TWI660770B - 二氧化碳捕集與利用之裝置及處理方法 - Google Patents

二氧化碳捕集與利用之裝置及處理方法 Download PDF

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Abstract

本發明關於一種二氧化碳捕集與利用之處理方法，其利用氫氧化鉀(KOH)對二氧化碳之高溶解度。先將二氧化碳送入含有氫氧化鉀溶液之吸收塔內，藉以形成碳酸鉀，再導入流體化床結晶槽來與鈣離子(或鎂離子、或鋇離子)反應形成碳酸鈣(或碳酸鎂、或碳酸鋇)結晶顆粒，藉此將二氧化碳捕集下來。此外，結晶槽中的鉀離子再以KOH的形式迴流至該吸收塔，回收再使用。是以，本發明得以避免額外製造環境污染外，還能產製化學品提供利用，進而增加額外的收益。再者，本發明更提供一種二氧化碳捕集與利用之裝置用於本發明的處理方法。

Description

二氧化碳捕集與利用之裝置及處理方法
本發明關於一種二氧化碳捕集與利用之裝置及處理方法，尤指一種可用來捕集二氧化碳，且可將捕集的二氧化碳轉化為可供產業利用的化學品之裝置及處理方法。
碳捕集、利用與封存技術是一項新興的、具有大規模二氧化碳減排潛力的技術，有望實現化石能源的低碳利用，被廣泛認為是應對全球氣候變化、控制溫室氣體排放的重要技術之一。目前，CO2的分離和捕集主要有溶劑吸收法、吸附法、膜分離等方法。此外，在我國內捕集技術以醇胺化學吸收及鈣循環迴路發展較為快速。
在本國與中國專利資料庫也有相當多篇CO2捕集技術被揭露，舉如：公告號TWI369399『供用於二氧化碳捕集設備之裝置』；公告號TWI466711『一種低耗能之二氧化碳吸附濃縮與轉化能源系統』；公告號TWI472502『陶瓷材料、二氧化碳的吸附方法及二氧化碳的轉化方法』；公告號TWI499449『二氧化碳捕獲裝置與方法』；公告號TW公告號TWI552795 『利用氨水捕獲二氧化碳之方法及系統』；公告號TWI552957『二氧化碳吸附與回收系統及方法』；公告號TWM386111『碳捕集與封存系統』；公開號TW201244805『二氧化碳捕集系統』；公開號TW201315530『用於水泥工廠之整合的二氧化碳捕集』；公告號CN 102179126 B『煙道氣二氧化碳捕集系統煙道氣旋流洗塵脫水方法與裝置』；公告號CN102500195B『一種煙氣二氧化碳氣動捕集系統及工藝』；公告號CN 102500195 B『一種兩相二氧化碳捕集裝置』；公開號CN102657994A『一種廢舊鋰電池正極材料用於火電廠CO2 捕集的方法』；公開號CN102794093A『一種二氧化碳捕集與礦化一體化工藝』；公告號CN102921281B『一種利用多位點協同效應來明顯提高碳捕集性能的方法』；以及公告號CN 103463955 B『一種從工業尾氣中分離回收二氧化碳的工藝』等。然而該等專利前案不外乎揭露如何降低能耗來捕獲二氧化碳之方法或系統，亦或將捕獲後的二氧化做為微藻之碳源或轉化為一氧化碳來製備液態燃料，並未發現可對捕集到的二氧化碳作為原料而轉化為可供產業利用的化學品的技術應用。因而，在捕集二氧化碳後的處理上，除了現有技術揭露之轉化為一氧化碳或做為微藻之碳源外，應當有不一樣的技術來提供誘因以開發更具有競爭性和經濟性之回收技術來提供燃燒廠建置使用。
緣此，本發明之主要目的在提供一種二氧化碳捕集與利用之裝置及處理方法，此裝置及處理方法不僅可以達成二氧化碳之減量的目的以降低大氣中二氧化碳之濃度，更可以將捕集到的二氧化碳作為原料而轉化為可供產業利用的化學品以增加資源化再利用的機會。
根據本發明一實施例的二氧化碳捕集與利用之裝置係包含一吸收塔及一流體化床結晶槽。該吸收塔內容納含有氫氧化鉀(KOH)溶液，該吸收塔具有一進口用以導入含有二氧化碳之煙道氣以及具有一出口，當該煙道氣導入該吸收塔內後，該煙道氣中的二氧化碳會以碳酸鉀(K2 CO3 )之形式被氫氧化鉀吸收在該溶液中。該流體化床結晶槽具有一管狀下段及一管狀上段，該下段設有一第一進流口與一第二進流口，該第一進流口與該吸收塔的出口連通用以將吸收二氧化碳的溶液導入該結晶槽的下段，該第二進流口與一金屬離子供給槽連通，該金屬離子供給槽內容納有金屬離子溶液，使得該金屬離子供給槽內的金屬離子溶液可經由該第二進流口導入該結晶槽的下段用以和含有碳酸鉀的溶液反應而形成碳酸鹽結晶顆粒與氫氧化鉀，該氫氧化鉀可迴流至該吸收塔內回收。
根據本發明一實施例的二氧化碳捕集與利用之處理方法係包含：提供一吸收塔，該吸收塔內容納含有氫氧化鉀(KOH)溶液，該吸收塔具有一進口用以導入含有二氧化碳之煙道氣以及具有一出口，當該煙道氣導入該吸收塔內後，該煙道氣中的二氧化碳會與氫氧化鉀(KOH)反應生成碳酸鉀(K2CO3)而吸收在該溶液中；提供一流體化床結晶槽，該結晶槽具有一下段及一上段，該下段與該上段之間具有一迴流管，該下段設有一第一進流口與一第二進流口，該第一進流口與該吸收塔的出口以一管路連通，該第二進流口與一金屬離子供給槽以一管路連通，該金屬離子供給槽內容納有金屬離子溶液；以及將該吸收塔內之吸收二氧化碳的溶液經由該第一進流口導入該結晶槽的下段內，且使該金屬離子供給槽內的金屬離子溶液經由該第二進流口導入該結晶槽的下段，其中引入該結晶槽中的含有碳酸鉀溶液會與金屬離子溶液混合且由該結晶槽的下段向上段流動，並經由該迴流管迴流至下段以進行循環，使得金屬離子溶液中的金屬離子和含有碳酸鉀的溶液反應而形成碳酸鹽結晶顆粒與氫氧化鉀(KOH)，其中氫氧化鉀(KOH)可以回收至該吸收塔內。
最好，該金屬離子為鈣離子、鎂離子或鋇離子。該結晶槽中的酸鹼值（pHe ）控制在5至10之間。該金屬離子溶液相對該含有碳酸鉀溶液的進料莫耳濃度比(CMe /CCO3 ) 控制在0.5至3之間。該含有碳酸鉀溶液的截面負荷(L)控制在介於1至5 kg m-2 h-1 之間，該結晶槽中的水力停留時間控制在10至50 min之間。
關於本發明之其它目的、優點及特徵，將可由以下較佳實施例的詳細說明並參照所附圖式來了解。
本發明係提出一種氧化碳捕集與利用之裝置及處理方法，該裝置及處理方法適合應用在使用燃料之水泥業、石化產業或電廠等之燃料(諸如煤、石油、泥煤、廢料等)的燃燒作業中，得以將燃燒熱過程所產生煙道氣之二氧化碳捕集並利用，達成減少大氣中二氧化碳濃度的效果，而且可將二氧化碳轉化為化學品原料以提供具利用價值的化學品。
參閱圖1，依據本發明的裝置係包含二氧化碳吸收塔10及流體化床結晶槽12，該吸收塔10的內部容納含有氫氧化鉀(KOH)的溶液14，該吸收塔10具有一進口16及一出口18，該進口16與一煙道氣排放裝置20之間以一管路22連通，使得該煙道氣排放裝置20所排放之含有二氧化碳的煙道氣可經由該進口16導入該吸收塔10內。在本實施例中，該管路22上設有一熱交換器24，使得該煙道氣在導入該吸收塔10之前，會先經由該熱交換器24以回收該煙道氣的熱能，且使得高溫的煙道氣可先降溫以利從煙道氣中將二氧化碳回收。當該煙道氣導入該吸收塔10內後，該煙道氣中的二氧化碳會與氫氧化鉀(KOH)反應生成碳酸鉀(K2 CO3 )，因而，該煙道氣中的二氧化碳將以碳酸鉀(K2 CO3 )之形式被吸收在該溶液14中。在本實施例中，該吸收塔10的底部26與頂部27之間具有一迴流管路28用來使沒有完全被吸收的二氧化碳氣體可迴流到該吸收塔10的頂部27內再噴霧而淋洗下來。
該結晶槽12具有一管狀下段30及一管狀上段32，該下段30與該上段32之間具有一迴流管34。該下段30設有一第一進流口36與一第二進流口38，該第一進流口36與該吸收塔10的出口18以一管路40連通，使得該吸收塔10內之吸收二氧化碳的溶液14可經由該第一進流口36導入該結晶槽12的下段30內。該第二進流口38與一金屬離子供給槽42以一管路44連通，該金屬離子供給槽42內容納有金屬離子(例如鈣離子、鎂離子或鋇離子)溶液，使得該金屬離子供給槽42內的金屬離子溶液可經由該第二進流口38導入該結晶槽12的下段30。引入結晶槽12中的溶液14會與金屬離子溶液混合且由該結晶槽12的下段30向上段32流動，並經由迴流管34迴流至下段30以進行循環，使得金屬離子溶液中的金屬離子和溶液14中的碳酸鉀進行顆粒化反應而形成碳酸鹽(例如碳酸鈣、碳酸鎂或碳酸鋇)結晶顆粒與氫氧化鉀(KOH)。再者，該結晶槽12上設有一結晶顆粒取出口46，且在該結晶槽12的上段32與該吸收塔10的頂部27之間設有一回收管48。當該金屬離子供給槽42內的金屬離子溶液與含有碳酸鉀的溶液14在該結晶槽12內反應形成碳酸鹽結晶顆粒與氫氧化鉀後，其中的碳酸鹽結晶顆粒可從該取出口46取出，並轉化為化學品原料來利用；而氫氧化鉀(KOH)則可以溶液形式流到該結晶槽12的上段32，再經由該回收管48迴流至該吸收塔10內，再生使用。
依據本發明的裝置應用在使用燃料之水泥業、石化產業或電廠等之燃料的燃燒作業中時，除了可將二氧化碳捕集下來以降低大氣中二氧化碳濃度之外，更可以將捕集到的二氧化碳作為原料而轉化為碳酸鹽結晶顆粒，進而製造成可供產業利用的化學品。
依據本發明的二氧化碳捕集與利用之處理方法包含：提供一吸收塔10，該吸收塔10內容納含有氫氧化鉀(KOH)溶液14，該吸收塔10具有一進口16用以導入含有二氧化碳之煙道氣以及具有一出口18，當該煙道氣導入該吸收塔10內後，該煙道氣中的二氧化碳會與氫氧化鉀(KOH)反應生成碳酸鉀(K2 CO3 )而吸收在該溶液14中；提供一流體化床結晶槽12，該結晶槽12具有一下段30及一上段32，該下段30與該上段32之間具有一迴流管34，該下段30設有一第一進流口36與一第二進流口38，該第一進流口36與該吸收塔10的出口18連通，該第二進流口38與一金屬離子供給槽42連通，該金屬離子供給槽42內容納有金屬離子溶液；將該吸收塔10內之吸收二氧化碳的溶液14經由該第一進流口36導入該結晶槽12的下段30內，且使該金屬離子供給槽42內的金屬離子溶液經由該第二進流口38導入該結晶槽12的下段30，其中引入該結晶槽12中的溶液14會與金屬離子溶液混合且由該結晶槽12的下段30向上段32流動，並利用幫浦50使混合的溶液會經由迴流管34迴流至下段30以進行循環，使得金屬離子溶液中的金屬離子和溶液14中的碳酸鉀進行顆粒化反應而形成碳酸鹽結晶顆粒與氫氧化鉀(KOH)。此外，反應形成的氫氧化鉀可流到該結晶槽12的上段32，再經由該回收管48迴流至該吸收塔10內回收。
依據本發明的二氧化碳捕集與利用之處理方法在操作上，該結晶槽12中的酸鹼值（pHe ）、金屬離子溶液相對含有碳酸鉀溶液14的進料莫耳濃度比(CMe /CCO3 )、含有碳酸鉀溶液14的截面負荷(L)以及該結晶槽12中水力停留時間將分別影響碳酸鉀與金屬離子的反應效率與顆粒穩定後的顆粒化率。依據試驗結果，為得到較高的反應效率與顆粒穩定後的顆粒化率，該結晶槽12中的酸鹼值（pHe ）應控制在5至10之間，金屬離子溶液相對含有碳酸鉀溶液14的進料莫耳濃度比(CMe /CCO3a ) 應控制在0.5至3之間，較佳控制在1.0-1.5之間，含有碳酸鉀溶液14的截面負荷(L)應控制在介於1至5 kg m-2 h-1 之間，水力停留時間應控制在10至50 min之間。
依據本發明的處理方法採用對二氧化碳有高溶解度的KOH於吸收塔10中反應來生成碳酸鹽，再將碳酸鹽與金屬離子供給槽42所提供的鹼土金屬離子泵入流體化床結晶槽12中，反應生成結晶顆粒與KOH，其中KOH可迴流至該吸收塔10而重覆做為溶解二氧化碳之用途。因而，本發明的處理方法不僅能避免傳統化學或生物方法的缺陷，並達到產物資源化目的，且具有高效率、低成本、無污泥等優點。再者，本發明的處理方法以碳酸鈣結晶粒的方式捕集二氧化碳氣體，其碳酸鹽結晶顆粒的產物穩定，可以應用於橡膠、塑膠、油漆、造紙、食品、化妝品、醫藥及日用化工等行業。
在前述說明書中，本發明僅是就特定實施例做描述，而依本發明的特徵仍可有多種變化或修改。是以，對於熟悉此項技藝人士可作之明顯替換與修改，仍將併入於本發明所主張的專利範圍之內。
10‧‧‧吸收塔
12‧‧‧結晶槽
14‧‧‧溶液
16‧‧‧進口
18‧‧‧出口
20‧‧‧煙道氣排放裝置
22‧‧‧管路
24‧‧‧熱交換器
26‧‧‧底部
27‧‧‧頂部
28‧‧‧迴流管路
30‧‧‧下段
32‧‧‧上段
34‧‧‧迴流管
36‧‧‧第一進流口
38‧‧‧第二進流口
40‧‧‧管路
42‧‧‧金屬離子供給槽
44‧‧‧管路
46‧‧‧取出口
48‧‧‧回收管
50‧‧‧幫浦
圖1係繪示本發明一實施例之二氧化碳捕集與利用之裝置的示意圖。

Claims (10)

  1. 一種二氧化碳捕集與利用之裝置，包含：一吸收塔，該吸收塔內容納含有氫氧化鉀(KOH)溶液，該吸收塔具有一進口用以導入含有二氧化碳之煙道氣以及具有一出口，當該煙道氣導入該吸收塔內後，該煙道氣中的二氧化碳會以碳酸鉀(K2CO3)之形式被氫氧化鉀吸收在該溶液中；以及一流體化床結晶槽，其具有一管狀下段及一管狀上段，該下段設有一第一進流口與一第二進流口，該第一進流口與該吸收塔的出口連通用以將吸收碳酸鉀的溶液導入該結晶槽的下段，該第二進流口與一金屬離子供給槽連通，該金屬離子供給槽內容納有金屬離子溶液，使得該金屬離子供給槽內的金屬離子溶液可經由該第二進流口導入該結晶槽的下段用以和吸收二氧化碳的溶液反應而形成碳酸鹽結晶顆粒與氫氧化鉀，該氫氧化鉀可以溶液形式流到該結晶槽的上段且迴流至該吸收塔內回收。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該結晶槽的上段與該吸收塔之間具有一回收管用以將該結晶槽中反應生成的氫氧化鉀回收到吸收塔內。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含一熱交換器，該熱交換器與該吸收塔的進口連通，使得該煙道氣在導入該吸收塔之前先經由該熱交換器以降溫。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該金屬離子為鈣離子、鎂離子或鋇離子。
  5. 一種二氧化碳捕集與利用之處理方法，包含：提供一吸收塔，該吸收塔內容納含有氫氧化鉀(KOH)溶液，該吸收塔具有一進口用以導入含有二氧化碳之煙道氣以及具有一出口，當該煙道氣導入該吸收 塔內後，該煙道氣中的二氧化碳會與氫氧化鉀(KOH)反應生成碳酸鉀(K2CO3)而吸收在該溶液中；提供一流體化床結晶槽，該結晶槽具有一下段及一上段，該下段與該上段之間具有一迴流管，該下段設有一第一進流口與一第二進流口，該第一進流口與該吸收塔的出口以一管路連通，該第二進流口與一金屬離子供給槽以一管路連通，該金屬離子供給槽內容納有金屬離子溶液；及將該吸收塔內之含有碳酸鉀的溶液經由該第一進流口導入該結晶槽的下段內，且使該金屬離子供給槽內的金屬離子溶液經由該第二進流口導入該結晶槽的下段，其中引入該結晶槽中的含有碳酸鉀溶液會與金屬離子溶液混合且由該結晶槽的下段向上段流動，並經由該迴流管迴流至下段以進行循環，使得金屬離子溶液中的金屬離子和含有碳酸鉀的溶液反應而形成碳酸鹽結晶顆粒與氫氧化鉀(KOH)，其中氫氧化鉀(KOH)可以溶液形式流到該結晶槽的上段且回收至該吸收塔內。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之處理方法，其中該金屬離子為鈣離子、鎂離子或鋇離子。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之處理方法，其中該結晶槽中的酸鹼值(pHe)控制在5至10之間。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之處理方法，其中該金屬離子溶液相對含有碳酸鉀溶液的進料莫耳濃度比(CMe/CCO3)控制在0.5至3之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之處理方法，其中該金屬離子溶液相對含有碳酸鉀溶液的進料莫耳濃度比(CMe/CCO3)控制在1.0至1.5之間。
  10. 如申請專利範圍第8或第9項所述之處理方法，其中含有碳酸鉀溶液的截面負荷(L)控制在介於1至5kgm-2 h-1之間，該結晶槽中的水力停留時間控制在10至50min之間。
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