‧‧反應槽
101a‧‧‧管殼部
101a1‧‧‧第一開口端
101a2‧‧‧第二開口端
101b‧‧‧進氣口
101c‧‧‧排氣口
101d‧‧‧碳酸化反應室
102A‧‧‧吸附劑顆粒
102B‧‧‧碳酸鈣吸附劑顆粒
103A‧‧‧濃度較高的二氧化碳的反應氣體
103B‧‧‧二氧化碳含較少量的反應氣體
104‧‧‧反應床面
104a‧‧‧通孔
105‧‧‧下方聲波去耦器
106‧‧‧上方聲波去耦器
106a‧‧‧進料口
107‧‧‧排料管
107a‧‧‧排料口
108‧‧‧冷卻裝置
108A‧‧‧冷卻水管
108B‧‧‧冷卻水
200‧‧‧煅燒爐
201‧‧‧新料倉
202‧‧‧氣送鼓風機
203‧‧‧氣/固分離器
L‧‧‧管殼長度
為了對本說明書之上述實施例及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 第1圖係根據本說明書的一實施例所繪示的一種二氧化碳捕獲裝置的元件配置圖；以及第2圖係根據本說明書的一實施例所繪示的二氧化碳捕獲系統的元件配置圖。
本說明書所揭露的實施例是有關於一種二氧化碳捕獲裝置以及應用，可解決習知採用流體化床的二氧化碳捕獲裝置，因為吸附劑顆粒與反應氣體氣相/固相二者無法均勻混合，造成結塊與堆積現象、渠道化和滯區的問題。為讓本說明書之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式詳細描述如下。
但必須注意的是，這些特定的實施案例與方法，並非用以限定本發明。本發明仍可採用其他特徵、元件、方法及參數來加以實施。較佳實施例的提出，僅係用以例示本發明的技術特徵，並非用以限定本發明的申請專利範圍。該技術領域中具有通常知識者，將可根據以下說明書的描述，在不脫離本發明的精神範圍內，作均等的修飾與變化。在不同實施例與圖式之中，相同的元件，將以相同的元件符號加以表示。
請參照第1圖，第1圖係根據本說明書的一實施例所繪示的一種二氧化碳捕獲裝置100的元件配置圖。其中，二氧化碳捕獲裝置100至少包括一個反應槽101。在本說明書的一實 施例中，反應槽101可以是一種碳酸化爐的反應槽，其包括一個中空的管殼部101a、一個進氣口101b以及一個排氣口101c。
其中，管殼部101a可以是一金屬殼體，用來容納吸附劑顆粒102A與濃度較高的二氧化碳的反應氣體103A。進氣口101b位於反應槽101下方，連通管殼部101a，可容許濃度較高的二氧化碳的反應氣體103A進入管殼部101a。排氣口101c位於反應槽101上方，連通管殼部101a，可容許經二氧化碳捕獲之後二氧化碳含較少量的反應氣體103B排出。
在本實施例中，管殼部101a為直立金屬圓管結構，具有位於反應槽101下方，靠近進氣口101b的一第一開口端101a1以及位於反應槽101上方，靠近排氣口101c的一第二開口端101a2。由第一開口端101a1起算至第二開口端101a2的管殼長度L，約占反應槽101整體高度的。
另外，反應槽101還包括一個反應床面104。在本說明書的一些實施例之中，反應床面104係一種金屬平板，放置於由第一開口端101a1向上起算1/4管殼長度(1/4L)的位置，藉以在反應床面104上方具有一個流化床碳酸化反應室101d。尚未將濃度較高的二氧化碳的反應氣體103A導入管殼部101a之前，反應床面104可用來承載靜止的吸附劑顆粒102A。反應床面104具有複數個通孔104a，用來容許濃度較高的二氧化碳的反應氣體103A均勻地通過反應床面104。並藉由濃度較高的二氧化碳之反應氣體103A的氣流動力或風壓，使位於反應床面104上的吸附劑顆 粒102A懸浮於管殼部101a。
但值得注意的是，反應床面104的位置並不以上述為限。在本說明書的其他實施例之中，反應床面104可以放置於由第一開口端101a1向上起算該管殼長度1/12至該管殼長度1/2之間的一位置。
吸附劑顆粒102A可以包含一種或多種二氧化碳吸附材料。例如，在本說明書的一些實施例之中，二氧化碳吸附材料可以選自於由氧化鈣、活性碳、沸石、矽凝膠(silica xerogel)以及上述材料之任意組合之一族群。在本實施例中，吸附劑顆粒102A係由氧化鈣所構成，可以與濃度較高的二氧化碳的反應氣體103A中的二氧化碳進行碳酸化反應生成碳酸鈣。其化學反應式如下：CaO (s)+CO 2(g) → CaCO 3(s) △H=180kJ/mole
其中，碳酸化反應的反應熱△H約為180千焦耳/莫爾(kJ/mole)。藉由氧化鈣吸附劑顆粒102A與濃度較高的二氧化碳的反應氣體103A反應所生成的反應熱△H，可以激發管殼部101a的側壁發出震盪聲波。
在本說明書的一實施例中，可發出震盪聲波的管殼部101a是一種雷克管(Rijke tube)系統，藉由反應熱△H對兩端具有開口的直立圓管加熱，利用管內流體的熱不穩定現象(thermal instability)，當熱量釋放Q’與管內的聲壓擾動P’，具有下列之關 係，並符合下述之條件時，會在管內激發出聲波。
P’(x,t)‧Q’(x,t)dxdt>0其中，P’為聲波壓力變化；Q’為熱量釋放之變化；T為聲波週期；L為爐管長度(管殼長度L)。x為沿爐身(管殼部101a)之距離，t為時間。
當反應熱△H的熱量釋放變化與聲波之聲壓變化趨勢同相時，聲波會被激發放大。若反應熱△H的熱量釋放位置，恰好位於管殼部101a下方之第一開口端101a1向上起算1/4管殼長度(1/4L)處時，則可激發最大之基本頻率聲波。在本實施例中，管殼部101a所發出聲音的波長，為總管殼長度的二分之一(L/2)。如管殼長度在3.2公尺時聲波頻率約在70赫茲(Hz)上下，其聲響可達150分貝(dB)以上。該聲波頻率與管殼長度成反比，聲響與能量有關。
當聲波被激發出來時，由於受到強大聲波的振盪，懸浮於反應床面104上方的氧化鈣吸附劑顆粒102A的粉體流體化現象更加劇烈明顯，進而會隨著聲波變化而不斷的上下來回振盪擾動。此種聲脈衝效應不但有助於讓氧化鈣吸附劑顆粒102A粉體與濃度較高的二氧化碳的反應氣體103A進行更充分的混合，且不致發生結塊與堆積的現象發生；同時由於此聲波脈動會促進濃度較高的二氧化碳的反應氣體103A局部高強度紊流效 應，亦將有助於二氧化碳能更加深入氧化鈣吸附劑顆粒102A中的多孔結構內部，進而提升氧化鈣吸附劑顆粒102A的整體利用率與二氧化碳捕獲效率。
在本說明書的一實施例中，管殼部101a下方之第一開口端101a1和上方的第二開口端101a2可以分別選擇性地(optionally)連接一個下方聲波去耦器(acoustic decoupler)105以及一個上方聲波去耦器106，使管殼部101a與下方聲波去耦器105以及上方聲波去耦器106連通，用以消除管殼部101a所發出的聲波震盪。
在本實施例中，下方聲波去耦器105和上方聲波去耦器106二者皆是一種殼體結構，且都具有上寬下窄的兩個開口。其中，下方聲波去耦器105較寬的開口與管殼部101a的第一開口端101a1連接；上方聲波去耦器106較窄的開口與管殼部的第二開口端101a2連接。若要達到消除聲波震盪的效果，下方聲波去耦器105和上方聲波去耦器106的容積，較佳實質為流化床碳酸化反應室101d容積的10倍以上。
在本實施例中，氧化鈣吸附劑顆粒102A係通過位於上方聲波去耦室106一側的進料口106a進入管殼部101a中，再下落至反應床面104上。濃度較高的二氧化碳的反應氣體103A則係由進氣口101b穿過下方聲波去耦室105引入管殼部101a中，再往上均勻通過反應床面104，與分布在反應床面104上的氧化鈣吸附劑顆粒102A進行碳酸化反應。而與二氧化碳反應過 後的碳酸鈣吸附劑顆粒102B，可藉由重力作用沉積至反應床面104下方，並穿過下方聲波去耦器105經由排料管107的排料口107a排出反應槽101。經二氧化碳捕獲之後，二氧化碳含量較少的反應氣體103B則通過上方聲波去耦室106和排氣口101c排出，並經氣/固分離器與過濾器(未繪示)之後排到大氣之中。
由於，碳酸化反應為一放熱反應，故不需要額外設置燃燒裝置對管殼部101a進行加熱，僅需藉由此碳酸化反應所放出的反應熱△H，即可激發管殼部101a的側壁基本頻率聲波，促使已藉由反應氣體103A懸浮於在反應床面104上方的氧化鈣吸附劑顆粒102A更均勻擾動。在本實施例中，碳酸化反應的反應溫度實質介於600℃至700℃之間。
而為了控制碳酸化反應的反應溫度，在本說明書的一些實施例中，二氧化碳捕獲裝置100可以包括一個冷卻裝置108，設於該管殼部101a的直立圓管內側或外上。在本實施例中，殼部101a的內部設有冷卻水管108A，藉由冷卻水108B移走過多的碳酸化反應熱△H，以便將管殼部101a的爐內溫度控制在約介於600℃至700℃之間。
二氧化碳捕獲裝置100可以和其他裝置組合形成一個二氧化碳捕獲系統20。例如，請參照第2圖，第2圖係根據本說明書的一實施例所繪示的二氧化碳捕獲系統20的元件配置圖。在本實施例中，二氧化碳捕獲系統20係採用第1圖所提供的二氧化碳捕獲裝置100與煅燒爐200結合，將與二氧化碳作用 之後的碳酸鈣吸附劑顆粒102B回收，並送回到煅燒爐200重新煅燒，形成為具有良好活性的氧化鈣吸附劑顆粒102A後重複循環再利用。
其中，煅燒爐200的煅燒溫度實質介於850℃至950℃之間。煅燒碳酸鈣吸附劑顆粒102B過程中所生成的高濃度二氧化碳，則經過後二氧化碳收集裝置的過濾、冷凝、壓縮等步驟(未繪示)後再行封存。煅燒碳酸鈣的化學反應式如下：CaCO3(s) → CaO(s)+CO2(g)
新鮮的碳酸鈣吸附劑顆粒102B也可由新料倉201下料到煅燒爐200，經煅燒成為具有良好活性之氧化鈣吸附劑顆粒102A。這些高溫的氧化鈣吸附劑顆粒102A，可藉由氣送鼓風機202氣通過氣/固分離器203，由上方聲波去耦室106進入管殼部101a中，再下落至反應床面104上，完成一次鈣循環(或是鈣迴路)二氧化碳捕獲程序的循環。
根據上述，本說明書的實施例是揭露一種二氧化碳捕獲裝置以及應用此裝置的二氧化碳捕獲系統及方法。其係採用具有特定管殼結構的反應槽，將複數個吸附劑顆粒置入反應槽的管殼結構中，使吸附劑顆粒與含有二氧化碳的反應氣體發生反應。無須額外加熱裝置，僅藉由二者的反應熱即可激發管殼結構發出震盪聲波，並藉由聲壓擾動使反應氣體在管殼結構中產生高強度的局部紊流，延長吸附劑顆粒在管殼結構中懸浮滯留的時 間。不僅有助於強化吸附劑顆粒與二氧化碳氣/固兩相的均勻混合，防止結塊與堆積現象的發生，有效改善流化床的渠道化和滯區的問題。更可藉由聲波效應促使反應氣體中的二氧化碳更深入吸附劑顆粒的多孔結構內部，提高吸附劑的整體利用率。
雖然本說明書已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。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。

Claims (18)

  1. 一種二氧化碳捕獲(CO 2 capture)裝置，包括：一管殼部，具有一第一開口端和一第二開口端；以及一反應床面，位於該管殼部之中，用以容納複數個吸附劑顆粒，並容許含有二氧化碳的一反應氣體進入該管殼部，使該些吸附劑顆粒懸浮於該管殼部中；藉由該些吸附劑顆粒與該反應氣體之反應作用所生成的一反應熱激發該管殼部發出一震盪聲波，並藉由該震盪聲波擾動使該反應氣體在該管殼部中產生一局部紊流，延長該些吸附劑顆粒在該管殼部中懸浮滯留的時間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化碳捕獲裝置，其中管殼部為一直立圓管，具有由第一開口端起算至該第二開口端的一管殼長度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之二氧化碳捕獲裝置，其中該反應床面位於由該第一開口端起算該管殼長度1/12至該管殼長度1/2之間的一位置。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之二氧化碳捕獲裝置，其中更包括：一第一聲波去耦器(acoustic decoupler)，位於該第一開口 端，且與該管殼部連通；以及一第二聲波去耦器，位於該第二開口端，且與該管殼部連通。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之二氧化碳捕獲裝置，其中該第一聲波去耦器和該第二聲波去耦器分別包括一殼體與該管殼部連通，並具有實質為該流化床碳酸化反應室10倍的一容積。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化碳捕獲裝置，更包括一冷卻裝置，設於該管殼部上，用以控制該管殼部中的一反應溫度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之二氧化碳捕獲裝置，其中該吸附劑顆粒包括氧化鈣(CaO)，且該反應溫度實質介於600℃至700℃之間。
  8. 一種二氧化碳捕獲系統，包括：一反應槽，具有一管殼部與一反應床面，其中管殼部為一直立圓管，具有一第一開口端和一第二開口端；一反應床面位於該管殼部之中，並在該第一開口端和該第二開口端之間定義出一流化床碳酸化反應室；一第一聲波去耦器，位於該第一開口端，且與該管殼部連通；以及 一第二聲波去耦器，位於該第二開口端，且與該管殼部連通；一冷卻裝置，設於該管殼部上，用以控制該管殼部中的一反應溫度；以及一煅燒爐(calciner)，與該管殼部連通，用來回收並煅燒複數個與該反應氣體作用後的吸附劑顆粒。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之二氧化碳捕獲系統，該反應槽更包括：一排料口連通該管殼部與該煅燒爐，用來回收該些與該反應氣體作用後的吸附劑顆粒；以及一進料口與該煅燒爐連通，用來將複數個煅燒後的吸附劑顆粒再次置入該管殼部中。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之二氧化碳捕獲系統，其中該些與該反應氣體作用後的吸附劑顆粒包括碳酸鈣(CaCO 3)，且該煅燒爐具有介於850℃至950℃之間的一煅燒溫度。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之二氧化碳捕獲系統，更包括一二氧化碳收集裝置，與該煅燒爐連通。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之二氧化碳捕獲系統，該反應床 面位於由該第一開口端起算該管殼長度1/12至該管殼長度1/2之間的一位置。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之二氧化碳捕獲系統，其中該第一聲波去耦器和該第二聲波去耦器分別包括一殼體與該管殼部連通，並具有實質為該流化床碳酸化反應室10倍的一容積。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之二氧化碳捕獲系統，其中該吸附劑顆粒包括氧化鈣(CaO)，且該反應溫度實質介於600℃至700℃之間。
  15. 一種二氧化碳捕獲方法，包括：提供一管殼部；將複數個吸附劑顆粒置入該管殼部中；將含有二氧化碳的一反應氣體導入該管殼部，使該些吸附劑顆粒懸浮於該管殼部中；以及藉由該些吸附劑顆粒與該反應氣體作用所生成的一反應熱激發該管殼部發出一震盪聲波。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之二氧化碳捕獲方法，其中該管殼部為一直立圓管，具有一第一開口端和一第二開口端以及由第一開口端起算至該第二開口端的一管殼長度。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之二氧化碳捕獲方法，其中將該些吸附劑顆粒置入該管殼部的步驟，包括將該些吸附劑顆粒置於由該第一開口端起算該管殼長度1/12至該管殼長度1/2之間的一位置。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之二氧化碳捕獲方法，更包括提供一煅燒爐與該管殼部連通，用來回收並煅燒複數個與該反應氣體作用後的吸附劑顆粒。
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