TWM500617U - 吸收氣體中一成分之裝置 - Google Patents

Description

吸收氣體中一成分之裝置

本新型是有關於一種吸收氣體中一成分氣體之裝置。

工業蓬勃發展導致大量的溫室氣體排放至大氣中，進而造成溫室效應的發生。常見之溫室氣體包括二氧化碳(CO₂ )、甲烷(CH₄ )、一氧化二氮(N₂ O)及六氟化硫(SF₆ )等，其中又以二氧化碳之影響最為嚴重。根據研究，大氣中的二氧化碳濃度已由工業革命前的280ppm上升至395ppm，且每年仍以約2ppm的速度增加。化石燃料提供全球超過85%的電力，同時也是最主要的二氧化碳排放源之一，其中燃煤電廠佔總排放量的43%。有鑑於此，必須發展更經濟有效的技術以移除發電廠之排放氣中的二氧化碳及其他溫室氣體。

本新型係提供一種吸收氣體混合物中某一成分之裝置，俾能減少操作所須的能源，並提高整體裝置所能處 理的氣體總量。更具體的說，本新型能夠大幅降低再生液體吸收劑所須的能耗。根據本新型的多個實施方式，此裝置包含一旋轉床吸收單元以及一固定床吸收單元。旋轉床吸收單元具有一旋轉填充床、一第一氣體入口、一第一氣體出口、一第一吸收劑入口以及一第一吸收劑出口。第一氣體入口、旋轉填充床和第一氣體出口配置以讓含有該成分之第一氣流從第一氣體入口經由旋轉填充床輸送至第一氣體出口。第一吸收劑入口、旋轉填充床及第一吸收劑出口配置以讓吸收劑從第一吸收劑入口經由旋轉填充床輸送至第一吸收劑出口。第一氣流與吸收劑在旋轉填充床中接觸，藉此讓吸收劑吸收該成分。固定床吸收單元具有一固定床、一第二氣體入口、一第二氣體出口、一第二吸收劑入口以及一第二吸收劑出口。第二氣體入口、固定床及第二氣體出口配置以讓含有該成分之第二氣流從第二氣體入口經由固定床輸送至第二氣體出口。第二吸收劑入口連接第一吸收劑出口，以將通過旋轉床吸收單元之吸收劑導入固定床吸收單元，藉此讓吸收劑通過固定床，並吸收第二氣流之該成分。通過固定床之吸收劑經由第二吸收劑出口離開固定床吸收單元。

根據本新型一實施方式，上述裝置更包含一再生單元，用以移除吸收劑中至少一部分的該成分，而得到一再生吸收劑。再生單元具有一第三吸收劑入口以及一第三吸收劑出口，且第三吸收劑入口連接第二吸收劑出口。第三吸收劑出口連接旋轉床吸收單元的第一吸收劑入口，再生 吸收劑經由第三吸收劑出口輸送至第一吸收劑入口。

根據本新型一實施方式，再生單元包含一氣提塔。

根據本新型一實施方式，再生單元還具有一第三氣體出口，用以輸出從吸收劑移除之該成分。

根據本新型一實施方式，上述裝置更包含一純化單元，連接第三氣體出口，純化單元用以純化從再生單元輸送而來之該成分。

根據本新型一實施方式，上述裝置更包含一氣體分配單元，連接第一氣體入口以及第二氣體入口。氣體分配單元用以將含有該成分之一氣體分流為第一氣流以及第二氣流。

根據本新型一實施方式，第一氣體入口以及第二氣體入口連接同一氣體供應源。

根據本新型一實施方式，上述該成分為二氧化碳。

100‧‧‧裝置

110‧‧‧旋轉床吸收單元

111‧‧‧第一氣體入口

112‧‧‧第一氣體出口

113‧‧‧第一吸收劑入口

114‧‧‧第一吸收劑出口

116‧‧‧旋轉填充床

116a‧‧‧外側

116b‧‧‧內側

117‧‧‧驅動裝置

118‧‧‧分散器

120‧‧‧固定床吸收單元

121‧‧‧第二氣體入口

122‧‧‧第二氣體出口

123‧‧‧第二吸收劑入口

123a‧‧‧管路系統

124‧‧‧第二吸收劑出口

126‧‧‧固定床

130‧‧‧再生單元

132‧‧‧第三氣體出口

133‧‧‧第三吸收劑入口

133a‧‧‧管路系統

134‧‧‧第三吸收劑出口

134a‧‧‧管路系統

140‧‧‧純化單元

140a‧‧‧管路系統

142‧‧‧吸收劑移除單元

146‧‧‧乾燥單元

148‧‧‧管路系統

150‧‧‧氣體分配單元

152‧‧‧第一鼓風機

154‧‧‧第二鼓風機

156‧‧‧管路系統

158‧‧‧氣體供應源

S1‧‧‧第一氣流

S2‧‧‧第二氣流

Di‧‧‧內徑

Do‧‧‧外徑

H‧‧‧高度

第1圖繪示本新型各式實施方式之吸收氣體中某一成分之裝置的示意圖。

第2圖繪示本新型一實施方式之旋轉床吸收單元的剖面示意圖。

為了使本新型的敘述更加詳盡與完備，下文針對了 本新型的實施態樣及具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本新型具體實施例的唯一形式。在以下描述中，將詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，可在無此等特定細節之情況下實踐本新型之實施例。在其他情況下，為簡化圖式，熟知的結構與裝置僅示意性地繪示於圖中。關於本文中所使用之「約」、「大約」或「大致」的用語一般通常係指數值之誤差或範圍約百分之二十以內，較佳地是約百分之十以內，更佳地則是約百分五之以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如「約」、「大約」或「大致」所表示的誤差或範圍。本文中，當一元件被稱為「連接」或「耦接」至另一元件時，可以是一元件直接連接或耦接至另一元件；或是一元件與另一元件之間存在一或多個額外元件，亦即一元件經由一或多個額外元件而連接至另一元件。相對的，當一元件被稱為「直接連接」或「直接耦接」至另一元件時，其間沒有額外元件存在。

本新型是有關於一種吸收氣體中某一成分氣體之裝置或設備。更具體的說，在此揭露的裝置或設備可用以吸收氣體混合物中諸如二氧化碳等溫室氣體或其他氣體。在以下揭露的內容中，以二氧化碳為例示說明，以充分敘述在此揭露之裝置的各元件之功能及操作細節。本技術領域中具有通常知識者，能夠根據以下揭露的內容，將此裝置或設備應用於吸收其他種類的氣體，因此本新型揭露的裝置或設備並不限於吸收二氧化碳。例如，可藉由選擇不 同的吸收劑，將本新型揭露之裝置應用於吸收其他的氣體。

第1圖繪示本新型各式實施方式之吸收氣體中某一成分氣體之裝置100的示意圖。裝置100主要包含旋轉床吸收單元110以及固定床吸收單元120。旋轉床吸收單元110用以吸收第一氣流S1中諸如二氧化碳等成分氣體，固定床吸收單元120用以吸收第二氣流S2中例如二氧化碳等氣體。第一氣流S1以及第二氣流S2經由管路系統分別輸送到旋轉床吸收單元110以及固定床吸收單元120。

第2圖繪示本新型一實施方式之旋轉床吸收單元110的剖面示意圖。請參照第1圖及第2圖，旋轉床吸收單元110包含殼體110a、第一氣體入口111、第一氣體出口112、第一吸收劑入口113以及第一吸收劑出口114。第一氣流S1從第一氣體入口111進入旋轉床吸收單元110。

旋轉床吸收單元110還包含旋轉填充床116，而且旋轉填充床116能夠在殼體110a中進行旋轉。驅動旋轉填充床116旋轉的裝置或方式並無特殊限制，舉例而言，可藉由例如電動馬達之驅動裝置117來驅動旋轉填充床116進行旋轉。在數個實施方式，旋轉填充床116中填充有多個惰性填充物，並且在這些惰性填充物之間存有孔隙。

第一氣體入口111、旋轉填充床116和第一氣體出口112的配置方式讓含有諸如二氧化碳的第一氣流S1從第一氣體入口111經由旋轉填充床116輸送至第一氣體出口112。舉例而言，第一氣流S1可從第一氣體入口111進入旋轉床吸收單元110中，並從旋轉填充床116的外側116a 進入旋轉填充床116的內部，然後通過旋轉填充床116的內側116b，再從第一氣體出口112離開旋轉床吸收單元110。本新型之旋轉床吸收單元110並不限於第1圖繪示的逆流式旋轉填充床，諸如錯流式旋轉填充床或其他種類的旋轉填充床也可適用在本新型。

第一吸收劑入口113、旋轉填充床116及第一吸收 劑出口114的配置方式讓液體吸收劑從第一吸收劑入口113經由旋轉填充床116輸送至第一吸收劑出口114。舉例而言，液體吸收劑從第一吸收劑入口113進入旋轉填充床116的內部，當旋轉填充床116高速旋轉時，液體吸收劑受到離心力作用而從旋轉填充床116的內側116b向外側116a移動，並分散成細小的液膜或液滴。液體吸收劑與含有諸如二氧化碳的氣流在旋轉填充床116的孔隙中接觸，因此讓液體吸收劑能夠有效地吸收第一氣流S1中諸如二氧化碳的成分。在一實施例中，旋轉填充床116為超重力旋轉床，其能夠透過高速旋轉產生100G以上的重力場。在另一實施例中，液體吸收劑通過分散器118噴灑進入旋轉填充床116的內側116b。

在數個實施方式中，第一氣流S1中二氧化碳的體 積百分比為約4-30vol.%。具體而言，第一氣流S1可例如為燃煤發電廠、天然氣發電廠或鋼鐵廠的排放氣。根據本新型的數個實施方式，旋轉床吸收單元110能夠吸收第一氣流S1中二氧化碳總量的90%以上，因此經過旋轉床吸收單元110處理後的第一氣流S1可以經由第一氣體出口112 直接排放至大氣中。旋轉床吸收單元110的操作條件及液體吸收劑的組成可參照本新型創作人發表於「International Journal of Greenhouse Gas control,9(2012),136-147」的期刊論文。

請回到第1圖，固定床吸收單元120包含第二氣體入口121、第二氣體出口122、第二吸收劑入口123、第二吸收劑出口124以及固定床126。含有諸如二氧化碳的第二氣流S2經由第二氣體入口121進入固定床吸收單元120。在一實施方式中，第二氣流S2中二氧化碳的體積百分比為約4-30vol.%。

第二氣體入口121、固定床126及第二氣體出口122配置以讓含有諸如二氧化碳之第二氣流S2從第二氣體入口121經由固定床126輸送至第二氣體出口122。固定床126中填充有多個惰性填充物，這些填充物之間形成多個孔隙。此外，第二吸收劑入口123經由管路系統123a連接至第一吸收劑出口114，而將通過旋轉床吸收單元110的液體吸收劑導入固定床吸收單元120中。液體吸收劑流經固定床126，並與第二氣流S2接觸而吸收第二氣流S2中諸如二氧化碳的成分。通過固定床126的液體吸收劑經由第二吸收劑出口124離開固定床吸收單元120。在一實施方式中，固定床吸收單元120能夠吸收第二氣流S2中二氧化碳總量的90%以上，因此通過固定床吸收單元120的第二氣流S2可從第二氣體出口122排放至大氣中。

請注意，本新型的其中一個特徵是旋轉床吸收單元 110與固定床吸收單元120的配置順序。詳細的說，從液體吸收劑的流動動線觀察，旋轉床吸收單元110與固定床吸收單元120是串聯配置，而且液體吸收劑必須先通過旋轉床吸收單元110，然後再通過固定床吸收單元120。另一方面，旋轉床吸收單元110與固定床吸收單元120是分別處理第一氣流S1與第二氣流S2，因此從第一氣流S1與第二氣流S2的流動動線觀察，旋轉床吸收單元110與固定床吸收單元120是並聯配置。上述的配置讓本新型提供特殊的技術效果。更詳細的說，經過吾人的研究，雖然旋轉床吸收單元110具有極佳的吸收效能，但是如果僅使用旋轉床吸收單元來吸收二氧化碳，則再生液體吸收劑所須的能量卻極高。相較於僅使用旋轉床吸收單元來吸收二氧化碳，本新型揭露之多個實施方式能夠降低再生液體吸收劑所須能源達40%(以吸收相同重量之二氧化碳為比較基準)，因此本新型之實施方式確實具有減少能源消耗的優勢。此外，旋轉床吸收單元110與固定床吸收單元120分別處理第一氣流S1與第二氣流S2，能夠提高整體裝置100處理的氣體總量。

再者，液體吸收劑必須先通過旋轉床吸收單元 110，然後才通過固定床吸收單元120。在吾人的研究中，在不改變旋轉填充床體積及固定床體積的情況下，如果將旋轉床吸收單元110與固定床吸收單元120的配置順序對調，讓液體吸收劑先通過固定床吸收單元120，然後再通過旋轉床吸收單元110，則會導致旋轉床吸收單元110的吸收 效能嚴重地降低。旋轉床吸收單元之吸收效能下降的原因是，在此吸收機制中，當液體吸收劑中二氧化碳的濃度提高時，會造成總質傳係數(overall mass transfer coefficient)大幅地下降。因此，根據本新型的實施方式，液體吸收劑必須先通過旋轉床吸收單元110，之後才通過固定床吸收單元120，這樣的配置方式讓旋轉床吸收單元發揮較佳的吸收效能。換言之，在相同的旋轉填充床體積與相同的固定床體積之情況下，在此揭露的配置順序，讓整體裝置提供較佳的二氧化碳吸收效果。同時，液體吸收劑中二氧化碳的含量也提高，從而降低再生液體吸收劑所須的能源消耗。

在數個實施方式中，固定床吸收單元120的固定床126之體積為旋轉床吸收單元110的旋轉填充床116之體積的約2倍至約10倍，較佳為約2.5倍至約4.5倍。上述之「體積」是指填充物、填充物間的空隙以及填充物內的空隙所佔之空間總和，亦即固定床吸收單元120或旋轉床吸收單元110中設計以容置填充物的空間體積。當固定床126之體積為旋轉填充床116之體積的約2至約10倍時，再生液體吸收劑所須的能量相對較低(以吸收相同重量的二氧化碳為比較基準)。根據所要處理的氣體總量之多寡，旋轉填充床116及/或固定床126的各維度尺寸存在多種的設計範圍。在數個實施方式中，旋轉填充床116的外徑(Do)可例如為約0.5-1.5公尺，旋轉填充床116的內徑(Di)可例如為約0.1-0.8公尺，旋轉填充床116的高度(H)可例如為約0.05-0.8公尺。固定床126的直徑可例如為約0.1-1公尺， 固定床126的高度(或稱長度)可例如為約0.5-10公尺。在另外多個實施方式中，旋轉填充床116的外徑(Do)為內徑(Di)的約2至約3倍，旋轉填充床116的外徑(Do)為高度(H)的約2至約4倍。

根據本新型的數個實施方式，固定床吸收單元120 為逆流式吸收單元，也就是說，在固定床126中，氣體的流動方向與液體吸收劑的流動方向相反。

根據本新型的多個實施方式，裝置100更包含再生單元130，用以移除液體吸收劑中至少一部分的二氧化碳，而得到再生的液體吸收劑。再生單元130具有第三吸收劑入口133以及第三吸收劑出口134，第三吸收劑入口133經由管路系統133a連接至固定床吸收單元120的第二吸收劑出口124，用以將通過固定床吸收單元120的液體吸收劑輸送至再生單元130。再生的液體吸收劑從第三吸收劑出口134經由管路系統134a輸送至旋轉床吸收單元110的第一吸收劑入口113。在一實施方式中，再生單元130包含氣提塔(stripper)，用以將液體吸收劑中至少一部分的二氧化碳轉變為氣態的二氧化碳，而得到回收的二氧化碳氣體。在此實施方式中，再生單元130還包含第三氣體出口132，用以輸出回收的二氧化碳氣體。

在數個實施方式中，裝置100更包含純化單元140，純化單元140經由管路系統140a連接再生單元130的第三氣體出口132，純化單元140用以純化回收的二氧化碳氣體。在某些實施例中，回收的二氧化碳氣體中含有少 量的吸收劑和水，因此純化單元140可包含吸收劑移除單元142和乾燥單元146。吸收劑移除單元142連接再生單元130的第三氣體出口132，從再生單元130輸送而來的二氧化碳氣體依序通過吸收劑移除單元142和乾燥單元146。吸收劑移除單元142可例如為水洗塔，其中利用水吸收二氧化碳氣體中殘存的吸收劑。然後，乾燥單元146移除二氧化碳氣體中殘存的水，因此得到高純度的二氧化碳，並將所得之高純度二氧化碳輸送至一管路系統148。

在數個實施方式中，裝置100更包含氣體分配單元 150，其連接旋轉床吸收單元110的第一氣體入口111以及固定床吸收單元120的第二氣體入口121。氣體分配單元150將管路系統156輸送而來的待處理氣體分流為第一氣流S1以及第二氣流S2。在一實施方式中，氣體分配單元150包含第一鼓風機152以及第二鼓風機154，藉由控制第一鼓風機152及第二鼓風機154可調整第一氣流S1及第二氣流S2的壓力以及體積流量。在另一實施方式中，第一氣體入口111以及第二氣體入口121連接相同的氣體供應源158，因此第一氣流S1之組成與第二氣流S2之組成相同。 在其他實施方式中，第一氣體入口111以及第二氣體入口121可分別連接不同的氣體供應源，因此第一氣流S1之組成與第二氣流S2之組成並不相同。

雖然本新型已以實施方式揭露如上，然其並非用以 限定本新型，任何熟習此技藝者，在不脫離本新型之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本新型之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧裝置

110‧‧‧旋轉床吸收單元

111‧‧‧第一氣體入口

112‧‧‧第一氣體出口

113‧‧‧第一吸收劑入口

114‧‧‧第一吸收劑出口

120‧‧‧固定床吸收單元

121‧‧‧第二氣體入口

122‧‧‧第二氣體出口

123‧‧‧第二吸收劑入口

123a‧‧‧管路系統

124‧‧‧第二吸收劑出口

126‧‧‧固定床

130‧‧‧再生單元

132‧‧‧第三氣體出口

133‧‧‧第三吸收劑入口

133a‧‧‧管路系統

134‧‧‧第三吸收劑出口

134a‧‧‧管路系統

140‧‧‧純化單元

140a‧‧‧管路系統

142‧‧‧吸收劑移除單元

146‧‧‧乾燥單元

148‧‧‧管路系統

150‧‧‧氣體分配單元

152‧‧‧第一鼓風機

154‧‧‧第二鼓風機

156‧‧‧管路系統

158‧‧‧氣體供應源

S1‧‧‧第一氣流

S2‧‧‧第二氣流

Claims (10)

1. 一種吸收氣體中一成分之裝置，包含：一旋轉床吸收單元，具有一旋轉填充床、一第一氣體入口、一第一氣體出口、一第一吸收劑入口以及一第一吸收劑出口，其中該第一氣體入口、該旋轉填充床和該第一氣體出口配置以讓含有該成分之一第一氣流從該第一氣體入口經由該旋轉填充床輸送至該第一氣體出口，且該第一吸收劑入口、該旋轉填充床及該第一吸收劑出口配置以讓一吸收劑從該第一吸收劑入口經由該旋轉填充床輸送至該第一吸收劑出口，其中該第一氣流與該吸收劑在該旋轉填充床中接觸，藉此讓該吸收劑吸收該成分；以及一固定床吸收單元，具有一固定床、一第二氣體入口、一第二氣體出口、一第二吸收劑入口以及一第二吸收劑出口，其中該第二氣體入口、該固定床及該第二氣體出口配置以讓含有該成分之一第二氣流從該第二氣體入口經由該固定床輸送至該第二氣體出口，且其中該第二吸收劑入口連接該第一吸收劑出口，以將通過該旋轉床吸收單元之該吸收劑導入該固定床吸收單元，藉此讓該吸收劑通過該固定床，以吸收該第二氣流之該成分，其中通過該固定床之該吸收劑經由該第二吸收劑出口離開該固定床吸收單元。
2. 如請求項1所述之裝置，更包含一再生單元，用以移除該吸收劑中至少一部分的該成分，而得到一再生吸收劑，其中該再生單元具有一第三吸收劑入口以及一第三 吸收劑出口，該第三吸收劑入口連接該第二吸收劑出口，且該第三吸收劑出口連接該旋轉床吸收單元的該第一吸收劑入口，其中該再生吸收劑經由該第三吸收劑出口輸送至該第一吸收劑入口。
3. 如請求項2所述之裝置，其中該再生單元包含一氣提塔。
4. 如請求項2所述之裝置，其中該再生單元還具有一第三氣體出口，用以輸出從該吸收劑移除之該部分的該成分。
5. 如請求項4所述之裝置，更包含：一純化單元，連接該第三氣體出口，用以純化從該再生單元輸送而來之該部分的該成分。
6. 如請求項1所述之裝置，更包含一氣體分配單元，連接該第一氣體入口以及該第二氣體入口，該氣體分配單元用以將含有該成分之一氣體分流為該第一氣流以及該第二氣流。
7. 如請求項6所述之裝置，其中該第一氣體入口以及該第二氣體入口連接同一氣體供應源。
8. 如請求項1所述之裝置，其中該成分為二氧化碳。
9. 如請求項1所述之裝置，其中該固定床之體積為該旋轉填充床之體積的約2至約10倍。
10. 如請求項1所述之裝置，其中該旋轉填充床具有一外徑以及一高度，且該外徑為該高度的約2至約4倍。