TWI732645B

TWI732645B - 分離冷卻裝置及應用其的燃料化系統

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Publication number: TWI732645B
Application number: TW109126506A
Authority: TW
Inventors: 曾堯宣; 張晏銓; 林有淂; 郭建生; 莊維仲
Original assignee: 國立臺灣科技大學; 住華科技股份有限公司
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2021-07-01
Also published as: TW202206164A

Abstract

本發明公開一種分離冷卻裝置及應用其的燃料化系統，其中分離冷卻裝置用以從一兩相混合物中分離出一燃料氣體與一固體或液體進而加以冷卻，分離冷卻裝置包括一腔體、一分離器以及一收集組件。腔體具有由上至下依序配置且各自獨立的一分離室、一冷卻室以及一收集室，分離器的本體位於分離室內，收集組件通過冷卻室與收集室與分離器本體連通。藉此，本發明的分離冷卻裝置至少具備節省空間、熱交換效率高、過濾混合物中的固體或液體物質、操作安全便利等優點。

Description

分離冷卻裝置及應用其的燃料化系統

本發明涉及一種氣固或氣液分離技術，特別是涉及一種氣固或氣液混合物的分離冷卻裝置，以及應用其的燃料化系統。

由於近年來資源的過度開發與工業化所產生的汙染，使得人類不得不回頭檢視各種技術對生存環境所造成的衝擊，環保議題也不斷受到世界各國的重視。綜觀而言，科技的進步與能源技術的發展密不可分，因此，各種發電廠所造成的環境衝擊與綠色能源的開發是各種環保議題中相當重要的部分。

有機廢溶劑燃料化(FWOSS)技術不同於現有廠內廢溶劑回收系統多採用物理(蒸餾提濃)或直接作為輔助燃料等處理方式，是藉由多階段的觸媒熱裂解方式，將廢溶劑透過觸媒熱裂解氣化成穩定的燃氣(CH₄、C₂H₂、C₂H₄、H₂等)，在經設備純化程序後，可作為業者廠內鍋爐的輔助燃料，使業者有效達到自廠廢溶劑處理及能源回收的目的。

「溶劑」廣泛被應用作為清洗、溶解、置換等目的之工業用途產品，己普遍使用於各類產業，並隨著國內電子及半導體工業成長，廢棄溶劑產量逐年增加，且產出量與處理量亦呈現失衡到面臨無處可處理的窘境。而使用過後的廢有機溶劑，已證實對人體具致毒性及致癌性，且對生物及環境具相對程度之危害，並屬環保署列管之重點事業廢棄物項目之一。

而針對國內廢溶劑現況及技術問題如下：

(1)廢溶劑產量逐年攀升，已呈現處理量能短缺

國內廢溶劑產量隨產業發展逐年增加，在產出量與處理量呈現失衡之情況下，已有處理量能源短缺之情形。

(2)委外處理費用昂貴，事業成本及環境風險增加

委外物理處理方式以蒸餾為主，當業主因廢溶劑含水率或雜質過高時，致使處理或回收機構不願收受，而業者委外處理改以焚化方式處理時，則因處理設施有限，處理費用較昂貴。另因交付處理/再利用機構之費用波動，致使產出廢溶劑的業者易因處理價格過高，而存放堆置或心存僥倖而隨意棄置。

(3)廠內廢溶劑回收處理技術限制

現依環保署統計，廠內回收再利用設備以透過蒸餾或精餾分離技術使溶劑提濃以作為工業溶劑或直接作為輔助燃料為主。而無論是提濃或作為輔助燃料，兩者對於廢溶劑進料及操作均有較高條件限制，包含廢溶劑成份、含水率、雜質及操作控制等要求，因此使提高業者廢溶劑的自廠回收上的困難。

本發明提出了廢有機溶劑的後處理技術，其能夠改善冷凝器因溶劑反應後產生大量固態碳粒致發生嚴重阻塞的問題，同時滿足實際應用的需求，例如實際應用時不允許處理設備、裝置佔據太大的空間、結構設計複雜且裝配難度大、熱量大量散失等。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種分離冷卻裝置，其可以在減少佔用空間的前提下，安全、有效且經濟地從氣固或氣液混合物中分離出燃料氣體加以利用。並且，提供一種應用此分離冷卻裝置的燃料化系統。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種分離冷卻裝置，用以從一兩相混合物中分離出一氣體與一固體或液體進而加以冷卻，所述分離冷卻裝置包括一腔體、一分離器以及一收集組件。所述腔體具有由上至下依序配置且各自獨立的一分離室、一冷卻室以及一收集室，其中所述冷卻室內設有多個第一輸送管，且多個所述第一輸送管與所述分離室和所述收集室連通。所述分離器包括一位於所述分離室內的分離器本體，其中所述分離器本體具有一導入口、一頂部出口以及一底部出口。所述收集組件包括一收集箱以及一第二輸送管，其中所述收集箱位於所述腔體之外，所述第二輸送管經過所述腔體的所述冷卻室與所述收集室，且所述第二輸送管一端與所述分離器本體的所述底部出口連通，另一端與所述收集箱連通。

在本發明的一實施例中，所述分離器包括一落料管，其接設於所述分離器本體的所述底部出口並插入所述第二輸送管，且所述落料管插入所述第二輸送管的長度佔所述第二輸送管總長度的0.05至0.1倍。

在本發明的一實施例中，所述第二輸送管具有一連接於所述落料管的前段管體以及一連接於所述收集箱的後段管體，所述前段管體的一自由端具有一上法蘭盤，所述後段管體的一自由端具有一下法蘭盤，且所述上法蘭盤與所述下法蘭盤可拆卸地相連接。

在本發明的一實施例中，所述分離器還包括一排氣管，其穿設於所述分離器本體的所述頂部出口，且位置對應所述落料管。

在本發明的一實施例中，多個所述第一輸送管各為一直管或一螺旋管。

在本發明的一實施例中，所述腔體包括一圍繞所述冷卻室的冷卻夾套。

在本發明的一實施例中，所述冷卻夾套為一水冷卻夾套，其具有一靠近所述收集室的進水口以及一靠近所述分離室的出水口。

在本發明的一實施例中，所述腔體包括一與所述收集室連通的出氣管。

在本發明的一實施例中，所述腔體包括一上隔板以及一下隔板，所述上隔板區隔出所述分離室與所述冷卻室，且具有一第一中心通孔以及多個圍繞所述第一中心通孔分佈的第一周邊通孔，所述下隔板區隔出所述冷卻室與所述收集室，且具有一第二中心通孔以及多個圍繞所述第二中心通孔分佈的第二周邊通孔，其中，所述第一中心通孔的位置與所述第二中心通孔的位置上下相對應，且所述第二輸送管一端通過所述第一中心通孔而與所述分離器本體的所述底部出口連通，另一端通過所述第二中心通孔而與所述收集箱連通，其中，多個所述第一輸送管的位置與多個所述第一周邊通孔和多個所述第二周邊通孔的位置上下相對應，且每一所述第一輸送管的兩端分別與相對應的所述第一周邊通孔和相對應的所述第二周邊通孔連通。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是提供一種燃料化系統，其包括一燃料化裝置以及一具有前述構造的分離冷卻裝置。所述燃料化裝置用以將一廢有機溶劑形成一兩相混合物，其中所述兩相混合物包含一燃料氣體以及一固體或液體，所述分離冷卻裝置用以接收來自所述燃料化裝置的所述兩相混合物，並從所述兩相混合物中分離出所述燃料氣體與所述固體或液體進而加以冷卻。

本發明至少具有以下有益效果：本發明將分離器、冷卻器與輸料管道整合在一起，整體結構簡單可靠，使用時不僅大大減少了裝置的佔用空間，而且還可以防止被分離出的氣體外洩與提高熱交換效率；除此之外，由於被分離出的固體或液體物質會直接進到收集箱內，方便清除工作，裝置內不會有任何堵塞發生。本發明可以解決廢有機溶劑的處理問題，同時產生再生能源。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

Z:燃料化系統

D1:分離冷卻裝置

1:腔體

101:分離室

102:冷卻室

103:收集室

11:第一輸送管

12:冷卻夾套

121:進水口

122:出水口

13:出氣管

14:上隔板

141:第一中心通孔

142:第一周邊通孔

15:下隔板

151:第二中心通孔

152:第二周邊通孔

2:分離器

21:分離器本體

211:導入口

212:頂部出口

213:底部出口

22:進料管

23:排氣管

24:落料管

3:回收組件

31:第二輸送管

311:前段管體

3111:上法蘭盤

312:後段管體

3121:下法蘭盤

32:收集箱

D2:燃料化裝置

圖1為本發明的分離冷卻裝置的立體示意圖。

圖2為本發明的分離冷卻裝置的平面示意圖。

圖3為本發明的分離冷卻裝置的其中一局部結構示意圖。

圖4為本發明的分離冷卻裝置的另外一局部結構示意圖。

圖5為本發明的分離冷卻裝置的另外再一局部結構示意圖。

圖6為本發明的燃料化系統的功能模組圖。

我國因地理條件限制，環境承載能力有限，因此政府近年來努力推動循環經濟，期望將廢棄物轉換為再生資源有效利用。現今，在廢溶劑的產量快速增加且處理成本居高不下的情況下，廢溶劑的處理成了一大難題；為響應政府政策，本發明提供一種創新的處理技術，以解決廢溶劑的處理難題，達到廢棄物減量與提升資源利用率的目的。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“分離冷卻裝置及應用其的燃料化系統”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

[第一實施例]

參閱圖1及圖2所示，本發明第一實施例提供一種分離冷卻裝置D1，其主要包括一腔體1、一分離器2及一收集組件3，分離器2的本體設置於腔體1內，且收集組件3連接於腔體1。使用時，分離器2可以從一兩相混合物中分離出一氣體與一固體或液體，被分離出的氣體緊接著在腔體1內進行熱交換而被冷卻，然後再收集於腔體1底部，以供再利用；類似地，被分離出的固體或液體也會在腔體1內進行熱交換而被冷卻，然後再由收集組件3予以收集。

在設計上，腔體1具有由上至下依序配置且各自獨立的一分離室101、一冷卻室102及一收集室103，其中冷卻室102內設有多個與冷卻室102和收集室103連通的第一輸送管11。分離器2包括一位於分離室101內的分離器本體21，其中分離器本體21具有一位於側邊的導入口211、一頂部出口212及一底部出口213。收集組件3包括一收集箱32及一第二輸送管31，其中收集箱32位於腔體1之外，第二輸送管31被配置為經過腔體1的冷卻室102與收集室103，且第二輸送管31一端與分離器本體21的底部出口213連通，另一端與收集箱32連通。

進一步而言，腔體1為一直立式腔體，其可被固定在一支撐架(未標號)上使用，如圖1所示。分離器2為一氣固式或氣液式旋風分離器，其中分離器本體21具有一旋風分離腔；使用時，兩相混合物可通過導入口211進入到分離器本體21內部，其中氣體可在旋渦氣流的作用下被分離出來並從頂部出口212離開，而固體或液體可在離心力的作用下被分離出來並從底部出口213離開。

參閱圖3及圖4所示，氣體在離開分離器2後，會先碰撞到分離室101的頂壁再向下流動進入冷卻室102，在冷卻室102內一邊進行熱交換一邊繼續向下流動，最後進入收集室103；也就是說，氣體在離開分離器2後，接著會流向多個第一輸送管11，然後再分別經由多個第一輸送管11流向收集室103匯集在一起，過程中會同時進行熱交換。另外，固體或液體在離開分離器2後，則會先進到第二輸送管31內，再順著第二輸送管31落入收集室103，過程中也會同時進行熱交換。

值得一提的是，第一輸送管11與第二輸送管31被設計和配置成，使得高溫氣體與高溫固體/液體在腔體1內有限的空間裡有足夠大的熱交換面積，而能夠在冷卻至較低的安全溫度時才被加以處理或利用，增加操作安全性。在本實施例中，第一輸送管11與第二輸送管31各為一直管，此設計可消除焊接死角，且有利於整體結構的簡單化與降低建造成本。在一些實施例中，第一輸送管11與第二輸送管31各可為一螺旋管。

實際應用時，腔體1可包括一圍繞冷卻室102的冷卻夾套12，用以對進入收集室103的物質進行熱交換；冷卻夾套12可為一水冷卻夾套，其具有一靠近收集室103的進水口121及一靠近分離室101的出水口122，而進水口121與出水口122可接通一冷卻水管線(圖未示)，以在冷卻夾套12內建立冷卻水循環。腔體1可包括一與收集室103連通的出氣管13，用以從收集室103輸出經熱交換後降溫的氣體，以便後續應用。在本實施例中，出氣管13從腔體1的收集室103輸出的是已降溫的燃料氣體，可用於發電、產氫、合成化學品。

另外，分離器2可進一步包括一進料管22、一排氣管23及一落料管24，進料管22用以將兩相混合物導入分離器本體21進行相分離，進料管22從腔體1外向內延伸，且接設於分離器本體21的導入口211。排氣管23穿設於分離器本體21的頂部出口212，即排氣管23的一部分突伸出頂部出口212且另一部分插入到分離器本體21的分離腔中，如此可防止非氣體物質從頂部出口212離開，提高分離效率。落料管24接設於分離器本體21的底部出口213並插入第二輸送管31，如此可確保從底部出口213離開的非氣體物質全部進到第二輸送管31內，且基於落料管24的配置，在第二輸送管31與分離器本體21之間不需要進行焊接，增加了使用的靈活性和維護的便捷性；從防止非氣體物質外溢的觀點來看，落料管24插入第二輸送管31的長度優選佔第二輸送管31總長度的0.05至0.1倍。

複參閱圖5所示，在本實施例中，腔體1包括一上隔板14及一下隔板15，上隔板14用以區隔出分離室101與冷卻室102，且具有一第一中心通孔141及多個圍繞第一中心通孔141分佈的第一周邊通孔142，下隔板15用以區隔出冷卻室102與收集室103，且具有一第二中心通孔151及多個圍繞第二中心通孔151分佈的第二周邊通孔152。進一步而言，第一中心通孔141的位置與第二中心通孔151的位置上下相對應，且第二輸送管31一端通過第一中心通孔141而與分離器本體21的底部出口213連通，另一端通過第二中心通孔151而與收集箱32連通；多個第一輸送管11的位置與多個第一周邊通孔142和多個第二周邊通孔152的位置上下相對應，且每個第一輸送管11的兩端分別與相對應的第一周邊通孔142和相對應的第二周邊通孔152連通。然而，以上所述只是可行的實施方式，而並非用以限制本發明。

參閱圖5所示，考量到維護的便捷性，收集箱32被配置成可拆卸地固定在腔體1的收集室103下方。進一步而言，第二輸送管31具有一連接於落料管24的前段管體311及一連接於收集箱32的後段管體312，前段管體311的一自由端具有一上法蘭盤3111，後段管體312的一自由端具有一下法蘭盤3121，且上法蘭盤3111與下法蘭盤3121可用螺栓緊固結合成一體；根據實際需要，可在上法蘭盤3111與下法蘭盤3121之間設置密封結構(如密封圈)，以提高密封效果。

[第二實施例]

參閱圖6所示，本發明第二實施例提供一種燃料化系統Z，其包括一分離冷卻裝置D1及一燃料化裝置D2，且分離冷卻裝置D1與燃料化裝置D2可通過管線相連接；關於分離冷卻裝置D1的構造，可參考第一實施例所述，故在此不再加以贅述。使用時，燃料化裝置D2可將一廢有機溶劑形成一兩相混合物，其中兩相混合物包含一燃料氣體及一固體或液體，分離冷卻裝置D1用以接收來自燃料化裝置D2的兩相混合物，並從兩相混合物中分離出燃料氣體與固體或液體進而加以冷卻。

在本實施例中，兩相混合物可為一廢有機溶劑經燃料化處理後得到的產物，其包含一燃料氣體及碳粒等固體；廢有機溶劑可為異丙醇(IPA)或氫氧化四甲基銨(TMAH)，其來源包括半導體廠、化學工廠等，而燃料氣體可為甲烷(CH₄)、乙烯(C₂H₄)、乙炔(C₂H₂)或氫氣(H₂)。然而，以上所述只是可行的實施方式，而並非用以限制本發明。

[實施例的有益效果]

更進一步來說，本發明的分離冷卻裝置至少具備節省空間、熱交換效率高、過濾混合物中的固體或液體物質、操作安全便利等優點。在熱交換效率方面，參閱附件1所示，雖然剛被分離出來的氣體和固體溫度非常高，但是其可在移動過程中進行熱交換而被冷卻降溫(溫度隨移動距離增加而降低)，最後匯集於收集室內氣體的溫度僅有30.5度(303.5K)左右，而掉落到收集箱內固體的溫度在97度(370K)左右。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。