TWI627990B - 低濃度氨水脫氨裝置、系統及其氨水製作系統 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種氨水脫氨裝置，尤指一種低濃度氨水脫氨裝置、系統及其氨水製作系統。本發明之低濃度氨水脫氨裝置包含有一內筒、一外筒、一加壓管路及一熱交換器。其中，外筒與內筒之間設有一螺旋通道。容置於外筒底部之低濃度氨水經加壓管路加壓後由霧化噴嘴噴出霧化形成霧滴，並於內筒之蒸發區中使部分的氨與水蒸發形成氨氣與水氣，利用螺旋通道使霧滴與氨氣及水氣分離，而取得較低濃度的氨水，藉以達到高效率的脫氨的效果。

Description

低濃度氨水脫氨裝置、系統及其氨水製作系統

本發明係有關於一種氨水脫氨裝置，尤指一種低濃度氨水脫氨裝置、系統及其氨水製作系統。

氨是工業上常用的物質，但使用後往往會產生含氨的廢水。由於氨水具有刺鼻的氣味，且無論是氨水或氨水揮發產生的氨氣，都是環境污染的重要來源。因此，含氨廢水通常需經脫氨處理後才能進行排放，或是回收使用。

一般廢氨水之脫氨處理有兩種放式，其一為以氣提法(air stripping)將廢氨水中的氨吹出成為氨氣；其二為以加熱蒸發方式蒸出氨氣。然而，當氨水濃度較低時，無論是氣提法或加熱蒸發法都將面臨高耗能與低效率的問題。以下分別論述。

使用氣提法時，需使用大型或數量龐大之鼓風機將大量空氣壓入水體，耗費大量電力並產生高分貝噪音。且水相內之氨擴散至氣液介面需要時間，假設氣泡與氣泡之間的距離為0.1-1公分，則氨之擴散距離為0.05-0.5公分，此質傳距離限制氣提法之效率。因此，使用氣提法之設備體積龐大，且不易在短時間內將大量氨水之濃度降低至法規容許的標準。

使用加熱蒸發法時，加熱使氨揮發為氨氣的同時，也會產生大量的水氣，因此會損耗大量的熱能。此外，使用加熱蒸發法時，水膜厚度約為0.1至數公分，因此氨從水體擴散至氣液介面所需的時間更長。

因此，如何提供一種可對低濃度氨水進行高效率脫氨的解決方案，實為業界亟待解決的課題。

本發明之一目的，在於提供一種氨水脫氨裝置，尤指一種低濃度氨水脫氨裝置、系統及其氨水製作系統。

本發明之另一目的，在於提供一種低濃度氨水脫氨裝置，利用霧化降低質傳阻力，而可提高脫氨效率。

本發明之又一目的，在於提供一種低濃度氨水脫氨裝置，以低壓操作提高蒸氣中之氨氣含量，藉以提高脫氨效率。

本發明之又一目的，在於提供一種低濃度氨水脫氨裝置，可利用熱泵提供氨揮發所需熱量，可降低脫氨所需之能量損耗。

本發明之又一目的，在於提供一種低濃度氨水脫氨系統，藉由本發明脫氨裝置之串接使用，可強化脫氨效果，進一步降低回收水中的氨含量。

本發明之又一目的，在於提供一種氨水製作系統，利用本發明之脫氨系統，配合冷凝槽設計，而可將由廢氨水中脫出的氨氣製作為較高濃度的可利用氨水。

為達成上述目的，本發明提供一種低濃度氨水脫氨裝置，包含：一內筒，其內部空間形成一蒸發區，並於蒸發區之上部設置一霧化噴 嘴，內筒之底部沿側壁切線方向設有一切線開口；一外筒，環繞內筒設置，外筒之底部形成一容置區，用以容置一低濃度氨水，容置區設有一出水管及一進料管，外筒與內筒側壁之間設有一螺旋隔板，藉以形成一螺旋通道，螺旋通道之頂端設有一排氣管；一加壓管路，連接容置區與霧化噴嘴，加壓管路設有一加壓幫浦，用以抽取低濃度氨水並進行加壓後，由霧化噴嘴噴出形成複數個霧滴；及一熱交換器，設置於加壓管路，用以加熱低濃度氨水；其中，於蒸發區中複數個霧滴中部分的氨與部分的水蒸發形成氨氣與水氣，霧滴、氨氣與水氣通過切線開口進入螺旋通道並沿該螺旋通道回旋上升，複數個霧滴彼此碰撞而凝聚並由螺旋通道之一下方開口流入容置區，氨氣與水氣則由該排氣管排出。

在本發明之一實施例中，其中內筒及外筒之操作壓力小於250托。

在本發明之一實施例中，其中霧滴之直徑小於1000μm。

在本發明之一實施例中，其中熱交換器為一熱泵之一放熱端。

在本發明之一實施例中，其中熱交換器之操作溫度低於65°C。

在本發明之一實施例中，其中低濃度氨水之重量百分比濃度低於0.8%。

本發明尚提供一種低濃度氨水脫氨系統，包含有：複數個如申請專利範圍第1項所述之低濃度氨水脫氨裝置，複數個低濃度氨水脫氨裝置包含有依序串接之一第一脫氨裝置、一第二脫氨裝置至一第N脫氨裝置； 其中，各脫氨裝置之出水管分別連接後一脫氨裝置之進料管，第一脫氨裝置之進料管用以引進低濃度氨水，第N脫氨裝置之出水管用以排出一回收水。

在本發明之一實施例中，尚包含有一出水管路，連接第N脫氨裝置之出水管，其中出水管路依序通過第N-1脫氨裝置至第一脫氨裝置之容置區。

在本發明之一實施例中，尚包含有一抽水幫浦，設置於出水管路之末端，用以抽取回收水。

本發明尚提供一種氨水製作系統，包含有：一如申請專利範圍第6項所述之低濃度氨水脫氨系統，其中各脫氨裝置之排氣管分別連接至前一脫氨裝置之蒸發區之上部；一冷凝槽，冷凝槽之中段設有一冷凝器，底部形成一第二容置區，頂部則設置一第二排氣管，第一脫氨裝置之排氣管連接至冷凝器之下方，利用冷凝器對排氣管排出之氨氣與水氣進行冷凝而形成一第二低濃度氨水，第二低濃度氨水凝結而容置於第二容置區，第二容置區設置一第二出水管，冷第二排氣管則用以排出一氨氣；一抽氣混合單元，連接第二排氣管，用以抽取氨氣並令氨氣溶於水中形成一氨水；及一氨水槽，連接抽氣混合單元，用以容置氨水。

在本發明之一實施例中，其中抽氣混合單元為一文氏管，氨水製作系統尚包含有一循環管路，連接氨水槽之底部與文氏管，循環管路並設有一第二加壓幫浦，用以抽取氨水槽中之氨水並加壓通過文氏管，藉以抽取氨氣並令氨氣溶於氨水中。

在本發明之一實施例中，其中第二出水管連接第一脫氨裝置 之進料管。

10‧‧‧低濃度氨水脫氨裝置

101‧‧‧進料管

103‧‧‧出水管

105‧‧‧排氣管

12‧‧‧脫氨槽

120‧‧‧外筒

121‧‧‧底部

123‧‧‧螺旋隔板

125‧‧‧螺旋通道

14‧‧‧內筒

140‧‧‧蒸發區

141‧‧‧霧化噴嘴

143‧‧‧切線開口

16‧‧‧加壓管路

161‧‧‧加壓幫浦

163‧‧‧熱交換器

18‧‧‧低濃度氨水

181‧‧‧霧滴

19‧‧‧熱泵

20‧‧‧低濃度氨水脫氨系統

21‧‧‧第一脫氨裝置

23‧‧‧第二脫氨裝置

25‧‧‧出水管路

27‧‧‧抽水幫浦

29‧‧‧第N脫氨裝置

30‧‧‧氨水製作系統

31‧‧‧第二低濃度氨水

32‧‧‧冷凝槽

321‧‧‧冷凝器

323‧‧‧第二出水管

325‧‧‧第二排氣管

327‧‧‧底部

33‧‧‧氨水

34‧‧‧抽氣混合單元

341‧‧‧文氏管

36‧‧‧氨水槽

38‧‧‧循環管路

381‧‧‧第二加壓幫浦

第1圖：係本發明低濃度氨水脫氨裝置一實施例之剖面示意圖。

第2圖：係本發明低濃度氨水脫氨系統一實施例之示意圖。

第3圖：係本發明氨水製作系統一實施例之示意圖。

請參閱第1圖，為本發明低濃度氨水脫氨裝置一實施例之剖面示意圖。如圖所示，本發明之低濃度氨水脫氨裝置10包含有一內筒14、一外筒120、一加壓管路16及一熱交換器163。其中，內筒14之內部空間形成一蒸發區140，並於蒸發區140之上部設置一霧化噴嘴141，內筒14之底部沿側壁切線方向設有一切線開口143。外筒120環繞內筒14設置，外筒120之底部121形成一容置區，用以容置一低濃度氨水18。容置區設有一出水管103及一進料管101。外筒120與內筒14側壁之間設有一螺旋隔板123，藉以形成一螺旋通道125。螺旋通道125之頂端設有一排氣管105，底端則形成一下方開口127。外筒120與內筒14的構造形成脫氨槽12的主體。加壓管路16連接外筒120之容置區與內筒14之霧化噴嘴141，加壓管路16設有一加壓幫浦161，用以抽取位於容置區之低濃度氨水18並進行加壓後，由霧化噴嘴141噴出而形成複數個霧滴181。熱交換器163設置於加壓管路16上，用以加熱低濃度氨水18。

低濃度氨水18由霧化噴嘴噴141噴出後，在蒸發區140中形成霧滴181，而霧滴181中部分的氨與部分的水蒸發形成氨氣與水氣，蒸發所 需的熱量則由熱交換器163提供。由於霧滴181之直徑小，相對具有較大的表面積，除了可縮短氨在液相中的擴散距離減少質傳阻力之外，並具有較大的表面積而可利於氨通過氣液介面蒸發而成為氨氣。

蒸發區140中霧滴181、氨氣與水氣形成氣液混合體，並攜帶著由霧化噴嘴141噴出時所具備的動能於蒸發區140中移動。氣液混合體通過切線開口143後，將沿著螺旋通道125回旋上升。在螺旋通道125中，霧滴181將因離心力與表面張力的作用而碰撞並黏附於外筒120的內側壁，形成氣液分離的狀態，而可令氨氣與水氣由排氣管105排出。黏附於外筒120內側壁的霧滴181遭受後續霧滴181的碰撞時，由於表面張力的作用，將會不斷合併凝聚，最終形成足夠大的液滴，並由重力吸引而沿螺旋通道下滑，最後由下方開口127流入容置區，匯入低濃度氨水18之中。

利用本發明之低濃度氨水脫氨裝置10，可藉由霧化減少質傳阻力與氨在液相中的擴散時間，並增加氣液介面之面積，藉以提高脫氨之效率。

在本發明之一實施例中，內筒14及外筒120之操作壓力小於250托(torr)。在低壓環境中，氨氣相對於水氣的比率將會提高，因此降低內筒14與外筒120的操作壓力可提高氣相中氨氣的濃度，亦可提高低濃度氨水脫氨裝置10之脫氨效率。

在本發明之一實施例中，熱交換器163之操作溫度低於65°C。當脫氨槽12之操作壓力降低時，其內部之平衡溫度也同時降低。例如，在常壓下處理重量百分比0.1%的低濃度氨水18時，其平衡溫度為99℃；當操作壓力降至60托時，其平衡溫度將降至36℃。因此，利用本發明之低濃 度氨水脫氨裝置10，當脫氨槽12之操作壓力小於250托時，其平衡溫度介於30-50℃之間。因此，熱交換器163之操作溫度低於65℃即可提供足夠的溫度與量熱，供低濃度氨水脫氨裝置10進行脫氨作業。

在本發明之一實施例中，熱交換器163為一熱泵(heat pump)19之一放熱端。一般而言，當操作溫度較高時，需以電熱器或其他加熱裝置做為熱交換器163的熱量來源。但本發明之脫氨槽12採低壓操作，因此可降低操作溫度至65℃以下。而此一操作溫度的範圍，可利用熱泵19提供熱交換器163的熱量。由於一般熱泵19具有三倍效率，因此更能降低脫氨作業的能量損耗。

在本發明之一實施例中，霧滴181之直徑小於1000μm。利用本發明之低濃度氨水脫氨裝置10，藉由加壓幫浦161將低濃度氨水18加壓後，配合霧化噴嘴141的設計，可有效提高霧化的效果，霧滴181的直徑越小，則質傳阻力越小，氨的蒸發效率越高。在本發明之一實施例中，可將低濃度氨水18於加壓管路中加壓至與內筒14內部具有3kgw/cm²的壓差，配合霧化噴嘴141的作用，可將霧滴181直徑縮小至1000μm以下，大幅提高氨的蒸發效率。由於本發明之脫氨槽12中，氨具有相當高的蒸發效率，因此無需設計大體積的蒸發區140，可相對縮小低濃度氨水脫氨裝置10之體積。

在本發明之一實施例中，低濃度氨水之重量百分比濃度低於0.8%。在本發明之另一實施例中，出水管103可設置於容置區之上緣，當低濃度氨水18之液面達到容置區上緣時，即可溢流排出。

請參閱第2圖，為本發明低濃度氨水脫氨系統一實施例之示意圖。本發明之低濃度氨水脫氨系統20包含有複數個如第1圖所示之低濃度 氨水脫氨裝置10，各低濃度氨水脫氨裝置10依序串接。假設複數個低濃度氨水脫氨裝置10包含有依序串接之一第一脫氨裝置21、一第二脫氨裝置23至一第N脫氨裝置(請參閱第3圖之29)，其中各脫氨裝置21、23、29之出水管103分別連接後一脫氨裝置23、29之進料管101，第一脫氨裝置21之進料管101用以引進低濃度氨水18，第N脫氨裝置29之出水管103用以排出一回收水。其中，串接之脫氨裝置越多，排出之回收水中含氨之濃度越低。本發明之低濃度氨水脫氨系統20依實驗結果可知4-6個低濃度氨水脫氨裝置串接，已可將回收水中的氨含量降低至5-30ppm，符合法規容許標準。

第2圖中以兩個低濃度氨水脫氨裝置串接為例進行說明，本發明之技術領域中具有通常知識者，可依相同原理推論而得多個串接之構造。如圖所示，本實施例具有一第一脫氨裝置21及一第二脫氨裝置23，其中第一脫氨裝置21之出水管103連接第二脫氨裝置23之進料管101。因此，經第一脫氨裝置21脫氨作業之後的低濃度氨水18可進入第二脫氨裝置23，藉以進行下一階段的脫氨作業。當系統20具有多個脫氨裝置時，則可依序進行多階段的脫氨作業，藉以逐步降低低濃度氨水中的氨含量。

其中，各脫氨裝置21、23之排氣管105所排出的氨氣及水氣可分別收集或統一收集後，再進行後續處理。在本發明之一實施例中，亦可將各脫氨裝置(例如第二脫氨裝置23)之排氣管105連接至前一脫氨裝置(例如第一脫氨裝置21)之蒸發區140上部，令前一脫氨裝置之蒸發區140中的氨氣與水氣比率重新分配，藉以提高前一脫氨裝置所產出之氨氣含量。

在本發明之一實施例中，低濃度氨水脫氨系統20尚包含有一出水管路25，連接最後一脫氨裝置(例如第二脫氨裝置23或第3圖中之第N脫 氨裝置29)之出水管103，並令出水管路25反向通過串接於前的脫氨裝置(例如第一脫氨裝置21)之容置區後再行排出。由於各脫氨裝置21、23都分別對低濃度氨水18進行加熱，因此串接於越後端之脫氨裝置中之低濃度氨水18將具有較高的溫度，利用出水管路25將回收水反向通過串接於前之各脫氨裝置，可利用回收水之餘溫加熱各脫氨裝置之低濃度氨水，進一步減少熱量的損耗。

在本發明之一實施例中，低濃度氨水脫氨系統20尚包含有一抽水幫浦27，設置於出水管路25之末端，用以抽取回收水，並提供回收水通過各脫氨裝置容置區之動力。

請參閱第3圖，為本發明氨水製作系統一實施例之示意圖。如圖所示，本發明之氨水製作系統30包含有一如第2圖所述之低濃度氨水脫氨系統20、一冷凝槽32、一抽氣混合單元34及一氨水槽36。其中，低濃度氨水脫氨系統20中各脫氨裝置23、29之排氣管105分別連接至前一脫氨裝置21、23之蒸發區140上部。藉由此一構造，可將各脫氨裝置23、29所排出之氨氣匯入前一脫氨裝置21、23之蒸發區140而產生反向提濃的效果。

冷凝槽32之中段設有一冷凝器321，底部327形成一第二容置區，頂部則設有一第二排氣管325。第一脫氨裝置21之排氣管105連接至冷凝器321之下方，可利用冷凝器321對第一脫氨裝置21之排氣管105排出之氨氣與水氣進行冷凝。由於氨氣與水氣的冷凝條件不同，因此冷凝器321將使大部分的水氣與少部分的氨氣凝結為第二低濃度氨水31，並容置於第二容置區中。剩餘的氣體中氨氣的含量將會大幅提高，在本發明之一實施例中，約可達35%的含量。此一高濃度氨氣可由第二排氣管325排出。在本發明之 一實施例中，冷凝器321可利用冰水降溫。

抽氣混合單元34連接第二排氣管325，用以抽取氨氣並令氨氣溶於水中形成氨水33。氨水槽36連接抽氣混合單元34，用以容置氨水33。由於本發明之低濃度氨水脫氨裝置及系統具有較低的操作壓力，因此需以抽氣裝置(例如真空幫浦)抽取高濃度氨氣後進行壓力平衡，再以水混合，令氨氣溶入水中形成氨水。經由適當的設計混合回路，可獲得重量百分比濃度20-36%的氨水。此一濃度之氨水已具有經濟價值，可經由後續純化設備處理，製成純氨或電子級氨水使用。

在本發明之一實施例中，抽氣混合單元34為一文氏管(venture-tube)341，氨水製作系統30尚包含有一循環管路38，連接氨水槽36之底部與文氏管341，循環管路38中設有一第二加壓幫浦381，用以抽取氨水槽36中之氨水33並加壓通過文氏管341。第二排氣管325連接至文氏管341之頸部，利用氨水33於文氏管341頸部之高流速所產生的負壓抽取第二排氣管325中的氨氣，並可令氨氣混合並溶入氨水33中，藉以提高氨水33之濃度。

在本發明之一實施例中，尚可將冷凝槽32之第二出水管323連接至第一脫氨裝置21之進料管101，將產生之第二低濃度氨水31導入低濃度氨水脫氨系統20，進行脫氨作業。

利用本發明之低濃度氨水脫氨裝置及系統，可針對低濃度氨水進行高效率且低耗能的脫氨作業。根據計算及實驗統計，將每噸低濃度氨水處理至符合排放標準之操作費用(含電費及人事費用)約為100元新台幣或24元人民幣，非常經濟實惠且節能環保。利用本發明之氨水製作系統，在脫氨處理的過程中，產生的氨氣尚可製作為具有經濟價值的氨水而可回 收利用，進一步降低環境的負擔，並可貼補脫氨處理的成本。

以上所述者，僅為本發明之實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵、方法及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

Claims (12)

1. 一種低濃度氨水脫氨裝置，包含：一內筒，其內部空間形成一蒸發區，並於該蒸發區之上部設置一霧化噴嘴，該內筒之底部沿側壁切線方向設有一切線開口；一外筒，環繞該內筒設置，該外筒之底部形成一容置區，用以容置一低濃度氨水，該容置區設有一出水管及一進料管，該外筒與該內筒側壁之間設有一螺旋隔板，藉以形成一螺旋通道，該螺旋通道之頂端設有一排氣管；一加壓管路，連接該容置區與該霧化噴嘴，該加壓管路設有一加壓幫浦，用以抽取該低濃度氨水並進行加壓後，由該霧化噴嘴噴出形成複數個霧滴；及一熱交換器，設置於該加壓管路，用以加熱該低濃度氨水；其中，於該蒸發區中該複數個霧滴中部分的氨與部分的水蒸發形成氨氣與水氣，該霧滴、該氨氣與該水氣通過該切線開口進入該螺旋通道並沿該螺旋通道回旋上升，該複數個霧滴彼此碰撞而凝聚並由該螺旋通道之一下方開口流入該容置區，該氨氣與該水氣則由該排氣管排出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低濃度氨水脫氨裝置，其中該內筒及該外筒之操作壓力小於250托。
3. 如申請專利範圍第2項所述之低濃度氨水脫氨裝置，其中該熱交換器之操作溫度低於65℃。
4. 如申請專利範圍第3項所述之低濃度氨水脫氨裝置，其中該熱交換器為一熱泵之一放熱端。
5. 如申請專利範圍第1項所述之低濃度氨水脫氨裝置，其中該霧滴之直徑 小於1000μm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之低濃度氨水脫氨裝置，其中該低濃度氨水之重量百分比濃度低於0.8%。
7. 一種低濃度氨水脫氨系統，包含有：複數個如申請專利範圍第1項所述之低濃度氨水脫氨裝置，該複數個低濃度氨水脫氨裝置包含有依序串接之一第一脫氨裝置、一第二脫氨裝置至一第N脫氨裝置；其中，各脫氨裝置之出水管分別連接後一脫氨裝置之進料管，該第一脫氨裝置之進料管用以引進該低濃度氨水，該第N脫氨裝置之該出水管用以排出一回收水。
8. 如申請專利範圍第7項所述之低濃度氨水脫氨系統，尚包含有一出水管路，連接該第N脫氨裝置之該出水管，其中該出水管路依序通過該第N-1脫氨裝置至該第一脫氨裝置之該容置區。
9. 如申請專利範圍第8項所述之低濃度氨水脫氨系統，尚包含有一抽水幫浦，設置於該出水管路之末端，用以抽取該回收水。
10. 一種氨水製作系統，包含有：一如申請專利範圍第7項所述之低濃度氨水脫氨系統，其中各脫氨裝置之排氣管分別連接至前一脫氨裝置之蒸發區之上部；一冷凝槽，該冷凝槽之中段設有一冷凝器，底部形成一第二容置區，頂部則設置一第二排氣管，該第一脫氨裝置之該排氣管連接至該冷凝器之下方，利用該冷凝器對該排氣管排出之該氨氣與該水氣進行冷凝而形成一第二低濃度氨水，該第二低濃度氨水凝結而容置於該第二容置區，該第二容置區設置一第二出水管，該第二排氣管則用以排出一氨氣；一抽氣混合單元，連接該第二排氣管，用以抽取該氨氣並令該氨氣溶 於水中形成一氨水；及一氨水槽，連接該抽氣混合單元，用以容置該氨水。
11. 如申請專利範圍第10項所述之氨水製作系統，其中該抽氣混合單元為一文氏管，該氨水製作系統尚包含有一循環管路，連接該氨水槽之底部與該文氏管，該循環管路並設有一第二加壓幫浦，用以抽取氨水槽中之該氨水並加壓通過該文氏管，藉以抽取該氨氣並令該氨氣溶於該氨水中。
12. 如申請專利範圍第10項所述之氨水製作系統，其中該第二出水管連接該第一脫氨裝置之該進料管。