TWI457520B - 迴流懸浮式煅燒爐系統及其使用方法 - Google Patents

Description

迴流懸浮式煅燒爐系統及其使用方法

本提案係關於一種煅燒爐系統其使用方法，特別是可製造出高濃度二氧化碳的煅燒爐系統及其使用方法。

台灣在西元2006年時，如果各部門不分攤用電所排放的二氧化碳，則能源工業(能源轉換)的二氧化碳排放為164,086千公噸，佔燃料燃燒總排放的61.86%。但如果就各主要部門之二氧化碳排放分析，在分攤用電排放之情況下，台灣在西元2006年能源工業(能源轉換)的二氧化碳排放為18,509千公噸，佔燃料燃燒總排放的6.98%。由上述的數據可以知道，能源工業發電給各部門使用所產生的二氧化碳佔燃料燃燒總排放的54.88%，幾乎佔台灣二氧化碳總排放量的一半以上。也因此，電廠所排放的二氧化碳如能有效的被捕獲，將能大幅減少二氧化碳的排放量。

此外，水泥業亦為二氧化碳排放之大宗。但水泥業於煅燒過程中，因空氣燃燒與氣密不佳，使得煅燒所產生的煙氣之二氧化碳濃度僅能只有25-30 vol%。因此，水泥業依舊需要仰賴二氧化碳的捕獲技術，以提高二氧化碳的濃度才能夠具有再利用與封存的效益。此外，水泥業亦為六大耗能產業之一，於其煅燒製程的過程中多半沒有回收廢熱再利用的機制。如此，使得一般水泥業的製程之能源效益低。雖然可以透過廢熱發電回收的方法來提高水泥業的能源效益，但如此，將使得水泥業者需額外花費相當大 的資金以及場地成本。

本提案在於提供一種迴流懸浮式煅燒爐系統及其使用方法，藉以提升使水泥業的能源效益，以及製造出高濃度的二氧化碳而有利於封存與工業再利用。

本提案所揭露之迴流懸浮式煅燒爐系統，包含一旋風集塵設備、一燃燒窯、一第一通氣管、一風車及一第二通氣管。旋風集塵設備包含複數個由上而下依序相連的旋風集塵器。燃燒窯之頂部具有一出口，燃燒窯之底部具有一入口，燃燒窯的出口連接最上層的旋風集塵器。第一通氣管的相對兩端分別連接最上層的旋風集塵器及最下層的旋風集塵器。風車包含相對的一進風口及一出風口，出風口連接燃燒窯的入口。第二通氣管之相對兩端分別連接次上層的旋風集塵器及風車的進風口。

本提案所揭露之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，包含提供一包含複數個由上而下依序相連的旋風集塵器的旋風集塵設備、一燃燒窯、一第一通氣管、一風車及一第二通氣管。並且，將一粉體由燃燒窯之底部的一入口送入燃燒窯內進行煅燒加熱。並由燃燒窯之頂部的一出口排入最上層之旋風集塵器，令粉體釋出部份的二氧化碳。令最上層之旋風集塵器將包含有二氧化碳之煙氣送入最下層之旋風集塵器，並使粉體下落經過數個旋風集塵器時，與由最下層之旋風集塵器逆向上流的二氧化碳之煙氣混合熱交換，以使粉體持續進行煅燒反應而繼續釋出二氧化碳。並且， 使旋風集塵設備內包含有二氧化碳之煙氣經由風車推動而輸送至燃燒窯的入口，以做為粉體之進料輸送氣體。

根據上述本提案所揭露之迴流懸浮式煅燒爐系統及其使用方法，係藉由迴流的二氧化碳之煙氣可於旋風集塵設備內逆向上流而對金屬碳酸化物進行充分的煅燒反應，以提升迴流懸浮式煅燒爐系統的煅燒反應率。

有關本提案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

請參照第1圖至第3圖，第1圖係為根據本提案一實施例之迴流懸浮式煅燒爐系統的結構示意圖，第2圖係為根據第1圖之旋風集塵器的結構示意圖，第3圖係為根據第1圖之重力下料閥的結構示意圖。

如第1圖所示，本提案之迴流懸浮式煅燒爐系統10包含一旋風集塵設備11、一燃燒窯12、一第一通氣管13、一風車14及一第二通氣管15。此外，在本實施例中，迴流懸浮式煅燒爐系統10另可包含一第一管路16、一第二管路17及一排料系統18。

本實施例之旋風集塵設備11包含複數個由上而下依序相連的旋風集塵器111a、111b、111c、111d、111e。需注意的是，本實施例之旋風集塵設備11係以五個旋風集塵器為例，但不以此為限。其中，旋風集塵設備11以包含三至七個的旋風集塵器為較佳。

更詳細來說，每一旋風集塵器111a、111b、111c、111d、111e 的下端具有一排料口1111a、1111b、1111c、1111d、1111e，每一旋風集塵器111a、111b、111c、111d、111e的上端具有一排氣口1112a、1112b、1112c、1112d、1112e及一入料口1113a、1113b、1113c、1113d、1113e。並且，次上層的旋風集塵器111b之入料口1113b同時連接最上層的旋風集塵器111a之排料口1111a以及中間層的旋風集塵器111c之排氣口1112c。中間層的旋風集塵器111c之入料口1113c同時連接次上層的旋風集塵器111b之排料口1111b以及中間層的旋風集塵器111d之排氣口1112d。中間層的旋風集塵器111d之入料口1113d同時連接中間層的旋風集塵器111c之排料口1111c以及最下層的旋風集塵器111e之排氣口1112e。

請同時參照第2圖，由於每個旋風集塵器111a、111b、111c、111d、111e的結構大致相同，因此將以最上層的旋風集塵器111a為例來簡略介紹旋風集塵器111a的結構及功能。

如第2圖所示，旋風集塵器111a大致可區分為一圓筒部1114a及位於圓筒部1114a下方的圓錐部1115a。圓筒部1114a的上方設有排氣口1112a及入料口1113a，圓錐部1115a的下方設有排料口1111a。當一粉體(如金屬酸化物)伴隨著煙氣(如二氧化碳混合水蒸氣)由入料口1113a進入旋風集塵器111a內時，粉體伴隨著煙氣而沿入料口1113a的切線方向進入圓筒部1114a內並旋轉而下。接著，粉體伴隨著煙氣到達圓錐部1115a時，由於旋轉半徑變小，使得煙氣於旋風集塵器111a內形成渦流。此時，粉體因重力的關係繼續下落而由排料口1111a排出，煙氣則由圓錐部1115a下端反 轉上升而由排氣口1112a排出。換句話說，旋風集塵器111a可對粉體與煙氣進行氣固分離之功能，使得粉體由旋風集塵器111a下方的排料口1111a排出，而使煙氣則由旋風集塵器111a上方的排氣口1112a排出。

請接著繼續參照第1圖。在本實施例中，旋風集塵設備11更可包含一重力下料閥112，重力下料閥112設置於最上層的旋風集塵器111a與次上層的旋風集塵器111b之間。更詳細來說，重力下料閥112係位於最上層的旋風集塵器111a之排料口1111a處，以區隔最上層的旋風集塵器111a內部與其他旋風集塵器111b、111c、111d、111e內部之間的壓力。需注意的是，本實施例係以一個重力下料閥112設置於最上層的旋風集塵器111a之排料口1111a處為例，但重力下料閥112的數量非用以限定本提案。譬如在其他實施例當中，也可以是每一旋風集塵器111a、111b、111c、111d、111e的排料口1111a、1111b、1111c、1111d、1111e處皆設置一重力下料閥112。

上述的重力下料閥112具有多種類型，以下將針對其中一類型的重力下料閥112之結構來做說明，但非用以限定本提案。請參照第3圖，如第3圖所示，重力下料閥112可具有一閥口1121及一擋板1122。擋板1122樞設於閥口1121處，擋板1122連接有一重錘1123，重錘1123與擋板1122可一併旋轉。於常態下，重錘1123因受重力影響而呈垂直狀態，此時擋板1122係遮擋住閥口1121。當閥口1121處沉積一定量的粉體而使粉體的重量大於某 一特定值時，擋板1122將受到粉體的重量影響，使得重錘1123與擋板1122一併旋轉而被迫開啟閥口112。當粉體由閥口1121排出後，重錘1123因受重力影響而一併帶動擋板1122復位，使擋板1122繼續遮擋住閥口1121。

請接著繼續參照第1圖。此外，本實施例之燃燒窯12可為一立式燃燒窯，以增加燃燒加熱效果。燃燒窯12之頂部具有一出口121，燃燒窯12之底部具有一入口122。

第二管路17的相對兩端分別連接燃燒窯12之頂部的出口121與最上層的旋風集塵器111a之入料口1113a，使得燃燒窯12之出口121與旋風集塵器111a之入料口1113a相連。此外，第二管路17還可具有一第二進料口171，以作為一輔助的進料口。需注意的是，第二進料口171的數量非用以限定本提案。在其他實施例當中，第二進料口171的數量也可以是複數個，甚至其他實施之第二管路17也可不需設置第二進料口171。

第一通氣管13的相對兩端分別連接最上層的旋風集塵器111a之排氣口1112a及最下層的旋風集塵器111e之入料口1113e。

風車14可以是一高溫風車，風車14包含相對的一進風口141及一出風口142。

第二通氣管15之相對兩端分別連接次上層的旋風集塵器111b之排氣口1112b及風車14的進風口141。

第一管路16的相對兩端分別連接燃燒窯12的入口122與風車14的出風口142，以令燃燒窯12的入口122與風車14的出風 口142相連。此外，本實施例之第一管路16更可具有至少一第一進料口161。需注意的是，第一進料口161的數量非用以限定本提案。在其他實施例當中，第一進料口161的數量也可以是複數個。

此外，本實施例之排料系統18連接於最下層的旋風集塵器111e的排料口1111e，排料系統18用以接收經斷煅燒後的粉體之成品。

請繼續參照第1圖，接著將針對上述迴流懸浮式煅燒爐系統10的使用方法進行說明。

首先，可令金屬碳酸化物之粉體以及氧氣(O₂ )由第一進料口161進入第一管路16。上述的金屬碳酸化物可以是但不限於CaCO₃ 、ZeCO₃ 、MgCO₃ 、MnCO₃ 或NiCO₃ 。以下金屬碳酸化物將以碳酸鈣(CaCO₃ )為例來進行說明。

碳酸鈣之粉體以及氧氣可藉由風車14所產生的一進料輸送氣體之推動而由入口122進入燃燒窯12內。並且，對燃燒窯12持續提供燃料，使碳酸鈣之粉體於燃燒窯12內進行純氧燃燒，且碳酸鈣之粉體於燃燒窯12內的燃燒溫度為900℃-1700℃。此時，部份的碳酸鈣之粉體經加熱後進行煅燒反應，以形成金屬氧化物(氧化鈣，CaO)，並同時釋出二氧化碳(CO₂ )。接著，未經煅燒反應的碳酸鈣之粉體連同氧化鈣之粉體及包含有二氧化碳的高溫煙氣一併由燃燒窯12之頂部的出口121排入第二管路17。其中，經煅燒反應所釋出包含有二氧化碳的高溫煙氣之溫度可為600℃-1000℃，且上述包含有二氧化碳的高溫煙氣之成分係以二氧化碳和水 蒸汽為主。此時，可選擇性的由第二進料口171額外加入適當的碳酸鈣(亦可不額外加入碳酸鈣)。接著，碳酸鈣之粉體連同氧化鈣之粉體及包含有二氧化碳的高溫煙氣一併由入料口1113a進入最上層之旋風集塵器111a。

此時，最上層之旋風集塵器111a將包含有二氧化碳之高溫煙氣透過第一通氣管13而送入最下層之旋風集塵器111e，包含有二氧化碳之高溫煙氣接著依序通過排氣口1112e、1112d、1112c而逆向上流至次上層的旋風集塵器111b。同時，包含有碳酸鈣與氧化鈣的粉體將自最上層之旋風集塵器111a下落經過數個旋風集塵器111b、111c、111d、111e，而這些包含有碳酸鈣與氧化鈣的粉體將與由最下層之旋風集塵器111e逆向上流的高溫二氧化碳之煙氣混合熱交換，以使粉體中的碳酸鈣持續進行煅燒反應而繼續釋出二氧化碳。如此一來，使得粉體可以與逆向上流的二氧化碳之煙氣於旋風集塵設備11內進行充分的煅燒反應，如此可增加煅燒反應的時間，以提升迴流懸浮式煅燒爐系統10的煅燒反應率。

接著，經充分煅燒反應後的金屬氧化物之粉體(氧化鈣)將由最下層之旋風集塵器111e之排料口1111e排出至排料系統18，以供後續利用及販售。

另一方面，由最下層之旋風集塵器111e逆向上流的二氧化碳之煙氣最終是由次上層的旋風集塵器111b之排氣口1112b排入第二通氣管15，並接著經由風車14推動而輸送至燃燒窯12的入口122，以做為金屬碳酸化物的粉體之進料輸送氣體。

此外，由於旋風集塵設備11所排出的煙氣係具有高濃度的二氧化碳。因此，可將這些高溫煙氣降溫冷凝而分離出水，以得到高濃度之二氧化碳而利於封存或再利用。同時這也是本實施例技術控制系統壓力的方法，利用出口142可適當地排出部分之二氧化碳之煙氣。若每單位時間排出二氧化碳之煙氣的質量小於每單位時間供應進懸浮式煅燒爐系統10的物質質量(燃料量+純氧+CaCO₃ -CaO)，則系統之爐壓會提高。若每單位時間排出二氧化碳之煙氣的質量等於每單位時間供應進懸浮式煅燒爐系統10的物質質量(燃料量+純氧+CaCO₃ -CaO)，則系統之爐壓會維持定值。故，透過上述操作方式可使實施例選擇在常壓或高壓狀態下運轉。

請接著參照第4圖，第4圖係為根據本提案另一實施例之迴流懸浮式煅燒爐系統的結構示意圖。

由於本實施例之迴流懸浮式煅燒爐系統10’與第1圖之實施例相似，因此只針對相異處加以說明。本實施例與第1圖之實施例的差異在於，本實施例係以一吸附塔19來取代第1圖之實施例的排料系統18。吸附塔19連接最下層的旋風集塵器111e之排料口1111e及第一管路16，吸附塔19透過第一管路16而連接燃燒窯12的入口122。經煅燒反應後的金屬氧化物(氧化鈣)由旋風集塵設備11排入至吸附塔19，以透過吸附塔19而捕獲外界之二氧化碳。上述外界之二氧化碳的來源可以是工業所排放的低濃度二氧化碳之廢氣。因此，氧化鈣可藉由吸附塔19捕獲低濃度之二氧化碳而還原成碳酸鈣，碳酸鈣再經過迴流懸浮式煅燒爐系統10’的緞燒反 應而釋出高濃度的二氧化碳，以供封存或再利用。

根據上述，本提案之迴流懸浮式煅燒爐系統及其使用方法係具有以下優點：第一，可製造高濃度二氧化碳而有利地質封存與工業再利用；第二，提升能源效益，使迴流的二氧化碳之煙氣可於旋風集塵設備內逆向上流而對金屬碳酸化物進行充分的煅燒反應，且二氧化碳之煙氣最後還可透過風車而作為金屬碳酸化物之進料輸送氣體；第三，系統得到煅燒後的金屬氧化物則可作為吸附劑或工業原料使用；第四，本提案所製成的氧化鈣(CaO)有助於生產大量的輕質碳酸鈣，輕質碳酸鈣在工業中有相當大的應用範圍，具有相當高之經濟效益。

雖然本提案以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧迴流懸浮式煅燒爐系統

10’‧‧‧迴流懸浮式煅燒爐系統

11‧‧‧旋風集塵設備

111a‧‧‧旋風集塵器

111b‧‧‧旋風集塵器

111c‧‧‧旋風集塵器

111d‧‧‧旋風集塵器

111e‧‧‧旋風集塵器

1111a‧‧‧排料口

1111b‧‧‧排料口

1111c‧‧‧排料口

1111d‧‧‧排料口

1111e‧‧‧排料口

1112a‧‧‧排氣口

1112b‧‧‧排氣口

1112c‧‧‧排氣口

1112d‧‧‧排氣口

1112e‧‧‧排氣口

1113a‧‧‧入料口

1113b‧‧‧入料口

1113c‧‧‧入料口

1113d‧‧‧入料口

1113e‧‧‧入料口

1114a‧‧‧圓筒部

1115a‧‧‧圓錐部

112‧‧‧重力下料閥

1121‧‧‧閥口

1122‧‧‧擋板

1123‧‧‧重錘

12‧‧‧燃燒窯

121‧‧‧出口

122‧‧‧入口

13‧‧‧第一通氣管

14‧‧‧風車

141‧‧‧進風口

142‧‧‧出風口

15‧‧‧第二通氣管

16‧‧‧第一管路

161‧‧‧第一進料口

17‧‧‧第二管路

171‧‧‧第二進料口

18‧‧‧排料系統

19‧‧‧吸附塔

第1圖係為根據本提案一實施例之迴流懸浮式煅燒爐系統的結構示意圖。

第2圖係為根據第1圖之旋風集塵器的結構示意圖。

第3圖係為根據第1圖之重力下料閥的結構示意圖。

第4圖係為根據本提案另一實施例之迴流懸浮式煅燒爐系統的結構示意圖。

10‧‧‧迴流懸浮式煅燒爐系統

11‧‧‧旋風集塵設備

111a‧‧‧旋風集塵器

111b‧‧‧旋風集塵器

111c‧‧‧旋風集塵器

111d‧‧‧旋風集塵器

111e‧‧‧旋風集塵器

1111a‧‧‧排料口

1111b‧‧‧排料口

1111c‧‧‧排料口

1111d‧‧‧排料口

1111e‧‧‧排料口

1112a‧‧‧排氣口

1112b‧‧‧排氣口

1112c‧‧‧排氣口

1112d‧‧‧排氣口

1112e‧‧‧排氣口

1113a‧‧‧入料口

1113b‧‧‧入料口

1113c‧‧‧入料口

1113d‧‧‧入料口

1113e‧‧‧入料口

112‧‧‧重力下料閥

12‧‧‧燃燒窯

121‧‧‧出口

122‧‧‧入口

13‧‧‧第一通氣管

14‧‧‧風車

141‧‧‧進風口

142‧‧‧出風口

15‧‧‧第二通氣管

16‧‧‧第一管路

161‧‧‧第一進料口

17‧‧‧第二管路

171‧‧‧第二進料口

18‧‧‧排料系統

Claims (19)

1. 一種迴流懸浮式煅燒爐系統，包含：一旋風集塵設備，包含複數個由上而下依序相連的旋風集塵器；一燃燒窯，其頂部具有一出口，其底部具有一入口，該燃燒窯的該出口連接最上層的該旋風集塵器；一第一通氣管，其相對兩端分別連接最上層的該旋風集塵器及最下層的該旋風集塵器；一風車，包含相對的一進風口及一出風口，該出風口連接該燃燒窯的該入口；以及一第二通氣管，其相對兩端分別連接次上層的該旋風集塵器及該風車的該進風口。
2. 如請求項1所述之迴流懸浮式煅燒爐系統，更包含一排料系統，連接最下層的該旋風集塵器。
3. 如請求項1所述之迴流懸浮式煅燒爐系統，更包含一吸附塔，連接最下層的該旋風集塵器及該燃燒窯的該入口。
4. 如請求項1所述之迴流懸浮式煅燒爐系統，更包含一第一管路，其相對兩端分別連接該燃燒窯的該入口與該風車的該出風口，該第一管路具有至少一第一進料口。
5. 如請求項1所述之迴流懸浮式煅燒爐系統，更包含一第二管路，其相對兩端分別連接該燃燒窯的該出口與最上層的該旋風集塵器，該第二管路具有至少一第二進料口。
6. 如請求項1所述之迴流懸浮式煅燒爐系統，其中該旋風集塵設備更包含一重力下料閥，設置於最上層的該旋風集塵器與次上層的該旋風集塵器之間。
7. 如請求項1所述之迴流懸浮式煅燒爐系統，其中該旋風集塵設備包含三至七個的該旋風集塵器。
8. 一種迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，包含：提供一包含複數個由上而下依序相連的旋風集塵器的旋風集塵設備、一燃燒窯、一第一通氣管、一風車及一第二通氣管；將一金屬碳酸化物之粉體由該燃燒窯之底部的一入口送入該燃燒窯內進行煅燒加熱，並由該燃燒窯之頂部的一出口排入最上層之該旋風集塵器，令該粉體釋出部份的二氧化碳；令最上層之該旋風集塵器將包含有二氧化碳之煙氣送入最下層之該旋風集塵器，並使該粉體下落經過數個該旋風集塵器時，與由最下層之該旋風集塵器逆向上流的二氧化碳之煙氣混合熱交換，以使該粉體持續進行煅燒反應而繼續釋出二氧化碳；以及使該旋風集塵設備內包含有二氧化碳之煙氣經由該風車推動而輸送至該燃燒窯的該入口，以做為該粉體之進料輸送氣體。
9. 如請求項8所述之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，其中該粉體係於該燃燒窯內進行純氧燃燒。
10. 如請求項9所述之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，係加入純氧及燃料於該燃燒窯內進行純氧燃燒。
11. 如請求項8所述之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，其中該粉體包含CaCO₃ 、ZeCO₃ 、MgCO₃ 、MnCO₃ 或NiCO₃ 。
12. 如請求項8所述之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，其中該粉體於該燃燒窯內的燃燒溫度為900℃-1700℃。
13. 如請求項8所述之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，其中該粉體為CaCO₃ ，該粉體經煅燒反應形成CaO。
14. 如請求項8所述之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，其中煅燒反應所釋出包含二氧化碳之煙氣的溫度為600℃-1000℃
15. 如請求項8所述之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，更包含提供一吸附塔，經煅燒反應之該粉體由該旋風集塵設備排入至該吸附塔，以捕獲外界之二氧化碳。
16. 如請求項8所述之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，更包含提供一排料系統，經煅燒反應之該粉體由該旋風集塵設備排出至該排料系統而供利用。
17. 如請求項8所述之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，更包含使煙氣中的二氧化碳進行封存或再利用。
18. 如請求項8所述之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，其中該第一通氣管係將最上層之該旋風集塵器內之二氧化碳煙氣送入最下層之該旋風集塵器，二氧化碳煙氣逆向上流而依序通過各該旋風集塵器，並到達次上層之該旋風集塵器。
19. 如請求項8所述之迴流懸浮式煅燒爐系統之使用方法，其中次上層之該旋風集塵器內的二氧化碳之煙氣經由該第二通氣管而至該風車，該風車推動二氧化碳之煙氣並將二氧化碳之煙氣輸送至該燃燒窯的該入口，以做為該粉體之進料輸送氣體。