TWI617357B - 多功能熱反應裝置 - Google Patents

Abstract

一種多功能熱反應裝置，包含一流體化床反應爐，設置以進行裂解、氣化或焙燒反應；一加熱器設置以提供熱能予流體化床反應爐，其中加熱器之操作溫度介於200℃至1100℃之間；一氣體提供裝置，設置以提供氮氣或空氣至流體化床反應爐中；一進料器，設置以提供一原料至流體化床反應爐中，原料於流體化床反應爐中轉換為一氣態產物；以及一洗滌裝置，設置以洗淨氣體產物。

Description

多功能熱反應裝置

本發明是有關一種多功能熱反應裝置，其可進行裂解、氣化與焙燒反應。

生質物(biomass)簡稱泛指由生物產生的有機物質，而生質能(biomass energy)則是指將生質物利用各種轉換程序(如：氣化、裂解或焙燒等)進行能源轉換，並將轉換後之能源進行發電等其他用途。利用這些生質物的回收，並加以能源轉換後所產生的能源稱為生質能，此種能量與太陽能一樣，具有取之不盡、用之不竭的特性。

但因各種轉換程序所需溫度、壓力與環境之不同，進行氣化、裂解或焙燒反應時需分別替換不同之反應裝置。例如：裂解反應需在絕氧環境下進行，而氣化與焙燒反應則需在大氣環境下進行，且氣化反應之反應溫度遠高於裂解反應。增添不同的反應裝置不僅增加設備成本，更大幅減少了製程效率，同時增加了生質油之成本。據此，需開發一種可用以進行各種不同熱反應的熱反應裝置，以符合市場對於生質油之需求。

本發明之一態樣係提供一種多功能熱反應裝置，包含一流體化床反應爐，設置以進行裂解、氣化或焙燒反應；一加熱器設置以提供熱能予流體化床反應爐，其中加熱器之操作溫度介於200℃至1100℃之間；一氣體提供裝置，設置以提供氮氣或空氣至流體化床反應爐中；一進料器，設置以提供一原料至流體化床反應爐中，原料於流體化床反應爐中轉換為一氣態產物；以及一洗滌裝置，設置以洗淨氣體產物。

根據本發明一或多個實施方式，氣體提供裝置包含一空氣入接空壓機以及一氮氣桶。

根據本發明一或多個實施方式，更包含一旋風分離器，設置以去除氣態產物中的雜質，以及一除碳器，設置以去除氣態產物中的碳微粒。

根據本發明一或多個實施方式，更包含一保溫裝置設置以提供熱能予氣體產物。

根據本發明一或多個實施方式，其中氣態產物包含一可凝氣體與一不可凝氣體。

根據本發明一或多個實施方式，更包含一冷凝裝置，設置以將可凝氣體冷凝為一液態產物。

本發明之另一態樣係提供一種熱反應方法，係使用上述之多功能熱反應裝置進行，該熱反應方法包含下列步驟：使用進料器提供一生質物至流體化床反應爐中；使用氣體提供裝置提供氮氣或空氣至流體化床反應爐；使用加熱器以提供熱能予流體化床反應爐，令使生質物進行一熱反應以轉換為 氣態產物；以及使用洗滌裝置洗淨氣態產物。

根據本發明一或多個實施方式，熱反應為一裂解反應，加熱器之操作溫度介於400℃至600℃之間，而氣體提供裝置提供氮氣至流體化床反應爐。

根據本發明一或多個實施方式，更包含使用冷凝裝置將氣態產物中的可凝氣體冷凝為液態產物。

根據本發明一或多個實施方式，熱反應為一氣化反應，加熱器之操作溫度介於800℃至1000℃之間，而氣體提供裝置提供空氣至流體化床反應爐。

100‧‧‧多功能熱反應裝置

110‧‧‧進料器

112‧‧‧料斗

114‧‧‧螺桿

116‧‧‧冷凝器

120‧‧‧流體化床反應爐

162‧‧‧保溫裝置

170‧‧‧冷凝裝置

171‧‧‧入水口

172‧‧‧出水口

180‧‧‧收集槽

182‧‧‧液體採集收集點

130‧‧‧加熱器

132‧‧‧控制器

140‧‧‧氣體提供裝置

142‧‧‧流量計

144‧‧‧氮氣桶

146‧‧‧空氣空壓機

148‧‧‧前預熱器

150‧‧‧旋風分離器

152‧‧‧灰桶

160‧‧‧除碳器

190‧‧‧洗滌裝置

191‧‧‧洗滌塔

192‧‧‧洗滌液槽

193‧‧‧幫浦

194‧‧‧噴嘴

195‧‧‧抽風機

196‧‧‧氣體採集收集點

210-250‧‧‧步驟

310-340‧‧‧步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖繪示本發明部分實施方式之一種多功能熱反應裝置的示意圖；第2圖繪示本發明部分實施方式之一種裂解反應的流程圖；以及第3圖繪示本發明部分實施方式之一種氣化反應的流程圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也 就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

請先參閱第1圖，第1圖繪示本發明部分實施方式之一種多功能熱反應裝置的示意圖。如第1圖所示，多功能熱反應裝置100包含一進料器110、一流體化床反應爐120、一加熱器130、一氣體提供裝置140、一旋風分離器150、一除碳器160、一冷凝裝置170、一收集槽180以及一洗滌裝置190。

流體化床反應爐120中具有砂床，而加熱器130設置以提供熱能予流體化床反應爐120，使其能進行裂解、氣化與焙燒反應。更具體的說，因流體化床反應爐120之耐熱度高，使其操作溫度可介於200℃至1100℃之間，以進行各種不同的熱反應。在本發明之部分實施例中，加熱器130更連接至一控制器132，控制器132利用比例-積分-微分(proportional-integral-derivative,PID)回饋設計使流體化床反應爐120之操作溫度可穩定控制於200℃至1100℃之間。

在本發明之部分實施例中，係利用法蘭(flange)來作為銜接管線之設計，並於設備之周圍保留拆卸空間，以降低操作上的困難與拆卸問題。另外利用鋼架架構整體設備之空間，易於後續替換及更新設備。

氣體提供裝置140設置於流體化床反應爐120的底部，以提供氮氣或空氣至該流體化床反應爐120中，其 包含一流量計142、一氮氣桶144以及一空氣空壓機146以提供氮氣或空氣至該流體化床反應爐爐120。在裂解反應中，氮氣桶144提供氮氣至流體化床反應爐120中，以達到絕氧狀態。然因應操作氣化反應或焙燒反應所需，氣體提供裝置140更包含空氣空壓機146以提供空氣至流體化床反應爐120中。在本發明之部分實施例中，空氣或氮氣在進入流體化床反應爐120前會先通過一前預熱器148，以加熱空氣或氮氣。

進料器110設置以提供一原料至流體化床反應爐120中。進料器110包含一料斗112以及一螺桿114，原料置入料斗112後，藉由螺桿114的轉動以碾碎原料後，再送入流體化床反應爐120。原料在流體化床反應爐120中與砂床受氮氣或空氣之攪動而形成良好的混合，且砂床的高熱傳率可能迅速加熱原料。流體化床反應爐120外圍的加熱器130更提供熱能以使流體化床反應爐120維持於原料的反應溫度。在本發明之部分實施例中，進料器110更包含一冷凝器116設置以冷卻原料，由於使用螺桿114時會產生相當程度的熱能，冷凝器116則可提供冷卻水以供降溫。

原料於流體化床反應爐120中反應後轉換為一氣態產物，其中氣態產物包含一可凝氣體與一不可凝氣體。此氣態產物藉由流體化床反應爐120頂部的管路被導出，並進入旋風分離器150中，其設置以去除氣態產物中的雜質。由於氣態產物中會挾帶固態雜質，旋風分離器150藉由離心力達到固-氣體分離，以去除此些固態雜質，而一灰桶152 設置以收集固態雜質。氣態產物在通過旋風分離器150後進入除碳器160中，以去除氣態產物中微小的碳微粒。此外，為避免氣態產物於離開流體化床反應爐120後即降溫冷凝，而導致管線阻塞以及產率的下降。因此在流體化床反應爐120外更設置保溫裝置162以持續提供熱能予氣態產物，使其能維持於氣態，待至冷凝裝置170時才進行冷凝。在本發明之部分實施例中，保溫裝置162包圍除碳器160周圍的管線，但並不以此為限。

氣態產物在去除固態雜質與碳微粒後，會導入冷凝裝置170中，以將氣態產物中的可凝氣體冷凝為液態產物。第一冷凝管170具有一入水口171以及一出水口172，在氣態產物通過第一冷凝管170時，由入水口171進入的冷凝水使氣態產物中的可凝氣體之溫度降至沸點以下，而液化成液態產物。冷凝水在吸收氣態產物中的熱量後溫度升高，並自出水口172排出以進行後續處理。液態產物流至收集槽180中，而氣態產物中的不可凝氣體繼續進入洗滌裝置190中。在本發明之部分實施例中，收集槽180的底部設置一液體採集收集點182，以進行液態產物之分析。

請繼續參閱第1圖，洗滌裝置190設置以洗淨不可凝氣體。洗滌裝置190具有一洗滌塔191、一洗滌液槽192、一幫浦193、一噴嘴194以及一抽風機195。洗滌液槽192位於洗滌塔191之底部，幫浦193則設置以加壓洗滌液槽192中的洗滌液至洗滌塔191之頂部，以使位於頂部的噴嘴194可噴灑洗滌液以洗滌導入洗滌塔191的不可凝氣體。 之後，抽風機195可運作以收集洗滌後的不可凝氣體。在本發明之部分實施例中，洗滌塔191中設置一氣體採集收集點196，以進行液態產物之分析。

此處需特別說明，此多功能熱反應裝置100可進行各種不同之熱反應。在裂解反應中，需使用冷凝裝置170使氣態產物液化為液態產物。但在氣化反應中，則可先拆卸冷凝裝置170，使氣態產物直接進入洗滌裝置190中。

如上所述，本發明的多功能熱反應裝置100可依製程需求以進行裂解、氣化或焙燒反應，而大幅增加製程效率與活用性。請接著參閱第2圖，第2圖繪示本發明部分實施方式之一種裂解反應的流程圖。此裂解反應係於第1圖的多功能熱反應裝置100中進行，值得注意的是本發明並不以此為限。第1圖的多功能熱反應裝置100更可用於進行氣化反應或焙燒反應。

裂解係指在無氧狀態將原料在高溫環境中轉換為液態生質燃油，可使用人工濕地的植栽進行裂解，以達到碳中和之目的。其中，碳轉換率定義為原料轉換成生質燃油的比例，如式(I)：

先進行步驟210，使用進料器提供一生質物至流體化床反應爐中。請同時參閱第1圖，生質物在進料器110中碾碎後，以每小時兩公斤的速率送入流體化床反應爐120內。其中生質物為人工濕地的植栽，例如木本植物或草本植 物，但不以此為限。

接著請參閱步驟220，使用氣體提供裝置提供氮氣至流體化床反應爐。由於裂解反應需在絕氧狀態下進行，此時開啟氣體提供裝置140中氮氣桶144上的閥門，以導入氮氣至流體化床反應爐120內。且氮氣在進入流體化床反應爐120前會先通過一預熱器148，以加熱氮氣。在本發明之部分實施例中，氮氣加熱後的溫度介於400℃至600℃之間。

請繼續參閱步驟230，使用加熱器以提供熱能予流體化床反應爐，令使生質物進行一熱反應以轉換為氣態產物。在裂解反應中，加熱器之操作溫度介於400℃至600℃之間。生質物在流體化床反應爐120中與砂床受氮氣之攪動而形成良好的混合，且砂床的高熱傳率可能迅速加熱原料。在裂解反應後，生質物因高溫分解成氣態產物及固態產物。

接著請參閱步驟240，使用冷凝裝置冷凝氣態產物中的可凝氣體為液態產物。氣態產物從流體化床反應爐120頂部的管路被導出，並進入冷凝器170中以將可凝氣體液化成生質油，此些生質油會進入收集槽180中，其中生質油為碳數為8至12的烷類、烯類或炔類。在本發明之部分實施例中，氣態產物在進入冷凝裝置160前會先通過旋風分離器140與除碳器150以去除氣態產物中的雜質與碳微粒。在本發明之其他部份實施例中，氣態產物在進入冷凝裝置160前會先通過保溫裝置162，使氣態產物不會提前冷凝而導致 管線阻塞。

最後請參閱步驟250，使用洗滌塔洗淨氣態產物中的不可凝氣體。不可凝氣體是甲烷、氫氣、氧氣或氮氣，此些不可凝氣體又稱為尾氣。尾氣中更含有少量的可凝氣體，由於可凝氣體液化會形成生質油，若直接排出會污染大氣，因此更設置洗滌裝置190以清淨尾氣。

請接著參閱第3圖，第3圖繪示本發明部分實施方式之一種氣化反應的流程圖。此氣化反應同樣係於第1圖的多功能熱反應裝置100中進行。

先進行步驟310，使用進料器提供一生質物至流體化床反應爐中。請同時參閱第1圖，生質物在進料器110中碾碎後，以每小時兩公斤的速率送入流體化床反應爐120內。其中生質物為人工濕地的植栽，例如木本植物或草本植物，但不以此為限。

接著請參閱步驟320，使用氣體提供裝置提供空氣至流體化床反應爐。因氣體提供裝置140已預先規劃空氣空壓機146與氮氣桶144之切換系統，由於氣化反應不需在絕氧狀態下進行，此時開啟氣體提供裝置140中空氣入接空壓機146上的閥門，以導入空氣至流體化床反應爐120內。且空氣在進入流體化床反應爐120前會先通過一預熱器148，以加熱空氣。

請繼續參閱步驟330，使用加熱器以提供熱能予流體化床反應爐，令使生質物進行一熱反應以轉換為氣態產物。在氣化反應中，加熱器之操作溫度介於800℃至1000 ℃之間。生質物在流體化床反應爐120中與砂床受空氣之攪動而形成良好的混合，且砂床的高熱傳率可能迅速加熱原料。在裂解反應後，生質物因高溫分解成氣態產物及固態產物。

最後請參閱步驟340，使用洗滌裝置洗淨氣態產物。在氣化反應中，需先行拆卸冷凝裝置170，使氣態產物直接進入洗滌裝置190中進行洗淨。

由上述本發明實施例可知，本發明具有下列優點。本發明的多功能熱反應裝置可依據不同製程需求進行裂解、氣化與焙燒反應，不僅降低操作上之困難性及拆卸問題，更進一步增加製程的效率與活用性。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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 (9)

1. 一種多功能熱反應裝置，包含：一流體化床反應爐，設置以進行裂解、氣化或焙燒反應；一加熱器設置以提供熱能予該流體化床反應爐，其中該加熱器之操作溫度介於200℃至1100℃之間；一氣體提供裝置，包含一空氣入接空壓機以及一氮氣桶以提供氮氣或空氣至該流體化床反應爐中；一進料器，設置以提供一原料至該流體化床反應爐中，該原料於該流體化床反應爐中轉換為一氣態產物；以及一洗滌裝置，設置以洗淨該氣體產物。
2. 如請求項1所述之多功能熱反應裝置，更包含：一旋風分離器，設置以去除該氣態產物中的雜質；以及一除碳器，設置以去除該氣態產物中的碳微粒。
3. 如請求項1所述之多功能熱反應裝置，更包含一保溫裝置設置以提供熱能予該氣體產物。
4. 如請求項1所述之多功能熱反應裝置，其中該氣態產物包含一可凝氣體與一不可凝氣體。
5. 如請求項4所述之多功能熱反應裝置，更包含一冷凝裝置，設置以將該可凝氣體冷凝為一液態產物。
6. 一種熱反應方法，使用如請求項1-5任一項所述之該多功能熱反應裝置，該熱反應方法包含：使用該進料器提供一生質物至該流體化床反應爐中；使用該氣體提供裝置提供氮氣或空氣至該流體化床反應爐；使用該加熱器以提供熱能予該流體化床反應爐，令使該生質物進行一熱反應以轉換為該氣態產物；以及使用該洗滌裝置洗淨該氣態產物。
7. 如請求項6所述之熱反應方法，其中該熱反應為一裂解反應，該加熱器之操作溫度介於400℃至600℃之間，而該氣體提供裝置提供氮氣至該流體化床反應爐。
8. 如請求項7所述之熱反應方法，更包含使用該冷凝裝置將該氣態產物中的該可凝氣體冷凝為該液態產物。
9. 如請求項8所述之熱反應方法，其中該熱反應為一氣化反應，該加熱器之操作溫度介於800℃至1000℃之間，而該氣體提供裝置提供空氣至該流體化床反應爐。