TWM564479U - Biogas purification system - Google Patents

Abstract

本新型提供一種沼氣純化系統，其利用一甲烷與二氧化碳分離單元分別與一沼氣分離單元以及一二氧化碳分離單元相連接，使得含有甲烷與二氧化碳的沼氣經由該沼氣分離單元進入該甲烷與二氧化碳分離單元中，再由二氧化碳分離單元提供的水將沼氣中的二氧化碳帶走以進行沼氣的純化作業，最後將留下的甲烷自沼氣分離單元中排出，藉此純化過程提供純度較高的甲烷，供汽、機車的動力來源使用。

Description

沼氣純化系統

本新型涉及沼氣純化領域，尤指一種用於分離沼氣中之二氧化碳，使沼氣經純化後取得純度較高的甲烷，並提供作為環保能源使用。

隨著科技的進步以及人們生活水準的提高，家家戶戶幾乎都有至少一輛機車或汽車之代步工具。為因應大量之機車與汽車的動力來源需求，近年來石油開採業者更加速了石油的開採速度。但根據科學家的研究顯示，石油的生成可能需要數千年至數萬年的時間，因此地球上的石油以目前的開採以及使用速度，很快就會面臨消耗殆盡的一天。因此，替代能源的尋找與開發為目前世界各國極為重視的課題之一；其中，沼氣更成為被受矚目的其中一種替代能源。

沼氣通常自然地生成在河邊的溼地、沼澤地處，其主要由溼地或沼澤地處的植物腐敗後所形成之土壤表面下呈現厭氧狀態，進而使土壤表面下的有機物質發生厭氧分解與發酵，最終形成沼氣。一般沼氣中除了含有甲烷氣體為其主要成分外，另伴隨著二氧化碳氣體的存在。

根據目前科學研究，當甲烷氣體的純度達到一定的程度後，即可以拿來作為汽、機車的動力能源使用，因此，如何將沼氣中的二氧化碳氣體去除，以保留高純度的甲烷氣體，使其可作為石油之替代能源，為現今科學家急欲積極發展的氣體純化技術。

臺灣新型專利公告第267365號公報揭示一種再生式水洗沼氣純化裝置，其利用將含有甲烷氣體與二氧化碳氣體的沼氣通入吸收塔後，使吸收塔內的水可以吸附二氧化碳氣體，藉此將二氧化碳氣體隨著水被帶走，最後再單獨將甲烷氣體排出，以完成沼氣的純化工作。

但由於二氧化碳氣體於一般室溫液體溫度下的環境僅能略溶於水中，若要二氧化碳氣體大量地溶於水，一般需要施予一定的大氣壓力才行，且一旦減壓後二氧化碳氣體又會從水中跑出來，因此，該加壓與減壓過程不易操控，且該加壓與減壓的過程耗費能源，亦需要大範圍的面積使得水與二氧化碳氣體可以直接接觸，故由前述原理可以合理推測經前述再生式水洗沼氣純化裝置純化後所得到的氣體中除了大部分為甲烷氣體以外，其純化後的氣體中必然仍含有一定量的二氧化碳氣體，顯示該篇專利文獻所揭示之沼氣純化效果不佳，無法將純化後的氣體直接作為汽、機車的燃料使用。

有鑒於現有技術所面臨的問題，本新型之目的在於解決二氧化碳氣體溶於水中或是吸附於水中後難以與水完全分離的問題，藉由本新型之沼氣純化系統可以在常壓下讓二氧化碳氣體溶於水，再對水加溫以提升二氧化碳氣體離開水中的量，又再利用投藥方式使得殘留於水中的二氧化碳分子可以完全與水分子分離，使得水可以與二氧化碳分離後重複被循環並提供予甲烷與二氧化碳分離使用。

為達成前述目的，本新型提供一種沼氣純化系統，其包括：一沼氣分離單元、一甲烷與二氧化碳分離單元、一二氧化碳分離單元。其中該甲烷與二氧化碳分離單元連接該沼氣分離單元與該二氧化碳分離單元。該沼氣分離單元包含：一沼氣輸入器與一甲烷輸出器，該沼氣包含有甲烷與二氧化碳。該甲烷與二氧化碳分離單元分別與該沼氣分離單元的該沼氣輸入器以及該甲烷輸出器相連接，並且該甲烷與二氧化碳分離單元設於該沼氣輸入器與該甲烷輸出器之間。該二氧化碳分離單元包含：一液體加熱器、一二氧化碳過濾器、一儲液桶、一投藥器以及一真空抽氣裝置；該液體加熱器與該甲烷與二氧化碳分離單元相連接，該二氧化碳過濾器與該液體加熱器相連接，該儲液桶與該二氧化碳過濾器相連接，並且前述甲烷與二氧化碳分離單元設於該液體加熱器與該儲液桶之間，該投藥器獨立地與該儲液桶相連接，該真空抽氣裝置獨立地與該儲液桶相連接。

本新型藉由甲烷與二氧化碳分離單元分離沼氣中的甲烷氣體以及二氧化碳氣體，並且藉由沼氣分離單元以及二氧化碳分離單元同時與甲烷與二氧化碳分離單元相連接而達到帶走沼氣中的二氧化碳氣體、得到沼氣純化過後之高純度甲烷氣體的目的。此外，本新型亦利用了二氧化碳分離單元進一步將溶於水中的二氧化碳或是吸附於水中的二氧化碳之中的水分子與二氧化碳分子分離，進而使得水可以重複循環提供予甲烷與二氧化碳分離單元將二氧化碳氣體從沼氣中帶走，連續不斷地進行沼氣的純化工作，使得純化過後之高純度的甲烷氣體可以不斷地被本新型之沼氣純化系統生產出來並且提供使用。另本新型同時利用液體加熱器控制溶有或吸附有二氧化碳氣體分子之碳酸水溶液的液體溫度，藉此調整水釋放二氧化碳氣體的能力。

較佳的，該投藥器中裝設有二氧化碳吸附劑。

更佳的，該二氧化碳吸附劑係為：甲基二乙醇胺(methyldiethanolamine，MDEA)、三乙烯四胺(triethylenetetramine，TETA)、胺基乙基乙醇胺(aminoethylethanolamine，AEEA)的其中之一或其組合、活性碳或沸石。

較佳的，該二氧化碳過濾器中設有一二氧化碳過濾膜。該二氧化碳過濾膜具有複數過濾孔洞，其僅能夠提供二氧化碳氣體分子通過所述過濾孔洞，而無法使水分子通過所述過濾孔洞，藉此將溶有或吸附有二氧化碳氣體分子之水溶液中的水分子可以與二氧化碳分子分離，將溶解有或吸附有二氧化碳氣體分子之水溶液分離形成二氧化碳氣體與純水液體。此外，藉由該二氧化碳過濾膜的設置可以有效增加二氧化碳氣體與水的接觸面積，進而可以縮小整體沼氣純化系統的體積。

更佳的，該二氧化碳過濾膜的一側呈真空狀態，該二氧化碳過濾膜的另一側填充有含有二氧化碳氣體的水溶液；更具體而言，該二氧化碳過濾膜的另一側係溶解有或吸附有二氧化碳氣體的水溶液。此技術手段利用該二氧化碳過濾膜的一側呈真空狀態，使得填充溶解有或吸附有二氧化碳氣體的水溶液之二氧化碳過濾膜的另一側因為大氣壓力的作用下，使得二氧化碳氣體會由具有大氣壓力的一側朝向真空方向通過該二氧化碳過濾膜進入到二氧化碳過濾膜的真空側，藉此達到水分子與二氧化碳分子的過濾分離的目的。

較佳的，該儲液桶的頂端設有一液面控制器，而該儲液桶的一側設有一排水裝置。此技術手段利用液面控制器控制排水裝置的運作時機，當液面控制器偵測到儲液桶已超過滿水位時，即會馬上啟動排水裝置運作，將多餘的水排出，避免儲液桶中的水過多而溢出，影響整體沼氣純化系統的運作。

較佳的，該液體加熱器的液溫控制範圍為30°C至70°C。其主要加溫目的為將溶解有或吸附有二氧化碳氣體的水溶液加熱後，利用水於高溫下對於二氧化碳氣體之溶解度下降的特性，幫助水分子與二氧化碳分子相互分離，藉此加速水分子與二氧化碳分子的分離速度，提升後續二氧化碳過濾器的分離效率。

較佳的，該二氧化碳分離單元包括一二氧化碳排出器以及一純水補充裝置，該二氧化碳排出器與該純水補充裝置分別與該二氧化碳過濾器相連接，並且該二氧化碳排出器與該二氧化碳過濾器之間設有另一抽氣幫浦。此技術手段利用二氧化碳排出器以及抽氣幫浦幫助將分離出來的二氧化碳氣體可以有效被排出，甚至可以將分離出來的二氧化碳氣體收集之後再利用。另純水補充裝置可以額外提供純水予二氧化碳過濾器，並且與過濾後取得的水一同流入儲液桶中暫存，以提供充足的水量予甲烷與二氧化碳分離單元使用。

較佳的，該二氧化碳分離單元包括一冷卻裝置，該冷卻裝置具有一熱水管與一冷水管，並且該冷卻裝置藉由該冷水管與該熱水管與該儲液桶相連接。此技術手段為利用冷卻裝置控制純水的溫度，藉此調整純水溶解二氧化碳氣體的能力，藉以提升沼氣中之二氧化碳的分離效率以及甲烷氣體的純化效率。

較佳的，該沼氣純化系統具有複數抽氣幫浦以及一抽液幫浦，其中所述抽氣幫浦分別設置於該沼氣輸入器與該甲烷與二氧化碳分離單元之間以及該甲烷與二氧化碳分離單元與該甲烷輸出器之間，而該抽液幫浦設置於該儲液桶與該甲烷與二氧化碳分離單元之間。此技術手段利用抽氣幫浦與抽液幫浦的輔助使用幫助氣體與液體的流通，藉此促進本新型之沼氣純化系統運作的流暢性以及提升沼氣純化的效率。

以下請配合圖式及本新型之較佳實施例，進一步闡述本新型為達成預定新型目的所採取的技術手段。

本新型之沼氣純化系統包括：一沼氣分離單元10、一甲烷與二氧化碳分離單元20、一二氧化碳分離單元30、三抽氣幫浦40A、40B、40C以及一抽液幫浦50。

該沼氣分離單元10具有一沼氣輸入器11以及一甲烷輸出器12，其中該沼氣為包含有甲烷氣體與二氧化碳氣體的混合氣體，並且該沼氣輸入器11與該甲烷輸出器12分別與該甲烷與二氧化碳分離單元20相連接。更具體而言，該甲烷與二氧化碳分離單元20設置於該沼氣輸入器11與該甲烷輸出器12之間，並且該甲烷與二氧化碳分離單元20分別與該沼氣輸入器11以及該甲烷輸出器12相連通，使沼氣中之含有甲烷氣體與二氧化碳氣體的混合氣體可以經由該沼氣輸入器11進入該甲烷與二氧化碳分離單元20中，並且透過該甲烷與二氧化碳分離單元20的分離作用而將純度較高的甲烷氣體傳送至該甲烷輸出器12，進而將純度較高的甲烷氣體自該甲烷輸出器12排出，作為石油之替代能源的提供與使用。

另該沼氣輸入器11與該甲烷與二氧化碳分離單元20之間設有一抽氣幫浦40A、該甲烷與二氧化碳分離單元20與甲烷輸出器12之間設有另一抽氣幫浦40B，該抽氣幫浦40A用於幫助將沼氣自該沼氣輸入器11抽取輸送至該甲烷與二氧化碳分離單元20中，以進行甲烷氣體與二氧化碳氣體的分離作業，而該抽氣幫浦40B用於幫助將該甲烷與二氧化碳分離單元20分離出來的甲烷氣體抽取並且輸送至該甲烷輸出器12，藉以使甲烷氣體可以順利自甲烷輸出器12排出使用，不會殘留於該甲烷與二氧化碳分離單元20以及該甲烷輸出器12之間而造成能源的浪費。

該二氧化碳分離單元30依序包括：一液體加熱器31、一二氧化碳過濾器32以及一儲液桶33，其中該二氧化碳過濾器32進一步分別延伸連接一二氧化碳排出器34以及一純水補充裝置35，而該儲液桶33進一步分別延伸連接一投藥器36、一真空抽氣裝置37、一排水裝置38以及一冷卻裝置39。

該液體加熱器31與該儲液桶33分別與該甲烷與二氧化碳分離單元20相連接。具體而言，該甲烷與二氧化碳分離單元20設置於該液體加熱器31與該儲液桶33之間，藉此使得該儲液桶33中容置的純水可以通過該甲烷與二氧化碳分離單元20進入該液體加熱器31中進行加熱。更具體而言，如圖2所示，前述沼氣分離單元10之沼氣輸入器11將含有甲烷氣體與二氧化碳氣體的混合氣體輸送進入該甲烷與二氧化碳分離單元20的同時，該儲液桶33中容置的純水由儲液桶33進入該甲烷與二氧化碳分離單元20，並且藉由二氧化碳氣體略溶於純水而形成的碳酸水溶液以及水分子可以吸附二氧化碳氣體的特性，將二氧化碳氣體自含有甲烷氣體與二氧化碳氣體的混合氣體中帶走，並且進一步將溶有二氧化碳氣體的碳酸水溶液與吸附有二氧化碳氣體的水分子輸送至液體加熱器31中進行加溫，以利後續二氧化碳氣體分子與水分子的進一步分離。藉由上述溶解與吸附作用，由甲烷與二氧化碳分離單元20送入甲烷輸出器12的甲烷氣體能具有較高的純度，並且進一步將純度較高的甲烷氣體自甲烷輸出器12排出供使用者使用。

該液體加熱器31可以將溶有二氧化碳氣體的碳酸水溶液與吸附有二氧化碳氣體的水分子於室溫(約30°C)的溫度條件下加熱至約70°C，如此藉由升溫可降低純水與二氧化碳氣體的溶解度以及水分子與二氧化碳氣體的吸附性，幫助部分碳酸水溶液分解為水與二氧化碳氣體，同時協助吸附於水分子上的二氧化碳氣體與水分子分離，並且再將上述物質一起輸送至二氧化碳過濾器32中進行水與二氧化碳氣體的分離工作。

該二氧化碳過濾器32中設有一二氧化碳過濾膜321，該二氧化碳過濾膜321上具有許多孔洞，所述孔洞的大小為可以讓二氧化碳氣體分子通過而無法讓水分子通過即可，本實施例之孔洞尺寸約為0.03微米(μm)，並且該二氧化碳過濾膜321將該二氧化碳過濾器32中的空間分隔為一近似真空的氣體流動空間322以及一液體流通空間323，如圖3所示。當水與二氧化碳氣體一起被輸送至二氧化碳過濾器32中的液體流通空間323時，由於該氣體流動空間322幾乎呈真空狀態，因此根據大氣壓力之氣體會從大氣壓力大處往大氣壓力小處移動的定律，於液體流通空間323中的二氧化碳氣體會因為大氣壓力的作用而經由二氧化碳過濾膜321上的孔洞進入到近似真空的氣體流動空間322中，而水分子則因為無法通過該二氧化碳過濾膜321上的孔洞而繼續朝向儲液桶33方向流動，藉此達成水與二氧化碳氣體的分離工作。

該進一步與二氧化碳過濾器32延伸連接的該二氧化碳排出器34其與前述氣體流動空間322相連通，並且於該二氧化碳過濾器32與該二氧化碳排出器34之間另設有一抽氣幫浦40C，該抽氣幫浦40C用於幫助將分離出來的二氧化碳氣體抽取輸送至該二氧化碳排出器34，並且將二氧化碳氣體自二氧化碳排出器34排出，藉此使得二氧化碳氣體不會停留於該二氧化碳過濾器32以及該二氧化碳排出器34之間的連通道中，增加連通道中的氣體壓力，進而影響後續該二氧化碳過濾器32進行水與二氧化碳氣體分離的效率。

此外，由於經過二氧化碳過濾器32分離過後的水會流入儲液桶33中暫存，以再一次提供予甲烷與二氧化碳分離單元20分離甲烷氣體與二氧化碳氣體使用，但又因為前述液體加熱器31對液體加溫因而加速了水的蒸散作用，因此造成水量於液體加熱器31及二氧化碳過濾器32的運作過程中會逐漸減少，所以為了後續能夠不斷地提供充足的水量予甲烷與二氧化碳分離單元20進行甲烷氣體與二氧化碳氣體的分離工作，本新型進一步於二氧化碳過濾器32上延伸連接一純水補充裝置35，使得由純水補充裝置35額外提供的純水可以與二氧化碳過濾器32過濾後取得的水一同流入儲液桶33中暫存，以提供充足的水量予甲烷與二氧化碳分離單元20使用。

當經二氧化碳過濾器32過濾後取得的水流入儲液桶33中暫存後，由於仍有少量的碳酸水溶液以及少量仍吸附於水分子上的二氧化碳氣體會一起流入儲液桶33中暫存，因此該儲液桶33進一步延伸連接一投藥器36，該投藥器36中裝置有二氧化碳吸附劑，該二氧化碳吸附劑可以為甲基二乙醇胺、三乙烯四胺或是胺基乙基乙醇胺。本新型之沼氣純化系統可以將前述二氧化碳吸附劑投入儲液桶33中，促使碳酸水溶液中的二氧化碳分子與水分子完全分離，並且使吸附於水分子上的二氧化碳氣體與水分子分離，再利用與儲液桶33進一步延伸連接的真空抽氣裝置37將由二氧化碳吸附劑與水作用後所產生的二氧化碳氣體抽離儲液桶33中，使得儲液桶33中僅留下純水而不會有二氧化碳氣體的殘留。

此外，該儲液桶33的頂端另設有一液面控制器(圖中未示)，該液面控制器可以偵測儲液桶33中的純水儲存量，當儲液桶33中的純水儲存量超過液面警戒線時，該液面控制器會啟動與儲液桶33相連接的排水裝置38開始進行排水運作，藉此可以有效避免儲液桶33中的水量非預期性地溢出而影響整個沼氣純化系統的運作。

最後，在該儲液桶33中的純水再次提供予甲烷與二氧化碳分離單元20進行甲烷氣體與二氧化碳氣體分離使用之前，該儲液桶33透由一熱水管331與一冷水管332與該冷卻裝置39相連通，使得儲液桶33中的純水先經由熱水管331流入冷卻裝置39中進行冷卻後，再由冷水管332回流至儲液桶33中儲存，藉此讓儲液桶33提供予甲烷與二氧化碳分離單元20的純水處於低溫狀態，該低溫狀態可以為22°C至26°C，而最佳為4°C，如此將更有利於純水溶解二氧化碳氣體，使純水更可以在甲烷與二氧化碳分離單元20中將二氧化碳氣體溶解或吸附，藉此提升儲液桶33所提供之純水可以帶走甲烷與二氧化碳分離單元20中之二氧化碳氣體的能力與氣體量，進而提高沼氣中之甲烷的純化濃度，更有效提升沼氣中之甲烷的純化效果。

此外，為了幫助將儲液桶33中的純水有效輸送至甲烷與二氧化碳分離單元20，於儲液桶33與甲烷與二氧化碳分離單元20之間設有一抽液幫浦50，該抽液幫浦50即可有效將儲液桶33中經冷卻裝置39冷卻過後的純水抽取至甲烷與二氧化碳分離單元20，供甲烷氣體與二氧化碳氣體的分離作業使用。

綜上所述，本新型之沼氣純化系統不但利用液體加熱器31與冷卻裝置39輪流地控制水溫，幫助水可以藉由溫度的調控適時地在低溫狀態下溶解、吸附更多的二氧化碳氣體，亦可以適時地在高溫狀態下與二氧化碳分子或氣體有效分離，藉此提升沼氣中之二氧化碳氣體的分離效率，達到純化沼氣的目的，並且使得沼氣經過本新型之沼氣純化系統純化後可以得到高純度甲烷氣體，以供給作為新的環保能源使用。

此外，本新型之沼氣純化系統另利用了投藥器36於未完全與二氧化碳分子分離的水溶液中進行二氧化碳吸附劑的投藥動作，使得仍含有少量二氧化碳分子的水溶液可以完全分離以形成純水與二氧化碳氣體，並且經由真空抽氣裝置37將分離出來的二氧化碳氣體完全排出，避免二氧化碳氣體回溶於純水當中，使得儲液桶33中的水可以保持為純水狀態，並提供予甲烷與二氧化碳分離單元20再一次分離甲烷氣體與二氧化碳氣體使用，使得本新型之沼氣純化系統可以不斷地重複循環使用，亦可減少水資源的浪費。

10‧‧‧沼氣分離單元
11‧‧‧沼氣輸入器
12‧‧‧甲烷輸出器
20‧‧‧甲烷與二氧化碳分離單元
30‧‧‧二氧化碳分離單元
31‧‧‧液體加熱器
32‧‧‧二氧化碳過濾器
321‧‧‧二氧化碳過濾膜
322‧‧‧氣體流動空間
323‧‧‧液體流通空間
33‧‧‧儲液桶
331‧‧‧熱水管
332‧‧‧冷水管
34‧‧‧二氧化碳排出器
35‧‧‧純水補充裝置
36‧‧‧投藥器
37‧‧‧真空抽氣裝置
38‧‧‧排水裝置
39‧‧‧冷卻裝置
40A、40B、40C‧‧‧抽氣幫浦
50‧‧‧抽液幫浦

圖1為本新型之沼氣純化系統的系統配置圖。 圖2為本新型之沼氣純化系統之甲烷與二氧化碳分離單元的運作示意圖。 圖3為本新型之沼氣純化系統之二氧化碳過濾器的內部結構示意以及其運作示意圖。

Claims (8)

1. 一種沼氣純化系統，其包括： 一沼氣分離單元，其包括： 一沼氣輸入器，其中該沼氣包含有甲烷與二氧化碳；以及 一甲烷輸出器； 一甲烷與二氧化碳分離單元，其分別與該沼氣輸入器以及該甲烷輸出器相連接，並且該甲烷與二氧化碳分離單元設於該沼氣輸入器與該甲烷輸出器之間； 一二氧化碳分離單元，其包括： 一液體加熱器，其與甲烷與二氧化碳分離單元相連接； 一二氧化碳過濾器，其與該液體加熱器相連接； 一儲液桶，其與該二氧化碳過濾器相連接，並且該甲烷與二氧化碳分離單元設於該液體加熱器與該儲液桶之間； 一投藥器，其與該儲液桶相連接；以及 一真空抽氣裝置，其與該儲液桶相連接； 其中，該二氧化碳過濾器中設有一二氧化碳過濾膜。
2. 如請求項1所述之沼氣純化系統，其中該投藥器中裝設有二氧化碳吸附劑。
3. 如請求項2所述之沼氣純化系統，其中該二氧化碳吸附劑為甲基二乙醇胺、三乙烯四胺、胺基乙基乙醇胺的其中之一或其組合。
4. 如請求項1至3中任一項所述之沼氣純化系統，其中該二氧化碳過濾膜的一側呈真空狀態，該二氧化碳過濾膜的另一側填充含有二氧化碳氣體的水溶液。
5. 如請求項1至3中任一項所述之沼氣純化系統，其中該儲液桶的頂端設有一液面控制器，而該儲液桶的一側設有一排水裝置。
6. 如請求項1至3中任一項所述之沼氣純化系統，其中該二氧化碳分離單元包括一二氧化碳排出器以及一純水補充裝置，該二氧化碳排出器與該純水補充裝置分別與該二氧化碳過濾器相連接，並且該二氧化碳排出器與該二氧化碳過濾器之間設有一抽氣幫浦。
7. 如請求項1至3中任一項所述之沼氣純化系統，其中該二氧化碳分離單元包括一冷卻裝置，該冷卻裝置具有一熱水管與一冷水管，並且該冷卻裝置藉由該冷水管與該熱水管連接至該儲液桶。
8. 如請求項1至3中任一項所述之沼氣純化系統，該沼氣純化系統具有複數抽氣幫浦以及一抽液幫浦，其中所述抽氣幫浦分別設置於該沼氣輸入器與該甲烷與二氧化碳分離單元之間以及該甲烷與二氧化碳分離單元與該甲烷輸出器之間，該抽液幫浦設置於該儲液桶與該甲烷與二氧化碳分離單元之間。