TWI730727B

TWI730727B - 移動式顆粒床及其控制方法

Info

Publication number: TWI730727B
Application number: TW109113104A
Authority: TW
Inventors: 蕭述三; 陳一順; 張家維; 張立揚
Original assignee: 國立中央大學
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2021-06-11
Also published as: TW202140129A

Abstract

一種移動式顆粒床，包括有一顆粒流道模組、一進氣管道模組以及一出氣管道模組。該顆粒流道模組，具有一顆粒材料導入口以及一顆粒材料排出口，顆粒材料經由該顆粒材料導入口進入，而由該顆粒材料排出口排出。該進氣管道模組設置於該顆粒流道模組之一側，一待過濾氣流由該進氣管道模組進入該顆粒流道模組，形成一乾淨氣流，該乾淨氣流具有一粉塵濃度資訊。該出氣管道模組，設置於該顆粒流道模組之另一側，用以排出該乾淨氣流。該移動式顆粒床之特徵在於其具有一粉塵濃度偵測模組、一流量控制模組以及一控制單元。該粉塵濃度偵測模組設置在該出氣管道模組，用以偵測關於該乾淨氣流的粉塵濃度資訊。該流量控制模組，用以控制通過該顆粒流道模組之顆粒材料流的流量。該控制單元，與該流量控制模組以電訊號連接，控制該顆粒材料流通過該顆粒流道模組的流量大小。

Description

移動式顆粒床及其控制方法

本發明為一種移動式顆粒床的過濾技術，特別是指一種控制顆粒材料流量以控制顆粒材料溫度及其過濾效果之移動式顆粒床及其控制方法。

近年來能源議題受到社會大眾的關注。在國家能源發展的政策上，要以建立非核家園為能源發展的方向。為了達到此目的，許多替代性的能源也逐漸增加比重，荷擔我國經濟發展供電的角色。在各種非核能的發電方式中，燃煤電廠佔據較大的發電比重。然而，因燃燒煤炭之緣故，會產生含有大量有害物質之氣體，其係含有大量的微塵物質、硫化物、氮化物或者是其他的污染物。如果將有害氣體在不經過處理的情況下予以排放，將會對人類的環境產生重大的影響。

除了燃煤發電排放的廢氣之外，垃圾焚化廠在處理垃圾焚化時，也會產生廢氣。該廢氣中主要的有害成分為煙塵、硫化物（SOx）、HCl、氮氧化物（NOx）、氨（NH3）、氰（HCN）、碳氫化合物（HC）、有機酸、乙醛、重金屬及戴奧辛等。

不管是發電、垃圾焚化或其他相關產業(如化工廠、半導體廠、鋼鐵廠或造紙廠)所產生的工業廢氣，如果沒有採取有效的處理措施，往往會對空氣環境造成很大的污染。因此，各個工業大國無不制定嚴格的有害物質排放標準，並且為了因應該排放標準，也投入不少的研發資源，發展能夠有效處理廢氣中之有害物質的方法與技術。

在習用技術中，如圖1所示，為習用之移動式顆粒床示意圖。習用移動式顆粒床1具有一濾材流道11、一進氣單元12及一出氣單元13。濾材111以一適當速度移動之方式由導入口112填充至濾材流道11內，並由排出口113移動至濾材流道11外。而待過濾氣流則由進氣單元12送至濾材流道11之一側。待過濾氣流中之粉塵微粒及污染物，將被濾材111過濾吸附，並隨著濾材111以適當速度由上往下移動，直到濾材111由排出口113排出。而已過濾之潔淨氣體將從濾材流道11之另一側流動至出氣單元13，並由出氣單元13向外界排出。

此外，習用技術中，如中華民國專利公告第I640354號，描述了一種可以增加過濾效率的方式。根據該技術所描述的內容，其揭露了一加熱模組，設置於顆粒流道模組內，及一控制單元，控制加熱模組以加熱顆粒材料，使顆粒材料的溫度與待過濾氣流的溫度具有一差值。也就是說，該技術透過加熱顆粒材料的方式來提高過濾效率。

本發明提供一種移動式顆粒床的控制方法，透過控制顆粒材料進入床體內部的流量，調整顆粒之間的間隙，進而控制顆粒材料對待過濾氣體的粉塵捕集量。此外，在另一實施例中，透過控制顆粒材料流的流量，可以調整顆粒之間的空隙，避免顆粒材料因溫度增加而在材料周圍形成熱黏滯現象，影響氣流通過的效率，進而對氣流過濾效果降低的情況。此外，透過控制顆粒材料的流量，可以降低顆粒材料流的溫度，增加顆粒材料流與廢氣流的溫度差，進而維持顆粒材料流的過濾效慮。

在一實施例中，本發明提供一種移動式顆粒床，包括有一顆粒流道模組、一進氣管道模組以及一出氣管道模組。該顆粒流道模組，具有一顆粒材料導入口以及一顆粒材料排出口，顆粒材料經由該顆粒材料導入口進入，而由該顆粒材料排出口排出。該進氣管道模組設置於該顆粒流道模組之一側，一待過濾氣流由該進氣管道模組進入該顆粒流道模組，形成一乾淨氣流，該乾淨氣流具有一粉塵濃度資訊。該出氣管道模組，設置於該顆粒流道模組之另一側，用以排出該乾淨氣流。該移動式顆粒床之特徵在於其具有一粉塵濃度偵測模組、一流量控制模組以及一控制單元。該粉塵濃度偵測模組設置在該出氣管道模組，用以偵測關於該乾淨氣流的粉塵濃度資訊。該流量控制模組，用以控制通過該顆粒流道模組之顆粒材料流的流量。該控制單元，與該流量控制模組以電訊號連接，控制該顆粒材料流通過該顆粒流道模組的流量大小，以調整該顆粒材料對該待過濾氣流之過濾效率。

在一實施例中，該控制單元增加該顆粒材料流的流量，以降低該粉塵濃度。當該顆粒材料流的流量持續增加至使粉塵濃度反向增加時，以粉塵濃度反向增加前的該顆粒材料流的流量為一操作流量。

在一實施例中，移動式顆粒床更具有一餘熱回收裝置，與該顆粒材料排出口耦接，用以吸收由該顆粒材料排出口所排出的顆粒材料的熱量，以降低該顆粒材料流的溫度。

在一實施例中，該控制單元更進一步控制該流量控制模組增加顆粒材料流通過該顆粒流道模組的流量，以降低該顆粒材料流的溫度。

在一實施例中，本發明提供一種移動式顆粒床的控制方法，包括有下列步驟：首先，提供一移動式顆粒床，其包括有一顆粒流道模組、一進氣管道模組以及一出氣管道模組。該顆粒流道模組，具有一顆粒材料導入口以及一顆粒材料排出口，一顆粒材料經由該顆粒材料導入口進入而由該顆粒材料排出口排出。該進氣管道模組設置於該顆粒流道模組之一側，一待過濾氣流由該進氣管道模組進入該顆粒流道模組，以形成一乾淨氣流。該出氣管道模組，設置於該顆粒流道模組之另一側，用以排出該乾淨氣流。接著，於該出氣管道模組，偵測關於該乾淨氣流的粉塵濃度資訊。然後，控制一流量控制模組增減該顆粒材料流通過該顆粒流道模組的流量，以降低該粉塵濃度。當該顆粒材料流的流量持續增加至使粉塵濃度反向增加時，以粉塵濃度反向增加前的顆粒材料流流量為一操作流量。

在一實施例中，其更包括有藉由增加該顆粒材料流通過該顆粒流道模組的流量，以降低該顆粒材料流的溫度。

在下文將參考隨附圖式，展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例，以此使得本發明更為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念涵蓋之範疇。數字始終指示對應元件，以下將以多種實施例配合圖式，來說明本發明移動式顆粒床及其控制方法，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖2所示，該圖為本發明之移動式顆粒床之一實施例示意圖。該移動式顆粒床2包括有一顆粒流道模組20、一進氣管道模組21以及一出氣管道模組22。該顆粒流道模組20，具有一顆粒材料導入口200以及一顆粒材料排出口201。該顆粒流道模組20可以提供顆粒材料90經由該顆粒材料導入口200進入，形成移動的顆粒材料流91而由該顆粒材料排出口201排出。該顆粒材料90可以為過濾材質、吸附材質、觸媒材質或前述之至少兩種之組合。在本實施例中，該顆粒材料流91內的顆粒材料90溫度為常溫，例如：20~30度C之間，或者是介於20~600度C之間，其係根據待過濾器流的溫度而定。該顆粒流道模組20係由複數層子流道202所構成，相鄰兩子流道202之間具有間隙D，且具有至少一分流元件203，用以分流顆粒材料流91。每一個子流道202和分流元件203係屬習用技術，在此不作贅述。

該進氣管道模組21，設置於該顆粒流道模組20的一側，該進氣管道模組21具有一流路210以及複數個流體參數感測器，包括有壓力感測器211及/或速度感測器212。該流路210用以提供待過濾氣流92通過。該待過濾氣流為經由燃燒或氣化後所形成的氣流。在一實施例中，該進氣管道模組21和該顆粒流道模組20之間更具有一管道連接殼體23，其係連接該流路210的一端部以及該出氣管道模組22，使得該進氣管道模組21氣密連接於該顆粒流道模組20上。在本實施例中，該管道連接殼體23內且位於該流路210之端部外側的區域更具有複數個導流板230~232。在一實施例中，該複數個導流板，更包括有一第一導流板230、一第二導流板231以及一第三導流板232。該第一導流板230，水平夾角係介於0°至50°之間。該第二導流板231，其係設置於該第一導流板230之一側，該第二導流板231具有一介於10°至80°之水平夾角。該第三導流板232，其係設置於該第一導流板230之另一側，與該第二導流板231相對應，該第三導流板232具有一介於-10°至-80°之水平夾角。該複數個導流板230~232用以將該待過濾氣流92分成複數個子氣流920，以讓待過濾氣流92可以均勻的通過該顆粒流道模組20。

該待過濾氣流92由該進氣管道模組21進入該顆粒流道模組20，通過顆粒材料流91之後被過濾以形成一已過濾之乾淨氣流93。該出氣管道模組22，設置於該顆粒流道模組20之另一側，與該進氣管道模組21對應，用以排出該已過濾之乾淨氣流93。在本實施例中，該出氣管道模組22具有一出氣管路220與該管道連接殼體23連接。該出氣管道模組22更包括有壓力感測器221及/或速度感測器222，用以量測該乾淨氣流93的壓力與速度。

該移動式顆粒床2更具有一溫度感測模組24以及一控制單元25。該溫度感測模組24，本實施例的溫度感測模組24具有第一溫度感測器240與第二溫度感測器241，用以量測顆粒材料流91的溫度。其中，該第一溫度感測器240，其係設置於該顆粒材料導入口200，該第一溫度感測器240以感測通過該顆粒材料導入口200的顆粒材料流91的之一第一溫度。該第二溫度感測器241，其係設置於該顆粒材料排出口201用以感測通過該顆粒材料排出口201的該顆粒材料的一第二溫度。要說明的是，在另一實施例中，該溫度感測模組24更具有設置在該顆粒材料導入口200與該顆粒材料排出口201之間的複數個第三溫度感測器242~244，用以感測顆粒材料流91的溫度，其配置的數量與位置並不以圖2中所示的數量為限制。

該控制單元25與該溫度感測模組24電訊連接，該控制單元25根據該溫度感測模組24所取得流入該顆粒流道模組20的該顆粒材料流91以及由該顆粒材料排出口201排出的顆粒材料流91的溫度。此外，控制單元25也與第三溫度感測器242~244連接，用以取得顆粒材料流在該顆粒流道模組20內不同流段的溫度資訊。在本實施例中，在該出氣管路220內更設置有一粉塵濃度偵測模組26，設置在該出氣管道模組22，用以偵測關於該乾淨氣流的粉塵濃度。該粉塵濃度偵測模組26與該控制單元25電訊連接，用以將偵測到的粉塵濃度資訊回傳給控制單元25。

此外，在該顆粒材料導入口200的上方設置有一供料裝置27，用以控制進入顆粒流道模組20的顆粒材料的流量。在一實施例中，供料裝置27靠近該顆粒材料導入口200側具有一流量控制模組270，用以控制通過該顆粒流道模組之一顆粒材料流的流量。在一實施例中該流量控制模組270為可以調整出口大小的閥體，透過閥體開口大小的調節來控制顆粒材料量。該控制單元25，與該流量控制模組270連接，該控制單元25控制該流量控制模組270增加或減少該顆粒材料流91的通過該顆粒流道模組20的流量。該供料裝置27的顆粒材料來源有新的顆粒材料90a以及由該顆粒材料排出口201排出的使用過的顆粒材料90b，經由導引的回收管路204導引回到該供料裝置27。在該供料裝置27將新的顆粒材料90a以及使用過的顆粒材料90b混合形成顆粒材料流90進入該顆粒流道模組20。

請參閱圖3所示，該圖為本發明之移動式顆粒床另一實施例示意圖。在本實施例中，基本上與圖2相同，差異的是，在本實施例的移動式顆粒床更具有一餘熱回收裝置28，用以提供回收經由顆粒材料排出口201排出的顆粒材料通過，並回收排出顆粒材料90b的熱能。在本實施例中，管路205用以導引排出的顆粒材料90b，管路205通過餘熱回收裝置28，再將顆粒材料90b傳輸至管路204以回送至供料裝置27。另一方面，餘熱回收裝置28也提供一餘熱回收管路280通過其內部，餘熱回收管路280內通過有液體281，例如：水。進入餘熱回收裝置28內的餘熱回收管路280內的液體和進入餘熱回收裝置28的管路205內的顆粒材料90b進行熱交換，亦即，液體吸熱溫度升高，再由餘熱回收管路280將其導出餘熱回收裝置28，以作為其他應用。本實施例除了可以回收顆粒材料的餘熱之外，也可以降低顆粒材料90b的溫度，有利於後續再利用，使得再利用的顆粒材料90b與新顆材料90a互混的溫度可以維持在低溫，例如：20~30度C之間，以和待過濾氣流92維持高的溫度差，進而維持顆粒材料流的過濾效慮。

接下來說明本發明之控制方法3。首先以步驟30提供移動式顆粒床，以圖2所示之移動式顆粒床為例。於本步驟中，啟動移動式顆粒床2，使得顆粒材料90由顆粒流道模組20進入並且由顆粒材料排出口201排出。然後讓待過濾氣流92進入顆粒流道模組20內，以對待過濾氣流92進行過濾。接著進行步驟31，於該出氣管道模組22，偵測關於該乾淨氣流93的粉塵濃度。在本步驟中，因為待過濾氣流92通過顆粒流道模組20內會與顆粒材料流91接觸，使得顆粒材料流91濾除待過濾氣流92內所含的污染物、粉塵等物質。待過濾氣流92通過顆粒流道模組20之後變成乾淨氣流93經由出氣管路220排出。在步驟31中，透過粉塵濃度偵測模組26偵測乾淨氣流93的潔淨狀態。粉塵濃度偵測模組26量測到的粉塵資訊回傳控制單元25，提供控制單元25作為調整進入顆粒流道模組20的顆粒材料流91的流量的判斷依據。

接著進行步驟32，控制單元25控制流量控制模組27增加該顆粒材料流通過該顆粒流道模組20的流量，以降低該粉塵濃度，當該顆粒材料流的流量持續增加致使當粉塵濃度反轉增加時，以粉塵濃度反轉增加前的該顆粒材料流91的流量為一操作流量。在本步驟中，首先說明本發明控制的原理，根據實驗的結果，請參閱圖4A與圖4B所示，其中圖4A為不同的顆粒材料流的流量對過濾效率的實驗結果，而圖4B為不同的顆粒材料流的流量產生的溫差效應。在圖4A中的A區代表顆粒材料沒有流動的模式(fixed-bed mode)下，可以看出過濾效率維持在幾乎百分之百。當啟動了流動顆粒床，也就是進入了顆粒材料流動模式(moving-bed mode)時，則量測結果如B區所示。從圖4A中可以看出正方形代表流量為每分鐘120g的顆粒材料，三角形代表每分鐘240g的顆粒材料，圓形則代表每分鐘360g的顆粒材料流量。啟動了流動顆粒床之後，根據實驗的結果，可以發現不同的顆粒材料流量和過濾效率有很大的關係。從圖4A中的B區可以看出流量達到360 g/min時，其過濾的效果最好，而隨著流量的降低，其過濾效率則減少。

請參閱圖5所示，該圖為不同顆粒材料流量產生的顆粒間隙示意圖。例如圖6(a)中，代表顆粒材料流91的流量為240 g/min的顆粒材料90的間隙901狀態。如圖6(b)所示，代表顆粒材料流91的流量為120 g/min的顆粒材料90的間隙901狀態。如圖6(c)所示，代表顆粒材料流91的流量為360 g/min的顆粒材料90的間隙901狀態。由於流量的改變會影響顆粒材料流內部顆粒之間的間隙，而此間隙根據研究的結果顯示，是影響過濾效果的重要因素。

請參閱圖4B所示，根據實驗結果，可以看出當流量為120 g/min時，顆粒床整體的間隙小於高流量時的間隙，如此導致了高的過濾阻力，使得顆粒材料流的溫度升高，因此流動顆粒床內的溫度和進入的廢氣流的溫差變小。反之，如果顆粒材料流的流量增加，因為顆粒材料流內的顆粒間間隙增大，使得廢氣流通過的阻力減小，而降低流動顆粒床的溫度，使得流動顆粒床內部的溫度與廢氣流的溫度差增大，進而可以提升過濾效慮。因此，透過步驟32增加該顆粒材料流通過該顆粒流道模組的流量，可以降低該顆粒材料流的溫度，增加與廢氣流(例如：待過濾氣流92)的溫度差，進而產生提升顆粒材料流過濾的效果。

從圖4A與圖4B可以得知，由於流量的改變會影響顆粒材料流內部顆粒材料間的孔隙，進而會影響顆粒材料的溫度。由於顆粒材料的溫度一旦增加，顆粒材料周圍的熱黏滯度(heat viscosity)會增加，熱黏滯度一旦增加會讓進入顆粒床的廢氣流以及粉塵無法保持被捕集的流線狀態，降低了流動顆粒材料流的過濾效果。基於上述的原因，實驗中的低流量顆粒材料流120 g/min，會讓顆粒材料溫度升高而增加了熱黏滯度，造成了過濾效果的降低。反之，如果顆粒材料流的流量增加至360 g/min, 因為廢氣流對顆粒材料流的溫度效應降低，使得顆粒材料流的熱黏滯效應降低，因而可以保持好的過濾效果。

此外，雖然流量240 g/min與流量360 g/min的溫差效果差不多，也就是熱黏滯效應的影響不大，但為何此兩種流量在過濾效應上會有差異的原因，其在於當顆粒材料流的流量大時，顆粒間的間隙增加，使得廢氣流的粉塵被捕集的效應大，因此會有比較好的過濾效果，反之，當顆粒材料流的流量小時，例如240 g/min時，粉塵被捕集的效應小，致使顆粒材料流的過濾效果降低。

由於顆粒材料流91的溫度也會影響到過濾效果，因此在步驟32之後，更可以進行步驟33，透過第三溫度感測器242~244感測顆粒材料流的溫度，以進一步將溫度資訊回傳給控制單元，作為輔助判斷調節顆粒材料流流量的依據。

從上述，可以得知過濾效率和顆粒材料90的間隙有關，因為顆粒材料90之間的間隙會影響到待過濾氣流通過顆粒材料流的阻力，以及熱黏滯。而間隙的大小則和顆粒材料進入顆粒流道模組的流量有關，因此透過步驟32調整顆粒材料的流量，可以決定過濾的最佳效果。調整顆粒材料流的過程中，由於過濾效率也不是隨著顆粒材料流流量增加而增加。也就是說，當流量增加到某一個量值時，過濾效率會反轉。過濾效率的反轉與否，可以透過粉塵濃度偵測模組26來偵測。隨著流量增加，理論上粉塵濃度要隨之降低，但是當偵測到乾淨氣流的粉塵量又反轉增加的時候，代表流量已經調整到臨界，因此控制單元25以粉塵濃度反轉增加前的該顆粒材料流的流量為顆粒床過濾氣流的顆粒材料操作流量，保持移動式顆粒床的過濾效果。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

2:移動式顆粒床

20:顆粒流道模組

200:顆粒材料導入口

201:顆粒材料排出口

202:子流道

203:分流元件

204:回收管路

205:餘熱回收管路(熱源側)

21:進氣管道模組

210:進氣管路

211:壓力感測器

212:速度感測器

22:出氣管道模組

220:出氣管路

221:壓力感測器

222:速度感測器

23:管道連接殼體

230:第一導流板

231:第二導流板

232:第三導流板

24:溫度感測模組

240:第一溫度感測器

241:第二溫度感測器

242~244:第三溫度感測器

25:控制單元

26:粉塵濃度偵測模組

27:供料裝置

270:流量控制模組

28:餘熱回收裝置

280:餘熱回收管路(熱回收側)

281:餘熱回收液體

90、90a、90b:顆粒材料

901:間隙

91:顆粒材料流

92:待過濾氣流

920:子氣流

93:乾淨氣流

圖1為習用之移動式顆粒床示意圖。圖2為本發明之移動式顆粒床之一實施例示意圖。圖3為本發明之移動式顆粒床之另一實施例示意圖。圖4A為不同的顆粒材料流的流量對過濾效率的實驗結果。圖4B為不同的顆粒材料流的流量產生的溫差效應。圖5為不同顆粒材料流量產生的顆粒間隙示意圖。