TWI669149B - Exhaust gas recombination power generation system and radio frequency plasma recombination device - Google Patents
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Abstract
一種廢氣重組發電系統及射頻電漿重組裝置，廢氣重組發電系統包含一前置淨化裝置、一射頻電漿重組裝置及一燃氣發電裝置。前置淨化裝置能濾除熱處理廢氣中無法重組產生可燃氣體之物質。射頻電漿重組裝置是連通組接於前置淨化裝置，能產生用以對淨化後廢氣進行電漿重組處理之電漿，能將淨化後廢氣重組成具有可燃氣體之再生混合氣體。燃氣發電裝置是連接射頻電漿重組裝置，能以再生混合氣體為燃料進行發電。透過前置淨化裝置與射頻電漿重組裝置能有效回收熱處理廢氣並處理成能源氣體的設計，可大幅降低碳排放量，是一種相當節能環保的創新設計。
Description
本發明是有關於一種燃氣發電系統，特別是指一種利用金屬熱處理設備排放之熱處理廢氣進行發電的廢氣重組發電系統。
熱處理是將鋼鐵或其它金屬材料在固體狀態下，加熱至一定溫度再予以冷卻，而金屬熱處理方法很多，通常以淬火、退火、回火三種為主，主要是經由加熱、冷卻、浸浴等熱處理過程，把金屬或鋼鐵材料的常溫組織改變為加工上需要的物理和機械性質。熱處理的環境條件主要是由熱處理爐內之氣體氣氛與溫度來控制，為求產品穩定，熱處理期間必須將調配好的組成氣體不斷送入爐內，使製程氣氛穩定，所以氣體用量極大而成本高。
熱處理爐排出之廢氣的氣體組成大致包含以下成分：甲烷（CH4
）、氮氣（N2
）、氫氣（H2
）、丙烷（C3
H8
）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2
）、甲醇（CH3
OH），及其它碳氫化合物（Cn
Hm
），雖然熱處理爐排出的廢氣仍具有可燃性，但因為考量對廠房工作人員之安全性以及環保問題，至今仍無適當回收與儲存的方式，所以目前的作法都是全數點火燒掉，因此，無形中造成了能源浪費，且會製造排放更多的二氧化碳。
因此，本發明的目的，即在提供一種能改善先前技術之至少一個缺點的廢氣重組發電系統及射頻電漿重組裝置。
於是，本發明廢氣重組發電系統，能以一個金屬熱處理設備所排出之熱處理廢氣進行發電。該廢氣重組發電系統包含一個前置淨化裝置、一個射頻電漿重組裝置，及一個燃氣發電裝置。該前置淨化裝置是用以導入該金屬熱處理設備排出之該熱處理廢氣，並能濾除該熱處理廢氣中無法以電漿重組而產生可燃氣體之物質，以輸出一個淨化後廢氣。該射頻電漿重組裝置是連通組接於該前置淨化裝置，能產生用以對該前置淨化裝置輸出之該淨化後廢氣進行電漿重組處理之電漿，能將該淨化後廢氣重組成具有可燃氣體之再生混合氣體。該燃氣發電裝置是連接該射頻電漿重組裝置，能以該再生混合氣體為燃料進行發電。
於是，本發明廢氣重組裝置，適用於將淨化後廢氣電漿重組成具有可燃氣體之再生混合氣體，所述淨化後廢氣是一個金屬熱處理設備排出之熱處理廢氣經過濾焦油與碳微粒後所產生。該射頻電漿重組裝置包含一個用以導入要進行電漿重組之該淨化後廢氣的腔體、兩個間隔平行地設置於該腔體中的平行電極板、一個電連接於該等平行電極板且能驅使該等平行電極板產生用以將該淨化後廢氣重組成該再生混合氣體之電漿的射頻電漿控制模組，及一個設置於該等平行電極板間並與其中一個平行電極板電連接接觸的導電碳布。
本發明的功效在於：透過該前置淨化裝置與該射頻電漿重組裝置的設計，能有效回收金屬熱處理設備排放之熱處理廢氣並處理成能源氣體，大幅降低碳排放量，是一種相當節能環保的創新設計。
參閱圖1、2，本發明廢氣重組發電系統之實施例，適用於連通組接於一個金屬熱處理設備之廢氣排出口，能導接該金屬熱處理設備進行熱處理後所排放的熱處理廢氣，並將該熱處理廢氣重組處理成化學結構簡單且能供燃氣發電機直接使用之氣體。所述金屬熱處理設備可以是熱處理連續爐或迴轉式淬火爐等，且不以上述類型為限。該熱處理廢氣之組成包含但不限於甲烷（CH4
）、氮氣（N2
）、氫氣（H2
）、丙烷（C3
H8
）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2
）、甲醇（CH3
OH），及其它碳氫化合物（Cn
Hm
）。
該廢氣重組發電系統包含一個用以組接於該金屬熱處理設備之廢氣排出口的前置淨化裝置3、一個組接於該前置淨化裝置3的射頻電漿重組裝置4、一個組接於該射頻電漿重組裝置4的後置淨化裝置5，及一個組接於該後置淨化裝置5的燃氣發電裝置6。
該前置淨化裝置3會將該金屬熱處理設備排出之廢氣抽吸進入其內部以進行前置淨化處理，能濾除該熱處理廢氣中無法以電漿重組而產生可燃氣體之物質，並能將過濾處理後所產生之淨化後廢氣輸送至該射頻電漿重組裝置4。
由於該金屬熱處理設備在進行金屬熱處理加工過程中，金屬表面殘留之切削油或其它加工用油品在高溫加熱下會產生焦油、碳微粒與油氣，焦油、碳微粒與油氣會散佈於氣氛中，所以熱處理後排出的該熱處理廢氣中會含有焦油與碳微粒。但是焦油與碳微粒無法燃燒，且會沾附污染該射頻電漿重組裝置4，所以在回收利用該金屬熱處理設備排出之熱處理廢氣時，必須先將焦油與碳微粒濾除，以得到該淨化後廢氣。
在本實施例中，該前置淨化裝置3為集油槽、不鏽鋼球與PP不織布組成之過濾器，能吸附濾除該熱處理廢氣中的焦油與碳微粒。但實施時，該前置淨化裝置3之組成與過濾焦油和碳微粒的方式不以此為限。
該射頻電漿重組裝置4包括一個連通組接於該前置淨化裝置3與該後置淨化裝置5間的腔體41、兩個上下間隔平行設置於該腔體41中之平行電極板42、一個設置於該等平行電極板42間的導電碳布44，及一個設置於該腔體41外且電連接於該等平行電極板42之射頻電漿控制模組43。
該腔體41內部界定出一個用以設置該等平行電極板42的電漿反應空間，能被控制開啟而將該前置淨化裝置3過濾輸出之該淨化後廢氣導入該電漿反應空間，且能被控制開啟而使該電漿反應空間內經電漿重組後的氣體輸送至該後置淨化裝置5。
該導電碳布44是電連接設置在下方之該平行電極板42上，且該導電碳布44之表面修飾有金屬觸媒，是與電連接接觸之該平行電極板42相配合作為發射產生電漿之電極，能提升該淨化後廢氣的電漿重組轉化效能。在本實施例中，該導電碳布44的選用標準為：基重300 g/m2
以上，厚度0.5 mm以上，長度電阻5 Ω(30 cm X 30 cm)以下，且覆蓋電連接接觸之該平行電極板42的比例越大越好，但使該平行電極板42些微外露(外露比例10%以內)並不會影響重組效果。本實施例是使該導電碳布44完全覆蓋該平行電極板42。
所述金屬觸媒是選自於貴金屬、過渡金屬及金屬氧化物，例如但不限於Pt、Zn、Al2
O3
、CuO、CeO2
。該導電碳布44之該金屬觸媒修飾方法，是將預定做為金屬觸媒之金屬粉末，以及碳膠與環己酮依重量比1：5：94均勻混合製成一個金屬混合液。然後，將該導電碳布44浸泡於該金屬混合液中，使該導電碳布44表面沾附金屬混合液後，再將該導電碳布44取出，並於大氣環境中（1 atm，25~50o
C，RH50%）陰乾8小時，即完成該導電碳布44之金屬觸媒修飾。
該射頻電漿控制模組43能經由該等平行電極板42於該電漿反應空間內產生電漿，一方面會利用電漿將該淨化後廢氣中之油氣分解，另一方面利用電漿將該淨化後廢氣重組轉換成含有該燃氣發電機62可使用之可燃氣體成分的再生混合氣體。由於該射頻電漿控制模組43控制該等平行電極板42產生電漿為習知技術且類型眾多，因此不再詳述。
該後置淨化裝置5能導接過濾該射頻電漿重組裝置4重組排出之該再生混合氣體，能過濾該再生混合氣體中無法作為該燃氣發電裝置6之發電燃料的氣體，而對應輸出一個淨化後可燃氣體。該後置淨化裝置5主要是要將該電漿重組反應過程中所產生之硫化氫與氨氣等不適用於燃氣發電機62的氣體濾除掉，以產生能直接用於該燃氣發電裝置6的該淨化後可燃氣體。在本實施例中，該後置淨化裝置5為水洗塔，是以氣體洗滌方式過濾該再生混合氣體中的硫化氫及/或氨氣，但實施時，該後置淨化裝置5之類型不以此為限。
該燃氣發電裝置6包括一個連通通組接於該後置淨化裝置5的儲氣槽61，及一個連通組接於該儲氣槽61之燃氣發電機62。該儲氣槽61能加壓收集儲存該後置淨化裝置5過濾排出之該淨化後可燃氣體，且能被開啟而將儲存之該淨化後可燃氣體注入該燃氣發電機62。該燃氣發電機62能燃燒該淨化後可燃氣體以進行發電。由於燃氣發電機62為習知技術且類型眾多，因此不再詳述。
以下即以多個實驗例來說明該射頻電漿重組裝置4在該導電碳布44修飾不同金屬觸媒情況下的氫氣、甲烷重組效率，並以活性碳布為對照組進行比較。
實驗例（一）：未修飾金屬觸媒之導電碳布44以及活性碳布於電漿重組時的甲烷(CH4
)轉換效率。
該射頻電漿重組裝置4之設備/材料如表1所示:
活性碳布規格 : 選用基重100 g/m2
以上，厚度0.4 mm以上，長度電阻106
Ω(30 cm X 30 cm)以下，比表面積1000 m2
/g以上。
以N2
作為載體氣體，搭配CH4
進行電漿重組反應，N2
/CH4
的組成體積比為8/24（總流量32 sccm），壓力值2.7×10-1
Toor，控制該射頻電漿控制模組43之射頻(13.56 MHz)輸入功率在25 W、50 W、75 W、100 W與125 W條件下進行重組反應30 min。重組反應後，收集分析反應後氣體之組成。
配合參閱圖3、4，經過電漿重組反應後，在有該導電碳布44條件下所產生之氫氣的體積（VH2
%）明顯優於無導電碳布44條件，且優於活性碳布條件，而甲烷的重組轉換效率也明顯高於無導電碳布44條件與活性碳布條件，顯然導電碳布44有助於提高電漿重組甲烷的氫氣產生量與重組轉換效率。
實驗例（二）：以表面修飾有金屬觸媒之導電碳布44進行LPG（液化石油氣，Liquefied Petroleum Gas）之電漿重組。
以五種金屬觸媒修飾之導電碳布44進行LPG之電漿重組，射頻（13.56 MHz）輸入功率150 W重組反應20 min，載體氣體為氮氣（N2
），載體氣體與LPG之體積比為3/27，總流量為30 sccm。於反應結束後，收集分析重組反應後之氣體組成。該等金屬觸媒分別為鋅（Zn）、氧化鋁(Al2
O3
)、氧化銅(CuO)、氧化鈰(CeO2
)與白金(Pt)。重組反應後之氣體組成如表2所示。
配合參閱圖5，在無導電碳布44條件下，氫氣之體積百分比（VH2
%）為46.4%，甲烷之體積百分比（VCH4
%）為11.0%，而無修飾金屬觸媒之導電碳布44的氫氣產量VH2
%為51.3%，甲烷之體積百分比（VCH4
%）為11.5%。且當該導電碳布44修飾有金屬觸媒時，重組後之氫氣產量與甲烷產量都明顯增加，所以導電碳布44與修飾有金屬觸媒之導電碳布44確實有助於提高LPG中的丙烷的重組轉換效率。
實驗例（三）：金屬熱處理設備之熱處理廢氣的重組。
該金屬熱處理設備進行金屬熱處理時，是以甲醇及丙烷作為熱處理氣氛，甲醇與丙烷之體積比為1/4。由於該金屬熱處理設備為開放式系統，所以會有一定比例的氮氣存在氣氛中。
將該金屬熱處理設備排出之熱處理廢氣經由該前置淨化裝置3濾除焦油與碳微粒，以獲得該淨化後廢氣。然後，將該淨化後廢氣注入該射頻電漿重組裝置4進行重組反應，以獲得該再生混合氣體。該射頻電漿重組裝置4是以氮氣為載體氣體，並控制總進氣量為65 sccm，以100W射頻功率進行電漿重組實驗。進行氣體重組前後，會分別先以GC-TCD分析重組前與重組後的氣體組成，主要是分析H2
、N2
、CO、CO2
、CH4
、C2
H4
、C2
H6
、C3
H8
的組成比例，觀察上述八種氣體在重組前後的組成比例變化。重組前之該淨化後廢氣的氣體組成如表3所示，重組反應後之該再生混合氣體的組成如表4所示。
配合參閱圖6，該淨化後廢氣經該射頻電漿重組裝置4重組後，氫氣比例明顯上升，丙烷比例則明顯下降，且出現重組前不具有之甲烷、乙烷和乙烯，而氮氣、一氧化碳及二氧化碳則未出現電漿重組的反應，所以電漿反應前後所佔的比例大致相同。氫氣、甲烷、乙烷與乙烯皆為丙烷裂解重組反應之產物。
由此可證實，本發明之該射頻電漿重組裝置4確實能有效將該熱處理設備排出之該熱處理廢氣重組成更適用於燃氣發電機62的該再生混合氣體，所以本發明廢氣重組發電系統確實能用於金屬熱處理設備的熱處理廢氣的回收再利用。
綜上所述，透過該前置淨化裝置3、該射頻電漿重組裝置4與該後置淨化裝置5設計，能有效將金屬熱處理設備進行金屬加工後所排放出的熱處理廢氣處理轉換成化學結構簡單且適用於該燃氣發電機62之可燃氣體，而能供該燃氣發電機62燃燒以進行發電，所以能有效回收金屬熱處理設備排放之熱處理廢氣並處理成能源氣體，能大幅降低碳排放量，是一種相當節能環保的創新設計。因此，確實可達到本發明之目的。
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。
3‧‧‧前置淨化裝置
4‧‧‧射頻電漿重組裝置
41‧‧‧腔體
42‧‧‧平行電極板
43‧‧‧射頻電漿控制模組
44‧‧‧導電碳布
5‧‧‧後置淨化裝置
6‧‧‧燃氣發電裝置
61‧‧‧儲氣槽
62‧‧‧燃氣發電機
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是本發明廢氣重組發電系統的一個實施例的系統架構示意圖； 圖2是該實施例的一個射頻電漿重組裝置的側剖示意圖； 圖3是該實施例的實驗例（一）的曲線圖，說明甲烷經過射頻電漿重組產生之氫氣體積變化； 圖4是該實施例的實驗例（一）的曲線圖，說明甲烷的電漿重組轉換效率； 圖5是該實施例的實驗例（二）的柱狀圖，說明LPG經過射頻電漿重組後產生之氫氣、甲烷與丙烷的體積變化；及 圖6是該實施例的實驗例（三）的柱狀圖，說明熱處理廢氣經過射頻電漿重組後產生之各類氣體的體積變化。
Claims (10)
- 一種廢氣重組發電系統，能以一個金屬熱處理設備所排出之熱處理廢氣進行發電，該廢氣重組發電系統包含： 一個前置淨化裝置，用以導入該金屬熱處理設備排出之該熱處理廢氣，並能濾除該熱處理廢氣中無法以電漿重組產生可燃氣體之物質，而輸出一個淨化後廢氣； 一個射頻電漿重組裝置，連通組接於該前置淨化裝置，能產生用以對該前置淨化裝置輸出之該淨化後廢氣進行電漿重組處理之電漿，能將該淨化後廢氣重組成具有可燃氣體之再生混合氣體；及 一個燃氣發電裝置，連接該射頻電漿重組裝置，能以該再生混合氣體為燃料進行發電。
- 如請求項1所述的廢氣重組發電系統，還包含一個連接於該射頻電漿重組裝置與該燃氣發電裝置間的後置淨化裝置，該後置淨化裝置能過濾該再生混合氣體中無法作為該燃氣發電裝置之發電燃料的氣體。
- 如請求項2所述的廢氣重組發電系統，其中，該後置淨化裝置是以氣體洗滌方式過濾該再生混合氣體中的硫化氫及/或氨氣。
- 如請求項1、2或3所述的廢氣重組發電系統，其中，該射頻電漿重組裝置包括一個用以導入要進行氣體重組反應之該淨化後廢氣的腔體、兩個平行設置該腔體中的平行電極板、一個能驅使該等平行電極板產生用以將該淨化後廢氣重組成該再生混合氣體之電漿的射頻電漿控制模組，及一個設置於該等平行電極板間且與其中一個平行電極板電連接接觸之導電碳布。
- 如請求項4所述的廢氣重組發電系統，其中，該導電碳布修飾有金屬觸媒。
- 如請求項5所述的廢氣重組發電系統，其中，所述金屬觸媒是選自於貴金屬、過渡金屬及金屬氧化物。
- 如請求項4所述的廢氣重組發電系統，其中，該導電碳布是覆蓋下方之該平行電極板頂面面積的90%以上。
- 一種射頻電漿重組裝置，適用於將一淨化後廢氣電漿重組成具有可燃氣體之再生混合氣體，所述淨化後廢氣是一個金屬熱處理設備排出之熱處理廢氣經過濾焦油與碳粒後所產生，該射頻電漿重組裝置包含： 一個腔體，用以導入要進行電漿重組之該淨化後廢氣； 兩個平行電極板，間隔平行地設置於該腔體中； 一個射頻電漿控制模組，電連接於該等平行電極板，且能驅使該等平行電極板產生用以將該淨化後廢氣重組成該再生混合氣體之電漿；及 一個導電碳布，設置於該等平行電極板間，並與其中一個平行電極板電連接接觸。
- 如請求項8所述之射頻電漿重組裝置，其中，該導電碳布修飾有金屬觸媒。
- 如請求項9所述的射頻電漿重組裝置，其中，所述金屬觸媒是選自於貴金屬、過渡金屬及金屬氧化物。
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