TWI569866B - 自動化二氧化碳吸收裝置及其方法 - Google Patents

Description

自動化二氧化碳吸收裝置及其方法

本發明係關於一種自動化二氧化碳吸收裝置及其方法，特別是關於一種利用偵測酸鹼值來控制吸收液流量的裝置及其方法。

煙道氣體的處理中，以化學吸收法捕捉二氧化碳為現行最常用的捕碳方式，其流程中需經過化學吸收捕碳、再生而後排放出合乎排放標準濃度的二氧化碳。目前已知捕碳的最佳能耗值與吸收液的二氧化碳擔載量(loading)有關係，然而通常煙道氣體中的二氧化碳濃度並非定值，傳統上固定吸收液流量的方式進行捕碳，只能提供固定的二氧化碳擔載量，當二氧化碳濃度偏高時，造成排放氣體濃度偏高於標準，無法符合排放規定，而當二氧化碳濃度偏低時，則無法於最低的能耗下進行捕碳。

例如中華民國專利公告第I421123號中公開了一種捕捉二氧化碳的方法，其方法包括：進行前置程去除煙囪廢氣中的某些特定成份；以每小時10~11立方公尺的流量提供煙囪廢氣，其中煙囪廢氣之溫度為30至40℃；以預定流量提供包含水與一級胺的一級胺溶液作為吸收液，藉由一級胺吸收煙囪廢氣中之二氧化碳，其中該預定流量為每小時60至70公斤之一級胺；以及進行一級胺的再生步驟，使一級胺所吸收的二氧化碳脫 離。然而，該捕捉二氧化碳的方法之缺點在於仍缺乏自動控制吸收液流量的功能，無法解決目前問題。

故，有必要提供一種自動化二氧化碳吸收裝置及方法，以因應不同二氧化碳濃度，自動控制吸收液的流量、降低處理能量及節省成本，並確保能符合排放標準，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種自動化二氧化碳吸收裝置及其方法，利用化學吸收法以鹼性溶液作為吸收液，捕捉混合氣體中的二氧化碳，由於二氧化碳濃度會直接影響吸收液的酸鹼值(pH值)，且pH值的偵測簡單快速，藉由二氧化碳濃度和吸收液酸鹼值的關聯曲線，可自動對應調整所需要的吸收液流量，形成一種回饋系統，因此可以針對二氧化碳濃度波動的情況來更有效的使用吸收液，在符合二氧化碳排放標準的前提下，節省廢氣處理成本。

本發明之次要目的在於提供一種自動化二氧化碳吸收裝置及其方法，藉由測量再生後的吸收液的酸鹼值，可以監控吸收液再生和衰退的狀況，避免因為再生不完全或吸收液衰退而影響自動化控制吸收液流量的機制。

為達上述之目的，本發明的一實施例提供一種自動化二氧化碳吸收裝置，其包含：一吸收單元，用以容納一鹼性溶液以及一混合氣體，該混合氣體中至少包含二氧化碳，其中該鹼性溶液和該混合氣體反應形成一含碳混合液，該含碳混合液經由一導出管線導出；一再生單元，用以收集被導出的含碳混合液，並加熱該含碳混合液，以產生一回收液以及 二氧化碳氣體；一酸鹼值偵測器，設置在該吸收單元與該再生單元之間的導出管線上，用以測量該含碳混合液的酸鹼值，以獲得一測量值；以及一流量控制器，設置在該吸收單元與該再生單元之間之一導回管線上；其中該回收液經由該導回管線導回該吸收單元與該鹼性溶液混合，且藉由該流量控制器調整該回收液被導回的流量，以維持該測量值於一第一預定值，其中該第一預定值是在該二氧化碳氣體濃度為一標準值時由該酸鹼值偵測器所測得的該含碳混合液的酸鹼值。

在本發明之一實施例中，該鹼性溶液選自醇胺、氨水、氫氧化鈉水溶液、有機胺類、有機鹼或其混合溶液。

在本發明之一實施例中，另包含一第二酸鹼值偵測器，設置在該吸收單元與該再生單元之間的導回管線上，用以測量該回收液的酸鹼值，以獲得一第二測量值。

在本發明之一實施例中，該第二測量值低於一第二預定值時，代表該回收液或該吸收單元內的該鹼性溶液的吸收效率降低，該第二預定值是在該二氧化碳氣體濃度為該標準值時由該第二酸鹼值偵測器所測得的該回收液的酸鹼值。

在本發明之一實施例中，該測量值小於該第一預定值時，該流量控制器增加該回收液的流量，使該測量值升高至該第一預定值；當測量值大於該第一預定值時，該流量控制器降低該回收液的流量，使該測量值減小至該第一預定值。

本發明的另一實施例提供一種自動化二氧化碳吸收方法，其包含步驟：(S1)提供一混合氣體，該混合氣體中包含二氧化碳；(S2) 將該混合氣體通入一鹼性溶液中，使該鹼性溶液與該混合氣體中的該二氧化碳反應形成一含碳混合液；(S3)加熱該含碳混合液，形成一回收液和一二氧化碳氣體；(S4)將該回收液導回該鹼性溶液中，形成一吸收液循環；(S5)偵測步驟(S2)之該含碳混合液的酸鹼值，獲得一測量值；以及(S6)調整步驟(S4)該回收液被導回的流量，以維持該測量值於一第一預定值，其中該第一預定值是在該二氧化碳氣體中所含二氧化碳的濃度為一標準值時所測得的該含碳混合液的酸鹼值。

在本發明之一實施例中，步驟(S6)包括：(S61)增加該回收液的流量，使該測量值提高至該第一預定值；或者(S62)減少該回收液的流量，使該測量值降低至該第一預定值。

在本發明之一實施例中，在步驟(S6)之後以及將該回收液導回該鹼性溶液之前，另包含一步驟：(S7)偵測該回收液的酸鹼值，獲得一第二測量值。

在本發明之一實施例中，該第二測量值低於一第二預定值時，代表該回收液或該鹼性溶液的吸收效率降低，該第二預定值是在該二氧化碳氣體濃度為該標準值時由該第二酸鹼值偵測器所測得的該回收液的酸鹼值。

在本發明之一實施例中，該鹼性溶液選自醇胺類、氨水、氫氧化鈉水溶液、有機胺類、有機鹼或其混合溶液。

10‧‧‧吸收單元

20‧‧‧再生單元

30‧‧‧酸鹼值偵測器

40‧‧‧流量控制器

50‧‧‧第二酸鹼值偵測器

61‧‧‧導出管線

62‧‧‧導回管線

63‧‧‧排氣管線

第1圖：本發明一實施例之自動化二氧化碳吸收裝置的使用示意圖。

第2圖：本發明一實施例中，排出的二氧化碳氣體濃度和pH值的關聯曲線。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。此外，本發明所提到的單數形式“一”、“一個”和“所述”包括複數引用，除非上下文另有明確規定。例如，術語“一化合物”或“至少一種化合物”可以包括多個化合物，包括其混合物；本發明文中提及的「%」若無特定說明皆指「重量百分比(wt%)」；數值範圍(如10%~11%的A)若無特定說明皆包含上、下限值(即10%≦A≦11%)；數值範圍若未界定下限值(如低於0.2%的B，或0.2%以下的B)，則皆指其下限值可能為0(即0%≦B≦0.2%)；各成份的「重量百分比」之比例關係亦可置換為「重量份」的比例關係。上述用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參考第1圖，本發明一實施例提供一種自動化二氧化碳吸附裝置，其主要包括一吸收單元10、一再生單元20、一酸鹼值偵測器30以及一流量控制器40，其中各元件之間係可利用管線或通道彼此連通，形成一個循環流體系統。

請繼續參考第1圖，該吸收單元10係用以容納一鹼性溶液以及一混合氣體，可具有數個入口(未繪示)，用來注入該鹼性溶液或該混 合氣體。該鹼性溶液可選自醇胺、氨水、氫氧化鈉水溶液、有機胺類、有機鹼或其混合溶液，但不限於此，只要可與二氧化碳反應，且反應後的溶液具有酸鹼值變化的特性即可。該混合氣體可例如是一煙道氣體或工廠排放的廢氣，其中至少包含有二氧化碳。利用化學吸收法，該鹼性溶液可與該混合氣體中的二氧化碳反應形成一含碳混合液，然後該含碳混合液攜帶著該混合氣體中的二氧化碳從該吸收單元10輸出，經過設置在該吸收單元10與該再生單元20之間的一導出管線61導出並運送至該再生單元20。

該再生單元20係用以收集，並加熱由該導出管線61導出之含碳混合液，以生成一回收液以及一二氧化碳氣體。該回收液的主要成份仍為該鹼性溶液，但可能夾帶其他雜質。該回收液接著從該再生單元20輸出，通過設置在該吸收單元10與該再生單元20之間的一導回管線62運送並導回至該吸收單元10再利用。該二氧化碳氣體則從一排氣管線63排出，其濃度需符合氣體排放標準，可例如為1.5%、3%或4%，然不限於此。

再者，該酸鹼值偵測器30可設置在該吸收單元10與該再生單元20之間，例如設置在該導出管線61的任何位置上，用以測量該含碳混合液的酸鹼值，以獲得一測量值。較佳的，該酸鹼值偵測器30較佳可設置在該再生單元20的入口附近，以即時獲得該含碳混合液的酸鹼值。該流量控制器40則可以設置在該吸收單元10與該再生單元20之間，例如設置在該導回管線62的任何位置上，可以控制該回收液進入該吸收單元10的流量。較佳的，該流量控制器40較佳設置在該吸收單元10的入口附近。由於二氧化碳的擔載量，因此藉由調整該回收液的流量，可以使該含碳混合液的酸鹼值維持在一第一預定值，該第一預定值是在該二氧化碳氣體濃 度為一標準值時由該酸鹼值偵測器30所測得的該含碳混合液的酸鹼值。

此外，在一實施例中，另包含一第二酸鹼值偵測器50設置在該吸收單元10與該再生單元20之間的導回管線62上，且較佳可設置在該再生單元20的入口附近。該第二酸鹼值偵測器50用以測量在該導回管線62中之回收液的酸鹼值，以獲得一第二測量值，可以用來觀察該回收液通過該再生單元20處理之後，是否具有正常的吸收能力。該第二測量值低於一第二預定值時，代表該回收液或該鹼性溶液的吸收效率降低，其原因可能是因為該回收液再生不完全，此時應檢查該再生單元20的設置或操作條件是否適合；或者使因為該回收液或該鹼性溶液已經衰退，應更換新的鹼性溶液。該第二預定值是在該二氧化碳氣體濃度為該標準值時由該第二酸鹼值偵測器50所測得的該回收液的酸鹼值。

接著，該回收液與該鹼性溶液混合後可以繼續用來吸收持續通入的該混合氣體。在本發明之一實施例中，該測量值小於該第一預定值時，該流量控制器40可對應自動增加該回收液的流量，例如透過加大閥門開口，使該測量值升高至該第一預定值；當測量值大於該第一預定值時，該流量控制器40降低該回收液的流量，例如縮小閥門開口，使該測量值減小至該第一預定值。該流量控制器40可另外包含一電腦或一控制電路，以對應該測量值的變化控制流量大小。因此，透過該測量值和該第一預定值的差異比較，可以程式或自動化控制該回收液的流量，達成快速、有效的二氧化碳吸收，且在符合二氧化碳排放標準的前提下，節省廢氣處理成本。

再者，本發明的另一實施例提供一種自動化二氧化碳吸收方法，其主要包含步驟：(S1)提供一混合氣體；(S2)將該混合氣體通入 一鹼性溶液中，形成一含碳混合液；(S3)加熱該含碳混合液，形成一回收液和二氧化碳氣體；(S4)將該回收液導回該鹼性溶液；(S5)偵測步驟(S2)之含碳混合液的酸鹼值，以獲得一測量值；以及(S6)調整步驟(S4)該回收液被導回的流量，以維持該測量值於一第一預定值。本發明將於下文逐一詳細說明該實施例之上述各步驟的實施細節及其原理。

本發明上述實施例之自動化二氧化碳吸收方法首先係：(S1)提供一混合氣體。在本步驟中，該混合氣體中包含二氧化碳，可例如是一煙道氣體或工廠排放的廢氣，而後續步驟即用以對該混合氣體(廢氣)進行去除二氧化碳。

本發明上述實施例之自動化二氧化碳吸收方法接著係：(S2)將該混合氣體通入一鹼性溶液中，形成一含碳混合液。在本步驟中，該鹼性溶液可選自醇胺、氨水、氫氧化鈉水溶液、有機胺類、有機鹼或其混合溶液，但不限於此，只要可與二氧化碳反應，且反應後的溶液具有酸鹼值變化的特性即可。利用化學吸收法，該鹼性溶液可與該混合氣體中的該二氧化碳反應形成該含碳混合液，使二氧化碳被該含碳混合液攜帶而從該混合氣體中部份脫除。

本發明上述實施例之自動化二氧化碳吸收方法接著係：(S3)加熱該含碳混合液，形成一回收液和二氧化碳氣體。在本步驟中，該回收液的主要成份仍為該鹼性溶液，但可能夾帶其他雜質，例如加熱後未完全脫除的二氧化碳。該二氧化碳氣體可被排出，其濃度需符合氣體排放標準。

本發明上述實施例之自動化二氧化碳吸收方法接著係： (S4)將該回收液導回該鹼性溶液。在本步驟中，該回收液可通過管線與該鹼性溶液混合後再利用共同作為二氧化碳的吸收液，因此形成一吸收液循環。

本發明上述實施例之自動化二氧化碳吸收方法接著係：(S5)偵測步驟(S2)之含碳混合液的酸鹼值，以獲得一測量值。在實際操作中，該測量值是連續變動的，可對照該二氧化碳氣體的濃度而形成關聯曲線。這是因為該含碳混合液的酸鹼值受到所攜帶的二量化碳氣體的影響，而表現出當該二氧化碳氣體濃度越高，則該測量值越低的傾向。相反的，該二氧化碳氣體濃度越低，則該測量值越高。

本發明上述實施例之自動化二氧化碳吸收方法最後係：(S6)調整步驟(S4)該回收液被導回的流量，以維持該測量值於一第一預定值。其中，該第一預定值是在該二氧化碳氣體中所含二氧化碳的濃度為一標準值時，所測得的該含碳混合液的酸鹼值。在本步驟中，為使排出的該二氧化碳氣體濃度能固定在標準值範圍內，且在該二氧化碳氣體濃度較低的時候，不會過度浪費吸收液的使用，故需控制該測量值在一特定範圍區間，較佳的是能趨近該二氧化碳氣體濃度為標準值的時候所對應的測量值，也就是該第一預定值。此外，調整該回收液的流量的步驟(S6)可包括：(S61)增加該回收液的流量，使該測量值提高至該第一預定值；或者(S62)減少該回收液的流量，使該測量值降低至該第一預定值。

除上述步驟之外，在步驟(S6)之後以及將該回收液導回該鹼性溶液之前，還可以包含一步驟(S7)：偵測該回收液的酸鹼值，獲得一第二測量值。在本步驟中，該第二測量值可利用一第二酸鹼值偵測器而 獲得。當該第二測量值低於一第二預定值時，代表該回收液或該鹼性溶液的吸收效率降低。該第二預定值是在該二氧化碳氣體濃度為該標準值時由該第二酸鹼值值偵測器所測得的該回收液的酸鹼值。

為使本發明之自動化二氧化碳吸收裝置和方法更為明確且易於了解，請參考下列實驗數據以及說明。

首先，在該吸收單元10中置入30重量%醇胺作為鹼性溶液，在室溫以及壓力為1kg/cm²G的環境中，以每小時11.2立方公尺(m³)的流量將煙道氣體通入該吸收單元10，進行二氧化碳吸收及排放處理。接著，偵測從該吸收單元10輸出到該導出管線61內的含碳混合液，與偵測從該再生單元20輸出到該導回管線62內的回收液的酸鹼值，所獲得的數據如下表1。然後以該再生單元20出口處的二氧化碳氣體排放濃度(%)為X軸及酸鹼值(pH值)為縱軸，製作排放濃度和酸鹼值的關聯曲線，如第2圖所示。從第2圖可以發現，含碳混合液的pH值越高，所對應的二氧化碳氣體排放濃度越低。因此，若排放二氧化碳濃度的標準值需為3%，則該含碳混合液的酸鹼值需為約9.14。若繼續偵測該含碳混合液的酸鹼值之後，發現pH值浮動變成9.01，低於排放標準值3%所需要的9.14，表示其中攜帶的二氧化碳濃度高於3%時所應該攜帶的濃度，為使排放符合標準，此時該流量控制器40將該回收液的流量提高，例如二氧化碳氣體濃度3%時，所使用的流量為100公斤/小時(Kg/hr)，此時，流量可調整為105~110公斤/小時，使該含碳混合液的pH值逐漸回到約9.14。相反的，若繼續偵測該含碳混合液的酸鹼值發現pH值變成9.34，高於排放標準值所需要的9.14，代表了二氧化碳排放濃度已低於3%，為了避免浪費多餘吸收液，則 流量控制器減少該回收液的流量，例如降低為90~95公斤/小時，直到pH值回到約9.14。也就是說，利用排出氣體濃度和含碳混合液的pH值的關聯曲線，就可以因應pH值的變化即時調整所需要的吸收液量，達成節省處理成本的目的。

再者，請繼續參考第2圖，該回收液的PH值可用來評估回收液的吸收效果。例如，同樣以排放標準值3%為例，當繼續偵測回收液的pH值，發現低於應有的10.26，則表示回收液再生不完全，需檢查再生單元20的操作條件是否有偏差，或是回收液本身吸收效果已經衰退，需更換新的鹼性溶液。再者，通過監控回收液的pH值，有助於確保流量控制器40不至於受到吸收效果衰退的影響，而消耗多餘的能量來提供較大量的回收液流量。

相較於習知技術，本發明實施例之自動化二氧化碳吸收裝置及其方法，可以簡單快速的獲悉二氧化碳被吸收的狀況，並且因應混合氣體所含二氧化碳濃度的不同，調整所需要的吸收液的流量，達成降低耗能，節省成本的目的。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作 各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧吸收單元

20‧‧‧再生單元

30‧‧‧酸鹼值偵測器

40‧‧‧流量控制器

50‧‧‧第二酸鹼值偵測器

61‧‧‧導出管線

62‧‧‧導回管線

63‧‧‧排氣管線

Claims (10)

1. 一種自動化二氧化碳吸收裝置，其包含：一吸收單元，用以容納一鹼性溶液以及一混合氣體，該混合氣體中至少包含二氧化碳，其中該鹼性溶液和該混合氣體反應形成一含碳混合液，該含碳混合液經由一導出管線導出；一再生單元，用以收集被導出之該含碳混合液並加熱該含碳混合液，以產生一回收液以及二氧化碳氣體；一酸鹼值偵測器，設置在該吸收單元與該再生單元之間的該導出管線上，用以測量該含碳混合液的酸鹼值，以獲得一測量值；以及一流量控制器，設置在該吸收單元與該再生單元之間之一導回管線上；其中該回收液經由該導回管線被導回該吸收單元與該鹼性溶液混合，且藉由該流量控制器調整該回收液被導回的流量，以維持該測量值於一第一預定值，其中該第一預定值是在該二氧化碳氣體濃度為一標準值時由該酸鹼值偵測器所測得的該含碳混合液的酸鹼值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自動化二氧化碳吸收裝置，其中該鹼性溶液選自醇胺、氨水、氫氧化鈉水溶液、有機胺類、有機鹼或其混合溶液。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自動化二氧化碳吸收裝置，其中另包含一第二酸鹼值偵測器，設置在該吸收單元與該再生單元之間的該導回管線上，用以測量該回收液的酸鹼值，以獲得一第二測量值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之自動化二氧化碳吸收裝置，其中該第二測量值低於一第二預定值時，代表該回收液或該吸收單元內的該鹼性溶液的吸收效率降低，該第二預定值是在該二氧化碳氣體濃度為該標準值時由該第二酸鹼值偵測器所測得的該回收液的酸鹼值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之自動化二氧化碳吸收裝置，其中該測量值小於該第一預定值時，該流量控制器增加該回收液的流量，使該測量值升高至該第一預定值；當測量值大於該第一預定值時，該流量控制器降低該回收液的流量，使該測量值減小至該第一預定值。
6. 一種自動化二氧化碳吸收方法，其包含步驟：(S1)提供一混合氣體，該混合氣體中包含二氧化碳；(S2)將該混合氣體通入一鹼性溶液中，使該鹼性溶液與該混合氣體中的該二氧化碳反應形成一含碳混合液；(S3)加熱該含碳混合液，形成一回收液和一二氧化碳氣體；(S4)將該回收液導回該鹼性溶液中，形成一吸收液循環；(S5)偵測步驟(S2)之該含碳混合液的酸鹼值，獲得一測量值；以及(S6)調整步驟(S4)該回收液被導回的流量，以維持該測量值於一第一預定值，其中該第一預定值是在該二氧化碳氣體濃度為一標準值時所測得的該含碳混合液的酸鹼值。
7. 如申請專利範圍第6項所述之自動化二氧化碳吸收方法，其中步驟(S6)包括：(S61)增加該回收液的流量，使該測量值提高至該第一預 定值；或者(S62)減少該回收液的流量，使該測量值降低至該第一預定值。
8. 如申請專利範圍第6項所述之自動化二氧化碳吸收方法，其中在步驟(S6)之後以及將該回收液導回該鹼性溶液之前，另包含一步驟：(S7)偵測該回收液的酸鹼值，獲得一第二測量值。
9. 如申請專利範圍第8項所述之自動化二氧化碳吸收方法，其中該第二測量值低於一第二預定值時，代表該回收液或該鹼性溶液的吸收效率降低，該第二預定值是在該二氧化碳氣體濃度為該標準值時由該第二酸鹼值偵測器所測得的該回收液的酸鹼值。
10. 如申請專利範圍第6項所述之自動化二氧化碳吸收方法，其中該鹼性溶液選自醇胺類、氨水、氫氧化鈉水溶液、有機胺類、有機鹼或其混合溶液。