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TWI671492B - 具共用結構之化學迴路反應器 - Google Patents

具共用結構之化學迴路反應器 Download PDF

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TWI671492B
TWI671492B TW107144842A TW107144842A TWI671492B TW I671492 B TWI671492 B TW I671492B TW 107144842 A TW107144842 A TW 107144842A TW 107144842 A TW107144842 A TW 107144842A TW I671492 B TWI671492 B TW I671492B
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邱耀平
陳柏壯
吳耿東
簡瑞與
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行政院原子能委員會核能研究所
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  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)

Abstract

一種具共用結構之化學迴路反應器，係包括一第一還原反應器、一第二還原反應器、及一共用氧化反應器，該共用氧化反應器係設置於該第一、二還原反應器之間。藉此，本發明係應用內通式流體化床於化學迴路燃燒程序中，進行載氧體(鎳或銅等金屬氧化物)單一氧化還原反應，該第一、二還原反應器可各自處理自己的反應、反應物，從而可在一化學迴路反應器中同時處理兩種不同之料源，載氧體一樣可以各自獨立循環，使載氧體中的氧能夠完全釋放出來，進而獲得高純度之二氧化碳，另亦可擴及生產氫氣，具有簡化反應機制、產出率快、操作效率高且低成本之功效。

Description

具共用結構之化學迴路反應器
本發明係有關於一種具共用結構之化學迴路反應器，尤指涉及一種應用內通式流體化床於化學迴路燃燒程序中，特別係指將兩組流體化床中功能一致之反應區以共用方式整合並設於整體結構之中間者。
目前最常見之化學迴路反應器包括有流體化床反應器(Fluidized-Bed Reactor,FBR)以及移動床反應器(Moving-Bed Reactor,MBR)兩大類。傳統流體化床反應器之床體體積大，雖新近發展之內通式流體化床(Interconnected Fluidized Bed,IFB)已有專利提出應用於化學迴路中，如中華民國I544180、201741246以及美國9,903,584等專利案，惟其一次僅能處理一種料源，如果有兩種進料要處理，可能就要有兩種這種型式之反應器進行處理。例如：假設現在有兩種不同之料源，但這兩種料源不適合送進同一反應器去做處理，它們可能因為燃燒時間、或溫度、或是它裡面有一些其它物質會彼此影響。當要同時處理兩種不同之料源時，如專利I544180第1B圖所示結構，將兩個第1B圖之結構拆開，總共會有4+4=8個反應機制，導致床體佔地面積大，並增加設備成本。因此上述該等專利存有未能同時處理兩種不同料源之缺失。
鑑於國內節能減碳、廢棄資源化與循環經濟等技術需求有很大之市場潛力，現國內已設定階段減量目標，且積極推動綠能佔比達20%。但 由上述技術可知，目前國際間節能減碳發展技術之相關發明專利雖有佈局，亦有流體化床化學迴路技術相關之專利。然就次領域之內通式流體化床而言，除了本申請人先前申請之內通式流體化床專利案外，此類相關技術目前尚未有與本案專利相同應用與概念；故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時應用內通式流體化床於化學迴路燃燒程序中以達到簡化反應機制、產出率快、操作效率高且低成本之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種應用內通式流體化床於化學迴路燃燒程序中，進行載氧體(鎳或銅等金屬氧化物)單一氧化還原反應，該第一、二還原反應器可各自處理自己的反應、反應物，從而可在一化學迴路反應器中同時處理兩種不同之料源，載氧體一樣可以各自獨立循環，使載氧體中的氧能夠完全釋放出來，進而獲得高純度之二氧化碳，另亦可擴及生產氫氣，具有簡化反應機制、產出率快、操作效率高且低成本等功效之具共用結構之化學迴路反應器。
為達以上之目的，本發明係一種具共用結構之化學迴路反應器，係包括：一第一還原反應器，具有一第一稀疏床與一第一稠密床，該第一稀疏床頂部側邊設有一第一堰堤出口，該第一稠密床底部側邊設有一與該第一稀疏床相連通之第一孔口，該第一還原反應器係容置有第一氧化態之載氧體，於該第一稠密床中注入空氣作為運送氣體，將該第一氧化態之載氧體自該第一稠密床中運送並通過該第一孔口進入該第一稀疏床中，該第一稀疏床注入第一碳氫燃料與流體化氣體，該第一氧化態之載氧體與該第一碳氫燃料進行反應還原成第一金屬態之 載氧體，並產生二氧化碳(CO2)與蒸汽所組成之氣體，該第一金屬態之載氧體在該第一稀疏床中被該流體化氣體往上帶動至上端再越過該第一堰堤出口；一第二還原反應器，具有一第二稀疏床與一第二稠密床，該第二稀疏床頂部側邊設有一第二堰堤出口，該第二稠密床底部側邊設有一與該第二稀疏床相連通之第二孔口，該第二還原反應器係容置有第二氧化態之載氧體，於該第二稠密床中注入空氣作為運送氣體，將該第二氧化態之載氧體自該第二稠密床中運送並通過該第二孔口進入該第二稀疏床中，該第二稀疏床注入第二碳氫燃料與流體化氣體，該第二氧化態之載氧體與該第二碳氫燃料進行反應還原成第二金屬態之載氧體，並產生二氧化碳與蒸汽所組成之氣體，該第二金屬態之載氧體在該第二稀疏床中被該流體化氣體往上帶動至上端再越過該第二堰堤出口；以及一共用氧化反應器，係設置於該第一、二還原反應器之間並與該第一、二還原反應器連通，該共用氧化反應器具有一稀疏床及一稠密床，該稠密床底部側邊設有一與該稀疏床相連通之孔口，且該稠密床頂部兩側邊係透過該第一、二堰堤出口與該第一、二稀疏床相連通，而該稀疏床頂部兩側邊各設有一與該第一、二稠密床相連通之堰堤出口，該第一、二金屬態之載氧體各自越過該第一、二堰堤出口進入該稠密床中往下沉降堆積，並於該稠密床中注入二氧化碳作為運送氣體，將該第一、二金屬態之載氧體自該稠密床中運送並通過該孔口進入該稀疏床中，該稀疏床注入空氣使該空氣與該第一、二金屬態之載氧體進行反應氧化成第一、二氧化態之載氧體，並產生氮氣(N2)與氧氣(O2)所組成之氣體，該第一、二氧化態之載氧體在該稀疏床中被該空氣往上帶動，各自再越過兩側邊之堰堤出口進入該第一、二稠密床中而各自形成一迴路(Looping)，俾以再 次提供該第一、二氧化態之載氧體至該第一、二還原反應器中週而復始循環，完成氧化與還原循環。
於本發明上述實施例中，該第一、二碳氫燃料可為彼此相同或不同之料源。
於本發明上述實施例中，該第一、二氧化態之載氧體為可進行氧化與還原之金屬氧化物或是含有金屬氧化物之粉粒體。
於本發明上述實施例中，該流體化氣體為二氧化碳或蒸汽或空氣。
1‧‧‧第一還原反應器
11‧‧‧第一稀疏床
111‧‧‧第一堰堤出口
12‧‧‧第一稠密床
121‧‧‧第一孔口
2‧‧‧第二還原反應器
21‧‧‧第二稀疏床
211‧‧‧第二堰堤出口
22‧‧‧第二稠密床
221‧‧‧第二孔口
3‧‧‧共用氧化反應器
31‧‧‧稀疏床
311‧‧‧堰堤出口
32‧‧‧稠密床
321‧‧‧孔口
4a‧‧‧金屬態之載氧體
4b‧‧‧氧化態之載氧體
5‧‧‧堆積高度
6‧‧‧流體化氣體
第1圖，係本發明具共用結構之化學迴路反應器內部結構示意圖。
第2圖，係本發明具共用結構之化學迴路反應器三維與載氧體流動示意圖。
請參閱『第1圖及第2圖』所示，係分別為本發明具共用結構之化學迴路反應器內部結構示意圖、及本發明具共用結構之化學迴路反應器三維與載氧體流動示意圖。如圖所示：本發明係一種具共用結構之化學迴路反應器，包括一第一還原反應器1、一第二還原反應器2、以及一共用氧化反應器3所構成，該共用氧化反應器3係設置於該第一、二還原反應器1、2之間。
上述所提之第一還原反應器1具有一第一稀疏床11與一第一稠密床12，該第一稀疏床11頂部側邊設有一第一堰堤出口111，該第一稠密床12底部側邊設有一與該第一稀疏床11相連通之第一孔口121。該第一還原反應器1係容置有第一氧化態之載氧體，於該第一稠密床12中注入空氣作為運送氣體，將該第一氧化態之載氧 體自該第一稠密床12中運送並通過該第一孔口121進入該第一稀疏床11中，該第一稀疏床11注入第一碳氫燃料與流體化氣體6(如二氧化碳或蒸汽或空氣)，該第一氧化態之載氧體與該第一碳氫燃料進行反應還原成第一金屬態之載氧體，並產生二氧化碳(CO2)與蒸汽所組成之氣體，該第一金屬態之載氧體在該第一稀疏床11中被該流體化氣體6往上帶動至上端再越過該第一堰堤出口111進入該共用氧化反應器3。
該第二還原反應器2具有一第二稀疏床21與一第二稠密床22，該第二稀疏床21頂部側邊設有一第二堰堤出口211，該第二稠密床22底部側邊設有一與該第二稀疏床21相連通之第二孔口221。該第二還原反應器2係容置有第二氧化態之載氧體，於該第二稠密床22中注入空氣作為運送氣體，將該第二氧化態之載氧體自該第二稠密床22中運送並通過該第二孔口221進入該第二稀疏床21中，該第二稀疏床21注入第二碳氫燃料與流體化氣體6(如二氧化碳或蒸汽或空氣)，該第二氧化態之載氧體與該第二碳氫燃料進行反應還原成第二金屬態之載氧體，並產生二氧化碳與蒸汽所組成之氣體，該第二金屬態之載氧體在該第二稀疏床21中被該流體化氣體6往上帶動至上端再越過該第二堰堤出口211進入該共用氧化反應器3。
該共用氧化反應器3係與該第一、二還原反應器1、2連通，其具有一稀疏床31及一稠密床32，該稠密床32底部側邊設有一與該稀疏床31相連通之孔口321，且該稠密床32頂部兩側邊係透過該第一、二堰堤出口111、211與該第一、二稀疏床11、21相連通，而該稀疏床31頂部兩側邊各設有一與該第一、二稠密床1 2、22相連通之堰堤出口311。該第一、二金屬態之載氧體各自越過該第一、二堰堤出口111、211進入該稠密床32中往下沉降堆積，並於該稠密床32中注入二氧化碳作為運送氣體，將該第一、二金屬態之載氧體自該稠密床32中運送並通過該孔口321進入該稀疏床31中，該稀疏床31注入空氣使該空氣與該第一、二金屬態之載氧體進行反應氧化成第一、二氧化態之載氧體，並產生氮氣(N2)與氧氣(O2)所組成之氣體，該第一、二氧化態之載氧體在該稀疏床31中被該空氣往上帶動，各自再越過兩側邊之堰堤出口311進入該第一、二稠密床12、22中而各自形成一迴路(Looping)，俾以再次提供該第一、二氧化態之載氧體至該第一、二還原反應器1、2中週而復始循環，完成氧化與還原循環。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之具共用結構之化學迴路反應器。
本發明具共用結構之化學迴路反應器係與至少一進料模組(圖中未示)相連接，提供該第一、二碳氫燃料之進料，且該第一、二碳氫燃料可為彼此相同或不同之料源。
本發明所提具共用結構之化學迴路反應器係適用單一階段(步驟)氧化還原之載氧體使用，可為鎳、銅或其它單一反應之金屬氧化物亦可使用，與鐵的三段反應具單一性不同，第1、2圖以鎳為例。當運用時，本發明透過將金屬鎳轉變成氧化鎳之這個區塊的2個床體共用，以共用氧化反應器3之形式設於化學迴路反應器之中間，再於兩側邊設置第一、二還原反應器1、2，將原本會有8個床體之反應機制，將功能一致之反應區整合於中間，即以中間2個床體係可重覆共用之方式設於整體結構之中間。當要同時處理兩種不同之料源時，可使左右側之第一、二還原反應器1、2各自以其料源處理自己的反應，而 其載氧體可各自獨立循環，使載氧體中的氧能夠完全釋放出來，進而獲得高純度之二氧化碳，另亦可擴及生產氫氣，具有簡化反應機制、產出率快、操作效率高且低成本之功效。如第2圖所示，在此省略第1圖之碳氫燃料，主要用以說明載氧體之流動與反應現象，圖中之堆積高度5為示意在稠密床時，載氧體會堆積至一定高度，除藉此增加往稀疏床之驅動力外，亦隔絕氣體自稀疏床前往稠密床，而裝置中所注入之流體化氣體(二氧化碳或蒸汽或空氣)與空氣皆統稱為流體化氣體6。由第2圖可發現金屬態之載氧體4a會經由中間共用氧化反應器3之稠密床32底部之孔口321進入同為氧化區段之稀疏床31，在氧化區段之稀疏床31中被流體化氣體6往上帶動，並於期間與流體化氣體6中的氧進行反應生成氧化態之載氧體4b，該氧化態之載氧體4b被輸送至上端之堰堤出口311後，各自越過該堰堤出口311往該第一、二還原反應器1、2之第一、二稠密床12、22堆積，再經此還原區之第一、二稠密床12、22之第一、二孔口121、221進入此還原區之第一、二稀疏床11、21。該氧化態之載氧體於該第一、二稀疏床11、21中與第一、二碳氫燃料進行反應，氧化態之載氧體失去氧還原為金屬態之載氧體，第一、二碳氫燃料則因取得氧進行燃燒反應，由於該反應僅有氧原子交還，因此並無氮氣參與其中，亦即所生成之氣體為高純度之二氧化碳與水，經由適當之分離即可獲得高純度之二氧化碳。使載氧體在反應器中週而復始循環，完成氧化與還原循環。
本發明具共用結構之化學迴路反應器所產生之功效為：
1.當要同時處理兩種不同之料源時，可將兩組流體化床分別具氧化與還原(即富氧燃燒暨碳捕獲技術)之操作單元予以簡化，把本 來會有8個床體之反應機制以中間2個床體是可以重覆共用之方式，於整體結構之中間設置一共用氧化反應器，再於其兩側邊各設置一還原反應器，省去原本總共會有8個反應機制，僅需將金屬態轉變成氧化態之這個區塊的2個床體共用即可達到同時處理兩種不同料源之效果，以大幅降低土地面積與設備成本。
2.應用內通式流體化床於化學迴路燃燒程序中，進行載氧體(鎳或銅等金屬氧化物)單一氧化還原反應，第一、二還原反應器可各自處理自己的反應、反應物，從而可在一化學迴路反應器中同時處理兩種不同之料源，載氧體一樣可以各自獨立循環，使載氧體中的氧能夠完全釋放出來，進而獲得高純度之二氧化碳，另亦可擴及生產氫氣，具有簡化反應機制、產出率快、操作效率高且低成本之功效。
綜上所述，本發明係一種具共用結構之化學迴路反應器，可有效改善習用之種種缺點，係應用內通式流體化床於化學迴路燃燒程序中，進行載氧體(鎳或銅等金屬氧化物)單一氧化還原反應，第一、二還原反應器可各自處理自己的反應、反應物，從而可在一化學迴路反應器中同時處理兩種不同之料源，載氧體一樣可以各自獨立循環，使載氧體中的氧能夠完全釋放出來，以獲得高純度之二氧化碳，另亦可擴及生產氫氣，具有簡化反應機制、產出率快、操作效率高且低成本之功效，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (6)

  1. 一種具共用結構之化學迴路反應器，係應用內通式流體化床於化學迴路燃燒程序中，將兩組流體化床中功能一致之反應區以共用方式整合並設於整體結構之中間，該具共用結構之化學迴路反應器包括：一第一還原反應器，具有一第一稀疏床與一第一稠密床，該第一稀疏床頂部側邊設有一第一堰堤出口，該第一稠密床底部側邊設有一與該第一稀疏床相連通之第一孔口；一第二還原反應器，具有一第二稀疏床與一第二稠密床，該第二稀疏床頂部側邊設有一第二堰堤出口，該第二稠密床底部側邊設有一與該第二稀疏床相連通之第二孔口；以及一共用氧化反應器，係設置於該第一、二還原反應器之間並與該第一、二還原反應器連通，該共用氧化反應器具有一第三稀疏床及一第三稠密床，該第三稠密床底部側邊設有一與該第三稀疏床相連通之第三孔口，且該第三稠密床頂部兩側邊係透過該第一、二堰堤出口與該第一、二稀疏床相連通，而該第三稀疏床頂部兩側邊各設有一與該第一、二稠密床相連通之第三堰堤出口。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之具共用結構之化學迴路反應器，其中：該第一還原反應器係容置有第一氧化態之載氧體，於該第一稠密床中注入流體化氣體作為運送氣體，將該第一氧化態之載氧體自該第一稠密床中運送並通過該第一孔口進入該第一稀疏床中，該第一稀疏床注入第一碳氫燃料與流體化氣體，該第一氧化態之載氧體與該第一碳氫燃料進行反應還原成第一金屬態之載氧體，並產生二氧化碳(CO2)與蒸汽所組成之氣體，該第一金屬態之載氧體在該第一稀疏床中被該流體化氣體往上帶動至上端再越過該第一堰堤出口；該第二還原反應器係容置有第二氧化態之載氧體，於該第二稠密床中注入流體化氣體作為運送氣體，將該第二氧化態之載氧體自該第二稠密床中運送並通過該第二孔口進入該第二稀疏床中，該第二稀疏床注入第二碳氫燃料與流體化氣體，該第二氧化態之載氧體與該第二碳氫燃料進行反應還原成第二金屬態之載氧體，並產生二氧化碳與蒸汽所組成之氣體，該第二金屬態之載氧體在該第二稀疏床中被該流體化氣體往上帶動至上端再越過該第二堰堤出口；以及該共用氧化反應器中，該第一、二金屬態之載氧體各自越過該第一、二堰堤出口進入該第三稠密床中往下沉降堆積，並於該第三稠密床中注入流體化氣體作為運送氣體，將該第一、二金屬態之載氧體自該第三稠密床中運送並通過該第三孔口進入該第三稀疏床中，該第三稀疏床注入流體化氣體使該流體化氣體與該第一、二金屬態之載氧體進行反應氧化成第一、二氧化態之載氧體，並產生氮氣(N2)與氧氣(O2)所組成之氣體，該第一、二氧化態之載氧體在該第三稀疏床中被該流體化氣體往上帶動，各自再越過兩側邊之第三堰堤出口進入該第一、二稠密床中而各自形成一迴路(Looping)，俾以再次提供該第一、二氧化態之載氧體至該第一、二還原反應器中週而復始循環，完成氧化與還原循環。
  3. 依申請專利範圍第2項所述之具共用結構之化學迴路反應器，其中，該第一、二碳氫燃料可為彼此相同或不同之料源。
  4. 依申請專利範圍第2項所述之具共用結構之化學迴路反應器，其中，該第一、二氧化態之載氧體為可進行氧化與還原之金屬氧化物。
  5. 依申請專利範圍第4項所述之具共用結構之化學迴路反應器，其中，該第一、二氧化態之載氧體為含有該金屬氧化物之粉粒體。。
  6. 依申請專利範圍第2項所述之具共用結構之化學迴路反應器，其中，該流體化氣體為二氧化碳或蒸汽或空氣。
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