TWI786028B

TWI786028B - 利用鋁渣產生氫氣的方法及系統

Info

Publication number: TWI786028B
Application number: TW111125033A
Authority: TW
Inventors: 張佑誠; 魏俊男
Original assignee: 台灣碳金科技股份有限公司
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2022-12-01
Also published as: TW202402661A

Abstract

本發明揭露一種利用鋁渣產生氫氣的方法及系統，將鋁渣與鹼液於產氫桶之密閉環境中進行反應，鋁渣與鹼液產生有氫氣、氨氣、及氫氧化鋁沉澱，其中，由於氫氣不溶於水將於產氫桶內持續蓄壓，而氨氣因易溶於水，故所蓄集的氣體係為高純度的氫氣，當蓄集壓力達到一壓力值時，即可藉由產氣桶之出氣口輸出至各儲氫裝置或／及產生能源的裝置；本發明特徵在於有別於習知鋁渣處理需要於高溫的工作環境，且無法有效收集氫氣，透過本發明可更環保的處理鋁渣，並同時收集氫氣做為高附加價值產物。

Description

利用鋁渣產生氫氣的方法及系統

本發明涉及一種利用鋁渣再生利用的方法及系統，尤指是一種可在低的操作溫度條件下，利用鋁渣產生氫氣的方法及系統。

金屬鋁的再生及每年廢鋁熔煉將產生數萬噸之初級浮渣廢棄物，又稱為鋁渣，鋁渣為相當棘手的廢棄物，因其具有氮化鋁(AlN)等化性不穩定的鋁金屬微顆粒化合物，及含氟/氨矽化合物等，不管是掩埋、堆積，其遇水氣後將水解，長期釋出極臭的氨氣，造成環境與人體安全危害；如今，針對鋁渣的回收亦有相關的專利，例如：專利公告號TWI371431B，由二次熔煉鋁渣中回收氧化之方法，主要利用高溫(750~1300℃)鹼性焙燒，令鋁渣中之主成分氧化鋁以及二氧化矽與添加之藥劑進行高溫化學反應，生成可溶性鋁酸化物以及不溶性矽酸化物，之後施以稀鹼性溶出而獲得鋁溶液，接著進行中和沉澱可獲得氫氧化鋁結晶沉澱，最後經過高溫煅燒後即可產出高純度氧化鋁，其他又如專利號 CN112111657A，一種利用鋁灰渣製備高純鋁的裝置及其使用方法、專利號US11066723B2，Systems and methods to chemically treat metal-bearing waste streams to recover value-added materials等。

前述方法雖可解決廢棄鋁渣回收問題，然而，製程卻因此需要耗費大量能源，且鋁渣回收中，將會產生有副產物-氫氣，以往由鋁渣中產生的氫氣因具有可燃的性質，皆被視為鋁渣回收需被處理的問題；但氫能為現今極具發展潛力的清潔能源，其燃燒、使用完後所產生的產物僅為水，相對於其他能源種類，氫能不會造成環境汙染；據此，如何在針對鋁渣廢棄物處理時，能夠有效降低鋁渣處理的工作溫度及耗能，且更可藉由鋁渣產生並收集高附加價值的氫氣，此乃待解決之問題。

有鑒於上述的問題，本發明人係依據多年來從事相關行業的經驗，針對利用鋁渣產生氫氣的方法及系統進行改進；緣此，本發明之主要目的在於提供一種以低的操作溫度，可有效利用鋁渣產生並收集氫氣的方法及系統。

為達上述的目的，本發明之利用鋁渣產氫氣的系統係包含有一產氫桶，產氫桶具有一出氣口、一進液口、一進料口、及一出料口，產氫桶內供以作為鋁渣再生反應，及產生的一氫氣進行蓄壓的一密閉環境，當氫氣蓄集壓力達一壓力閥值時，係可藉由出氣口將氫氣導出並儲存於各儲氫設備或使用氫氣製造能源之設備；利用鋁渣產生氫氣的方法，係將鋁渣與pH值8~11即可產出低流量的氫氣(H₂)；亦可將鋁渣與pH值11~20鹼液混合，即可生成較大流量的氫氣；此外，另會產生有副產物為氫氧化鋁(Al(OH)₃)及氨氣(NH₃)；其中氨氣(NH₃)遇鹼液即被溶解吸收，使氫氣中以及經過處理的鋁渣不會再排出有氨氣造成環境汙染；另更可透過收集沉澱物氫氧化鋁，其為具高經濟附加價值的產物，如此，本發明在鋁渣的再生反應時，可不需額外有高溫的耗能以達到工作條件需求，更可藉由產氫桶收集反應產物氫氣，作為良好的再生能源，同時解決環保及能源的問題。

為使貴審查委員得以清楚了解本發明之目的、技術特徵及其實施後之功效，茲以下列說明搭配圖示進行說明，敬請參閱。

1:利用鋁渣產生氫氣系統

11:產氫桶

12:出氣口

13:進液口

121:逆止閥

14:進料口

15:出料口

P:壓力錶

U:加壓泵

H:pH計

S:可拆篩網

T:儲氣裝置

A:螺旋片

W:水霧裝置

E:熱交換器

S1:鹼處理步驟

S2:蓄壓步驟

S3:輸氣步驟

S4:篩分步驟

S5:吸收步驟

S6:乾燥步驟

圖1，為本發明之系統示意圖(一)。

圖2，為本發明之系統示意圖(二)。

圖3，為本發明之實施示意圖。

圖4，為本發明之方法流程圖。

圖5，為鋁渣成分分析結果(一)。

圖6，為鋁渣成分分析結果(二)。

圖7，為本發明之另一實施例(一)。

圖8，為本發明之另一實施例(二)。

圖9，為本發明之另一實施例(三)。

圖10，為本發明之另一實施例(四)。

請參閱「圖1」，圖1為本發明之系統示意圖(一)，如圖所示，本發明之利用鋁渣產生氫氣系統1，其主要包含有一產氫桶11，產氫桶11包含有一出氣口12、一進液口13、一進料口14、及一出料口15，以下對各元件進行例示：

(1)產氫桶11可形成一密閉環境狀態，供容置一鋁渣與一鹼液，並以產氫桶11作為反應容器產生一氫氣，產氫桶11材質可例如由碳錳鋼、不鏽鋼、鋯、鎳基合金等耐強鹼之材料所製成；請搭配參閱「圖2」，為本發明之系統示意圖(二)，圖中所呈現為產氫桶11內部上視圖，可選的，產氫桶11其成型為一桶狀且內表面成型有螺旋片A結構，當鋁渣與鹼液反應時，將因化學反應放熱導致液體有強烈的熱對流產生，以此可在不另外借助攪拌裝置的輔助下仍使鹼液與各鋁渣具有良好的接觸及反應；較佳的，產氫桶 11組設有一壓力錶P，可供監測產氫桶11內部的一壓力；此外，產氫桶11更可具有一熱交換器E，熱交換器E可例如為一套管式換熱器、一蛇管式換熱器、或一夾套換熱器等，但不以此為限；熱交換器E可供低溫的一工作流體流入後，與產氫桶11內反應物進行熱交換後流出高溫的工作流體，如此不僅可藉由熱交換器E調控產氫桶11內之反應溫度，更可使反應熱可被再利用。

(2)出氣口12開設於產氫桶11上緣或頂部，供以將由產氫桶11中產生的氫氣輸出，其具有出氣的一壓力閥值，可使產氫桶11內壓力累積至壓力閥值時，使氫氣由出氣口12輸出至一高壓鋼瓶、一耐高壓氣體容器、一耐高壓氣體管路、一化學反應槽、一燃燒設備、或一氫燃料電池；較佳的，出氣口12組設有一逆止閥121，係可防止輸出的氫氣逆流。

(3)進液口13開設於產氫桶11下緣或底部，供以輸入與鋁渣反應的鹼液；較佳的，產氫桶11另組設有一pH計H，供以監測產氫桶11內之酸鹼值，由於鋁渣與鹼液進行產氫反應時，效率隨著pH值上升，故當產氫桶11內之鹼液隨著反應消耗，致使pH值下降時，係可經由進液口13補充鹼液，以確保產氫效率；此外，由進液口13輸入鹼液更可降低噴濺、突沸等工安危險的發生。

(4)進料口14開設於產氫桶11上緣或頂部，供以將鋁渣經由進料口14投入產氫桶11中，可選的，進料口14具有一窺視孔，可經由窺視孔查看產氫桶11內部情況。

(5)出料口15開設於產氫桶11下緣或底部，供以輸出在產氫桶11內經過反應的鋁渣、鹼液、及產生的一混濁金屬離子溶液，較佳的，出料口15組設有一可拆篩網S，藉由可拆篩網S可使出料口15將鹼液及混濁金屬離子溶液先行輸出產氫桶11，可使產物便於進行後段廢棄物處理製成，以及透過進液口13、出料口15、及可拆篩網S協作，可供產氫桶11內的液體體積呈現動態平衡，使產氫桶11可依需求調整為批式反應器(Batch reactor)、或連續式反應器(Continuous reactor)。

請參閱「圖3」，為本發明之實施示意圖，本發明於實施時，係將鋁渣及鹼液送入產氫桶11中，並關閉產氫桶11，使其成為密閉環境，鋁渣與鹼液反應將持續產生氫氣及放熱，利用氫氣體氣泡往上及桶內熱交換器E冷熱對流，即可使鹼液與鋁渣充分接觸及反應，當氫氣持續於密閉環境產生時，將在產氫桶11內累積壓力，當壓力超過壓力閥值，可滿足填充高壓鋼瓶、耐高壓氣體容器、耐高壓氣體管路、化學反應槽、燃燒設備、或氫燃料電池時，及輸出至各儲氣裝置T，完成氫氣的產生及收集；此外，出氣口12更可與一加壓泵U相組設，以對輸出的氫氣在做進一步加壓，以符合高壓鋼瓶、耐高壓氣體容器、耐高壓氣體管路、化學反應槽、燃燒設備、或氫燃料電池等氣體的壓力需求。

請參閱「圖4」，為本發明之方法流程圖，如圖所示：

(1)一鹼處理步驟S1：取一鋁渣及一鹼液在一密閉環境內進行反應，產生一氫氣及一混濁金屬離子溶液，其中，鹼液為由一氫氧化鈉(NaOH)、一碳酸鈉(Na₂CO₃)、及一碳酸氫鈉(NaHCO₃)等作為溶質的水溶液，其重量百分濃度分別為氫氧化鈉0.01%~10%、碳酸鈉0%~5%、及碳酸氫鈉0%~5%，形成pH值為7~20的水溶液，較佳的pH值為10~14之間，另，鹼液亦可添加有重量百分濃度0.1%~2%的一消泡劑；此外，本步驟在鋁渣及鹼液反應時，將使整體反應環境溫度維持在室溫至當下氣壓條件下水的一沸點，此時將有強烈的熱對流產生，進而利用不鏽鋼管熱交換器，不但帶出熱水供應用，且造成熱對流幫助使鋁渣及鹼液能充分接觸、反應，而不需另借助其他攪拌設備。

(2)一蓄壓步驟S2：由鹼處理步驟S1所產生的氫氣持續於密閉環境中生成，並使密閉環境的一壓力持續上升，此時，隨著密閉環境的壓力上升，將進一步提高鹼液的沸點溫度，以此使鋁渣及鹼液反應時有更高的產氫效率。

(3)一輸氣步驟S3：當該壓力達到一壓力閥值時，將氫氣由密閉環境輸出。

請參閱「圖5」~「圖6」，為鋁渣成分分析結果(一)及(二)，如圖所示，鋁渣由廢鋁熔煉產生之初級浮渣廢棄物，其由外觀區分常見為細粒徑的小顆粒及粉末，與難以研磨粉碎粗粒徑的大顆粒，圖5為細粒徑的鋁渣成分分析，圖6為粗粒徑的鋁渣成分分析；經分析小顆粒鋁渣為所含可利用及產生氫氣成分的鋁金屬及其衍生物含量低，大多為有機化合物；而大顆粒的鋁渣則具有相對高含量的可再生鋁金屬及其衍生物；請搭配參閱「圖7」，為本發明之另一實施例(一)，故，在執行鹼處理步驟S1前，可包含有一篩分步驟S4，將鋁渣以一篩網對鋁渣進行篩分處理，取未通過篩網的粗粒徑鋁渣進行後續鹼處理步驟S1，其中，篩網的篩孔可選為4目到10目。

請參閱「圖8」，為本發明之另一實施例(二)，由於鋁渣內含有一氮化鋁(AlN)，氮化鋁(AlN)在遇水氣將分解出一氨氣(NH₃)，導致環境危害，經過本發明處理之鋁渣，係可將氮化鋁所分解的氨氣溶解於鹼液中，避免了釋出的氨氣造成環境危害及收集的氫氣具有雜質等問題，更好的確保收集的氫氣品質，此外，本發明在產氫桶11內部組設有一水霧裝置W，可藉由水霧裝置W產生水霧，使氫氣通過水霧確保不會有氨氣殘留於氫氣中；請搭配參閱「圖9」，為本發明之另一實施例(三)，在鹼處理步驟S1後，可包含有一吸收步驟S5，將產生的氫氣被一水霧通過，水霧將未被溶解的氨氣進行吸收，確保產生的氫氣品質，於本發明之利用鋁渣產生氫氣系統1中，產氣桶11內部可佈設有水霧裝置W，供以定時產生水霧，使產生的氫氣被水霧所通過，確保輸出的氫氣品質。

請參閱「圖10」，為本發明之另一實施例(四)，如圖所示，本發明之利用鋁渣產生氫氣的系統及方法因處於密閉環境且為接近水沸點的反應環境，水蒸氣係有較高的蒸氣壓，使得產生之氫氣含水率高，因此可在出氣口12組設有一乾燥裝置，供以對輸出的氫氣除水，及在輸氣步驟S3後，包含有一乾燥步驟S6，將被輸出的氫氣進行乾燥除水；其中，乾燥裝置可選的為一冷凝管裝置、或一利用氯化亞鈷進行乾燥等。

本發明之利用廢鋁渣產生氫氣的方法，以下以一實施例做例示，取60克的氫氧化納、碳酸鈉、碳酸氫鈉混合物，溶解於1.5公升的水製成鹼液，並將鹼液與100克的鋁渣投入密閉環境混合，將持續觀察到鹼液冒泡產生氫氣，待液面停止冒泡則鋁渣已產氫完成且被處理完畢，產氫途中，若密閉環境達壓力閥值，則可持續穩定輸出氫氣，完成產氫及蒐集氫氣需求。

由上所述可知，本發明之利用廢鋁渣產生氫氣的方法及系統，其鋁渣處理製程為將鋁渣與鹼液於密閉環境進行反應，所產生的反應熱將提供製程工作溫度能量，使鋁渣產氫時不需額外消耗能源，鋁渣與鹼液反應後將產生有氫氣，透過於密閉環境進行蓄壓，在達到所需壓力閥值後係可導出即可作為再生能源；前述鋁渣與鹼液可於具有出氣口、進液口、進料口、及出料口的產氫桶中進行反應，當氫氣於產氫桶中達到壓力閥值時，係由出氣口輸出氫氣，出氣口具有逆止閥，可避免輸出氫氣回流，另外，產氫桶更具有壓力錶、pH計等可時刻監控反應狀況，藉由出料口與進液口可使產氫桶隨需求，動態調整為批次反應器或連續反應器；據此，本發明其據以實施後，確實可以達到有效降低鋁渣處理的工作溫度及耗能，且更可藉由鋁渣產生並收集高附加價值的氫氣之目的。

唯，以上所述者，僅為本發明之較佳之實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

綜上所述，本發明係具有「產業利用性」、「新穎性」與「進步性」等專利要件；申請人爰依專利法之規定，向鈞局提起發明專利之申請。