TWI389377B

TWI389377B - 一種結合固態氧化物燃料電池（ｓｏｆｃ）系統與光觸媒催化反應系統之有機廢氣處理之方法與裝置

Info

Publication number: TWI389377B
Application number: TW097134308A
Authority: TW
Inventors: Young Ku; Chia Pyng Lee; Wen Wang; Yu Lin Kuo; Wei Ming Hou
Original assignee: Univ Nat Taiwan Science Tech
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2013-03-11
Also published as: TW201011961A

Description

一種結合固態氧化物燃料電池(SOFC)系統與光觸媒催化反應系統之有機廢氣處理之方法與裝置

本發明涉及一種固態氧化物燃料電池反應系統與光觸媒反應系統的整合技術方法，藉由高溫方式將高濃度的VOC利用固態氧化物燃料電池系統(SOFC)加以分解，再進一步以光觸媒氧化系統於室溫條件下將未完全反應之VOC廢氣完全氧化，故本發明為可以達到有效完全去除高濃度VOC之新技術，並同時為一結合高溫與室溫氧化技術之VOC處理裝置。

近年來由於城市人口的快速集中，導致城市人口的普遍密集化，相對的使人的活動空間也被壓縮，再加上工業發展與各項的高科技製程大量運用有機溶劑作為清洗原料，可能讓環境充滿大量高濃度的揮發性的有機化學物質，進而導致對身體健康的危害。而產業界在日趨嚴格的環保法規要求及二氧化碳減量排放等國際協定(京都議定書)通過後，對於VOC處理應用技術之需求孔急，而環保相關法規對於管制VOC之規定雖嚴，亦仍無具體全面性之解決方案，致使業界仍無法以實際有效的VOC廢氣處理技術加以因應。此外，在高濃度廢氣的排放上，積極有效的處理技術及設備亦是產業遭遇之重大環保議題，相對於以往之燃燒或焚化處理。

目前針對揮發性有機物之處理及控制方式，主要可分為非破壞式控制技術與破壞式控制技術兩大途徑。在非破壞式控制方面，係以相轉移方式將廢氣中的揮發性有機物予以濃縮集中，進而藉由回收的方式來達成污染減量的目的，主要的技術包括吸附法，吸收法及冷凝法。至於破壞式控制方面則為破壞揮發性有機物的化學結構，使其轉化為穩定無害的簡單氣體分子(如水及二氧化碳)，主要的控制技術包括廢氣燃燒塔焚化、熱焚化法、觸媒焚化法、鍋爐/加熱爐焚化及生物濾床等。但就實用面而言，均有其應用之限制及缺點，如需高溫耗能、易形成二次污染及滯留時間過長等。

本發明所提之固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統結合光觸媒氧化系統之特殊技術可同時兼顧高濃度VOC有機廢氣之處理及低濃度尾氣之低溫氧化分解，實為目前具特殊創新性與潛力之環保技術，期能對工業污染及二氧化碳排放減量有事半功倍之效。

針對上述現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種可以有效且快速去除高濃度VOC的方法與技術，以及所使用的設備裝置，其主要藉由固態氧化物燃料電池系統與光觸媒催化反應一統的結合運用，並進行串連的操作方式，分別以SOFC針對高濃度VOC與光觸媒催化反應性統針對高農渡氣體入料與前段SOCF之含低濃度VOC尾氣進行分解處理。

高溫固態氧化物燃料電池(SOFC)的操作溫度為1173－1273K。熱力學分析指出，燃料電池不像各類熱機那樣效率受卡諾迴圈的限制，不管是低溫型的還是高溫型的其發電效率一般都可以達到40－70%，能量利用效率一般高於50%，高的可達90%，甚至超過100%，是所有燃料電池中能量利用效率最高的，其發電效率也能高達70%，因此在大量消耗能源的系統有很大的競爭力，其應用潛力很大。作為固定發電站的發電機用大功率管式設計固態氧化物燃料電池(SOFC)和平板式設計固態氧化物燃料電池(SOFC)已進入成熟生產，家庭辦公樓醫院商店等獨立用戶的數千瓦至數十千瓦電力外加數十千瓦至數佰千瓦熱量的熱電聯供系統(CHP)的平板式設計SOFC和在運輸工具上作為輔助電源用的數千瓦至數十千瓦的輔助電力單元(APU)的板式固態氧化物燃料電池(SOFC)C也已有成品。固態氧化物燃料電池(SOFC)具有最高的理論發電效率和理論能量利用效率僅僅是其最突出優點之一，它的另一個突出優點是其廣泛的適用性。從應用方面看，固態氧化物燃料電池(SOFC)的一個優點是在它自身內部有可能包含燃料重整系統，而且它們是可以形成單一的整體結構的。其他類型燃料電池需要一個外重整器和相應的變換反應器，因為其他類型燃料電池僅能使用氫作燃料時才能產生電力，只有固態氧化物燃料電池(SOFC)也能使用含碳氫氧化合物作燃料。其次，固態氧化物燃料電池(SOFC)在一個組合循環系統中作為單個系統仍具有高的效率。

而固態氧化物燃料電池(SOFC)具有許多優點，特別是由於固態氧化物燃料電池(SOFC)的高溫操作，使其能對多種有機燃料進行電池內重整，電池內重整不僅能充分利用電池中電化學反應所產生的反應熱而且使電池堆的整體結構更為緊湊。

因此，藉由高溫操作下的固態氧化物燃料電池(SOFC)，可利用VOC在高溫下的快速分解特性，處理大量高濃度的VOC成分，並根據SOFC發電反應伴隨產生的電壓/電流，作為評估VOC分解效率與反應速度的一項指標。

光觸媒催化反應系統裝置，能使空氣或水中有害性氣體或微生物受光觸媒氧化分解，可達到快速清淨空氣或水，並且有效提高VOC分解裝置的能源利用與清淨效率，此外，光觸媒催化反應系統對於中低濃度之VOC具有優異之完全分解能力，故適於作為處理之最終段程序。

本發明為達上述目的所採用的方法與設備方案是：其包括有作為處理含高濃度VOC氣體之固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統和處理中低VOC濃度用途之光觸媒催化反應系統；至少一組輔助燃料供應單元，該單元可以控制流量方式，補充進料VOC濃度不穩定時，對固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統之運轉反應維持；至少一組進料VOC廢氣濃縮單元，該單元可以提高固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統之反應穩定性及轉化率：一連接固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統之電力偵測單元，可連結經由固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統處理後尾氣段之光觸媒催化系統。

在本發明的一種結合固態氧化物燃料電池(SOFC)系統與光觸媒催化反應系統之有機廢氣處理裝置中，該光觸媒催化反應系統裝置作為連接於固態氧化物燃料電池(SOFC)系統裝置之後的尾氣處理程序。

在本發明的一種結合固態氧化物燃料電池(SOFC)系統與光觸媒催化反應系統之有機廢氣處理裝置中，對於VOC進料之溫度與濕度條件，乃透過溫度控制單元與濕度控制單元等程序裝置加以控制。

在本發明的一種結合固態氧化物燃料電池(SOFC)系統與光觸媒催化反應系統之有機廢氣處理裝置中，光觸媒催化反應系統之光強度可依據VOC分解處理之實際需要加以控制調整。

在本發明的一種結合固態氧化物燃料電池(SOFC)系統與光觸媒催化反應系統之有機廢氣處理裝置中，經由固態氧化物燃料電池(SOFC)系統反應VOC所生成之電流與電壓，乃經由一電流監測系統加以量測並記錄，並作為反應轉化VOC之參考指標。

在本發明的一種結合固態氧化物燃料電池(SOFC)系統與光觸媒催化反應系統之有機廢氣處理裝置中，上述各項單元裝置或系統，與現有技術相比，本發明具有快速有效處理高濃度VOC之能力及降低排放殘餘廢氣濃度的優點。下面結合附圖，通過對本發明的較佳實施例的描述，將使本發明的技術方案和具體效果進一步體現出來。

如第1圖所示之構想流程方，本發明一種結合固態氧化物燃料電池(SOFC)系統與光觸媒催化反應系統之有機廢氣處理之方法與裝置，本實施例包括有濃縮VOC廢棄單元102、固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103及石化輔助燃料氣體供應單元104；該濃縮VOC廢棄單元102主要將工廠產生VOC廢氣單元101所提供之廢氣加以濃縮，提升反應濃度以利固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103進行氧化反應，同時，為降低工廠產生VOC廢氣單元101有時所提供的廢氣濃度不足，導致固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103之反應效果降低，可佐以利用石化輔助燃料氣體供應單元104，供應氧化反應所缺乏之熱值，提升固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103之操作溫度，解決從工廠排放時，排放量與濃度因故變化波動等問題，並穩定其氧化反應行為；根據固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103反應所產生的電流與反應的尾氣，可透過分析轉換電流特性系統105加以分析，評估分解效率的穩定性，且同時將固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103之反應轉化率加以量化，即時把電流的特性回饋給石化輔助燃料氣體供應單元104以作為固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103轉化率降低時，及時補充輔助燃料之用；另於固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103之後連接一處理後尾氣排放單元106，可因應不同VOC進料條件下固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103的尾氣濃度變化監測，並作為處理殘餘VOC或其他可能無法順利由固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103氧化分解之VOC污染物之輔助分解處理方式，而從處理後尾氣排放單元106所排出之殘餘廢氣，則可另外由其他後續處置裝置107加以進行處理。

本發明一種結合固態氧化物燃料電池(SOFC)系統與光觸媒催化反應系統之有機廢氣處理之方法，亦可利用經由固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103所產生之電流進行對電力能源之儲存，作為提供本發明裝置所需之部分電力需求，從另一角度而言，可降低系統對石化輔助燃料氣體供應單元104之依賴程度，甚至能作為銜接於態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103之後，供給處理後尾氣排放單元操作106之需，實質提升處理VOC廢氣之能源效率。

當然，本發明一種結合固態氧化物燃料電池(SOFC)系統與光觸媒催化反應系統之有機廢氣處理之方法與裝置還可於固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103之電流輸出端直接進行電壓穩壓或升壓之輔助系統操作，以提高經由固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統103產生電能之使用可行性與彈性，並進一步能作為其他電力需求裝置之能源供應。

如第2圖所示，為本發明一種結合固態氧化物燃料電池(SOFC)系統與光觸媒催化反應系統之有機廢氣處理之方法與裝置之第二實施例，其中，作為固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統裝置207所排放尾氣之處理方式為一尾氣熱交換及濕度控制模組209與光觸媒反應系統裝置210，而連動的控制單元包括了電流監測系統208、紫外光電力控制單元212及VOC濃度與 TOC分析單元211等，其主要功能為根據固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統裝置207所產生的電力經由電流監測系統208之分析，配合VOC濃度與TOC分析單元211偵測光觸媒反應系統裝置210所排放尾氣所殘存之VOC濃度及TOC值，進行對紫外光電力控制單元212的回授控制，得以間接調整光觸媒反應系統裝置210內之紫外光源照射強度，以調整光觸媒反應系統裝置210對固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統裝置207所排放VOC尾氣之處理能力；而尾氣熱交換及濕度控制模組209的功用主要是降低進入光觸媒反應系統裝置210之尾氣溫度，並將部分從高溫狀態下由固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統裝置207排出尾氣之熱值回收，同時調整尾氣進入光觸媒反應系統裝置210前之濕度條件，以利光觸媒催化反應之進行；對於進入固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統裝置207的VOC廢氣，則同時進行溫濕度與流量的控制，從VOC廢氣進料控制單元201所提供的VOC廢氣，經由VOC廢氣濕度控制單元203的調整濕度，以及VOC濃度分析單元202的即時分析，並佐以輔助燃料供應控制單元205適時提供足夠之輔助燃料，在經由流量&溫度控制單元204控制進入固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統裝置207的廢氣溫度與流量，並於固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統裝置207發生氧化分解VOC之行為同時，以溫度控制器206良策並控制固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統裝置207之操作溫度，期以達成一穩定且高效率之VOC分解氧化行為，並能達成穩定之電流輸出；本實施案例分別針對進入固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統裝置207之VOC廢氣輸送加以進行監測與控制，可使第一階段之高濃度VOC廢氣快速於高溫環境中分解氧化，並且產生電力，以供下一階段光觸媒催化反應低濃度尾氣之監測評估，而第二階段之VOC濃度與TOC分析單元211與紫外光電力控制單元212也與光觸媒反應系統裝置210形成一回授控制子系統，主要藉由第二階段反應完成之最終尾氣監測，搭配電流監測系統208對固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統裝置207之反應效能分析，能及早針對不穩定的VOC濃度變化，加以預先提升光觸媒反應系統裝置210之光催化能力，避免最終尾氣排放之不穩定性。

可以理解的，對於本領域的普通技術人員來說，可以根據本創作的技術方案和技術構思作出各種相應的等效改變，而所有的這些等效改變都應屬於本創作的權利要求的保護範圍。

101‧‧‧工廠產生VOC廢氣單元

102‧‧‧濃縮VOC廢氣單元

103‧‧‧固態氧化物燃料電池(SOFC)－燃料電池反應系統

104‧‧‧石化輔助燃料氣體供應單元

105‧‧‧分析轉換電流特性系統

106‧‧‧處理後尾氣排放單元

107‧‧‧其他後續處置方式

201‧‧‧VOC廢氣進料控制單元

202‧‧‧VOC濃度分析單元

203‧‧‧VOC廢氣濕度控制單元

204‧‧‧流量&溫度控制單元

205‧‧‧輔助燃料供應控制單元

206‧‧‧溫度控制器

207‧‧‧固態氧化物燃料電池(SOFC)反應系統裝置

208‧‧‧電流監測系統

209‧‧‧尾氣熱交換及濕度控制模組

210‧‧‧光觸媒反應系統裝置

211‧‧‧VOC濃度與TOC分析單元

212‧‧‧紫外光電力控制單元

第1圖是本發明第一實施例的構想流程圖；第2圖是本發明第一實施例的方法與裝置程序示意圖；