TWI579505B - 串聯式流體化床 - Google Patents

Description

串聯式流體化床

本發明係有關一種串聯式流體化床，特別是指一種用於化學迴圈程序(Chemical Looping Process)的串聯式流體化床。

自工業革命以來，人類為了追求經濟成長，大量使用煤、石油等化石燃料，造成大氣中溫室氣體濃度大幅增加，產生的溫室效應使得全球地表平均氣溫上升，對地球環境與全球氣候產生了相當嚴重的影響。2005年2月生效之抑制全球溫室氣體排放的「京都議定書」明定針對6種溫室氣體進行削減，包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物及六氟化硫。其中，二氧化碳屬對全球升溫的影響也最大的溫室氣體，因此，二氧化碳減量及捕集技術已成為各國積極發展的議題。

就二氧化碳減量及捕集技術而言，化學迴圈程序(Chemical Looping Process)為一項具有二氧化碳捕獲能力的能源技術，可產出熱能作為發電使用，同時不需使用額外的氣體分離單元即可產生純度95%以上之二氧化碳。

化學迴圈程序具有不需二氧化碳分離程序與高能源效益等優點，此一技術主要是利用以金屬氧化物為主的載氧體，在燃料反應器(Fuel reactor)中與燃料進行反應。其反應機制為：載氧體因失去氧而還原為金屬，燃料則與氧結合產生以二氧化碳與水蒸氣為主的生成氣體離開反應器；此生成氣經過污染物去除及水蒸氣冷凝後，即可得到純度大於95%的二氧化碳。

另一方面，被還原的金屬則送入空氣反應器(Air reactor)與空氣中氧氣進行氧化，並重新生成金屬氧化物後再送回燃料反應器。簡言之，化學迴圈程序可透過載氧體將空氣中的氧以氧化物的形式傳輸至燃料反應器，使燃料得以與高純度的氧進行燃燒，並產生高純度的二氧化碳，如此純量的二氧化碳可直接進行封存或是再利用，而不需經過高耗能的氣體分離程序。

依據燃料反應器中載氧體輸送的模式，用於化學迴圈程序的系統可分為流體化床及移動床反應器系統。流體化床反應器(fluidized bed reactor)是國際上研究化學迴圈程序所使用的主要反應器。具體而言，該流體化床反應器係一雙槽串聯式流體化床反應器，其係由空氣反應器及燃料反應器所組成。流體化床反應器的操作在常壓下進行，在燃料反應器中，載氧體與燃料反應還原後經溢流裝置進入空氣反應器，而載氧體在空氣反應器中氧化後被高速氣流帶入旋風分離器中進行氣固分離，分離出的載氧體顆粒進入燃料反應器中重新進行還原反應。該反應器的優點是能夠使氣體和固體在高速提升流體化床中強烈的混合接觸，高速上升流體化床的氣流亦能夠提供足夠的驅動力，使載氧體在兩個流體化床中可持續進行迴圈。

上述流體化床反應器的設計須滿足下列基本需求：(1)載氧體的氧是否可有效傳送至燃料反應器進行反應、(2)載氧體在兩反應器間之循環順暢度，以及(3)燃料反應器與空氣反應器的隔絕度。就需求(2)而言，若載氧體流動不順而產生阻塞，將會使載氧體磨耗增加，進而增加操作成本，同時影響化學迴圈燃燒系統的效能；而就需求(3)而言，燃料反應器與空氣反應器間不良的隔絕度可能使燃料反應器出口氣體的二氧化碳濃度被稀釋而降低二氧化碳的捕集率。

除此之外，流體化床反應器常用的氣體燃料係以甲烷(CH₄)、一氧化碳及氫氣的混合物(CO+H₂)、液化天然氣(LNG)等為主， 因此，若反應器系統設計不當，該等燃料，例如極易燃的一氧化碳與可燃的氫氣，可能由溢流裝置進入空氣反應器，與空氣反應器中的物質反應而有安全上的風險。

有鑑於此，有需要提供一種經改良的串聯式流體化床，其可以確保空氣反應器及燃料反應器之間載氧體循環順暢度，藉此增長載氧體的使用壽命及迴圈數，進而改善成本效益。另一方面，亦需解決由於燃料反應器中的燃料進入空氣反應器而衍生的安全問題。

本發明的主要目的之一在於提供一種串聯式流體化床，其可有效提升其中使用之載氧體的循環效率，同時避免燃料反應器中的燃料流通至空氣反應器而有安全上的風險。

本發明之串聯式流體化床包括：一燃料反應器、一空氣反應器、及一具有一擋板的環封裝置。其中，該環封裝置經由一第一輸送管連接該燃料反應器，並經由一第二輸送管連接該空氣反應器；該燃料反應器的頂部及該空氣反應器的頂部相互連接以形成一化學迴圈；且該第一輸送管及一第二輸送管都相對於水平面呈傾斜設置。

本發明可有效改良串聯式流體化床中之燃料反應器及空氣反應器之間載氧體的流動效果，且可避免反應器中的燃料通過環封裝置流至空氣反應器。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

100‧‧‧串聯式流體化床

1‧‧‧燃料反應器

11‧‧‧第一氣體輸入端

12‧‧‧第一氣體輸出端

13‧‧‧載氧體進料端

14‧‧‧內管

15‧‧‧測壓點

2‧‧‧空氣反應器

21‧‧‧第二氣體輸入端

25‧‧‧測壓點

3‧‧‧環封裝置

31‧‧‧第三氣體輸入端

32‧‧‧擋板

33‧‧‧底端

41‧‧‧第一輸送管

42‧‧‧第二輸送管

5‧‧‧迴流裝置

θ₁‧‧‧第一角度

θ₂‧‧‧第二角度

h₁‧‧‧第一高度

h₂‧‧‧第二高度

圖1係本發明之一實施例的串聯式流體化床示意圖。

圖2係串聯式流體化床中化學迴圈程序的反應示意圖。

圖3係本發明之一實施例的串聯式流體化床之局部放大圖。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚顯示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件或信號等，但此等元件或信號不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，如本文中所使用，術語「或」視實際情況可能包括相關聯之列出項目中之任一者或者多者之所有組合。

圖1是本發明一較佳實施例的串聯式流體化床的示意圖。如圖1所示，該串聯式流體化床100包括一燃料反應器1、一空氣反應器2及一環封裝置3，其中該環封裝置3接設於該燃料反應器1與該空氣反應器2之間，且該燃料反應器1的頂部與該空氣反應器2的頂部相互連通，如此便形成了化學迴圈之封閉迴路。接下來將會先介紹燃料反應器1、空氣反應器2及環封裝置3各自的結構特徵，而後再適時地補充說明所述三者之間的連結關係。

該燃料反應器1用於將燃料氣體與載氧體進行燃燒反應；本實施例中，該燃料反應器1可為一流體化床，特別是，該燃料反應器1可為一低速氣泡流體化床；該燃料反應器1可由塑膠材料，諸如PVC，或金屬材料，諸如不鏽鋼所製成，但不在此限。該燃料反應器1在設計上，其具有位於底部的一第一氣體輸入端11、位於頂部的一第一氣體輸出端12、及位於該第一輸入端11與第二輸入端12之間的一載氧體進料端13；從功能上來看，該第一氣體輸入端11用於輸入燃料氣體，諸如甲烷或天然氣，該第一氣體輸 出端12用於將燃燒反應之產物排出該燃料反應器1，該載氧體進料端13用於在進行化學迴圈程序之首次燃燒反應之前供給載氧體粒子，且載氧體粒子可經由燃料氣體之載送而呈現流體化。

為確保反應進行完全，該燃料反應器1可具有一內管14，且該內管14從該第一氣體輸出端12往該第一氣體輸入端11的方向延伸，超越燃料反應器1與第一輸送管41的連接處。內管14的長度可依據實際需求加以調整。再者，該燃料反應器1可具有複數個測壓點15，用於測量該燃料反應器1中不同位置的氣體壓力，並依此計算出相對應的流體的流速，以判斷該燃料反應器1中的流體是否有充分混合或流體流動是否順暢。

該空氣反應器2用於將燃料反應器1中還原的載氧體氧化；該空氣反應器2可為一流體化床，特別是，該空氣反應器2可為一高速升流流體化床。空氣反應器2在設計上，其具有位於底部的一第二氣體輸入端21，用於通入空氣。類似地，該空氣反應器2可由塑膠材料，諸如PVC，或金屬材料，諸如不鏽鋼所製成，但不在此限；該空氣反應器2可具有複數個測壓點25，用於測量該空器反應器2中不同位置的氣體壓力，並依此計算出相對應的流體的流速，以判斷該空器反應器2中的流體是否有有充分混合或流體流動是否順暢。

於本實施例中，燃料反應器1的頂部與空氣反應器2的頂部可經由迴流裝置5相互連通。迴流裝置5可包括一旋風器(cyclone)及另一環封裝置(未圖示)。另外，本發明之空氣反應器2可連接至一蒸氣引擎(未圖示)，用於產生電力。

該環封裝置3用於防止該燃料反應器1中之燃料氣體和該空氣反應器2中之燃料氣體接觸而發生爆炸；該環封裝置3具有位於其底部的一第三氣體輸入端31，用於通入惰性氣體；藉由自該第三氣體輸入端31輸入惰性氣體，可幫助反應進行。該環封裝置3經由該第一輸送管41與該燃料反應器1相連接，並經由該第二 輸送管42與該空氣反應器2相連接。較佳的設計是，為改善載氧體流暢度與載氧體的磨耗程度，該第一輸送管41及該第二輸送管42相對於水平面呈傾斜設置，其中該第一輸送管41從該燃料反應器1向下傾斜延伸至該環封裝置3，也就是說該第一輸送管41與該燃料反應器1之主體之間具有一第一角度θ₁，較佳係介於30°至50°；該第二輸送管42從該環封裝置3向下傾斜延伸至該空氣反應器2，也就是說該第二輸送管42與該環封裝置3之間具有一第二角度θ₂，較佳係介於20°至50°。於另一較佳的設計中，環封裝置3與第一輸送管41的連接點至環封裝置3的底端33有一第一高度h₁，且環封裝置3與第二輸送管42的連接點至環封裝置3的底端33有一第二高度h₂。於一實施例中，h₁：h₂的比例是介於2：1至4：1之間。於另一實施例中，h₁：h₂的比例是2.5：1至4：1之間。當環封裝置3中h₁：h₂的比例於上述範圍內，於本發明之串聯式流體化床中的載氧體粒子具有較佳的流暢度，且可受到較少的磨耗。

該環封裝置3在設計上，其內部設有一由頂端內緣延伸所形成的擋板32。具體而言，擋板32延伸超過環封裝置3與空氣反應器2的連接處。透過擋板32的配置，可進一步界定出一U型通道；如此一來，由該第一輸送管41進入該環封裝置3中的物料得以從該擋板32一側之通道經擋板32下方而流動至該擋板32另一側之通道，並進入該第二輸送管42。

特別值得注意的是，本發明之串聯式流體化床提升了用於化學迴圈程序之載氧體的耐磨耗能力及循環使用次數(長期持續化學迴圈程序的能力)。更甚者，本發明之串聯式流體化床的設計可確保其中之化學迴圈程序可流暢進行。

本發明之串聯式流體化床的構成單元及其所致之功效說明如上。以下為將本發明之串聯式流體化床用於化學迴圈程序的詳細說明。

請一併參照圖1及圖2。圖2係串聯式流體化床中化學迴圈程序的反應示意圖。化學迴圈程序可藉由在燃燒期間將二氧化碳分離而進行二氧化碳的捕集。如前所述，用於化學迴圈程序的串聯式流體化床包括兩個反應器，即，圖1中所示之燃料反應器1及空器反應器2，並配合於反應過程中利用載氧體將氧自空氣反應器2傳輸至燃料反應器1。藉此方式，燃料與空氣從未被混合，且來自該燃料反應器1的氣體包含二氧化碳及水，而氮氣及過量的氧自該空氣反應器2作為一分離的氣體流離開該反應程序。

化學迴圈程序總反應方程式如下所示：C_nH_2m+(n+m/2)O₂ → mH₂O+nCO₂ [式1]

於本發明中，化學迴圈程序起始時，由惰性氣體流(例如，氮氣)攜帶之載氧體由該載氧體進料口13輸入該燃料反應器1，而燃料由該第一氣體輸入端11供給進入該燃料反應器1。一般而言，載氧體為一金屬氧化物粒子。用於本發明之串聯式流體化床的載氧體可依據金屬氧化物之氧相容性(oxygen capacity)、成本、反應性、機械強度(mechanical strength)及長期再循環性(long-term recyclability)等參數加以選擇。可用作載氧體的該金屬氧化物粒子一般包括以Fe、Ni、Cu、Mn及Co為主之金屬氧化物。可用於本發明之載氧體的實例包括、但不限於CuO、Fe₂O₃及TiO₂。用於本發明之串聯式流體化床的燃料較佳為一氣態燃料，該氣態燃料的實例包括、但不限於來自煤炭的天然氣及合成氣，諸如甲烷。該載氧體與該氣態燃料於該燃料反應器1內相混合並進行燃燒反應，反應式如下所示，其中Me代表金屬原子：C_nH_2m+(2n+m)Me_xO_y → nCO₂+mH₂O+(2n+m)Me_xO_y-1 [式2]

如上所示，反應後，該作為載氧體的金屬氧化物粒子被還原。該等經還原之載氧體接著經由該第一輸送管41流入該環封裝置3。另一方面，該燃料反應器1中的反應產物，主要為二氧化碳及 水，由該第一氣體輸出口12離開該燃料反應器1。離開該燃料反應器1的二氧化碳及水可經由一分離裝置(未圖示)，例如，冷陷阱(cold trap)，進行分離，藉此獲得高純度的二氧化碳。如此一來，可達到補集二氧化碳的功效。於該燃料反應器1的反應期間，可透過該等測壓點15測量該燃料反應器1不同區段的壓力，用於監控反應是否順利進行。

請參照圖3，該等經還原之載氧體由該第一輸送管41流入該經惰性氣體加壓的環封裝置3後，沿著該擋板32的一側向下流動並通過該U型通道。於該U型通道的底端，由該第三氣體輸入端31供給之惰性氣體(例如，氮氣)可使該等經還原之載氧體沿該擋板32的另一側向上流動，並由該第二輸送管42流入該空氣反應器2。藉由控制由該第三氣體輸入端31供給之惰性氣體的流速，可有效利用該環封裝置3中之該擋板32來避免氣態燃料進入該空氣反應器2中，藉此降低燃料與該空氣反應器2中的空氣發生反應所致的燃燒及爆炸等風險。

該等經還原之載氧體由該第二輸送管42流入該空氣反應器2後，與由該第二氣體輸入端21供給之加壓空氣中的氧氣發生反應，反應式如下所示，其中Me代表金屬原子：Me_xO_y-1+½O₂ → Me_xO_y [式3]

如上所示，反應後，於該燃料反應器1中還原的金屬氧化物粒子被氧化而成為富氧之載氧體。該等富氧之載氧體沿該空氣反應器2向上流動，通過該迴流裝置5回到該燃料反應器1。該富氧之載氧體於該燃料反應器1中可於下一個操作循環中與燃料反應而生成二氧化碳及水。特別是，該等富氧之載氧體可由該燃料反應器1的內管14向下流動至該第一氣體輸入端11上方，由此可確保該等富氧之載氧體不會在未與燃料反應前進入該第一輸送管41，藉此確保反應效率。在一實施例中，該迴流裝置5包括一旋風器(cyclone)，因此，於該空氣反應器2中的富氧之載氧體及其 他副產物或雜質(例如灰燼)可先進入該旋風器，藉此將不利於反應的物質分離，再將剩餘的載氧體粒子流動回到該燃料反應器1進行下一次操作。

於本發明之一實施例中，該第一氣體輸入端11是高於該第二氣體輸入端21。此設計是有利於該第一輸送管41及該第二輸送管42與環封裝置3的適當配置，藉此改良促進該串聯式流體化床1中物料流動的順暢度。

〔實施例〕

請參照表1，其中實驗例1~10係在固定該第一角度θ₁及該第二角度θ₂之其中一者，改變該第一角度θ₁及該第二角度θ₂之另一者的情況下進行化學迴圈程序所測得的載氧體流暢度及載氧體磨耗程度。實驗例1~10中，若載氧體在測試過程流動不順暢、部份接管處架橋、卡粉或是壓力過大導致反應器爆裂，而導致無發順利進行，則判定載氧體流暢度為失敗，否則判定為通過。另外，載氧體磨耗度係藉由測量載氧體粒子之重量損失而計算。

由上表中的實驗數據可知，當該第一角度θ₁及第二角度θ₂分別為50°及30°、分別為40°及30°以及分別為30°及40°時，可達成較佳的載氧體流暢度及最佳的載氧體磨耗程度。請參照表2，其中實驗例1~9係在該第一角度θ₁及該第二角度θ₂分別為50°及30°時，固定該第一高度h₁及該第二高度h₂之其中一者，改變該第一高度h₁及該第二高度h₂之另一者的情況下進行化學迴圈程序所測得的載氧體流暢度及載氧體磨耗程度。實驗例1~9中，若載氧體在測試過程流動不順暢、部份接管處架橋、卡粉或是壓力過大導致反應器爆裂，而導致無發順利進行，則判定載氧體流暢度為差，否則判定為佳。另外，載氧體磨耗度係藉由測量載氧體粒子之重量損失而計算。

*實驗例9換算後的h₁：h₂為2.5：1

由上表中的實驗數據可知，當該第一高度h₁及第二高度h₂的比例在2：1至4：1的範圍內，可達成較佳的載氧體流暢度及較低的載氧體磨耗程度。另外，當該第一高度h₁及第二高度h₂的比例在2.5：1至4：1的範圍內，本發明的串聯式流體化床可獲得最佳的載氧體流暢度及最低的載氧體磨耗程度。

本發明之串聯式流體化床100中該燃料反應器1、該空氣反應器2，及該環封裝置3的尺寸、配置高度及其等之間的配置關係可配合上述第一角度θ₁、第二角度θ₂、第一高度h₁及第二高度h₂，以及其他實驗需求而改變。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。

100‧‧‧串聯式流體化床

1‧‧‧燃料反應器

11‧‧‧第一氣體輸入端

12‧‧‧第一氣體輸出端

13‧‧‧載氧體進料端

14‧‧‧內管

15‧‧‧測壓點

2‧‧‧空氣反應器

21‧‧‧第二氣體輸入端

25‧‧‧測壓點

3‧‧‧環封裝置

31‧‧‧第三氣體輸入端

32‧‧‧擋板

33‧‧‧底端

41‧‧‧第一輸送管

42‧‧‧第二輸送管

5‧‧‧迴流裝置

θ₁‧‧‧第一角度

θ₂‧‧‧第二角度

h₁‧‧‧第一高度

h₂‧‧‧第二高度

Claims (8)

1. 一種串聯式流體化床，其包括：一燃料反應器；一空氣反應器，其與該燃料反應器相互連通；以及一環封裝置(loop seal)，其接設於該燃料反應器與該空氣反應器之間，該環封裝置具有一擋板；其中，該環封裝置經由一第一輸送管以連接至該燃料反應器，該環封裝置經由一第二輸送管以連接至該空氣反應器，且該第一輸送管及該第二輸送管都相對於一水平面呈傾斜設置。
2. 如請求項1之串聯式流體化床，其中該第一輸送管是從該燃料反應器向下傾斜延伸至該環封裝置，且該第二輸送管是從該環封裝置向下傾斜延伸至該空氣反應器。
3. 如請求項1之串聯式流體化床，其中該第一輸送管與該燃料反應器之間具有一介於30°至50°之間的第一角度。
4. 如請求項3之串聯式流體化床，其中該第二輸送管與該空氣反應器之間具有一介於20°至50°之間的第二角度。
5. 如請求項1之串聯式流體化床，其中該環封裝置與該第一輸送管的一連接點至該環封裝置之底端有一第一高度，該環封裝置與該第二輸送管的一連接點至該環封裝置之底端有一第二高度，且該第一高度與該第二高度的比例是介於2：1至4：1之間。
6. 如請求項5之串聯式流體化床，其中該第一高度與該第二高度的比例是介於2.5：1至4：1之間。
7. 如請求項1之串聯式流體化床，其中該擋板於該環封裝置中形成一U型流動通道，用以允許該燃料反應器中的物料沿該U型流動通道流動至該空氣反應器。
8. 如請求項1之串聯式流體化床，其中該燃料反應器的頂部及該 空氣反應器的頂部通過一迴流裝置而相互連通。