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TWI843179B - 二氧化碳純化系統 - Google Patents

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TWI843179B
TWI843179B TW111130434A TW111130434A TWI843179B TW I843179 B TWI843179 B TW I843179B TW 111130434 A TW111130434 A TW 111130434A TW 111130434 A TW111130434 A TW 111130434A TW I843179 B TWI843179 B TW I843179B
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杜長宏
郭子茜
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Abstract

一種二氧化碳純化系統，適用於處理由發電機所產生的包含二氧化碳氣體及水蒸氣的廢氣，且包含除水單元及純化單元。除水單元包括至少一個乾燥裝置，並用於減少廢氣中的水蒸氣以獲得包含二氧化碳氣體的乾燥氣體混合物。純化單元包括多個串聯設置並用於自乾燥氣體混合物中純化出高純度的二氧化碳氣體的變壓吸附裝置，且每一變壓吸附裝置填充有填充體積比值為1的第一吸附劑及第二吸附劑。本發明透過乾燥裝置大幅度地減少廢氣中的水蒸氣，及使用填充有第一吸附劑及第二吸附劑的變壓吸附裝置，能夠獲得可應用於細胞培養的高純度的二氧化碳氣體。

Description

二氧化碳純化系統
本發明是有關於一種氣體純化裝置，特別是指一種二氧化碳純化系統。
在發電機將燃料進行燃燒而產生電能的過程，通常會伴隨著含有二氧化碳氣體的廢氣產生，該廢氣若在未經處理的情況下過度排放，會使得大氣中的溫室氣體含量不斷增加，進而對全球的氣候產生不利的影響。隨著近年來大眾對於環境保護議題的重視，許多產業開始著手處理由發電機產生的含有二氧化碳氣體的廢氣，以期許透過降低二氧化碳氣體的排放量來達到減少碳排放的目的，上述處理由發電機產生的含有二氧化碳氣體的廢氣的方式例如自廢氣中分離出二氧化碳氣體。
台灣公告專利第202397B號揭示一種自燃燒廢氣製造二氧化碳之方法，且包含將燃燒廢氣經由氣體進料管導入預先純化單位，以移去燃燒廢氣中的粒子；將預先純化過之燃燒廢氣經由氣體進料管導入壓縮器，獲得壓縮燃燒廢氣；將壓縮燃燒廢氣經由進料管導入純化單元，並移去壓縮燃燒廢氣中的氮氧化物、硫氧化物和水，獲得經純化的燃燒廢氣；將經純化的燃燒廢氣經由氣體進料管導入壓力擺動裝置，獲得富含二氧化碳的氣體；及將富含二氧化碳的氣體經由氣體進料管導入液化單位，以使富含二氧化碳的氣體被液化，並以蒸餾去除揮發性污染物，獲得含有純度為64.41%至99.16%的二氧化碳的液體。
基於上述，如何有效地從發電機燃燒燃料後所產生含有二氧化碳氣體的廢氣中獲得高純度的二氧化碳氣體，從而有利於後續應用，同時減少二氧化碳氣體的排放，是目前業界共同努力的目標。
因此，本發明的目的，即在提供一種能夠自廢氣中獲得高純度的二氧化碳氣體的二氧化碳純化系統。
於是，本發明二氧化碳純化系統，適用於處理由一發電機所產生的包含二氧化碳氣體、水蒸氣及非二氧化碳氣體的物質的廢氣，該非二氧化碳氣體的物質包括一氧化碳氣體及對細胞有害的有機汙染物。該二氧化碳純化系統包含一除水單元及一純化單元。
該除水單元包括至少一用於減少來自該發電機的該廢氣中的水蒸氣的乾燥裝置，且該廢氣通過該至少一乾燥裝置，獲得包含二氧化碳氣體、體積濃度小於1ppm的水蒸氣、一氧化碳氣體及對細胞有害的有機汙染物的乾燥氣體混合物。
該純化單元設置於該除水單元的下游並與該除水單元連通，且包括多個彼此串聯地設置並連通的變壓吸附裝置，每一變壓吸附裝置中填充有第一吸附劑及第二吸附劑，該第一吸附劑具有活性碳分子篩及鍍設於該活性碳分子篩表面的第一金屬鍍層，該第二吸附劑具有矽鋁酸鹽分子篩及鍍設於該矽鋁酸鹽分子篩表面的第二金屬鍍層，且該第一吸附劑與該第二吸附劑的填充體積比值為1，該等變壓吸附裝置用於從來自該除水單元的該乾燥氣體混合物中純化出二氧化碳氣體，獲得包含二氧化碳氣體的氣體產物。
本發明的功效在於：透過該除水單元與該純化單元的配合，特別是藉由該至少一乾燥裝置大幅度地將該廢氣中的水蒸氣的體積濃度減少至小於1ppm，以及使用填充有用於將該廢氣中一氧化碳氣體轉變成二氧化碳氣體的該第一吸附劑及用於去除該廢氣中對細胞有害的有機汙染物的該第二吸附劑的該等變壓吸附裝置，從而能夠有效地自該廢氣中純化出包含純度為99.5%以上的二氧化碳氣體的氣體產物，且該氣體產物能夠直接被應用於細胞培養，進而達到減少碳排放的目的。
參閱圖1，本發明二氧化碳純化系統的一第一實施例，適用於處理由一發電機9對燃料進行燃燒所產生的包含二氧化碳氣體、水蒸氣及非二氧化碳氣體的物質的廢氣。該非二氧化碳氣體的物質包括一氧化碳氣體及對細胞有害的有機汙染物。該有機汙染物例如但不限於戴奧辛化合物。此外，該非二氧化碳氣體的物質還能夠包括例如氮氧化物氣體(N xO y)、硫或鹵素化合物等物質。
該二氧化碳純化系統包含一除水單元1及一純化單元2。
該除水單元1包括三個彼此連接並用於減少來自該發電機9的該廢氣中的水蒸氣的乾燥裝置11。當該廢氣被該發電機9排放而進入該除水單元1後，該廢氣會依序通過該等乾燥裝置11，從而獲得包含二氧化碳氣體、體積濃度小於1ppm的水蒸氣、一氧化碳氣體及對細胞有害的有機汙染物的乾燥氣體混合物。要說明的是，該等乾燥裝置11的數量不以三個為限，也可以是一個、兩個，或大於三個，只要能夠自該廢氣中大幅度地將水蒸氣的體積濃度減少至小於1ppm，可任意地調整該等乾燥裝置11的數量。
該等乾燥裝置11例如但不限於熱交換機、氣體壓縮機或冷凝乾燥機等。在本發明的一些實施態樣中，該等乾燥裝置11是各自地選自於熱交換機、氣體壓縮機或冷凝乾燥機。要說明的是，當該等乾燥裝置11為熱交換機、氣體壓縮機及冷凝乾燥機的組合時，該熱交換機、該氣體壓縮機及該冷凝乾燥機是以由上游至下游依序為熱交換機111、氣體壓縮機112及冷凝乾燥機113的特定排列順序依序排列設置。
更具體地說，該熱交換機111是用於接收來自該發電機9的該廢氣，並藉由降低該廢氣的溫度，以使該廢氣中部分的水蒸氣被冷凝成液態水而被排出，從而獲得包含二氧化碳氣體、水蒸氣、一氧化碳氣體及對細胞有害的有機汙染物的第一氣體混合物。
該氣體壓縮機112是用於接收來自該熱交換機111的該第一氣體混合物，並藉由將該第一氣體混合物中部分的水蒸氣轉變為液態水而被排出，從而獲得包含二氧化碳氣體、水蒸氣、一氧化碳氣體及對細胞有害的有機汙染物的第二氣體混合物。
該冷凝乾燥機113是用於接收來自該氣體壓縮機112的該第二氣體混合物，並藉由將該第二氣體混合物中部分的水蒸氣轉變為液態水而被排出，從而獲得包含二氧化碳氣體、體積濃度小於1ppm的水蒸氣、一氧化碳氣體及對細胞有害的有機汙染物的乾燥氣體混合物。
要說明的是，在該第一實施例中，透過將該熱交換機111設置於該氣體壓縮機112的上游，能夠進一步藉由降低該廢氣的溫度，以使該氣體壓縮機112不會接收溫度過高的該廢氣，而有助於保護該氣體壓縮機112，從而達到延長該氣體壓縮機112的使用壽命的目的；透過將該氣體壓縮機112設置於該冷凝乾燥機113的上游，能夠藉由進一步降低該第一氣體混合物的溫度，以使該冷凝乾燥機113在接收溫度較低的該第二氣體混合物後，能更快地將該第二氣體混合物的溫度降低至一預定溫度，從而更有效率地將該第二氣體混合物中的水蒸氣冷凝成液態水。
該純化單元2設置於該除水單元1的下游並與該除水單元1連通。該純化單元2包括兩個彼此串聯地設置並連通的變壓吸附裝置21，且每一變壓吸附裝置21中填充有第一吸附劑及第二吸附劑，且該第一吸附劑與該第二吸附劑的填充體積比值為1。該等變壓吸附裝置21用於從來自該除水單元1的該乾燥氣體混合物中純化出二氧化碳氣體，獲得包含純度為99.5%以上的二氧化碳氣體的氣體產物。要說明的是，該等變壓吸附裝置21的數量不以兩個為限，可依據使用需求任意地調整數量。
該第一吸附劑具有活性碳分子篩及鍍設於該活性碳分子篩表面的第一金屬鍍層。該活性碳分子篩例如但不限於以椰子殼為原料所製得的椰子殼活性碳分子篩。在本發明的一些實施態樣中，為了藉由提高該活性碳分子篩的與該乾燥氣體混合物接觸的總表面積，以提升二氧化碳氣體的分離效果，該活性碳分子篩為椰子殼活性碳分子篩。該第一金屬鍍層例如但不限於二氧化鈦鍍層、奈米金鍍層或奈米銀鍍層等。在本發明的一些實施態樣中，該第一金屬鍍層是選自於二氧化鈦鍍層、奈米金鍍層或奈米銀鍍層。該第一吸附劑能夠用於吸附該乾燥氣體混合物中的一氧化碳氣體，同時，並作為觸媒來使該乾燥氣體混合物中的一氧化碳氣體轉變為二氧化碳氣體以提高二氧化碳氣體的純度。此外，當該非二氧化碳氣體的物質中還包括氮氧化物氣體(N xO y)時，該第一吸附劑還能夠用於吸附該乾燥氣體混合物中的氮氧化物氣體(N xO y)，同時，還能作為觸媒來使例如二氧化氮氣體的氮氧化物氣體轉變為一氧化氮氣體及氧氣，從而避免對包含純度為99.5%以上的二氧化碳氣體的該氣體產物進行例如包含冷凝處理的後續程序時，該二氧化氮氣體會與二氧化碳氣體一起被冷凝為液體，進而影響該液體中的二氧化碳的純度的問題發生。
該第二吸附劑具有矽鋁酸鹽分子篩及鍍設於該矽鋁酸鹽分子篩表面的第二金屬鍍層。該第二金屬鍍層例如但不限於二氧化鈦鍍層、奈米金鍍層或奈米銀鍍層。在本發明的一些實施態樣中，該第二金屬鍍層是選自於二氧化鈦鍍層、奈米金鍍層或奈米銀鍍層。該第二吸附劑能夠用於吸附該乾燥氣體混合物中的對細胞有害的有機汙染物(例如，戴奧辛化合物)，同時，並作為觸媒來促使該乾燥氣體混合物中的對細胞有害的有機汙染物進行裂解反應，以達到有效地去除該乾燥氣體混合物中的對細胞有害的有機汙染物的目的。此外，當該非二氧化碳氣體的物質中還包括硫及鹵素化合物時，該第二吸附劑還能夠用於吸附該乾燥氣體混合物中的硫及鹵素化合物，從而進一步有效地去除該乾燥氣體混合物中的非二氧化碳氣體的物質。
要說明的是，為了有效地去除該乾燥氣體混合物中的非二氧化碳氣體的物質，以自該乾燥氣體混合物中純化出高純度的二氧化碳氣體，本發明是將每一變壓吸附裝置21中的該第一吸附劑及該第二吸附劑的填充體積比值控制為1。
在本發明的第一實施例中，透過該等乾燥裝置11(即，依序設置的該熱交換機111、該氣體壓縮機112及該冷凝乾燥機113)搭配填充有該第一吸附劑及該第二吸附劑的該等變壓吸附裝置21，能夠藉由讓來自該發電機9的該廢氣依序通過該等乾燥裝置11而被大幅度地去除水蒸氣，從而有助於提升該等變壓吸附裝置21自該乾燥氣體混合物中純化出二氧化碳氣體的效率，進而獲得包含純度為99.5%以上的二氧化碳氣體的該氣體產物。值得一提的是，由於該氣體產物中的二氧化碳氣體的純度已達到細胞培養等級(即，二氧化碳氣體的純度至少為99.5%)，因此，包含純度為99.5%以上的二氧化碳氣體的該氣體產物後續能夠直接被輸送至一細胞培養製備系統中作為細胞培養用的氣體使用。此外，本發明的二氧化碳純化系統透過自該廢氣中純化出高純度的二氧化碳氣體，並將該高純度的二氧化碳氣體直接應用於細胞培養，從而能夠減少碳排放，因此，本發明的二氧化碳純化系統還具有對環境友善的優點。
參閱圖2，本發明二氧化碳純化系統的一第二實施例，該第二實施例與該第一實施例的主要不同在於：該二氧化碳純化系統包含兩個純化單元2，且該等純化單元2各自地與該除水單元1連通。每一純化單元2如該第一實施例中所述，在此不再贅述。要說明的是，當純化單元2的數量為複數個時，純化單元2的數量不以兩個為限，可依據使用需求任意地調整數量。
參閱圖3，本發明二氧化碳純化系統的一第三實施例，該第三實施例與該第一實施例的主要不同在於：該二氧化碳純化系統還包含一與該純化單元2連通並用於再活化該第一吸附劑與該第二吸附劑的吸附能力的再活化單元3。該再活化單元3包括一旋片式幫浦31及一與該旋片式幫浦31連接的魯式幫浦32。該旋片式幫浦31是用於將該等變壓吸附裝置21內的壓力由760torr下降至1torr。該魯式幫浦32是用於作為加強幫浦使用，並進一步地將該等變壓吸附裝置21內的壓力由1torr下降至0.001torr。具體地說，該再活化單元3是利用該旋片式幫浦31及該魯式幫浦32的配合來降低該等變壓吸附裝置21內的壓力，藉此使吸附於該第一吸附劑與該第二吸附劑上的非二氧化碳氣體的物質自該第一吸附劑與該第二吸附劑上脫附，而後，該再活化單元3能夠進一步接收來自該等變壓吸附裝置21的該非二氧化碳氣體的物質，並將該非二氧化碳氣體的物質排放至後續的處理裝置進行處理，從而達到再活化該第一吸附劑與該第二吸附劑的目的。
參閱圖4，本發明二氧化碳純化系統的一第四實施例，該第四實施例與該第一實施例的主要不同在於：該二氧化碳純化系統還包含一與該純化單元2連接並用於檢測該純化單元2中存在的二氧化碳氣體的純度的檢測單元4。具體地說，該檢測單元4是用於接收在該等變壓吸附裝置21間輸送的一經純化且包含二氧化碳氣體的氣體混合物，或是，來自該純化單元2的包含二氧化碳氣體的該氣體產物，藉此量測該氣體混合物或該氣體產物中的二氧化碳氣體的純度，以確保該氣體產物中的二氧化碳氣體的純度為99.5%以上。該檢測單元4例如但不限於質譜儀等。
參閱圖5，本發明二氧化碳純化系統的一第五實施例，該第五實施例與該第一實施例的主要不同在於：該二氧化碳純化系統還包含一設置於該純化單元2下游的液化處理單元5。該液化處理單元5用於接收來自該純化單元2的包含二氧化碳氣體的該氣體產物且將該氣體產物中的二氧化碳氣體轉變成二氧化碳液體。透過設置該液化處理單元5，能夠將該氣體產物中高純度的二氧化碳氣體轉變為二氧化碳液體的形式進行保存，藉此提高單一儲存裝置中的二氧化碳儲存量，或是，將該二氧化碳液體用於後續進一步純化出二氧化碳氣體。
參閱圖6，本發明二氧化碳純化系統的一第六實施例，該第六實施例與該第一實施例的主要不同在於：該二氧化碳純化系統還包含一設置於該純化單元2下游的固化處理單元6。該固化處理單元6用於接收來自該純化單元2的包含二氧化碳氣體的該氣體產物且將該氣體產物中的二氧化碳氣體轉變成二氧化碳固體。透過設置該固化處理單元6，能夠將該氣體產物中高純度的二氧化碳氣體轉變為二氧化碳固體(即，乾冰)，從而於後續進行不同的應用及提供給不同產業利用。
綜上所述，本發明二氧化碳純化系統透過該除水單元1與該純化單元2的配合，特別是藉由該等乾燥裝置11大幅度地將該廢氣中的水蒸氣的體積濃度減少至小於1ppm，以及使用填充有該第一吸附劑及該第二吸附劑的該等變壓吸附裝置21，從而能夠有效地自該廢氣中純化出包含純度為99.5%的二氧化碳氣體的該氣體產物。此外，該氣體產物中的二氧化碳氣體的純度已達到可用於細胞培養的等級，因此，該氣體產物能夠被直接應用於細胞培養，同時，還能夠減少碳排放，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1:除水單元 11:乾燥裝置 111:熱交換機 112:氣體壓縮機 113:冷凝乾燥機 2:純化單元 21:變壓吸附裝置 3:再活化單元 31:旋片式幫浦 32:魯式幫浦 4:檢測單元 5:液化處理單元 6:固化處理單元 9:發電機
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一示意圖，說明本發明二氧化碳純化系統的一第一實施例； 圖2是一示意圖，說明本發明二氧化碳純化系統的一第二實施例； 圖3是一示意圖，說明本發明二氧化碳純化系統的一第三實施例； 圖4是一示意圖，說明本發明二氧化碳純化系統的一第四實施例； 圖5是一示意圖，說明本發明二氧化碳純化系統的一第五實施例；及 圖6是一示意圖，說明本發明二氧化碳純化系統的一第六實施例。
1:除水單元
11:乾燥裝置
111:熱交換機
112:氣體壓縮機
113:冷凝乾燥機
2:純化單元
21:變壓吸附裝置
9:發電機

Claims (8)

  1. 一種二氧化碳純化系統，適用於處理由一發電機所產生的包含二氧化碳氣體、水蒸氣及非二氧化碳氣體的物質的廢氣，該非二氧化碳氣體的物質包括一氧化碳氣體及對細胞有害的有機汙染物，該二氧化碳純化系統包含：一除水單元，包括至少一用於減少來自該發電機的該廢氣中的水蒸氣的乾燥裝置，且該廢氣通過該至少一乾燥裝置，獲得包含二氧化碳氣體、體積濃度小於1ppm的水蒸氣、一氧化碳氣體及對細胞有害的有機汙染物的乾燥氣體混合物；及一純化單元，設置於該除水單元的下游並與該除水單元連通，且包括多個彼此串聯地設置並連通的變壓吸附裝置，每一變壓吸附裝置中填充有第一吸附劑及第二吸附劑，該第一吸附劑具有活性碳分子篩及鍍設於該活性碳分子篩表面的第一金屬鍍層，該第二吸附劑具有矽鋁酸鹽分子篩及鍍設於該矽鋁酸鹽分子篩表面的第二金屬鍍層，且該第一吸附劑與該第二吸附劑的填充體積比值為1，該等變壓吸附裝置用於從來自該除水單元的該乾燥氣體混合物中純化出二氧化碳氣體，獲得包含純度為99.5%以上的二氧化碳氣體的氣體產物，其中，該第一金屬鍍層是選自於二氧化鈦鍍層、奈米金鍍層或奈米銀鍍層，該第二金屬鍍層是選自於二氧化鈦鍍層、奈米金鍍層或奈米銀鍍層。
  2. 如請求項1所述的二氧化碳純化系統，其中，該至少一乾燥裝置是選自於熱交換機、氣體壓縮機或冷凝乾燥機。
  3. 如請求項2所述的二氧化碳純化系統，該除水單元包括三個彼此連接的乾燥裝置，且該等乾燥裝置由上游至下游依序設置為熱交換機、氣體壓縮機及冷凝乾燥機。
  4. 如請求項1所述的二氧化碳純化系統，還包含一與該純化單元連通並用於再活化該第一吸附劑與該第二吸附劑的再活化單元。
  5. 如請求項4所述的二氧化碳純化系統，其中，該再活化單元包括一旋片式幫浦及一與該旋片式幫浦連接的魯式幫浦。
  6. 如請求項1所述的二氧化碳純化系統，還包含一設置於該純化單元下游，並用於接收來自該純化單元的包含二氧化碳氣體的該氣體產物且將該氣體產物中的二氧化碳氣體轉變成二氧化碳液體的液化處理單元。
  7. 如請求項1所述的二氧化碳純化系統，還包含一設置於該純化單元下游，並用於接收來自該純化單元的包含二氧化碳氣體的該氣體產物且將該氣體產物中的二氧化碳氣體轉變成二氧化碳固體的固化處理單元。
  8. 如請求項1所述的二氧化碳純化系統，還包含一與該純化單元連接並用於檢測該純化單元中存在的二氧化碳氣體的純度的檢測單元。
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