本发明有关于一种空气分离制氧技术，特别是一种化学回路空气分离制氧装置。本发明还涉及此化学回路空气分离制氧装置的化学回路空气分离制氧方法。
背景技术：
目前，空气分离制氧技术主要包括低温蒸馏法及变压吸附法。其中，低温蒸馏法虽可产出高浓度氧气(99％)，但生产规模庞大且流程复杂，因此成本极高。相反的，变压吸附法则适合中小规模生产，但能耗较高且氧气纯度略低(93％)。
化学回路燃烧(chemical looping combustion)技术为一种兼具高能源效率且能以低成本达到二氧化碳捕获的技术。通过化学回路及合适的载氧体(Oxygen carrier)，在适当温度和氧气分压下可将载氧体中的氧气分离，故能以低能耗获得高纯度的氧气，且能同时进行二氧化碳捕获。然而，习知技艺的化学回路燃烧技术却有着不少缺点有待改进。
请参阅图1，其为现有技艺的化学回路空气分离制氧装置1的示意图。如图所示，现有技艺的化学回路空气分离制氧装置1可包含空气反应器(Air reactor)11及释氧反应器(oxygen uncoupling reactor)12。
释氧反应器12容置氧化态的载氧体OC。释氧反应器12注入惰性携带气体S，在适当温度下将氧化态额载氧体OC中的氧携出，而氧化态的载氧体OC则被还原为还原态的载氧体RC，并输送至空气反应器11。
空气反应器11注入空气Air，使空气Air与还原态的载氧体RC反应，还原态的载氧体RC则被氧化为氧化态的载氧体OC，再输送回释氧反应器12。通过载氧体在空气反应器11及释氧反应器12之间不断的进行循环利用可达到高能源效率并有效降低成本，且能产生高纯度的氧气O2。
然而，由于载氧体被氧化时为放热反应，而随着温度增加，氧平衡分压也会同时提高，如此则不利于载氧体恢复氧化态。
此外，载氧体被氧化时会为放热反应，故会使温度大幅上升，而若温度增加到接近载氧体的熔点，部份载氧体会产生烧结的情况，如此则会进一步降低载氧体的效能。
因此，如何提出一种化学回路空气分离制氧技术，能够有效改善现有技艺的化学回路空气分离制氧技术的各种缺点已经成为了一个刻不容缓的问题。
技术实现要素：
有鉴于上述现有技艺的问题，本发明的其中一目的就是在提供一种化学回路空气分离制氧技术，以解决现有技艺的化学回路空气分离制氧技术的各种问题。
根据本发明的其中一目的，提出一种化学回路空气分离制氧装置，其可包含空气反应器及释氧反应器。空气反应器可容置还原态的第一载氧体，空气反应器可注入空气使空气与还原态的第一载氧体反应以氧化还原态的第一载氧体为氧化态。释氧反应器可设置于空气反应器内，并可容置氧化态的第二载氧体，释氧反应器可利用空气反应器产生的热能还原氧化态的第二载氧体为还原态以产生氧气。
在一较佳的实施例中，第一载氧体可为铜系载氧体、镍系载氧体、钙系载氧体、锰系载氧体、铁系载氧体或钴系载氧体，而第二载氧体可为铜系载氧体、锰系载氧体或钴系载氧体。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧装置更可包含燃料反应器，燃料反应器可注入燃料，并可与空气反应器连接以接收氧化态的第一载氧体，并可与燃料反应以还原氧化态的第一载氧体为还原态。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧装置更可包含第一流化反应器，第一流化反应器可与燃料反应器连接以输送还原态的第一载氧体。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧装置更可包含第一气固分离器，第一气固分离器可与第一流化反应器连接以将还原态的第一载氧体与粉尘分离，并可将还原态的第一载氧体输送回空气反应器。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧装置更可包含第二流化反应器，第二流化反应器可与释氧反应器连接以输送还原态的第二载氧体。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧装置更可包含热交换器，热交换器可设置于第二流化反应器上以调整第二流化反应器的温度。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧装置更可包含第二气固分离器，第二气固分离器可与第二流化反应器连接以将还原态的第二载氧体与粉尘分离。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧装置更可包含吸氧反应器，吸氧反应器可与第二气固分离器连接，并可将还原态的第二载氧体氧化为氧化态，再将氧化态的第二载氧体输送回释氧反应器。
在一较佳的实施例中，吸氧反应器可包含空气注入口，空气注入口注入空气可使空气与还原态的第二载氧体反应以氧化还原态的第二载氧体为氧化态，并可调整吸氧反应器的温度。
在一较佳的实施例中，空气反应器更可包含排气通道，空气反应器产生的气体可通过排气通道输送至吸氧反应器。
根据本发明的其中一目的，再提出一种化学回路空气分离制氧方法，其可应用于化学回路空气分离制氧装置，化学回路空气分离制氧装置可包含空气反应器及释氧反应器，释氧反应器可设置于空气反应器内，此方法可包含下列步骤：将空气注入空气反应器使空气与还原态的第一载氧体反应以氧化还原态的第一载氧体为氧化态；以及利用释氧反应器通过空气反应器产生的热能还原氧化态的第二载氧体为还原态以产生氧气。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧方法更可包含下列步骤：经由燃料反应器将氧化态的第一载氧体与燃料反应以还原氧化态的第一载氧体为还原态。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧方法更可包含下列步骤：通过一第一流化反应器输送还原态的该第一载氧体。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧方法更可包含下列步骤：经由第一气固分离器将还原态的第一载氧体与粉尘分离，并将还原态的第一载氧体输送回空气反应器。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧方法更可包含下列步骤：通过第二流化反应器输送还原态的第二载氧体。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧方法更可包含下列步骤：以热交换器调整第二流化反应器的温度。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧方法更可包含下列步骤：经由第二气固分离器将还原态的第二载氧体与粉尘分离。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧方法更可包含下列步骤：将空气注入吸氧反应器使空气与还原态的第二载氧体反应以氧化还原态的第二载氧体为氧化态，并调整吸氧反应器的温度，再将氧化态的第二载氧体输送回释氧反应器。
在一较佳的实施例中，化学回路空气分离制氧方法更可包含下列步骤：通过排气通道将空气反应器产生的气体输送至吸氧反应器。
承上所述，依本发明的化学回路空气分离制氧装置及其方法，其可具有一或多个下述优点：
(1)本发明之一实施例中，化学回路空气分离制氧装置的释氧反应器可设置于空气反应器内，使释氧反应器可有效利用空气反应器产生的热能还原氧化态的载氧体为还原态，故可达到更高的能源利用效率。
(2)本发明之一实施例中，化学回路空气分离制氧装置的第二流化反应器设置有热交换器，其可调整第二流化反应器的温度以进行第一次温度调控，因此有利于还原态的载氧体恢复氧化态，且能防止载氧体会产生烧结的情况，因此可提升载氧体的效能。
(3)本发明之一实施例中，化学回路空气分离制氧装置的吸氧反应器可包含空气注入口，空气注入口可注入空气使空气与还原态的载氧体反应以氧化还原态的载氧体为氧化态，并可调整吸氧反应器的温度以进行第二次温度调控，因此有利于还原态的载氧体恢复氧化态，且能防止载氧体会产生烧结的情况，因此进一步提升载氧体的效能。
(4)本发明之一实施例中，化学回路空气分离制氧装置的释氧反应器可采用成本较低的载氧体做为制氧的材料，因此可以使化学回路空气分离制氧装置的成本降低。
(5)本发明之一实施例中，化学回路空气分离制氧装置的结构简单，因此可以在不大幅增加成本的情况下达到所欲达到的功效。
附图说明
图1为现有技艺的化学回路空气分离制氧装置1的示意图。
图2为本发明的化学回路空气分离制氧装置的第一实施例的示意图。
图3为本发明的第一实施例的化学回路空气分离制氧方法的流程图。
图4为本发明的化学回路空气分离制氧装置的第二实施例的示意图。
图5为本发明的第二实施例的化学回路空气分离制氧方法的流程图。
其中附图标记为：
1 现有技艺的化学回路空气分离制氧装置
11 空气反应器
12 释氧反应器
RC 还原态的载氧体
OC 氧化态载氧体
S 惰性携带气体
2 化学回路空气分离制氧装置
21 空气反应器
211、241、321、331、341 空气注入口
212 排气通道
22 燃料反应器
221 燃料注入口
222 二氧化碳排气通道
23 第一气体输送阀
24 第一流化反应器
25 第一气固分离器
26 第一缓冲槽
31 释氧反应器
312 氧气排气通道
32 吸氧反应器
322 氮气排气通道
33 第二气体输送阀
34 第二流化反应器
35 第二气固分离器
36 第二缓冲槽
37 热交换器
FL 第一回路
SL 第二回路
RFC 还原态的第一载氧体
OFC 氧化态第一载氧体
RSC 还原态的第二载氧体
OSC 氧化态第二载氧体
CO2 二氧化碳
H2O 水蒸气
Air 空气
N2 氮气
O2 氧气
F 燃料
S31～S34、S51～S57 步骤流程
具体实施方式
以下将参照相关图式，说明依本发明的化学回路空气分离制氧装置及其方法的实施例，为了清楚与方便图式说明之故，图式中的各部件在尺寸与比例上可能会被夸大或缩小地呈现。在以下描述及/或权利要求中，当提及元件”“连接””或“耦合”至另一元件时，其可直接连接或耦合至该另一元件或可存在介入元件；而当提及元件“直接连接”或“直接耦合”至另一元件时，不存在介入元件，用于描述元件或层之间的关系的其他字词应以相同方式解释。为使便于理解，下述实施例中的相同元件以相同的符号标示来说明。
请参阅图2，其为本发明的化学回路空气分离制氧装置的第一实施例的示意图。如图所示，化学回路空气分离制氧装置2可包含空气反应器21、释氧反应器31、第一回路FL及第二回路SL。
空气反应器21可容置还原态的第一载氧体RFC，并可包含空气注入口211及排气通道212，空气注入口211可注入空气使空气与还原态的第一载氧体RFC反应以氧化还原态的第一载氧体RFC为氧化态第一载氧体OFC，而上述反应产生的气体则可由排气通道212排出；在较佳的实施例中，第一载氧体可为铜系载氧体(如CuO)、镍系载氧体(如NiO)、钙系载氧体(如CaSO4)、锰系载氧体(如Mn2O3)、铁系载氧体(如Fe2O3)或钴系载氧体(如Co3O4)。
第一回路FL可将氧化态第一载氧体OFC还原为还原态的第一载氧体RFC，再将还原态的第一载氧体RFC输送回空气反应器21，以完成第一载氧体的循环利用。
释氧反应器31可设置于空气反应器21内，并可包含氧气排气通道312，释氧反应器31可容置氧化态的第二载氧体OSC，并可利用空气反应器21产生的热能还原氧化态的第二载氧体OSC为还原态的第二载氧体RSC，并可产生氧气，氧气可由氧气排气通道312排出并收集；在较佳的实施例中，第二载氧体可为铜系载氧体(如CuO)、锰系载氧体(如Mn2O3)或钴系载氧体(如Co3O4)等等。
第二回路SL可将还原态的第二载氧体RSC还原为氧化态的第二载氧体OSC，再将氧化态的第二载氧体OSC输送回释氧反应器31，以完成第二载氧体的循环利用。
由上述可知，本实施例的化学回路空气分离制氧装置2的释氧反应器31可设置于空气反应器21内，如此可使释氧反应器31可有效利用利用空气反应器21产生的热能还原氧化态的第二载氧体OSC为还原态的第二载氧体RSC，因此不但可以制造高浓度氧气，也可以达到更高的能源利用效率。
值得一提的是，现有技艺的化学回路空气分离制氧装置由于结构上的限制，因此无法有效地利用空气反应器产生的热能，故无法提升其能源利用效率。相反的，根据本发明的实施例，化学回路空气分离制氧装置的释氧反应器可设置于空气反应器内，使释氧反应器可有效利用利用空气反应器产生的热能还原氧化态的载氧体为还原态，故可达到更高的能源利用效率。
请参阅图3，其为本发明的第一实施例的化学回路空气分离制氧方法的流程图。如图所示，本实施例的化学回路空气分离制氧方法可包含下列步骤：
在步骤S31中，将空气注入空气反应器使空气与还原态的第一载氧体反应以氧化还原态的第载氧体为氧化态。
在步骤S32中，通过第一回路将氧化态第一载氧体还原为还原态，再将还原态的第一载氧体输送回空气反应器。
在步骤S33中，利用释氧反应器通过空气反应器产生的热能还原氧化态的第二载氧体为还原态以产生氧气。
在步骤S34中，经由第二回路将还原态的第二载氧体还原为氧化态，再将氧化态的第二载氧体输送回释氧反应器。
请参阅图4，其为本发明的化学回路空气分离制氧装置的第二实施例的示意图。如图所示，化学回路空气分离制氧装置2可为移动床结构，其可包含空气反应器21、燃料反应器22、第一气体输送阀23、第一流化反应器24、第一气固分离器25、第一缓冲槽26、释氧反应器31、吸氧反应器2132、第二气体输送阀33、第二流化反应器34、第二气固分离器35、第二缓冲槽36及热交换器37。
空气反应器21可容置还原态的第一载氧体RFC，并可包含空气注入口211及排气通道212，空气注入口211可注入空气Air使空气Air与还原态的第一载氧体RFC反应以氧化还原态的第一载氧体RFC为氧化态第一载氧体OFC，氧化态第一载氧体OFC则可输送至燃料反应器22，而上述反应产生的气体则可由排气通道212排出。
燃料反应器22可包含燃料注入口221及二氧化碳排气通道222，燃料注入口221可注入燃料F，使燃料F与氧化态第一载氧体OFC反应以还原氧化态第一载氧体OFC为还原态的第一载氧体RFC，并可产生二氧化碳CO2及水蒸气H2O，二氧化碳CO2及水蒸气H2O可由二氧化碳排气通道222排出并收集，还原态的第一载氧体RFC则可输送至第一气体输送阀23。
第一气体输送阀23可包含空气注入口231，空气注入口231可注入空气Air以将还原态的第一载氧体RFC输送至第一流化反应器24。
第一流化反应器24可包含空气注入口241，空气注入口241可注入空气Air以将还原态的第一载氧体RFC输送至第一气固分离器25。
第一气固分离器25可将还原态的第一载氧体RFC与粉尘分离，再将还原态的第一载氧体RFC经由第一缓冲槽26输送回空气反应器21，以完成第一载氧体的循环利用。
释氧反应器31可设置于空气反应器21内，并可包含氧气排气通道312，释氧反应器31可容置氧化态的第二载氧体OSC，并可利用空气反应器21产生的热能以提升释氧反应器31的温度(627～900℃)，藉此可还原氧化态的第二载氧体OSC为还原态的第二载氧体RSC以产生氧气O2，氧气O2可由氧气排气通道312排出并收集，还原态的第二载氧体RSC则可输送至第二气体输送阀33。
第二气体输送阀33可以包含空气注入口331，而空气注入口331可以注入空气Air以将还原态的第二载氧体RSC输送至第二流化反应器34。
第二流化反应器34可包含空气注入口341，空气注入口341可注入空气Air以将还原态的第二载氧体RSC输送至第二气固分离器35。
热交换器37可设置于第二流化反应器34上，热交换器37注入常温空气以对第二流化反应器34进行热交换，藉此可调整第二流化反应器34的温度以进行第一次温度调控，以降低通过第二流化反应器34的还原态的第一载氧体RSC的温度。
第二气固分离器35可以将还原态的第二载氧体RSC与粉尘分离，并可以将还原态的第二载氧体RSC经由第二缓冲槽36输送至吸氧反应器32。
吸氧反应器32可包含空气注入口321及氮气排气通道322，空气反应器21产生的气体可由排气通道212输送至吸氧反应器32，同时空气注入口321可注入空气Air使空气Air与还原态的第二载氧体RSC反应以氧化还原态的第二载氧体RSC为氧化态的第二载氧体OSC，再将氧化态的第二载氧体OSC输送回释氧反应器31，以完成第二载氧体的循环利用，而空气注入口321注入的空气Air可同时调整吸氧反应器32的温度(550～600℃)以进行第二次温度调控。
由上述可知，本实施例的化学回路空气分离制氧装置2的释氧反应器31可设置于空气反应器21内，如此可以使释氧反应器31可有效利用空气反应器21产生的热能还原氧化态的第二载氧体OSC为还原态的第二载氧体RSC，因此不但可制造高浓度氧气，也可达到更高的能源利用效率。
此外，本实施例的化学回路空气分离制氧装置2的第二流化反应器34可设置有热交换器37以进行第一次温度调控，而吸氧反应器32的空气注入口321更可注入空气以进行第二次温度调控，以控制氧平衡分压使还原态的载氧体可有效地恢复氧化态，且能防止载氧体会产生烧结的情况，因此可大幅提升载氧体的效能。
请参阅图5，其为本发明的第二实施例的化学回路空气分离制氧方法的流程图。如图所示，本实施例的化学回路空气分离制氧方法可包含下列步骤：
在步骤S51中，将空气注入空气反应器使空气与还原态的第一载氧体反应以氧化还原态的第一载氧体为氧化态，并将还原态的第一载氧体输送至燃料反应器。
在步骤S52中，经由燃料反应器将氧化态的第一载氧体与燃料反应以还原氧化态的第一载氧体为还原态的第一载氧体，并将还原态的第一载氧体输送至第一流化反应器。
在步骤S53中，通过第一流化反应器将还原态的第一载氧体输送回空气反应器。
在步骤S54中，利用释氧反应器通过空气反应器产生的热能还原氧化态的第二载氧体为还原态的第二载氧体以产生氧气，并将还原态的第二载氧体输送至第二流化反应器。
在步骤S55中，通过第二流化反应器输送还原态的第二载氧体至吸氧反应器。
在步骤S56中，以热交换器调整第二流化反应器的温度，以进行第一次温度调控。
在步骤S57中，将空气注入吸氧反应器使空气与还原态的第二载氧体反应以氧化还原态的第二载氧体为氧化态的第二载氧体，并调整吸氧反应器的温度，以进行第二次温度调控，再将氧化态的第二载氧体输送回释氧反应器。
值得一提的是，现有技艺的化学回路空气分离制氧装置由于缺乏有效的温度调控机制，因此无法有效调整载氧体被氧化时使温度大幅上升情况，因此不利于载氧体恢复氧化态，也无法防止载氧体产生烧结的情况。相反的，根据本发明的实施例，化学回路空气分离制氧装置的第二流化反应器设置有热交换器，其可调整第二流化反应器的温度以进行第一次温度调控，因此有利于还原态的载氧体恢复氧化态，且能防止载氧体会产生烧结的情况，因此可提升载氧体的效能。
又，根据本发明的实施例，化学回路空气分离制氧装置的吸氧反应器可包含空气注入口，空气注入口可注入空气使空气与还原态的载氧体反应以氧化还原态的载氧体为氧化态，并可调整吸氧反应器的温度以进行第二次温度调控，因此有利于还原态的载氧体恢复氧化态，且能防止载氧体会产生烧结的情况，因此进一步提升载氧体的效能。
此外，根据本发明的实施例，化学回路空气分离制氧装置的释氧反应器可采用成本较低的载氧体做为制氧的材料，因此可以使化学回路空气分离制氧装置的成本降低。
再者，根据本发明的实施例，化学回路空气分离制氧装置的结构简单，因此可以在不大幅增加成本的情况下达到所欲达到的功效。由上述可知，本发明实具进步性的专利要件。
综上所述，本发明的一实施例中，化学回路空气分离制氧装置的释氧反应器可设置于空气反应器内，使释氧反应器可有效利用利用空气反应器产生的热能还原氧化态的载氧体为还原态，故可达到更高的能源利用效率。
本发明之一实施例中，化学回路空气分离制氧装置的第二流化反应器设置有热交换器，其可调整第二流化反应器的温度以进行第一次温度调控，因此有利于还原态的载氧体恢复氧化态，且能防止载氧体会产生烧结的情况，因此可提升载氧体的效能。
又，本发明之一实施例中，化学回路空气分离制氧装置的吸氧反应器可包含空气注入口，空气注入口可注入空气使空气与还原态的载氧体反应以氧化还原态的载氧体为氧化态，并可调整吸氧反应器的温度以进行第二次温度调控，因此有利于还原态的载氧体恢复氧化态，且能防止载氧体会产生烧结的情况，因此进一步提升载氧体的效能。
此外，本发明之一实施例中，化学回路空气分离制氧装置的释氧反应器可采用成本较低的载氧体做为制氧的材料，因此可以使化学回路空气分离制氧装置的成本降低。
再者，本发明之一实施例中，化学回路空气分离制氧装置的结构简单，因此可以在不大幅增加成本的情况下达到所欲达到的功效。
可见本发明在突破先前的技术下，确实已达到所欲增进的功效，且也非熟悉该项技艺者所易于思及，其所具的进步性、实用性，显已符合专利的申请要件，爰依法提出专利申请，恳请贵局核准本件发明专利申请案，以励创作，至感德便。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。其它任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应该包含于后附的权利要求中。