TWI657854B - 二氧化碳吸附系統 - Google Patents

Abstract

一種二氧化碳吸附系統，適用於連接一用以燃燒石灰石而形成高溫氧化鈣粉末的水泥生產裝置，並包含一管線單元，及一連接於該管線單元的反應單元。該管線單元用以輸送高溫氧化鈣粉末。該反應單元包括一連通於該管線單元的反應腔，及一連通於該反應腔且用以導入二氧化碳的導氣管，導入該反應腔的二氧化碳與輸送至該反應腔的氧化鈣粉末，在該反應腔中反應形成碳酸鈣，藉此反應而在該水泥生產裝置運作的同時，相互配合地捕獲導入的二氧化碳。而在該反應腔中反應形成的碳酸鈣，也能直接送回該水泥生產裝置製造水泥。

Description

二氧化碳吸附系統

本發明是有關於一種廢氣處理設備，特別是指一種二氧化碳吸附系統。

二氧化碳為一種溫室氣體，而大多數的工業製程，都會排放出大量的二氧化碳，如何降低二氧化碳排放量，對於環境保護的議題而言，是相當受到注目的重點。目前現有的二氧化碳捕獲方法中，有一種鈣循環技術，主要是利用CaO+CO ₂→CaCO ₃之反應來達成吸收二氧化碳的目的。藉由氧化鈣(CaO，石灰)對於二氧化碳的吸收性，經化學反應形成物化性質相對穩定的碳酸鈣(CaCO ₃)，達成吸收二氧化碳而減少排放的目的。

參閱圖1，為一現有的二氧化碳捕獲設備1，包含一用以自主加熱而進行使氧化鈣與二氧化碳反應為碳酸鈣的碳酸化爐11、一連通於該碳酸化爐11並用以高溫煅燒碳酸鈣而分離氧化鈣與二氧化碳的煅燒爐12，及一連通於該煅燒爐12且用以收集含有二氧化碳之煙氣，並執行固氣分離而收集二氧化碳的集塵器13。其中，該碳酸化爐11是使用燃料自主加熱，使溫度維持在600~650℃，而該煅燒爐亦是使用燃料自主加熱，達成反應所需的溫度則是在850℃。透過上述氧化鈣與二氧化碳的反應機制，使得該二氧化碳捕獲設備1得以協助例如火力發電廠、煉鋼工廠、水泥製造廠等等的工業廠區，吸收所產生的二氧化碳。

其中，特別由於氧化鈣與二氧化碳反應生成的碳酸鈣，是工業水泥的主要原料，故該二氧化碳捕獲設備1雖然能配合多種產生二氧化碳的工業製程，提供所需的二氧化碳處理需求，為了處理反應生成的碳酸鈣，以利於原料的循環利用，該二氧化碳捕獲設備1通常會配合水泥工業來運作。水泥工業的製程中，即會先燃燒加熱石灰石，獲取大量的氧化鈣，故採用所述鈣循環技術時，會先將水泥工廠中產生的氧化鈣運送至該二氧化碳捕獲設備1所在的廠區，完成二氧化碳吸附之反應後，才將已失去反應活性的碳酸鈣再送回水泥工廠，當作製造水泥的原料。

然而，因水泥工廠製造水泥的製程是全天候運作，當中燃燒加熱石灰石而獲取氧化鈣的數量，相較於該二氧化碳捕獲設備1運轉所需的氧化鈣而言是過於龐大的，縱算該二氧化碳捕獲設備1亦配合水泥工廠而全天候運轉，考量到氧化鈣在該二氧化碳捕獲設備1中反覆循環而多次吸收二氧化碳的反應特性，仍無法對等地配合水泥工廠之水泥製程中製成的氧化鈣數量，更遑論在進行充分反應後而供應足量的碳酸鈣。

另外，就實際執行而言，現有技術因考量成本關係，並不會對石灰石原料、氧化鈣等等原料進行過多的前置處理，導致原料顆粒之粒徑過大，因而進行反應時的反應面積較小，造成二氧化碳之捕獲效率不佳的缺點。況且，在該二氧化碳捕獲設備1與配合各種工業廠區之間來回運送重量相當重的氧化鈣，或者將反應生成的碳酸鈣運送到配合的水泥工廠，也都需要耗費相當大的運輸成本，而運輸用的交通工具因其馬力需求，更是需要燃燒大量的石化燃料。而就耗費燃料的角度而言，該碳酸化爐11及該煅燒爐13的運作，也都需要耗費燃料自主加熱，如此又會對環境增加二氧化碳的排放量，但若該碳酸化爐11或者該煅燒爐13加熱的溫度不足，亦會因未達適當的反應溫度，導致二氧化碳之捕獲效率不佳。再者，現有的該二氧化碳捕獲設備1屬於批次性處理，當系統飽和後，吸附飽和之碳酸鈣也需要進行廢棄處理，更進一步增加廢料之載運及處理成本。因此，該二氧化碳捕獲設備1的原理及概念雖然看似理想，但實務上卻難以因應水泥工廠的生產運作，不但難以消化水泥工廠產生的二氧化碳排放量，甚至在過程中又增加了不必要的二氧化碳排放及廢棄原料之處理成本，仍有待進一步改善。

因此，本發明之目的，即在提供一種能配合水泥工廠之生產運作而以鈣循環技術捕獲二氧化碳的二氧化碳吸附系統。

於是，本發明二氧化碳吸附系統，適用於連接一用以燃燒石灰石而形成高溫氧化鈣粉末的水泥生產裝置，並包含一管線單元，及一連接於該管線單元的反應單元。

該管線單元適用於連接該水泥生產裝置，用以輸送該水泥生產裝置產生的高溫氧化鈣粉末。

該反應單元包括一連通於該管線單元的反應腔，及一連通於該反應腔且用以導入二氧化碳的導氣管，導入該反應腔的二氧化碳與輸送至該反應腔的高溫氧化鈣粉末，在該反應腔中反應形成碳酸鈣。

本發明之功效在於：因與水泥生產裝置直接連接故不必額外設廠，得以省去運送物料所耗費的成本，且能利用該水泥生產裝置自身的燃燒過程，直接獲得溫度高且因接觸面積大而具有高反應活性的高溫氧化鈣粉末，而透過該管線單元將該水泥生產裝置產生的高溫氧化鈣粉末直接導入該反應單元，則能同步地配合該水泥生產裝置的生產運作，利用高溫氧化鈣粉末與二氧化碳的化學反應，捕獲導入該反應腔的二氧化碳，並將反應生成的碳酸鈣送回該水泥生產裝置，達成鈣循環之二氧化碳捕獲作業。

參閱圖2，本發明二氧化碳吸附系統之一實施例，適用於連接一用以燃燒石灰石而形成高溫氧化鈣粉末的水泥生產裝置9，該水泥生產裝置9包含一用以執行燃燒製程的窯體91，及一與該窯體91連通並用以將石灰石料粉導入該窯體91的進料室92。該實施例包含一適用於連接該水泥生產裝置9的管線單元2、一連接於該管線單元2的反應單元3、一設置於該反應單元3相對下游的抽引單元4，及一設置於該反應單元3與該抽引單元4之間，且適用於連通該水泥生產裝置9的集塵單元5。

該管線單元2用以輸送該水泥生產裝置9產生的高溫氧化鈣粉末，並包括一連通於該窯體91與該反應單元3間的第一管路21、一連通於該進料室92與該反應單元3間的第二管路22，及二分別設置於該第一管路21與該第二管路22中，並用以控制連通與否的閘板29。由於自該水泥生產裝置9之窯體91經由該第一管路21輸出的高溫氧化鈣粉末之溫度相當高，且自該進料室92經由該第二管路22也是輸出高溫的粉塵，故該第一管路21與該第二管路22皆必須內砌耐高溫的耐火材料，以延長該第一管路21與該第二管路22的使用壽命。另外，該等閘板29則分別用以控制該第一管路21與該第二管路22的連通與否，藉由控制該等閘板29，便於依據時間或者該水泥生產裝置9的其他製程參數，預先設定或者適時調整高溫氧化鈣粉末的進料量。

該反應單元3包括一連通於該管線單元2的反應腔31、一連通於該反應腔31且用以導入二氧化碳的導氣管32、一連通於該反應腔31與該水泥生產裝置9之間的送料管33，及一連接於該反應腔31並用以在該反應腔31溫度低於一個設定為900℃的設定溫度時，執行加熱而維持該反應腔31之溫度的輔助加熱器34。其中，該反應腔31與該第一管路21及該第二管路22連通，故該水泥生產裝置9產生的高溫氧化鈣粉末，是經由該第一管路21及該第二管路22輸入該反應腔31。

參閱圖3，該集塵單元5用以分離該反應單元3之反應腔31反應形成的碳酸鈣及未完全反應的二氧化碳，並包括一用以將固體及氣體分離的旋風集塵器51、一設置於該旋風集塵器51下游的冷卻器52，及一設置於該冷卻器52下游，並用以將固體及氣體分離而收集固體的電力集塵器53。

同時參閱圖2與圖3，當該水泥生產裝置9的窯體91以接近1000℃的溫度煅燒，由於該進料室92也會維持1000℃左右的溫度，故當該窯體91及該進料室92的高溫氧化鈣粉末分別經由該第一管路21與該第二管路22導入該反應腔31時，不需燃燒過多的燃料，甚至不需要燃燒燃料，即會維持在接近1000℃左右的溫度。就算當該反應腔31溫度過低時，也能配合該輔助加熱器34的輔助加熱機制來維持溫度。

透過該抽引單元4產生的動力，該導氣管32會將欲吸附之二氧化碳導入該反應腔31，該水泥生產裝置9產生的高溫氧化鈣粉末也會因此導入該反應腔31。此時，二氧化碳與導入的高溫氧化鈣粉末混合反應，由於在該水泥生產裝置9中的原料即為粒徑甚小的粉末，故相較於先前技術而言，粉末狀態的氧化鈣具有相對較大的反應面積，更容易與二氧化碳以良好的效率反應生成碳酸鈣，達成吸附二氧化碳的目的。接著，反應生成的碳酸鈣可再透過該送料管33送回該水泥生產裝置9，當作製作水泥的原料。而該水泥生產裝置9之窯體91燃燒碳酸鈣產生的氧化鈣，又能導回該反應腔31而繼續執行二氧化碳的吸附，達成直接配合該水泥生產裝置9而執行鈣循環的良好效果，且不會產生多餘的廢棄物。

值得特別說明的是，由於本實施例是直接配合該水泥生產裝置9的生產作業，具有高度的同步性，在原料的導入方面，也因該水泥生產裝置9會持續補充新的石灰石原料而持續運作生產，使得導入本實施例之反應單元3的高溫氧化鈣粉末大部分是反應活性高的新原料，更有利於藉此提高在該反應腔31中捕獲二氧化碳的反應效率。

在該反應腔31中反應形成的產物，除了反應完全的碳酸鈣以外，還有部分未反應的二氧化碳、氧化鈣，以及其他固體或氣體。透過該集塵單元5，能利用該旋風集塵器51初步將高溫的固體與氣體分離。要特別說明的是，為了確保該旋風集塵器51能適用於高溫環境下的作業，該旋風集塵器51的內部也需要使用耐火材料。接著，高溫的氣體會繼續由該冷卻器52冷卻，並再由該電力集塵器53進一步執行固體與氣體的分離，而傳輸至該抽引單元4的氣體，即為依法可在經處理後排放的氣體。

綜上所述，本發明二氧化碳吸附系統，能直接與該水泥生產裝置9結合，而不需額外設置廠區，即能直接將該水泥生產裝置9產生的接近1000℃左右之高溫且呈小粒徑粉塵狀之高反應活性的氧化鈣輸往該反應腔31，直接執行鈣循環之二氧化碳捕獲作業，有效減少運輸的成本，並使得二氧化碳吸附作業與水泥生產作業達成高度的同步化，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是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。

2‧‧‧管線單元

21‧‧‧第一管路

22‧‧‧第二管路

29‧‧‧閘板

3‧‧‧反應單元

31‧‧‧反應腔

32‧‧‧導氣管

33‧‧‧送料管

4‧‧‧抽引單元

5‧‧‧集塵單元

51‧‧‧旋風集塵器

52‧‧‧冷卻器

53‧‧‧電力集塵器

9‧‧‧水泥生產裝置

91‧‧‧窯體

92‧‧‧進料室

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是一系統配置圖，說明一現有的二氧化碳捕獲設備； 圖2是一系統配置圖，說明本發明二氧化碳吸附系統的一實施例；及 圖3是一示意圖，說明該實施例的一集塵單元。

Claims (8)

1. 一種二氧化碳吸附系統，適用於連接一用以燃燒石灰石而形成高溫氧化鈣粉末的水泥生產裝置，並包含： 一管線單元，適用於連接該水泥生產裝置，用以輸送該水泥生產裝置產生的高溫氧化鈣粉末；及 一反應單元，包括一連通於該管線單元的反應腔，及一連通於該反應腔且用以導入二氧化碳的導氣管，導入該反應腔的二氧化碳與輸送至該反應腔的高溫氧化鈣粉末，在該反應腔中反應形成碳酸鈣。
2. 如請求項1所述的二氧化碳吸附系統，其中，該反應單元還包括一連通於該反應腔與該水泥生產裝置之間，且用以將該反應腔反應形成之碳酸鈣回送至該水泥生產裝置的送料管。
3. 如請求項1所述的二氧化碳吸附系統，其中，該反應單元還包括一連接於該反應腔並用以在該反應腔溫度低於一設定溫度時，執行加熱而維持該反應腔之溫度的輔助加熱器。
4. 如請求項1所述的二氧化碳吸附系統，該水泥生產裝置包含一窯體，及一與該窯體連通並用以將石灰石料粉導入該窯體的進料室，其中，該管線單元包括一連通於該窯體與該反應單元之反應腔間的第一管路，及一連通於該進料室與該反應單元之反應腔間的第二管路。
5. 如請求項4所述的二氧化碳吸附系統，其中，該管線單元還包括二分別設置於該第一管路與該第二管路中，並用以控制連通與否的閘板。
6. 如請求項1所述的二氧化碳吸附系統，還包含一設置於該反應單元之反應腔的相對下游的抽引單元，該抽引單元用以產生使該水泥生產裝置產生之高溫氧化鈣粉末導入該反應單元之反應腔的抽吸動力。
7. 如請求項6所述的二氧化碳吸附系統，還包含一設置於該反應單元與該抽引單元之間，且適用於連通該水泥生產裝置的集塵單元。
8. 如請求項7所述的二氧化碳吸附系統，其中，該集塵單元包括一用以將固體及氣體分離的旋風集塵器、一設置於該旋風集塵器下游的冷卻器，及一設置於該冷卻器下游，並用以將固體及氣體分離而收集固體的電力集塵器。