TWI466711B

TWI466711B - 一種低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統

Info

Publication number: TWI466711B
Application number: TW102135119A
Authority: TW
Inventors: Chungsying Lu; Fengsheng Su
Original assignee: Nat Univ Chung Hsing
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-01-01
Also published as: TW201511816A

Description

一種低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統

本發明是有關於一種二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，特別是指一種可以有效吸附並濃縮工業排放廢氣中二氧化碳的系統，使二氧化碳能夠再回收利用，並且還能利用微藻將二氧化碳轉變成生質柴油，製成能源產品。

隨著溫室效應日漸顯著，京都議定書也正式生效，同時二氧化碳捕獲及封存技術(Carbon dioxide Capture and Storage，簡稱CCS)也於2005年被聯合國之IPCC組織評估為可行方式之一，相關文獻與專利不勝枚舉。其中包括最普遍被探討的濕式吸收MEA法、乾式吸附法、薄膜法等。

經搜尋二氧化碳吸附相關專利，有TW176857、TW592788及TW455505、CN200720034121.6等，然於前揭專利中的應用範圍或其所使用之材料均與本申請專利案不相同，另外，US 6,387,337 B1是使用鹼金屬(alkali metals)或鹼土金屬(alkali earth metals)做為吸附材，於一個雙床式反應器中與二氧化碳溫室氣體反應，其所使用之吸附材及裝置亦與本申請專利案不相同。

因此，一種系統化且具有低耗能的二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統為相關學業界發展目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種系統化且具有低耗能的二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統。

於是本發明一種低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，包含一個低耗能二氧化碳吸脫附裝置、一個二氧化碳濃縮收集裝置，及一個二氧化碳轉化生質能源裝置，該低耗能二氧化碳吸脫附裝置包括一個用於去除待處理廢氣中硫氧化物的除硫氧化物器、一個用於調整待處理廢氣的溫濕度的調溫器、一個用於吸附待處理廢氣中之二氧化碳的二氧化碳吸附器、一個用於脫附該二氧化碳吸附器所捕獲的二氧化碳的二氧化碳脫附器，及一個用於回收吸附熱的熱回收器，該熱回收器將回收吸附熱提供給該二氧化碳脫附器作為脫附二氧化碳熱能以脫附二氧化碳，該二氧化碳濃縮收集裝置包括一個用於收集該二氧化碳脫附器釋出的高濃度二氧化碳的高濃度二氧化碳收集器、一個用於收集該二氧化碳脫附器釋出的低濃度二氧化碳的低濃度二氧化碳收集器、一個二氧化碳儲存器，及一個用於加強該二氧化碳脫附器脫附二氧化碳的真空幫浦，該真空幫浦的真空範圍為絕對壓力0.1~0.9bar，該二氧化碳轉化生質能源裝置包括一個加壓的二氧化碳微藻吸收器，該二氧化碳微藻吸收器的壓力為小於3kg/cm2。

本發明所述的低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，其中，該低耗能二氧化碳吸脫附裝置的二氧化碳吸附器為固定式填充床。

本發明所述的低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，其中，該低耗能二氧化碳吸脫附裝置的二氧化碳吸附器為流體化床。

本發明所述的低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，其中，該低濃度二氧化碳收集器為二氧化碳吸附器。

本發明所述的低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，其中，該低濃度二氧化碳收集器為壓力桶槽。

本發明所述的低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，其中，該二氧化碳微藻吸收器吸收二氧化碳與廢水中氮磷，使藻體增生，產出之藻體經由轉酯化後產生生質柴油，廢水也因減少氮磷而淨化。

本發明所述的低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，其中，還包含一個設置於該調溫器與該二氧化碳吸附器間的風車。

本發明所述的低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，其中，該二氧化碳吸附器內填充有二氧化碳吸附材並內含有熱流管，熱流管內通入流體，由外部常溫冷卻器通入常溫流體至熱流管中，控制該二氧化碳吸附器內的二氧化碳吸附材溫度，該二氧化碳吸附材為可重覆再生使用的二氧化碳吸附材，為經APTS改質奈米碳管、經 TEPA改質奈米碳管、經TEPA改質之矽鋁比六十的Y型沸石、13X沸石或NaY沸石。

本發明所述的低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，其中，二氧化碳吸附材由一個入料口進入該二氧化碳吸附器，已淨化之廢氣流出該二氧化碳吸附器並流經一個再生吸附材收集器，利用已淨化之廢氣冷卻再生吸附材並將再生吸附材攜帶至一個再生吸附材集料器，再生吸附材沉澱於該再生吸附材集料器中再輸送回該二氧化碳吸附器的入料口。

本發明所述的低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，其中，該二氧化碳微藻吸收器以複數串聯方式連結，外殼為透明材質可使光線透入至二氧化碳微藻吸收器中，串聯的二氧化碳微藻吸收器可增加二氧化碳於液相中停留之時間、可維持系統之壓力，以及提高微藻吸收二氧化碳之效率。

本發明之功效在於利用吸脫附作用將二氧化碳從煙道氣中分離並濃縮收集，過程中以該熱回收器回收吸附熱並提供給該二氧化碳脫附器作為脫附熱使用，此可有效降低能源使用與成本，達到節能減碳之目的，吸附濃縮之二氧化碳能夠回收至工業使用，並且可作為微藻之碳源，生產微藻並再轉化為生質柴油，除了達到減碳效益外，又能讓二氧化碳再利用，增加經濟效益兼具環保。

100‧‧‧低耗能二氧化碳吸脫附裝置

10‧‧‧除硫氧化物器

20‧‧‧調溫器

25‧‧‧風車

30‧‧‧二氧化碳吸附器

30f‧‧‧二氧化碳吸附器

31‧‧‧二氧化碳吸附材

31a‧‧‧再生吸附材

32‧‧‧含二氧化碳待處理廢氣

33‧‧‧熱流管

34‧‧‧常溫冷卻器

35‧‧‧熱回收器

36‧‧‧再生吸附材收集器

37‧‧‧二氧化碳吸附材

38‧‧‧入料口

39‧‧‧出料口

40‧‧‧二氧化碳脫附器

41‧‧‧再生吸附材集料器

500‧‧‧二氧化碳濃縮收集裝置

50‧‧‧高濃度二氧化碳收集器

51‧‧‧二氧化碳儲存器

52‧‧‧負壓收集室

55‧‧‧真空幫浦

56‧‧‧氣體壓縮器

59‧‧‧低濃度二氧化碳收集器

600‧‧‧二氧化碳轉化生質能源裝置

60‧‧‧二氧化碳微藻吸收器

61‧‧‧微藻過濾器

62‧‧‧轉酯器

63‧‧‧藻液

64‧‧‧增壓後低濃度二氧化碳

65‧‧‧藻體

A‧‧‧待處理廢氣

B‧‧‧高濃度二氧化碳

B2‧‧‧低濃度二氧化碳

C‧‧‧製程廢熱

D‧‧‧已淨化之廢氣

E‧‧‧生質柴油

F‧‧‧工業原料

G‧‧‧淨化廢氣排出口

H‧‧‧廢水

I‧‧‧淨化過廢水

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1為本發明一種低耗能二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統的較佳實施例的示意圖；圖2為本發明具體實施例一的示意圖；圖3為本發明具體實施例二的示意圖；圖4為本發明具體實施例三的示意圖；圖5為本發明具體實施例三的二氧化碳脫附濃度的示意圖；及圖6為本發明具體實施例四的示意圖。

參閱圖1，本發明低耗能二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統之較佳實施例包含一個低耗能二氧化碳吸脫附裝置100、一個二氧化碳濃縮收集裝置500，及一個二氧化碳轉化生質能源裝置600。

該低耗能二氧化碳吸脫附裝置100包括一個用於去除待處理廢氣A中硫氧化物的除硫氧化物器10、一個用於調整待處理廢氣A的溫濕度的調溫器20、一個用於吸附待處理廢氣A中之二氧化碳的二氧化碳吸附器30、一個用於脫附該二氧化碳吸附器30所捕獲的二氧化碳的二氧化碳脫附器40，及一個用於回收吸附熱的熱回收器35。

該二氧化碳吸附器30可以為固定式填充床(如圖2)或流體化床(如圖3的該二氧化碳吸附器30f)。

當該二氧化碳吸附器30為流體化床時，該二氧化碳吸附器30是由多個改質的二氧化碳吸附材31經過流體化床組合而成。待處理廢氣A流經該二氧化碳吸附器，其待處理廢氣A內包含的二氧化碳即被二氧化碳吸附材31所吸附，完成二氧化碳之吸附作用。

為了提升該二氧化碳吸附器30的吸附能力，並降低能源消耗，達成真正降低二氧化碳排放之目的，進一步使用該熱回收器35於低耗能二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統中。

該熱回收器35用於回收該二氧化碳吸附器30吸附二氧化碳同時所釋放的吸附熱，並有常溫冷卻器34帶入的低溫可降低該二氧化碳吸附器30的溫度，以能夠穩定該二氧化碳吸附器30的吸附能力。

該熱回收器35也用於將回收的吸附熱提供給該二氧化碳脫附器40，提高該二氧化碳脫附器40脫附二氧化碳的效能，該熱回收器35也可以將製程廢熱C(例如煙氣的廢熱)提供給該二氧化碳脫附器40，使該二氧化碳脫附器40得以快速升溫將二氧化碳脫附出來，該二氧化碳脫附器40較佳的脫附溫度為80~160℃。

配合參閱圖4，該二氧化碳濃縮收集裝置500包括一個用於收集該二氧化碳脫附器40釋出的高濃度二氧化碳B的高濃度二氧化碳收集器50、一個用於收集該二氧化碳脫附器40釋出的低濃度二氧化碳B2的低濃度二氧化碳收集器59、一個二氧化碳儲存器51，及一個用於加強該二氧化碳脫附器40脫附二氧化碳的真空幫浦55，該真空幫浦55的真空範圍為絕對壓力0.1~0.9bar。

該二氧化碳脫附器40會釋出高濃度二氧化碳B(90~99%)，並儲存於該高濃度二氧化碳收集器50中，該高濃度二氧化碳收集器50透過維持些微負壓使二氧化碳流入該高濃度二氧化碳收集器50的負壓收集室52中，此高濃度二氧化碳B可作為工業原料F。當該二氧化碳脫附器40將殘餘較低濃度二氧化碳B2(小於90%)釋出時(如圖5濃度曲線)，低濃度二氧化碳B2由該真空幫浦55以負壓0.1~0.3bar抽出並儲存於該低濃度二氧化碳收集器59中。

該低濃度二氧化碳收集器59可為二氧化碳吸附器或壓力桶槽，若該低濃度二氧化碳收集器59為二氧化碳吸附器時，其操作如該低耗能二氧化碳吸脫附裝置的該二氧化碳吸附器40：吸附飽和後進入脫附程序可再將二氧化碳濃度提高提純；若該低濃度二氧化碳收集器59為壓力桶槽時，二氧化碳經些微加壓後以穩定壓力將二氧化碳輸送至一個二氧化碳微藻吸收器60。

該二氧化碳轉化生質能源裝置600包括一個加壓的該二氧化碳微藻吸收器60。

該二氧化碳微藻吸收器60將回收的二氧化碳作為碳源，以廢水中氮磷、氨氮與亞硝酸作為氮源，使藻體增生，生產藻體並且同時淨化水質，該二氧化碳微藻吸收器60吸收二氧化碳與廢水，使產出之藻體經由轉酯化產生生質柴油E，生質柴油E為由廢水與廢氣生成之環保綠色燃料，廢水也因減少氮磷而淨化。

該二氧化碳微藻吸收器60的壓力為小於3 kg/cm² 。

關於微藻的相關詳細說明如後：在提供壓力情況下可增加二氧化碳於藻液中之溶解度，並且以微氣泡曝氣盤(圖未示)產生二氧化碳微氣泡，易使藻液吸收二氧化碳並轉化為藻體，串聯的二氧化碳微藻吸收器60內有藻液與一般水或經過二級廢水處理之含氨氮的水，微藻以二氧化碳作為碳源，以廢水中氨氮與亞硝酸作為氮源，生產藻體並且淨化水質，較佳之藻液含有小球藻類(Chlorella vulgaris)之微藻，pH值為6~7為佳，二氧化碳濃度以小於30%為佳，二氧化碳壓力為小於2kg/cm² 為佳，氨氮為小於10mg/l為佳。

吸收二氧化碳生成之微藻經過轉酯化反應後，產物為甘油與脂肪酸甲酯(Fatty Acid Methyl Esters；FAME)，也就是所謂的生質柴油E，微藻中具有油脂成分，以三酸甘油脂(Triacylglycerols)為主，化學結構為一分子的甘油和三分子的脂肪酸結合而成，三酸甘油脂與甲醇與催化劑進行轉酯化反應後，產生甘油與脂肪酸甲酯，即為生質柴油E，微藻生質柴油製備的步驟詳細如下。

前處理步驟：破碎藻體的細胞壁，其可為微波法、微珠擊打法、超音波法、高壓滅菌法、均質法等。

皂化反應步驟：微藻油脂中含有部分油離脂肪酸、水分與沉澱物，於轉酯化過程中容易產生皂化物，影響轉酯化速率，故透過添加鹼性催化劑如氫氧化鉀、氫氧化納，將油離脂肪酸反應成水溶性的脂肪酸鹽，以利後續的轉酯化反應進行。

轉酯化步驟：如同前述，醇類與三酸甘油脂反應，加入適當的催化劑加速轉酯化，即可生成脂肪酸酯與甘油。

如圖1所示，含二氧化碳之待處理廢氣自廢氣出口A進入低耗能二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統，經該除硫氧化物器10、該調溫器20、一個風車25、該二氧化碳吸附器30與該二氧化碳脫附器40，廢氣中二氧化碳經吸附後排出已淨化之廢氣D與分離出之高濃度二氧化碳B。

該熱回收器35回收該二氧化碳吸附器30產生的吸附熱與製程廢熱C，並將回收之熱能回饋至該二氧化碳脫附器40，節省大量能源消耗。由該二氧化碳脫附器40所產生的高濃度二氧化碳B由該高濃度二氧化碳收集器50儲存，可將高濃度二氧化碳B作為工業原料F使用，低濃度二氧化碳B2(參閱圖4)供給微藻作為碳源利用，最後將微藻轉化生產出生質柴油E。

<具體實施例一>

參閱圖1與圖2，該風車25於調溫器20後端用於抽入含二氧化碳待處理廢氣32，因大多數煙道氣體含有硫氧化物，為避免影響該二氧化碳吸附器30，先將待處理廢氣A經除該硫氧化物系統10，再進入該調溫器20以調整待處理廢氣A的溫度，同時也能調節待處理廢氣A的濕度，並能保護該風車25。

該二氧化碳吸附器30內填充有二氧化碳吸附材 31，並內含有熱流管33(為圖2中所指虛線處)，熱流管33內通入流體可為熱媒油或水，由外部常溫冷卻器34通入常溫流體至熱流管33中，控制該二氧化碳吸附器30內的吸附材31溫度維持常溫，將吸附時之吸附熱能導出該二氧化碳吸附器30至該熱回收器35，並提供給該二氧化碳脫附器40熱能，達到低耗能的二氧化碳處理技術。

該二氧化碳之吸附材31會針對待處理廢氣中之二氧化碳進行二氧化碳之吸附作用，以吸附淨化待處理廢氣中的二氧化碳，完成二氧化碳之吸附作用，最後經吸附淨化二氧化碳的淨化氣體再流出該二氧化碳吸附器30，流經氣體出口D排出。

該二氧化碳吸附材31為可重覆再生使用的吸附材，可為經APTS改質奈米碳管、經TEPA改質奈米碳管、經TEPA改質之矽鋁比六十的Y型沸石、13X沸石或NaY沸石。

該二氧化碳吸附器30可為固定式填充床或流體化床(圖3)，若為固定式填充床則該二氧化碳吸附器30也具有脫附器功能，成為雙床式或多床式該二氧化碳吸、脫附器30、40(圖2)，固定式填充床數目可依二氧化碳處理量與吸脫附之時間來決定。該二氧化碳脫附器40內的二氧化碳吸附材37達吸附飽和後實施二氧化碳脫附，除了該熱回收器35所回收的吸附熱可供該二氧化碳脫附器40利用外，一般二氧化碳吸附材37的脫附熱通常比吸附材31的吸附熱值要高，所以再加上回收的製程廢熱C給予該熱回收器35增加熱值，就能足夠該二氧化碳脫附器40內的二氧化碳吸附材37脫附二氧化碳。

<具體實施例二>

參閱圖1與圖3，該二氧化碳吸附器30f可為流體化床，適合處理大風量的廢氣，如燃煤電廠的大型煙道廢氣，該二氧化碳吸附器30f是由多個改質的二氧化碳吸附材31經過流體化床組合而成。

進入該二氧化碳吸附器30f後，待處理廢氣往上方流動，二氧化碳吸附材31由上方的一個入料口38進入，二氧化碳吸附材31並由一個出料口39流至該二氧化碳脫附器40，待處理廢氣包含的二氧化碳為二氧化碳吸附材31所吸附，已淨化之廢氣D流出該二氧化碳吸附器30f，並流經一個再生吸附材收集器36，利用已淨化之廢氣D冷卻再生吸附材31a，並利用已淨化之廢氣D氣流將再生吸附材31a攜帶至一個再生吸附材集料器41，最後已淨化之廢氣D於該再生吸附材集料器41排出，而再生吸附材31a沉澱於該再生吸附材集料器41中，再生吸附材31a再由該再生吸附材集料器41輸送回該二氧化碳吸附器30f的該入料口38進行二氧化碳吸附，如此循環運作，節省冷卻與再生吸附材31a輸送之能源使用。

<具體實施例三>

參閱圖1、圖4與圖5，包含該高濃度二氧化碳收集器50、一個氣體壓縮器56、該二氧化碳儲存器51、該低濃度二氧化碳收集器59、該真空幫浦55及該二氧化碳微藻吸收器60。

該二氧化碳脫附器40首先釋出高濃度的二氧化碳B，當濃度高於目標回收濃度C1時，C1為例如30%，二氧化碳B以該高濃度二氧化碳收集器50收集，該高濃度二氧化碳收集器50內含複數個負壓收集室52，依序收集高濃度的二氧化碳B，再由該氣體壓縮器56抽出並壓縮至該二氧化碳儲存器51，後續再作為工業原料F。

剩餘殘餘的二氧化碳濃度小於C1的低濃度二氧化碳B2以該真空幫浦55抽出至該低濃度二氧化碳收集器59，其原理則為變壓變溫吸脫附法，抽出的低濃度二氧化碳B2可以經加壓至該二氧化碳微藻吸收器60處理，或可回流至該二氧化碳吸附器30再提高濃度。

<具體實施例四>

參閱圖1與圖6，該低濃度二氧化碳收集器59將加壓(小於3kg/cm² )的低濃度二氧化碳64送至該二氧化碳微藻吸收器60，該二氧化碳微藻吸收器60以複數串聯方式連結，微藻種類可為小球藻種等具高油脂含量之藻種，增壓後低濃度二氧化碳64通入串聯的二氧化碳微藻吸收器60，供微藻吸收二氧化碳後再從淨化廢氣排出口G排出，串聯的二氧化碳微藻吸收器60可增加二氧化碳於液相中停留之時間、可維持系統之壓力，以及提高微藻吸收二氧化碳之效率。

該等二氧化碳微藻吸收器60的外殼為透明材質，可使光線透入至該等二氧化碳微藻吸收器60中，以具體實施例四使用淡水小球藻，可將低濃度二氧化碳64的濃度從30%降至0.1%以下，此外，以廢水H中的氨氮作為微藻的氮源。由二氧化碳微藻吸收器60產生之藻液63排出至一個微藻過濾器61分離藻體65與淨化過廢水I，然後經一個轉酯器62將藻體65轉換成生質柴油E。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。