TWI791352B - 用於分離二氧化碳之真空變壓吸附方法及其系統 - Google Patents

用於分離二氧化碳之真空變壓吸附方法及其系統 Download PDF

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莊宗諭
沈威辰
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Abstract

本發明係一種用於分離二氧化碳之真空變壓吸附方法及其系統,該真空變壓吸附方法係用於包含多個吸附塔的真空變壓吸附系統中,各該吸附塔內部填充一吸附劑,並於依序進行高壓吸附、降壓平衡、同向減壓、真空出料及升壓平衡的連續動作中加入一靜置的動作,使各該吸附塔於進行高壓吸附前可維持一定壓一段時間,以高效地再生該吸附劑;如此,當該真空變壓吸附方法的多個循環程序配合所述吸附塔被執行時,本發明同時達成二氧化碳的吸附、脫附及收集以及該吸附劑的高效再生,有效地提高該吸附劑吸脫附二氧化碳的效率,進而提升分離效率。

Description

用於分離二氧化碳之真空變壓吸附方法及其系統
本發明係關於一種真空變壓吸附系統及真空變壓吸附方法,特別指一種可用於分離二氧化碳之真空變壓吸附系統及真空變壓吸附方法。
二氧化碳(Carbon Dioxide)之分子式為CO2,應用二氧化碳之領域或技術包括滅火劑、製作碳酸飲料、超臨界流體萃取及食品的防腐及冷凍保存;在各種工業或民生設施中,如製鐵設備、火力發電廠及焚化爐等均會排放含二氧化碳的煙氣,而二氧化碳是一種溫室氣體,其因人類活動而在大氣中的濃度在近百年來不斷攀升,並造成溫室效應,導致地球的溫度逐年上升,如何分離因工業或民生需求而產出的二氧化碳,逐漸成為世界各國重視的議題。
目前已知分離二氧化碳的方法可分為化學方法及物理方法,用於分離二氧化碳的化學方法有化學吸收法,此方法係主要利用對二氧化碳有高選擇性之吸收劑,使吸收劑吸收二氧化碳,由於二氧化碳溶於水時呈弱酸性,因此吸收劑通常為鹼性溶劑;化學吸收法的優點為適合分離二氧化碳濃度低的煙氣,但其缺點為吸收劑容易受煙氣中的硫氧化物及氮氧化物毒化而失效。
上述分離二氧化碳的物理方法的其中一種為物理吸附,物理吸附係以多孔性材料,如活性碳、沸石或氧化鋁等固體吸附劑來選擇性地吸附二氧化碳,物理吸附的其中一種操作方式為變化操作壓力的變壓吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA),其藉由在不同壓力下二氧化碳於吸附劑中有不同平衡吸附量來分離二氧化碳,因此改變一變壓吸附系統的內部壓力即可達吸附或脫附的效果;該變壓吸附系統所使用之變壓吸附循環程序係包含如後步驟:進料加壓、產品出料、逆向減壓、低壓沖洗,藉由循環執行此四步驟可獲得分離的二氧化碳,但整體的二氧化碳分離效率不佳,而有必要進一步改良之。
有鑑於上述既有變壓吸附系統的二氧化碳分離效率差,本發明主要發明係提供一種提高二氧化碳分離效率之用於分離二氧化碳之真空變壓吸附方法及其系統。
為達上述目的,本發明所使用的主要技術手段係令上述真空變壓吸附方法用於一真空變壓吸附系統,該真空變壓吸附系統係包含三個吸附塔;其中該真空變壓吸附方法係包含多個循環程序,於各該循環程序中,各該吸附塔係包含以下連續動作:高壓吸附,係將一煙氣施以高壓並通過該吸附塔,並使該吸附塔的內部壓力升至一第一壓力,其中該煙氣係包含有二氧化碳;降壓平衡,係將具該第一壓力的該吸附塔與另一具一第三壓力的該吸附塔連通;其中該第一壓力大於該第三壓力; 同向減壓,係抽出該吸附塔內的一弱吸附氣體,並使該吸附塔的內部壓力降至一第二壓力;真空出料,係將該吸附塔抽真空,並使該吸附塔的該第二壓力降至該第三壓力;升壓平衡,係將具該第三壓力的該吸附塔與另一具該第一壓力的該吸附塔連通;以及靜置,係使該吸附塔維持一定壓;上述由該三個吸附塔甲、乙及丙進行之各該循環程序係包含以下步驟:(i)於一第一期間內,由該吸附塔甲進行高壓吸附、該吸附塔乙進行靜置,且該吸附塔丙進行同向減壓;(ii)於一第二期間內,該吸附塔甲繼續進行高壓吸附,該吸附塔乙繼續進行靜置,該吸附塔丙結束同向減壓,並進行真空出料;以及(iii)於一第三期間內,該吸附塔甲結束高壓吸附,且該吸附塔丙結束真空出料,由該吸附塔甲與該吸附塔丙連通,該吸附塔甲進行降壓平衡,該吸附塔丙進行升壓平衡,同時,該吸附塔乙結束靜置,並進行高壓吸附。
由上述說明可知,本發明用於二氧化碳分離之真空變壓吸附方法係主要在各該吸附塔依序進行高壓吸附、降壓平衡、同向減壓、真空出料及升壓平衡的連續動作中,於該升壓平衡後、高壓吸附前加入一靜置的連續動作,藉由靜置各該吸附塔,使各該吸附塔維持一定壓,以令各該吸附塔內用於吸附二氧化碳的一吸附劑高效地再生,有效地提高二氧化碳分離效率;如此,當該真空變壓吸附方法的多個循環程序配合所述吸附塔被執行時,即可同時達 成二氧化碳的吸附、脫附、收集以及該吸附劑的高效再生,進而提高二氧化碳分離效率。
為達上述目的,本發明所使用的主要技術手段係令上述真空變壓吸附系統包含有:一吸附塔組,係包含一吸附塔甲、一吸附塔乙以及一吸附塔丙;其中各該吸附塔甲、乙及丙係包含有一進口閥、一出口閥、一排氣閥、一出料閥;三壓力平衡開關,係串接於一壓力平衡管路上,該壓力平衡管路係與各該吸附塔甲、乙及丙的一塔頂出口連接,且該三壓力平衡開關係分別設置在該吸附塔甲及該吸附塔乙的塔頂出口之間、該吸附塔乙及該吸附塔丙的塔頂出口之間、該吸附塔丙及該吸附塔甲的塔頂出口之間;一加壓泵,係連接一煙氣進料管路及所述進口閥;一第一真空泵,係連接所述排氣閥;一第二真空泵,係連接所述出料閥;以及一控制單元,係控制所述進口閥、所述出口閥、所述壓力平衡開關、所述排氣閥、所述出料閥、該加壓泵、該第一真空泵以及該第二真空泵的啟閉,且該控制單元係內建多個循環程序,各該循環程序係包含步驟(i)、(ii)、(iii),其中:於該步驟(i)中,該控制單元於一第一期間內控制該吸附塔甲的該進口閥及該出口閥開啟,並控制該加壓泵對該煙氣進料管路的煙氣進行加壓,以令該吸附塔甲進行高壓吸附;且控制該吸附塔乙的該進口閥、該出口閥、該排氣閥及該出料閥關閉,以令該吸附塔乙進行靜置;並控制該吸附塔丙的該排氣閥及該第一真空泵開啟,以令該吸附塔丙進行同向減壓; 於該步驟(ii)中,該控制單元於一第二期間內持續令該吸附塔甲進行高壓吸附,且該吸附塔乙進行靜置;並控制該吸附塔丙該排氣閥及該第一真空泵關閉,且控制該吸附塔丙的該出料閥及該第二真空泵開啟,以令該吸附塔丙結束同向減壓並進行真空出料;於該步驟(iii)中,該控制單元於一第三期間內控制該吸附塔甲的該進口閥及該出口閥關閉,並控制該吸附塔丙的該出料閥及該第二真空泵關閉,以令該吸附塔甲結束高壓吸附,且該吸附塔丙結束真空出料;又控制設置於該吸附塔甲及該吸附塔丙之間的該壓力平衡開關開啟,以令該吸附塔甲與該吸附塔丙分別進行降壓平衡及升壓平衡;且控制該吸附塔乙的該進口閥及該出口閥開啟,以令該吸附塔乙結束靜置,並進行高壓吸附。
由上述說明可知,本發明用於二氧化碳分離之真空變壓吸附系統係主要利用該控制單元依序控制各該進口閥、各該出口閥、各該壓力平衡開關、各該排氣閥、各該出料閥、該加壓泵、該第一真空泵以及該第二真空泵的開啟,使得各該吸附塔依序進行上述真空變壓吸附方法的高壓吸附、降壓平衡、同向減壓、真空出料、升壓平衡及靜置的連續動作,如此可於各該吸附塔於高壓吸附前,經一定時間的靜置後,令其內部用於吸附二氧化碳的一吸附劑高效地再生,有效地提高二氧化碳分離效率,並且藉由該控制單元依序控制各該進口閥、各該出口閥、各該壓力平衡開關、各該排氣閥、各該出料閥關閉,使得各該吸附塔的內部壓力及氣體不互相干擾,同時控制執行各該步驟(i)至(iii)之執行時間,以使該真空變壓吸附系統可有效率地分離二氧化碳。
1a:真空變壓吸附系統
1b:真空變壓吸附系統
1:第一吸附塔
11:入口
12:塔頂出口
13:塔底出口
2:第二吸附塔
21:入口
22:塔頂出口
23:塔底出口
3:第三吸附塔
31:入口
32:塔頂出口
33:塔底出口
4:進口管路
5:出口管路
6:壓力平衡管路
7:排氣管路
8:出料管路
9:控制單元
F1、F2、F3:流量計
G1:煙氣進料管路
P:壓力控制器
M:流量控制器
P1:加壓泵
P2:第一真空泵
P3:第二真空泵
V1、V2、V3:進口閥
V4、V5、V6:出口閥
V7、V8、V9:壓力平衡開關
V7a、V8a、V9a、V7b、V8b、V9b:壓力平衡閥
V10、V11、V12:排氣閥
V13、V14、V15:出料閥
圖1:本發明真空變壓吸附系統的各吸附塔的一連續動作流程圖。
圖2:本發明真空變壓吸附方法的第一至第三循環程序的一流程圖。
圖3:本發明真空變壓吸附系統的第一實施例的一系統架構圖。
圖4:圖3中一控制單元對應圖2的一控制狀態圖。
圖5:本發明真空變壓吸附系統的第二實施例的一系統架構圖。
以下進一步說明本發明用於分離二氧化碳之真空變壓吸附方法,該真空變壓吸附方法係供一具有三吸附塔的真空變壓吸附系統使用之;如圖1所示,於該真空變壓吸附方法的執行過程中,該三個吸附塔均具有如後所述的連續動作:高壓吸附S1、降壓平衡S2、同向減壓S3、真空出料S4、升壓平衡S5及靜置S6。
以下表1及表2係分別說明各吸附塔在執行不同步驟時的時間及操作壓力,表1及表2內容僅為例示,但本發明不以此為限。
Figure 110147530-A0305-02-0009-1
Figure 110147530-A0305-02-0009-2
上述高壓吸附S1係將包含有二氧化碳的煙氣加壓並通過該吸附塔,令填充在該吸附塔內的一吸附劑可選擇性地吸附該加壓後的煙氣中之二氧化碳,並將未被該吸附劑吸附的一弱吸附氣體的一部分排出該吸附塔;此時,該吸附塔的內部壓力升至一第一壓力;於本實施例,如表2所示,可為3±0.3atm,但均不以此為限。
上述降壓平衡S2係將內部壓力升至該第一壓力的該吸附塔與另一內部壓力為一第三壓力的該吸附塔連通;其中該第一壓力大於該第三壓力。
上述同向減壓S3係自該吸附塔內抽出該弱吸附氣體的其餘部分,同時該吸附塔的內部壓力降至一第二壓力;於本實施例,該第二壓力則如表2所示,可為0.2±0.02atm,但均不以此為限。
上述真空出料S4係對該吸附塔內抽真空,以利用一低壓環境,收集從該吸附塔內的該吸附劑中脫附的二氧化碳;此時,該吸附塔的內部壓力降至該第三壓力;於本實施例,該第三壓力則如表2所示,為0.1±0.01atm,但不以此為限。
上述升壓平衡S5係將內部壓力降至該第三壓力的該吸附塔與另一內部壓力升至該第一壓力的該吸附塔連通;其中該第一壓力大於該第三壓力。
上述靜置S6係使該吸附塔維持一定壓,以利上述該吸附劑再生;其中該定壓係介於該第一壓力與該第三壓力之間;如圖1及表1所示,待靜置S6結束後,該吸附塔返回執行上述高壓吸附S1,如此循環作動。
請參閱圖2,係為本發明用於分離二氧化碳之真空變壓吸附方法的一步驟示意圖,以下進一步說明該用於分離二氧化碳之真空變壓吸附方法配合上述該三個吸附塔(為方便說明,下稱第一至第三吸附塔)及其連續動作如何完成二氧化碳分離;其中該用於分離二氧化碳之真空變壓吸附方法係至少包含三道循環程序(下稱第一至第三循環程序);該第一循環程序包含步驟(a)至(c)、該第二循環程序包含步驟(d)至(f)及該第三循環程序包含步驟(g)至(i)。所述第一、第二及第三循環程序為依序重複循環執行。
於執行該第一循環程序,即以下步驟(a)至(c):
於步驟(a)中,上述該三個吸附塔於一第一期間內進行如後所述之動作:該第一吸附塔1持續進行高壓吸附S1,令填充在該第一吸附塔1內的該吸附劑選擇性地吸附二氧化碳,並將未被該吸附劑吸附的該弱吸附氣體排出該第一吸附塔1,此時該第一吸附塔1的內部壓力維持於該第一壓力;同時,該第二吸附塔2則先進行靜置S6,並將其內部壓力維持於一定壓,其中該定壓介於該第一壓力及該第三壓力之間,以利該第二吸附塔2中的該吸附劑再生;該第三吸附塔3則先進行同向減壓S3,以排出該塔內之已脫除二氧化碳的該弱吸附氣體,此時該第三吸附塔3的內部壓力降至該第二壓力。
於步驟(b)中,上述該三個吸附塔於一第二期間內進行如後所述之動作:該第一吸附塔1及該第二吸附塔2繼續進行相同動作,即該第一吸附塔1繼續進行高壓吸附S1,而該第二吸附塔2繼續進行靜置S6;該第三吸附塔3則結束同向減壓S3,並依序進行真空出料S4,以將該第三吸附塔3抽真空,並利用一低壓環境,收集從該吸附塔內的該吸附劑中脫附的二氧化碳。
於步驟(c)中,上述該三個吸附塔於一第三期間內進行如後所述之動作:該第一吸附塔1結束高壓吸附S1,且該第三吸附塔3結束真空出料S4,此時該第三吸附塔3的內部壓力降至該第三壓力;接著內部壓力為該第一壓力的該第一吸附塔1連通內部壓力為該第三壓力的該第三吸附塔3,同時該第一吸附塔1進行降壓平衡S2,該第三吸附塔3進行升壓平衡S5,使得處於該第一壓力的該第一吸附塔1預先降壓,處於該第三壓力的該第三吸附塔3預先升壓,由此可節省用於升壓及降壓的設備的能耗;同時該第二吸附塔2結束靜置S6,接著該第二吸附塔2進行高壓吸附S1,此時該第二吸附塔2的內部壓力升至該第一壓力。
完成該上述該第一循環程序後,接續進行該第二循環程序,即以下步驟(d)至(f):
於步驟(d)中,上述該三個吸附塔於該第一期間內進行如後所述之動作:該第二吸附塔2進行高壓吸附S1,此時該第二吸附塔2的內部壓力維持於該第一壓力;同時,該第三吸附塔3則進行靜置S6;該第一吸附塔1則進行同向減壓S3,此時該第一吸附塔1的內部壓力降至該第二壓力。
於步驟(e)中,上述該三個吸附塔於該第二期間內進行如後所述之動作:該第二吸附塔2及該第三吸附塔3繼續進行相同動作,即該第二吸附塔2繼續進行高壓吸附S1,而該第三吸附塔3繼續進行靜置S6;該第一吸附塔1則結束同向減壓S3,並依序進行真空出料S4。
於步驟(f)中,上述該三個吸附塔於該第三期間內進行如後所述之動作:該第二吸附塔2結束高壓吸附S1,且該第一吸附塔1結束真空出料S4,此時該第一吸附塔1的內部壓力降至該第三壓力;接著內部壓力為該第一壓力的該第二吸附塔2連通內部壓力為該第三壓力的該第一吸附塔1,同時該第二吸附塔進行降壓平衡S2,該第一吸附塔1進行升壓平衡S5;同時該第三吸附塔3結束靜置S6,接著該第三吸附塔3進行高壓吸附S1,此時該第三吸附塔3的內部壓力升至該第一壓力。
完成上述該第二循環程序後,接續進行該第三循環程序,即以下步驟(g)至(i):
於步驟(g)中,上述該三個吸附塔於該第一期間內進行如後所述之動作:該第三吸附塔3進行高壓吸附S1,此時該第三吸附塔3的內部壓力維 持於該第一壓力;同時,該第一吸附塔1則先進行靜置S6;該第二吸附塔2則先進行同向減壓S3,此時該第二吸附塔2的內部壓力降至該第二壓力。
於步驟(h)中,上述該三個吸附塔於該第二期間內進行如後所述之動作:該第三吸附塔3及該第一吸附塔1繼續進行相同動作,即該第三吸附塔3繼續進行高壓吸附S1,而該第一吸附塔1繼續進行靜置S6;該第二吸附塔2則結束同向減壓S3,並依序進行真空出料S4。
於步驟(i)中,上述該三個吸附塔於該第三期間內進行如後所述之動作:該第三吸附塔3結束高壓吸附S1,且該第二吸附塔2結束真空出料S4,此時該第二吸附塔2的內部壓力降至該第三壓力;接著內部壓力為該第一壓力的該第三吸附塔3連通內部壓力該第三壓力的該第二吸附塔2,同時該第三吸附塔3進行降壓平衡S2,該第二吸附塔2進行升壓平衡S5;同時該第一吸附塔1結束靜置S6,接著該第一吸附塔1進行高壓吸附S1,此時該第一吸附塔1的內部壓力升至該第一壓力。
由上述說明可知,該第一至第三循環程序中的第一步驟,即步驟(a)、(d)、(g)同樣於該第一期間內被執行,該第一至第三循環程序中的第二步驟,即步驟(b)、(e)、(h)同樣於該第二期間內被執行,該第一至第三循環程序中的第三步驟,即步驟(c)、(f)、(i)同樣於該第三期間內被執行;於本實施例中,該第一至第三期間的時間設定原則可為:該第一期間係介於該第二期間與該第三期間之間,且該第二期間大於該第三期間;於本實施例,如表1所示,該第一期間為80±8秒,第二期間為300±30秒,且該第三期間則為50±5秒,但均不以此為限。
綜上所述,該三個循環程序間有如後所述關係:於該第一循環程序的該步驟(c)中進行高壓吸附S1的該第二吸附塔2,其在該第二循環程序中繼續進行高壓吸附S1,進行升壓平衡S5的該第三吸附塔3則進行靜置S6,進行降壓平衡S2的該第一吸附塔1則進行同向減壓S3;同理,於該第二循環程序的該步驟(f)中進行高壓吸附S1的該第三吸附塔3,其在該第三循環程序中繼續進行高壓吸附S1,進行升壓平衡S5的該第一吸附塔1則進行靜置S6,進行降壓平衡S2的該第二吸附塔2則進行同向減壓S3。
藉由上述循環程序間的關係,於該第三循環程序的該步驟(i)時進行高壓吸附S1的該第一吸附塔1,在下一循環程序步驟中繼續進行高壓吸附S1,進行升壓平衡S5的該第二吸附塔2則進行靜置S6,進行降壓平衡S2的該第三吸附塔則進行同向減壓S3;於該第三循環程序的下一循環程序中,該三個吸附塔的連續動作配置與該第一循環程序的該步驟(a)相同,意即該第三循環程序完成後,接續進行的下一循環程序為該第一循環程序,並以此循環進行該真空變壓吸附方法。
綜合上述說明可知,本發明用於二氧化碳分離之真空變壓吸附方法係主要在各該吸附塔依序進行高壓吸附、降壓平衡、同向減壓、真空出料及升壓平衡的連續動作,並在各該吸附塔與另一吸附塔完成壓力平衡後並準備進行高壓吸附的期間,靜置各該吸附塔並使其內部壓力維持一定壓,令填充於各該吸附塔內部的該吸附劑高效地再生,再令單個循環程序中包含由上述高壓吸附、降壓平衡、同向減壓、真空出料、升壓平衡及靜置的連續動作組成的三步驟,藉由連續執行該循環程序,使各該吸附塔連續地吸附及脫附二氧化碳,以完成二氧化碳分離,並同時使該填充於各該吸附塔內部的該吸附劑再生,進 而同時於該循環程序中完成二氧化碳吸脫附及該吸附劑的再生,提高二氧化碳分離效率。
以下進一步說明本發明用於分離二氧化碳之真空變壓吸附系統1a,請參閱圖3,係為本發明用於分離二氧化碳之真空變壓吸附系統1a的第一實施例的系統架構圖,該真空變壓吸附系統1a係包含一第一吸附塔1、一第二吸附塔2及一第三吸附塔3,其中該第二吸附塔2係設置於該第一吸附塔1與該第三吸附塔3之間,各該吸附塔1、2、3內部係填充有一吸附劑,在此實施例中,該吸附劑可為一分子篩13X,但並不以此為限。
如圖3所示,該第一吸附塔1的一塔底具有一入口11及一塔底出口13,該入口11連接一進口閥V1,該塔底出口13連接一出料閥V13,該第一吸附塔1的一塔頂具有一塔頂出口12,該塔頂出口12分別連接一出口閥V4以及一排氣閥V10;該第二吸附塔2的一塔底具有一入口21及一塔底出口23,該入口21連接一進口閥V2,該塔底出口23連接一出料閥V14,該第二吸附塔2的一塔頂具有一塔頂出口22,該塔頂出口22分別連接一出口閥V5以及一排氣閥V11;該第二吸附塔2的一塔底具有一入口31及一塔底出口33,該入口31連接一進口閥V3,該塔底出口33連接一出料閥V15,該第三吸附塔3的一塔頂具有一塔頂出口32,該塔頂出口32分別連接一出口閥V6以及一排氣閥V12。
如圖3所示,上述該真空變壓吸附系統1a係進一步包含一進口管路4、一出口管路5、一壓力平衡管路6、一排氣管路7以及一出料管路8,其中該進口管路4係分別連接至該第一吸附塔1的該進口閥V1、該第二吸附塔2的該進口閥V2以及該第三吸附塔3的該進口閥V3;該出口管路5係分別連 接至該第一吸附塔1的該出口閥V4、該第二吸附塔2的該出口閥V5以及該第三吸附塔3的該出口閥V6,而該出口管路5的另一端係連通至大氣。
上述該壓力平衡管路6係為一環狀管路,並與該第一至第三吸附塔1、2、3的所述塔頂出口12、22、32連通,且該三個壓力平衡開關V7、V8及V9係串接於該壓力平衡管路6,其中該壓力平衡開關V7係設置於該第一吸附塔1的該塔頂出口12及該第三吸附塔3的塔頂出口32之間,該壓力平衡開關V8係設置於該第一吸附塔1的該塔頂出口12及該第二吸附塔2的該塔頂出口22之間,該壓力平衡開關V9係設置於該第二吸附塔2的該塔頂出口22及該第三吸附塔3的該塔頂出口32之間。
上述該排氣管路7係分別連接至該第一吸附塔1的該排氣閥V10、該第二吸附塔2的該排氣閥V11以及該第三吸附塔3的該排氣閥V12;上述該出料管路8係分別連接至該第一吸附塔1的該出料閥V13、該第二吸附塔2的該出料閥V14以及該第三吸附塔3的該出料閥V15。
如圖3所示,上述該真空變壓吸附系統1a係進一步包含一加壓泵P1、一第一真空泵P2、一第二真空泵P3以及一控制單元9,其中該加壓泵P1係與該進口管路4連通,並連接一煙氣進料管路G1,以將一含二氧化碳的煙氣加壓送入該真空變壓吸附系統1a,在此實施例中,該加壓泵P1可為一壓縮機或一鼓風機,但並不以此為限;該第一真空泵P2係與該排氣管路7連通,以抽出各該吸附塔1、2、3內的該弱吸附氣體;該第二真空泵P3係與該出料管路8連通,以將該第一吸附塔1、該第二吸附塔2及該第三吸附塔3抽真空,促使二氧化碳自該第一吸附塔1、該第二吸附塔2及該第三吸附塔3內填充的該吸附劑中脫附並收集;該控制單元9係用於控制各該進口閥V1至 V3、各該出口閥V4至V6各該壓力平衡開關V7至V9、各該排氣閥V10至V12、各該出料閥V13至V15的開關並控制該加壓泵P1、該第一真空泵P2以及該第二真空泵P3之作動,在此實施例中,該控制單元9可為一電腦或一自動控制器,但並不以此為限。
請參閱圖4,係為本發明用於分離二氧化碳之真空變壓吸附系統的第一實施例的控制單元9的對應圖2的一控制狀態圖,以下進一步說明該真空變壓吸附系統1a的二氧化碳分離過程。
於執行上述該真空變壓吸附方法的該步驟(a)時,該第一吸附塔1進行高壓吸附,該第二吸附塔2進行靜置,該第三吸附塔3進行同向減壓,故在該步驟(a)中,該控制單元9控制該加壓泵P1加壓、控制該第一真空泵P2抽真空,以及開啟各該進口閥V1、該出口閥V4、該排氣閥V12,且關閉各進口閥V2及V3、該出口閥V5及V6、該壓力平衡開關V7至V9、該排氣閥V10及V11、該出料閥V13至V15;如此,含二氧化碳的煙氣經該煙氣進料管路G1進入該加壓泵P1後,由該加壓泵P1加壓後依序通過該進口管路4、該進口閥V1及該第一吸附塔1的該入口11,並進入該第一吸附塔1進行二氧化碳吸附,同時被移除二氧化碳的該弱吸附氣體依序通過該吸附塔1的該塔頂出口12、該出口閥V4及該出口管路5並排放至大氣,此時該第一吸附塔1的內部壓力達到上述該真空變壓吸附方法中的該第一壓力;該第二吸附塔2的該進口閥V2、該出口閥V5、該排氣閥V11、該出料閥V14及該壓力平衡開關V8、V9全部關閉,使得該第二吸附塔2維持一定壓,以利上述該吸附劑再生;該第三吸附塔3內的弱吸附氣體則依序通過該第三吸附塔的該塔頂出口管線32、該排氣閥V12及該排氣管路7,並被該第一真空泵P2抽出。
如圖4所示,執行上述該真空變壓吸附方法的該步驟(b)時,該第一吸附塔1繼續進行高壓吸附,該第二吸附塔2繼續進行靜置,該第三吸附塔3結束同向減壓,並依序進行真空出料,故在該步驟(b)中,該控制單元9控制該加壓泵P1加壓、控制該第二真空泵P3抽真空,以及開啟該進口閥V1、該出口閥V4及該出料閥V15,且控制該第一真空泵P2抽真空及關閉各該進口閥V2及V3、各該出口閥V5及V6、各該壓力平衡開關V7至V9、各該排氣閥V10至V12及各該出料閥V13、V14;如此,該第二真空泵P3使得該第三吸附塔3內部形成一低壓環境,二氧化碳從填充於該第三吸附塔3內的該吸附劑脫附,並依序通過該第三吸附塔3的塔底出口33、該出料閥V15及該出料管路8,最後由該第二真空泵P3抽出並收集。
如圖4所示,執行上述該真空變壓吸附方法的步驟(c)時,該第一吸附塔1結束高壓吸附,該第三吸附塔3結束真空出料,此時該第三吸附塔3的內部壓力達到上述該真空變壓吸附方法中的該第三壓力,並且內部壓力為該第一壓力的該第一吸附塔1連通內部壓力為該第三壓力的該第三吸附塔3,其中該第一壓力大於該第三壓力,同時該第一吸附塔1進行降壓平衡,該第三吸附塔3進行升壓平衡;該第二吸附塔2結束靜置,接著該第二吸附塔2進行高壓吸附,故在該步驟(c)中,該控制單元9控制該加壓泵P1加壓、控制該進口閥V2、該出口閥V5及該壓力平衡開關V7開啟,且控制關閉該第一真空泵P2、該第二真空泵P3及各該進口閥V1及V3、各該出口閥V4及V6、各該壓力平衡開關V8及V9、該排氣閥V10至V12及各該出料閥V13至V15;於降壓平衡時該第一吸附塔1的內部氣體依序通過該第一吸附塔1的該塔頂出口管線12、該閥V7、該壓力平衡管路6及該第三吸附塔的該塔頂出口 32並進入該第三吸附塔3,使得該第三吸附塔3進行升壓平衡,直至該第一吸附塔1與該第三吸附塔3的壓力相同。
由於上述該真空變壓吸附方法的各該步驟(d)至(f)及各該步驟(g)至(i)中,各該吸附塔輪流進行各該步驟(a)至(c)的連續動作,即於該步驟(d)時,該第二吸附塔,故以下省略相同部分之說明。
綜合以上所述,本發明的第一實施例的控制單元9對應圖2中各該步驟(a)至(i)的控制狀態,可總結出如後所述結論:在該真空變壓吸附方法的各該步驟(a)至(i)中,該第一吸附塔1、該第二吸附塔2及該第三吸附塔3接續進行高壓吸附,故用於進行高壓吸附的該加壓泵P1於各該步驟(a)至(i)均開啟;在該步驟(a)、(d)及(g)中,該第三吸附塔3、該第一吸附塔1及該第二吸附塔2依序進行同向減壓,則用於進行同向減壓的該第一真空泵P2於該步驟(a)、(d)及(g)中開啟;在該步驟(b)、(e)及(h)中,該第三吸附塔3、該第一吸附塔1及該第二吸附塔2依序進行真空出料,則用於進行真空出料的該第二真空泵P3於該步驟(b)、(e)及(h)中開啟。
再者,於進行高壓吸附時,使用各該進口閥V1至V3及各該出口閥V4至V6;該第一吸附塔1進行高壓吸附時,該第一吸附塔1的進口閥V1及該出口閥V4開啟,該第二吸附塔2的該進口閥V2及該出口閥V5、該第三吸附塔3的該進口閥V3及該出口閥V6關閉;該第二吸附塔2進行高壓吸附時,該進口閥V2及該出口閥V5開啟,該第一吸附塔1的進口閥V1及該出口閥V4、該第三吸附塔3的該進口閥V3及該出口閥V6關閉;該第三吸附塔3進行高壓吸附時,該第三吸附塔3的該進口閥V3及該出口閥V6開啟,該第一 吸附塔1的該進口閥V1及該出口閥V4、該第二吸附塔2的該進口閥V2及該出口閥V5關閉,因此,對於各吸附塔而言,其進口閥V1與其出口閥V4同步開關,其進口閥V2與其出口閥V5同步開關,其進口閥V3與其出口閥V6同步開關。
上述本發明的第一實施例的控制單元9對應圖2中各該步驟(a)至(i)的控制狀態的結論中,於進行降壓平衡及升壓平衡時,使用各該壓力平衡開關V7至V9;該第一吸附塔1連通該第三吸附塔3並分別進行降壓平衡及升壓平衡時,位於該第一吸附塔1的該塔頂管路12與該第三吸附塔3的該塔頂管路32之間的該壓力平衡開關V7開啟,而該壓力平衡開關V8及該壓力平衡開關V9則關閉;該第二吸附塔2連通該第一吸附塔1進行壓力平衡並分別進行降壓平衡及升壓平衡時,位於該第二吸附塔2的該塔頂管路22與該第一吸附塔1的該塔頂管路12之間的壓力平衡開關V8開啟,而該壓力平衡開關V7及該壓力平衡開關V9則關閉;該第三吸附塔3連通該第二吸附塔2並分別進行降壓平衡及升壓平衡時,位於該第三吸附塔3的該塔頂管路32與該第二吸附塔2的該塔頂管路22之間的該壓力平衡開關V9開啟,而該壓力平衡開關V7及該壓力平衡開關V8則關閉。
上述本發明的第一實施例的控制單元9對應圖2中各該步驟(a)至(i)的控制狀態的結論中,於進行同向減壓時,使用各該排氣閥V10至V12;該第一吸附塔1進行同向減壓時,該第一吸附塔1的該排氣閥V10開啟,該第二吸附塔2的該排氣閥V11及該第三吸附塔3的該排氣閥V12則關閉;該第二吸附塔2進行同向減壓時,該第二吸附塔2的該排氣閥V11開啟,該第一吸附塔1的該排氣閥V10及該第三吸附塔3的該排氣閥V12則關閉;該第一吸附塔 1進行同向減壓時,該閥V12開啟,該第一吸附塔1的該排氣閥V10及該第二吸附塔2的該排氣閥V11則關閉。
上述本發明的第一實施例的控制單元9對應圖2中各該步驟(a)至(i)的控制狀態的結論中,於進行真空出料時,使用該出料閥V13至V15;該第一吸附塔1進行真空出料時,該第一吸附塔1的該出料閥V13開啟,該第二吸附塔2的該出料閥V14及該第三吸附塔3的該出料閥V15則關閉;該第二吸附塔2進行真空出料時,該第二吸附塔2的該出料閥V14開啟,該第一吸附塔1的該出料閥V13及該第三吸附塔3的該出料閥V15則關閉;該第三吸附塔3進行真空出料時,該第三吸附塔3的該出料閥V15開啟,該第一吸附塔1的該出料閥V13及該第二吸附塔2的該出料閥V14則關閉。
再請參閱圖5,係為本發明真空變壓吸附系統的第二實施例的一系統架構圖,第二實施例之該真空變壓吸附系統1b與圖3之真空變壓吸附系統1a大致相同,惟不同之處為:在第二實施例中,串接於該壓力平衡管路6的該壓力平衡開關V7係包含二個壓力平衡閥V7a及V7b以及一流量計F1,其中該流量計F1係介於該閥V7a及V7b之間;該壓力平衡開關V8係包含二個壓力平衡閥V8a及V8b以及一流量計F2,其中該流量計F2係介於該閥V8a及V8b之間;該壓力平衡開關V9係包含二個壓力平衡閥V9a及V9b以及一流量計F3,其中該流量計F3係介於該閥V9a及V9b之間,在此實施例中,該流量計F1係藉由測量氣體流量,以確保在該第三吸附塔3對該第二吸附塔2進行壓力平衡時,或該第二吸附塔2對該第一吸附塔1進行壓力平衡時,該壓力平衡開關V7有確實關閉,該流量計F2係藉由測量氣體流量,以確保在該第一吸附塔1對該第三吸附塔3進行壓力平衡時,或該第三吸附塔3對該第二吸附塔2進行壓力 平衡時,該壓力平衡開關V8有確實關閉,該流量計F3係藉由測量氣體流量,以確保在該第一吸附塔1對該第三吸附塔3進行壓力平衡時,或該第二吸附塔2對該第一吸附塔1進行壓力平衡時,該壓力平衡開關V9有確實關閉;在此實施例中,各該壓力平衡閥V7a、V7b、V8a、V8b、V9a、V9b之開關關係為:該壓力平衡閥V7a與該壓力平衡閥V7b同步開關,該壓力平衡閥V8a與該壓力平衡閥V8b同步開關,該壓力平衡閥V9a與該壓力平衡閥V9b同步開關;該真空變壓吸附系統1b的其他構成係與上述該真空變壓吸附系統1a相同,並省略相同部分之說明。
此外,於上述圖5所示之真空變壓吸附系統的第二實施例中,可進一步該進口管路4、該出口管路5、該排氣管路7、該出料管路8增加壓力控制器P與流量控制器M,所述壓力控制器P與流量控制器M可由該控制單元9控制,以對所述管路的氣體壓力及流量進行控制。
綜合上述說明可知,本發明用於二氧化碳分離之真空變壓吸附系統係主要使用一控制單元,利用該控制單元內建的多個循環程序,控制各該吸附塔、該加壓泵、該第一真空泵及該第二真空泵依序執行上述該真空變壓吸附方法各該高壓吸附、降壓平衡、同向減壓、真空出料及升壓平衡,並且該控制單元在各該吸附塔完成升壓平衡後並準備進行高壓吸附前,分別關閉各該吸附塔的該進口閥、該出口閥、與另一吸附塔之間的該壓力平衡開關、該排氣閥及該出料閥,令填充於各該吸附塔內的該吸附劑於一定壓下再生,進而提高填充於各該吸附塔內的該吸附劑於進行高壓吸附時吸附二氧化碳的能力;本發明更可進一步將二個壓力平衡閥及一流量計組合為該壓力平衡開關,並串接於該壓力平衡管路上,該流量計藉由測量有無氣體流量,確保在各該吸附塔進行升壓平衡或降壓平 衡時,被該控制單元控制關閉的各該壓力平衡閥有確實關閉,進一步使各該吸附塔進行靜置時的內部壓力穩定,減少影響該吸附劑再生的各該吸附塔的內部壓力波動。
以上所述僅是本發明的實施例而已,並非對本發明做任何形式上的限制,雖然本發明已以實施例揭露如上,然而並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明技術方案的範圍內,當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例,但凡是未脫離本發明技術方案的內容,依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾,均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

Claims (6)

  1. 一種用於分離二氧化碳之真空變壓吸附系統,係包含:一吸附塔組,係包含一吸附塔甲、一吸附塔乙以及一吸附塔丙;其中各該吸附塔甲、乙及丙係包含有一進口閥、一出口閥、一排氣閥、一出料閥;三壓力平衡開關,係串接於一壓力平衡管路上,該壓力平衡管路係與各該吸附塔甲、乙及丙的一塔頂出口連接,且該三壓力平衡開關係分別設置在該吸附塔甲及該吸附塔乙的塔頂出口之間、該吸附塔乙及該吸附塔丙的塔頂出口之間、該吸附塔丙及該吸附塔甲的塔頂出口之間;一加壓泵,係連接一煙氣進料管路及所述進口閥;一第一真空泵,係連接所述排氣閥;一第二真空泵,係連接所述出料閥;以及一控制單元,係控制所述進口閥、所述出口閥、所述壓力平衡開關、所述排氣閥、所述出料閥、該加壓泵、該第一真空泵以及該第二真空泵的啟閉,且該控制單元係內建多個循環程序,各該循環程序係包含步驟(i)、(ii)、(iii),其中:於該步驟(i)中,該控制單元於一第一期間內控制該吸附塔甲的該進口閥及該出口閥開啟,並控制該加壓泵對該煙氣進料管路的煙氣進行加壓,以令該吸附塔甲進行高壓吸附;且控制該吸附塔乙的該進口閥、該出口閥、該排氣閥及該出料閥關閉,以令該吸附塔乙進行靜置;並控制該吸附塔丙的該排氣閥及該第一真空泵開啟,以令該吸附塔丙進行同向減壓;於該步驟(ii)中,該控制單元於一第二期間內持續令該吸附塔甲進行高壓吸附,且該吸附塔乙進行靜置;並控制該吸附塔丙的該排氣閥及該第一真空 泵關閉,且控制該吸附塔丙的該出料閥及該第二真空泵開啟,以令該吸附塔丙結束同向減壓並進行真空出料;於該步驟(iii)中,該控制單元於一第三期間內控制該吸附塔甲的該進口閥及該出口閥關閉,並控制該吸附塔丙的該出料閥及該第二真空泵關閉,以令該吸附塔甲結束高壓吸附,且該吸附塔丙結束真空出料;又控制設置於該吸附塔甲及該吸附塔丙之間的該壓力平衡開關開啟,以令該吸附塔甲與該吸附塔丙分別進行降壓平衡及升壓平衡;且控制該吸附塔乙的該進口閥及該出口閥開啟,以令該吸附塔乙結束靜置並進行高壓吸附。
  2. 如請求項1所述用於分離二氧化碳之真空變壓吸附系統,其中該控制單元係包含第一至第三循環程序,且依該吸附塔甲、乙、丙位置包含有一第一至第三吸附塔;其中:該第一循環程序係包含該步驟(i)至(iii),其中該第一吸附塔為該吸附塔甲,該第二吸附塔為該吸附塔乙,且該第三吸附塔為該吸附塔丙;該第二循環程序係包含該步驟(i)至(iii),其中該第二吸附塔為該吸附塔甲,該第三吸附塔為該吸附塔乙,且該第一吸附塔為該吸附塔丙;以及該第三循環程序係包含該步驟(i)至(iii),其中該第三吸附塔為該吸附塔甲,該第一吸附塔為該吸附塔乙,且該第二吸附塔為該吸附塔丙;再返回該第一循環程序。
  3. 如請求項1所述用於分離二氧化碳之真空變壓吸附系統,其中各該壓力平衡開關係包含二個壓力平衡閥及一流量計,且該流量計係串接於該二個壓力平衡閥之間。
  4. 如請求項2所述用於分離二氧化碳之真空變壓吸附系統,其中串接於該壓力平衡管路的各該壓力平衡開關係包含二個壓力平衡閥及一流量計,且該流量計係串接於該二個壓力平衡閥之間。
  5. 如請求項1至4中任一項所述用於分離二氧化碳之真空變壓吸附系統,其中各該吸附塔內部填充有一吸附劑。
  6. 如請求項1至4中任一項所述用於分離二氧化碳之真空變壓吸附系統,其中該第一期間係介於該第二期間與該第三期間之間,且該第二期間大於該第三期間。
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