TWI614058B - 氣體中的目標成分的捕獲裝置與捕獲方法 - Google Patents

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Abstract

一種氣體中的目標成分的捕獲裝置，包括旋轉填充床及固定床。旋轉填充床具有第一吸收劑入口、第一吸收劑出口、第一氣體入口與第一氣體出口。固定床具有第二吸收劑入口、第二吸收劑出口、第二氣體入口與第二氣體出口。第一吸收劑出口連通至第二吸收劑入口，而形成依序通過旋轉填充床與固定床的吸收劑流路。第二氣體出口連通至第一氣體入口，而形成依序通過固定床與旋轉填充床的氣體流路。

Description

氣體中的目標成分的捕獲裝置與捕獲方法
本發明是有關於一種氣體中的目標成分的捕獲裝置與方法，特別是有關於一種同時使用固定床與旋轉填充床對氣體中的目標成分進行捕獲的裝置與方法。
化石燃料和碳密集型產業在經濟發展發揮主導作用，但會產生大量的溫室氣體，如二氧化碳等。為符合全球溫室氣體減量趨勢及減碳目標，溫室氣體的捕獲技術研究與發展勢在必行。
化學吸收法為目前最主要的溫室氣體捕獲方法，常見的技術為固定床(Packed Bed，PB)捕獲技術與旋轉填充床(Rotating Packed Bed，RPB)捕獲技術。
然而，固定床捕獲技術由於氣液間質傳效率的限制，因而存在設備體積龐大且設備成本相對較高的問題。另一方面，旋轉填充床捕獲技術雖可增進氣液間質傳效率，縮小設備體積，然而卻具有高能量消耗的問題。
本發明提供一種氣體中的目標成分的捕獲裝置與捕獲方法，可有效地降低捕獲裝置的體積與捕獲目標成分時的能量消耗。
本發明提供一種氣體中的目標成分的捕獲裝置，包括旋轉填充床及固定床。旋轉填充床具有第一吸收劑入口、第一吸收劑出口、第一氣體入口與第一氣體出口。固定床具有第二吸收劑入口、第二吸收劑出口、第二氣體入口與第二氣體出口。第一吸收劑出口連通至第二吸收劑入口，而形成依序通過旋轉填充床與固定床的吸收劑流路。第二氣體出口連通至第一氣體入口，而形成依序通過固定床與旋轉填充床的氣體流路。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲裝置中，更包括吸收劑管路系統。吸收劑管路系統將第一吸收劑出口連通至第二吸收劑入口。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲裝置中，更包括氣體管路系統。氣體管路系統將第二氣體出口連通至第一氣體入口。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲裝置中，更包括吸收劑供應裝置。吸收劑供應裝置連通至第一吸收劑入口，以供應吸收劑至旋轉填充床中。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲裝置中，更包括氣體源。氣體源連通至第二氣體入口，以供應待處理氣體至固定床中。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲裝置中，更包括吸收劑再生裝置。吸收劑再生裝置具有第三吸收劑入口與第三吸收劑出口。第三吸收劑入口連通至第二吸收劑出口。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲裝置中，吸收劑再生裝置例如是氣提塔。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲裝置中，更包括目標成分純化裝置。目標成分純化裝置連通至吸收劑再生裝置。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲裝置中，旋轉填充床例如是超重力旋轉填充床(high gravity rotating packed bed)。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲裝置中，旋轉填充床的轉速例如是100 rpm至3000 rpm。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲裝置中，旋轉填充床的轉速例如是700 rpm至1600 rpm。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲裝置中，目標成分例如是二氧化碳。
本發明提供一種氣體中的目標成分的捕獲方法，包括以下步驟。提供相互聯通的旋轉填充床與固定床。使吸收劑依序通過旋轉填充床與固定床。使待處理氣體依序通過固定床與旋轉填充床。使吸收劑與待處理氣體在旋轉填充床與固定床中相互接觸，而經由吸收劑捕獲待處理氣體中的目標成分。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲方法中，更包括利用吸收劑再生裝置移除吸收劑中所捕獲的至少一部分的目標成分。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲方法中，更包括利用目標成分純化裝置對來自於吸收劑再生裝置的目標成分進行純化。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲方法中，旋轉填充床的轉速例如是100 rpm至3000 rpm。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲方法中，旋轉填充床的轉速例如是700 rpm至1600 rpm。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲方法中，目標成分例如是二氧化碳。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲方法中，吸收劑例如是單乙醇胺(Monoethanolamine, MEA)、無水二次乙基二胺(Piperazine Anhydrous, PZ)、二乙胺基乙醇(2-(Diethylamino)ethanol, DEEA)或其組合。
依照本發明的一實施例所述，在上述的氣體中的目標成分的捕獲方法中，吸收劑的濃度例如是10 wt%至30 wt%。
基於上述，在本發明所提出氣體中的目標成分的捕獲裝置與捕獲方法中，由於吸收劑依序通過旋轉填充床與固定床，且待處理氣體依序通過固定床與旋轉填充床，因此具有較佳的目標成分捕獲效率，且可有效地降低捕獲裝置的體積與捕獲目標成分時的能量消耗，進而降低設置成本與能量成本。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是本發明的一實施例的氣體中的目標成分的捕獲裝置。
請參照圖1，氣體中的目標成分的捕獲裝置10，包括旋轉填充床100及固定床200。捕獲裝置10可藉由吸收劑捕獲待處理氣體中的目標成分。待處理氣體例如是發電廠、鋼鐵廠或煉油廠等工廠的煙道氣(flue gas)。目標成分例如是二氧化碳。
旋轉填充床100具有吸收劑入口110、吸收劑出口120、氣體入口130與氣體出口140。旋轉填充床100例如是超重力旋轉填充床。旋轉填充床100的轉速例如是100 rpm至3000 rpm。在另一實施例中，旋轉填充床100的轉速例如是700 rpm至1600 rpm。
以下，舉例說明吸收劑與待處理氣體在旋轉填充床100中的流動方式，但本發明並不以此為限。吸收劑可從旋轉填充床100頂部的吸收劑入口110流入旋轉填充床100，且可從旋轉填充床100底部的吸收劑出口120流出旋轉填充床100。待處理氣體可從旋轉填充床100側邊的氣體入口130流入旋轉填充床100，且可從旋轉填充床100頂部的氣體出口140流出旋轉填充床100。如此一來，可使得吸收劑的流動方向與待處理氣體的流動方向相反。
旋轉填充床100可藉由馬達的帶動進行旋轉，而產生高重力場。在旋轉所產生的離心力的輔助下，吸收劑會通過旋轉填充床100內的填料區而被切割成較小的液滴及較薄的液膜而具有更大的表面積。待處理氣體與吸收劑以互為逆向的流動方式進行接觸。在高速旋轉的輔助下，旋轉填充床100將可大幅提高氣液接觸面積、接觸效率與減少溢流的現象，進而使得吸收劑可在旋轉填充床100內高效率地吸收待處理氣體中的目標成分。
固定床200具有吸收劑入口210、吸收劑出口220、氣體入口230與氣體出口240。以下，舉例說明吸收劑與待處理氣體在固定床200中的流動方式，但本發明並不以此為限。吸收劑可從固定床200頂部的吸收劑入口210流入固定床200，且可從固定床200底部的吸收劑出口220流出固定床200。待處理氣體可從固定床200底部的氣體入口230流入固定床200，且可從固定床200頂部的氣體出口240流出固定床200。如此一來，可使得吸收劑的流動方向與待處理氣體的流動方向相反。待處理氣體與吸收劑以互為逆向的流動方式在固定床200內的填料區中進行接觸，可使得待處理氣體與吸收劑具有更大的氣液接觸面積，因此吸收劑可在固定床200內有效地吸收待處理氣體中的目標成分。
旋轉填充床100與固定床200的連通方式如下所述。吸收劑出口120連通至吸收劑入口210，而形成依序通過旋轉填充床100與固定床200的吸收劑流路。詳言之，吸收劑流路依序經過吸收劑入口110、吸收劑出口120、吸收劑入口210與吸收劑出口220。氣體出口240連通至氣體入口130，而形成依序通過固定床200與旋轉填充床100的氣體流路。詳言之，氣體流路依序經過氣體入口230、氣體出口240、氣體入口130與氣體出口140。
藉由上述旋轉填充床100與固定床200的連通方式，吸收劑會依序通過旋轉填充床100與固定床200，且待處理氣體依序會通過固定床200與旋轉填充床100，因此可使得捕獲裝置10具有較佳的目標成分捕獲效率，且可有效地降低捕獲裝置10的體積與捕獲目標成分時的能量消耗，進而降低設置成本與能量成本。
捕獲裝置10更可包括吸收劑管路系統300、氣體管路系統400、吸收劑供應裝置500、氣體源600、吸收劑再生裝置700與目標成分純化裝置800中的至少一者。
吸收劑管路系統300可包括吸收劑管路300a。吸收劑管路系統300可藉由吸收劑管路300a將吸收劑出口120連通至吸收劑入口210。吸收劑管路系統300更可選擇性包括吸收劑管路300b、300c、300d中的至少一者。吸收劑管路300b可將吸收劑供應裝置500與旋轉填充床100進行連通。吸收劑管路300c可將固定床200與吸收劑再生裝置700進行連通。吸收劑管路300d可將經再生後的吸收劑從吸收劑再生裝置700中導出。
氣體管路系統400可包括氣體管路400a。氣體管路系統400可藉由氣體管路400a將氣體出口240連通至氣體入口130。氣體管路系統400更可選擇性地包括氣體管路400b、400c中的至少一者。氣體管路400b可將氣體源600與固定床200進行連通。氣體管路400c可將經吸收劑處理後的氣體從旋轉填充床100中導出至大氣中，或是將經吸收劑處理後的氣體連通至其他後續的氣體處理機台。
吸收劑供應裝置500可經由吸收劑管路300b連通至吸收劑入口110，以供應吸收劑至旋轉填充床100中。吸收劑例如是單乙醇胺(Monoethanolamine, MEA)、無水二次乙基二胺(Piperazine Anhydrous, PZ)、二乙胺基乙醇(2-(Diethylamino)ethanol, DEEA)或其組合。吸收劑的濃度例如是10 wt%至30 wt%。然而，吸收劑的種類與濃度並不以此為限，所屬技術領域具有通常知識者可依照所要捕獲的目標成分或者製程需求來選擇吸收劑的種類、配方與濃度。
氣體源600可經由氣體管路400b連通至氣體入口230，以供應待處理氣體至固定床200中。氣體源600例如是發電廠、鋼鐵廠或煉油廠等工廠。待處理氣體例如是工廠的煙道氣(flue gas)，且待處理氣體含有如二氧化碳等的目標成分。
吸收劑再生裝置700可用以移除吸收劑中所捕獲的至少一部分的目標成分，以使目標成分從吸收劑脫離，進而將吸收劑進行再生。吸收劑再生裝置700例如是氣提塔。吸收劑再生裝置700具有吸收劑入口710與吸收劑出口720。吸收劑入口710可藉由吸收劑管路300c連通至吸收劑出口220，以使捕獲有目標成分的吸收劑從固定床200進入吸收劑再生裝置700。吸收劑管路300d可連通至吸收劑出口720，以將吸收劑再度輸送到旋轉填充床100及/或吸收劑供應裝置500中，以循環利用吸收劑。
目標成分純化裝置800可藉由目標成分管路900連通至吸收劑再生裝置700，以將從吸收劑脫離的目標成分輸送至目標成分純化裝置800，進行目標成分的純化。經純化處理後的目標成分可視情況所需進行後續的壓縮、儲存、運送或再利用等處理。
圖2是本發明的一實施例的氣體中的目標成分的捕獲流程圖。以下，藉由圖1與圖2來說明藉由本實施例的捕獲裝置10所進行的氣體中的目標成分的捕獲方法。捕獲裝置10中的各構件的連接關係、特性與功效已於前文中進行詳盡地描述，故於下文中不再重複贅述。
進行步驟S100，提供相互聯通的旋轉填充床100與固定床200。藉由旋轉填充床100與固定床200的連通方式可使吸收劑流路依序通過旋轉填充床100與固定床200，且可使氣體流路依序通過固定床200與旋轉填充床100。
進行步驟S110，使吸收劑依序通過旋轉填充床100與固定床200。舉例來說，由吸收劑供應裝置500所供應的吸收劑可經由吸收劑管路300b、吸收劑入口110、吸收劑出口120、吸收劑管路300a、吸收劑入口210與吸收劑出口220而依序通過旋轉填充床100與固定床200。吸收劑例如是單乙醇胺(Monoethanolamine, MEA)、無水二次乙基二胺(Piperazine Anhydrous, PZ)、二乙胺基乙醇(2-(Diethylamino)ethanol, DEEA)或其組合。吸收劑的濃度例如是10 wt%至30 wt%。
進行步驟S120，使待處理氣體依序通過固定床200與旋轉填充床100。舉例來說，由氣體源600所供應的待處理氣體可經由氣體管路400b、氣體入口230、氣體出口240、氣體管路400a、氣體入口130與氣體出口140而依序通過固定床200與旋轉填充床100。待處理氣體例如是工廠的煙道氣，且待處理氣體含有如二氧化碳等的目標成分。
使吸收劑與待處理氣體在旋轉填充床100與固定床200中相互接觸，而經由吸收劑捕獲待處理氣體中的目標成分。吸收劑與待處理氣體可藉由旋轉填充床100與固定床200增加氣液接觸面積，進而提高目標成分的捕獲效率。旋轉填充床100例如是超重力旋轉填充床。旋轉填充床100的轉速例如是100 rpm至3000 rpm。在另一實施例中，旋轉填充床100的轉速例如是700 rpm至1600 rpm。
可選擇性地進行步驟S130，利用吸收劑再生裝置700移除吸收劑中所捕獲的至少一部分的目標成分，而將吸收劑進行再生。吸收劑再生裝置700例如是氣提塔。
可選擇性地進行步驟S140，利用目標成分純化裝置800對來自於吸收劑再生裝置700的目標成分進行純化。
基於上述實施例可知，在上述捕獲裝置10與捕獲方法中，組合使用旋轉填充床100與固定床200，其中吸收劑依序通過旋轉填充床100與固定床200，且待處理氣體依序通過固定床200與旋轉填充床100。因此，在達成同樣目標成分氣體捕獲率的情況下，相對於單獨使用固定床的捕獲裝置與單獨使用旋轉填充床的捕獲裝置，本實施例的捕獲裝置10可具有較小的體積，進而可降低設備程本。此外，在達成同樣目標成分氣體捕獲率的情況下，相對於單獨使用固定床的捕獲裝置與單獨使用旋轉填充床的捕獲裝置，本實施例的捕獲裝置10與捕獲方法可具有較低的能量消耗。因此，本實施例的捕獲裝置10與捕獲方法可在不降低目標成分氣體捕獲率的情形下，達成降低設置成本與能量消耗的目標。
圖3是本發明的一實施例的組合使用旋轉填充床與固定床的捕獲裝置、單獨使用固定床的捕獲裝置與單獨使用旋轉填充床的捕獲裝置的體積比較圖。
在圖3的實驗例中，以二氧化碳作為欲捕獲的目標成分例來進行實驗。本實施例是採用組合使用旋轉填充床與固定床的捕獲裝置(如上述的捕獲裝置10)。由圖3的結果可知，在相同氣體處理量與二氧化碳捕獲率下，相較於單獨使用固定床的捕獲裝置的體積，本實施例的捕獲裝置中的旋轉填充床與固定床的總體積縮小了約47.6%~75.4%。此外，相較於單獨使用旋轉填充床的捕獲裝置的體積，本實施例的捕獲裝置中的旋轉填充床與固定床的總體積縮小了約44.9%~49.1%。由此可知，由於本實施例是採用組合使用旋轉填充床與固定床的捕獲裝置，因此可有效地降低捕獲裝置的體積與設備成本。
圖4是本發明的一實施例的組合使用旋轉填充床與固定床的捕獲裝置與單獨使用旋轉填充床的捕獲裝置的能量消耗比較圖。
在圖4的實驗例中，以二氧化碳作為欲捕獲的目標成分例來進行實驗。本實施例是採用組合使用旋轉填充床與固定床的捕獲裝置(如上述的捕獲裝置10)。由於使用固定床進行二氧化碳的捕獲時並不會消耗能量，因此本實驗例是以捕獲裝置中的旋轉填充床的能量消耗來進行比較。由圖4的結果可知，在相同氣體處理量與二氧化碳捕獲率下，本實施例的捕獲裝置中的旋轉填充床的能量消耗只有單獨使用旋轉填充床的捕獲裝置的能量消耗的1/120~1/10。原因在於，本實施例的捕獲裝置中的旋轉填充床的體積與外半徑縮小，且旋轉時的能量消耗與外半徑成正比的關係。由此可知，由於本實施例是採用組合使用旋轉填充床與固定床的捕獲裝置，因此可有效地降低能量消耗。
綜上所述，在上述實施例所提出的氣體中的目標成分的捕獲裝置與捕獲方法中，由於吸收劑依序通過旋轉填充床與固定床，且待處理氣體依序通過固定床與旋轉填充床，因此可有效地降低捕獲裝置的體積與捕獲目標成份時的能量消耗，進而降低設置成本與能量成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧捕獲裝置
100‧‧‧旋轉填充床
110、210、710‧‧‧吸收劑入口
120、220、720‧‧‧吸收劑出口
130、230‧‧‧氣體入口
140、240‧‧‧氣體出口
200‧‧‧固定床
300‧‧‧吸收劑管路系統
300a、300b、300c、300d‧‧‧吸收劑管路
400‧‧‧氣體管路系統
400a、400b、400c‧‧‧氣體管路
500‧‧‧吸收劑供應裝置
600‧‧‧氣體源
700‧‧‧吸收劑再生裝置
800‧‧‧目標成分純化裝置
900‧‧‧目標成分管路
S100、S110、S120、S130、S140‧‧‧步驟
圖1是本發明的一實施例的氣體中的目標成分的捕獲裝置。 圖2是本發明的一實施例的氣體中的目標成分的捕獲流程圖。 圖3是本發明的一實施例的組合使用旋轉填充床與固定床的捕獲裝置、單獨使用固定床的捕獲裝置與單獨使用旋轉填充床的捕獲裝置的體積比較圖。 圖4是本發明的一實施例的組合使用旋轉填充床與固定床的捕獲裝置與單獨使用旋轉填充床的捕獲裝置的能量消耗比較圖。
10‧‧‧捕獲裝置
100‧‧‧旋轉填充床
110、210、710‧‧‧吸收劑入口
120、220、720‧‧‧吸收劑出口
130、230‧‧‧氣體入口
140、240‧‧‧氣體出口
200‧‧‧固定床
300‧‧‧吸收劑管路系統
300a、300b、300c、300d‧‧‧吸收劑管路
400‧‧‧氣體管路系統
400a、400b、400c‧‧‧氣體管路
500‧‧‧吸收劑供應裝置
600‧‧‧氣體源
700‧‧‧吸收劑再生裝置
800‧‧‧目標成分純化裝置
900‧‧‧目標成分管路

Claims (20)

  1. 一種氣體中的目標成分的捕獲裝置，包括： 一旋轉填充床，具有一第一吸收劑入口、一第一吸收劑出口、一第一氣體入口與一第一氣體出口；以及 一固定床，具有一第二吸收劑入口、一第二吸收劑出口、一第二氣體入口與一第二氣體出口，其中 該第一吸收劑出口連通至該第二吸收劑入口，而形成依序通過該旋轉填充床與該固定床的一吸收劑流路， 該第二氣體出口連通至該第一氣體入口，而形成依序通過該固定床與該旋轉填充床的一氣體流路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的氣體中的目標成分的捕獲裝置，更包括一吸收劑管路系統，將該第一吸收劑出口連通至該第二吸收劑入口。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的氣體中的目標成分的捕獲裝置，更包括一氣體管路系統，將該第二氣體出口連通至該第一氣體入口。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的氣體中的目標成分的捕獲裝置，更包括一吸收劑供應裝置，連通至該第一吸收劑入口，以供應一吸收劑至該旋轉填充床中。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的氣體中的目標成分的捕獲裝置，更包括一氣體源，連通至該第二氣體入口，以供應一待處理氣體至該固定床中。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的氣體中的目標成分的捕獲裝置，更包括一吸收劑再生裝置，具有一第三吸收劑入口與一第三吸收劑出口，其中該第三吸收劑入口連通至該第二吸收劑出口。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的氣體中的目標成分的捕獲裝置，其中該吸收劑再生裝置包括氣提塔。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的氣體中的目標成分的捕獲裝置，更包括一目標成分純化裝置，連通至該吸收劑再生裝置。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的氣體中的目標成分的捕獲裝置，其中該旋轉填充床包括超重力旋轉填充床。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的氣體中的目標成分的捕獲裝置，其中該旋轉填充床的轉速為100 rpm至3000 rpm。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的氣體中的目標成分的捕獲裝置，其中該旋轉填充床的轉速為700 rpm至1600 rpm。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的氣體中的目標成分的捕獲裝置，其中該目標成分包括二氧化碳。
  13. 一種氣體中的目標成分的捕獲方法，包括： 提供相互聯通的一旋轉填充床與一固定床； 使一吸收劑依序通過該旋轉填充床與該固定床； 使一待處理氣體依序通過該固定床與該旋轉填充床；以及 使該吸收劑與該待處理氣體在該旋轉填充床與該固定床中相互接觸，而經由該吸收劑捕獲該待處理氣體中的一目標成分。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的氣體中的目標成分的捕獲方法，更包括利用一吸收劑再生裝置移除該吸收劑中所捕獲的至少一部分的該目標成分。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的氣體中的目標成分的捕獲方法，更包括利用一目標成分純化裝置對來自於該吸收劑再生裝置的該目標成分進行純化。
  16. 如申請專利範圍第13項所述的氣體中的目標成分的捕獲方法，其中該旋轉填充床的轉速為100 rpm至3000 rpm。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的氣體中的目標成分的捕獲方法，其中該旋轉填充床的轉速為700 rpm至1600 rpm。
  18. 如申請專利範圍第13項所述的氣體中的目標成分的捕獲方法，其中該目標成分包括二氧化碳。
  19. 如申請專利範圍第13項所述的氣體中的目標成分的捕獲方法，其中該吸收劑包括單乙醇胺、無水二次乙基二胺、二乙胺基乙醇或其組合。
  20. 如申請專利範圍第13項所述的氣體中的目標成分的捕獲方法，其中該吸收劑的濃度為10 wt%至30 wt%。
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