利用铝渣产生氢气的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种利用铝渣再生利用的方法及系统，尤指是一种可在低的操作温度条件下，利用铝渣产生氢气的方法及系统。

背景技术

金属铝的再生及每年废铝熔炼将产生数万吨的初级浮渣废弃物，又称为铝渣，铝渣为相当棘手的废弃物，因其具有氮化铝（AlN）等化性不稳定的铝金属微颗粒化合物，及含氟／氨硅化合物等，不管是掩埋、堆积，其遇水气后将水解，长期释出极臭的氨气，造成环境与人体安全危害；如今，针对铝渣的回收也有相关的专利，例如：专利公告号TWI371431B的中国台湾专利公开一种由二次熔炼铝渣中回收氧化的方法，主要利用高温（750～1300℃）碱性焙烧，令铝渣中的主成分氧化铝以及二氧化硅与添加的药剂进行高温化学反应，生成可溶性铝酸化物以及不溶性硅酸化物，之后施以稀碱性溶出而获得铝溶液，接着进行中和沉淀可获得氢氧化铝结晶沉淀，最后经过高温煅烧后即可产出高纯度氧化铝，其他又如专利号CN112111657A的中国专利，公开一种利用铝灰渣制备高纯铝的装置及其使用方法，专利号US11066723B2的美国专利，公开Systems and methods to chemically treat metal-bearing waste streams to recover value-added materials等。

上述方法虽可解决废弃铝渣回收问题，然而，工艺却因此需要耗费大量能源，且铝渣回收中，将会产生有副产物-氢气，以往由铝渣中产生的氢气因具有可燃的性质，皆被视为铝渣回收需被处理的问题；但氢能为现今极具发展潜力的清洁能源，其燃烧、使用完后所产生的产物仅为水，相对于其他能源种类，氢能不会造成环境污染；因此，如何在针对铝渣废弃物处理时，能够有效降低铝渣处理的工作温度及耗能，且更可通过铝渣产生并收集高附加价值的氢气，此乃待解决的问题。

发明内容

有鉴于上述的问题，本发明人依据多年来从事相关行业的经验，针对利用铝渣产生氢气的方法及系统进行改进；因此，本发明的主要目的在于提供一种利用铝渣产生氢气的方法及系统，以低的操作温度，可有效利用铝渣产生并收集氢气。

为达上述的目的，本发明是这样实现的：

本发明的一种利用铝渣产生氢气的系统，包括：

一产氢桶，供容置一铝渣与一碱液并产生一氢气，

一出气口，开设于该产氢桶上缘或顶部，其具有出气的一压力阀值；

一逆止阀，组设于该出气口，供以防止该氢气逆流；

一压力表，组设于该产氢桶，供以监测该产氢桶的一压力；以及

当该压力达到该压力阀值时，该出气口输出该氢气。

其中，还包括开设于该产氢桶下缘或底部的一进液口，供以输入该碱液。

其中，包括开设于该产氢桶上缘或顶部的一进料口，供以输入该铝渣。

其中，还包括开设于该产氢桶下缘或底部的一出料口，供以输出反应完毕的一废液。

其中，还包括一加压泵，与该出气口相组设，供以对输出的该氢气加压。

其中，还包括布设于该产氢桶内部的一水雾装置，使该氢气被一水雾通过。

其中，还包括一干燥装置，该干燥装置与该出气口相组设，供以对输出的该氢气除水。

其中，还包括一热交换装置，组设于该产氢桶，供以流经一工作流体，调节该产氢桶的温度。

本发明的一种利用铝渣产生氢气的方法，包括：

一碱处理步骤：取一铝渣及一碱液在一密闭环境内进行反应，并产生一氢气及一混浊金属离子溶液；

一蓄压步骤，该氢气持续于该密闭环境中生成，并使该密闭环境的一压力持续上升；以及

一输气步骤，当该压力达到一压力阀值时，将该氢气由该密闭环境输出。

其中，该碱液包括重量百分浓度0.01%～10%的一氢氧化钠、重量百分浓度0%～5%的一碳酸钠、重量百分浓度0%～5%的一碳酸氢钠、及重量百分浓度0.1%～2%的一消泡剂。

其中，在该碱处理步骤时，该反应环境为室温至该压力下水的沸点。

其中，在该碱处理步骤后，还包括一吸收步骤：将产生的该氢气被一水雾通过。

其中，在该输气步骤后，还包括一干燥步骤：将被输出的该氢气进行干燥除水。

其中，在该碱处理步骤中的该铝渣，先经过筛孔为4目到10目的一筛网筛分，并取未通过该筛网的铝渣进行该碱处理步骤。

本发明的利用铝渣产氢气的系统系包括一产氢桶，产氢桶具有一出气口、一进液口、一进料口、及一出料口，产氢桶内供以作为铝渣再生反应，及产生的一氢气进行蓄压的一密闭环境，当氢气蓄集压力达一压力阀值时，可通过出气口将氢气导出并储存于各储氢设备或使用氢气制造能源的设备；利用铝渣产生氢气的方法，将铝渣与pH值8～11即可产出低流量的氢气（H2）；也可将铝渣与pH值11～20碱液混合，即可生成较大流量的氢气；此外，另外会产生有副产物为氢氧化铝（Al(OH)3）及氨气（NH3）；其中氨气（NH3）遇碱液即被溶解吸收，使氢气中以及经过处理的铝渣不会再排出有氨气造成环境污染；另外还可通过收集沉淀物氢氧化铝，其为具高经济附加价值的产物，如此，本发明在铝渣的再生反应时，可不需额外有高温的耗能以达到工作条件需求，还可通过产氢桶收集反应产物氢气，作为良好的再生能源，同时解决环保及能源的问题。

为使贵审查委员得以清楚了解本发明的目的、技术特征及其实施后的功效，兹以下列说明搭配图示进行说明，敬请参阅。

附图说明

图1，为本发明的系统示意图（一）；

图2，为本发明的系统示意图（二）；

图3，为本发明的实施示意图；

图4，为本发明的方法流程图；

图5，为铝渣成分分析结果（一）；

图6，为铝渣成分分析结果（二）；

图7，为本发明的另一实施例（一）；

图8，为本发明的另一实施例（二）；

图9，为本发明的另一实施例（三）；

图10，为本发明的另一实施例（四）。

附图标记说明

1 利用铝渣产生氢气系统

11产氢桶 12 出气口

13进液口 121逆止阀

14进料口 15 出料口

P 压力表 U加压泵

H pH计 S可拆筛网

T 储气装置 A螺旋片

W 水雾装置 E热交换器

S1碱处理步骤 S2 蓄压步骤

S3输气步骤 S4 筛分步骤

S5吸收步骤 S6 干燥步骤。

具体实施方式

请参阅图1，图1为本发明的系统示意图（一），如图所示，本发明的利用铝渣产生氢气系统1，其主要包括一产氢桶11，产氢桶11包括一出气口12、一进液口13、一进料口14、及一出料口15，以下对各组件进行例示：

(1)产氢桶11可形成一密闭环境状态，供容置一铝渣与一碱液，并以产氢桶11作为反应容器产生一氢气，产氢桶11材质可例如由碳锰钢、不锈钢、锆或镍基合金等耐强碱的材料所制成；请搭配参阅图2，为本发明的系统示意图（二），图中所呈现为产氢桶11内部俯视图，可选的，产氢桶11其成型为一桶状且内表面成型有螺旋片A结构，当铝渣与碱液反应时，将因化学反应放热导致液体有强烈的热对流产生，以此可在不另外借助搅拌装置的辅助下仍使碱液与各铝渣具有良好的接触及反应；较佳的，产氢桶11组设有一压力表P，可供监测产氢桶11内部的一压力；此外，产氢桶11还可具有一热交换器E，热交换器E可例如为一套管式换热器、一蛇管式换热器、或一夹套换热器等，但不以此为限；热交换器E可供低温的一工作流体流入后，与产氢桶11内反应物进行热交换后流出高温的工作流体，如此不仅可通过热交换器E调控产氢桶11内的反应温度，还可使反应热可被再利用。

(2)出气口12开设于产氢桶11上缘或顶部，供以将由产氢桶11中产生的氢气输出，其具有出气的一压力阀值，可使产氢桶11内压力累积至压力阀值时，使氢气由出气口12输出至一高压钢瓶、一耐高压气体容器、一耐高压气体管路、一化学反应槽、一燃烧设备、或一氢燃料电池；较佳的，出气口12组设有一逆止阀121，可防止输出的氢气逆流。

(3)进液口13开设于产氢桶11下缘或底部，供以输入与铝渣反应的碱液；较佳的，产氢桶11另外组设有一pH计H，供以监测产氢桶11内的酸碱值，由于铝渣与碱液进行产氢反应时，效率随着pH值上升，故当产氢桶11内的碱液随着反应消耗，致使pH值下降时，可通过进液口13补充碱液，以确保产氢效率；此外，由进液口13输入碱液还可降低喷溅、突沸等工安危险的发生。

(4)进料口14开设于产氢桶11上缘或顶部，供以将铝渣通过进料口14投入产氢桶11中，可选的，进料口14具有一窥视孔，可通过窥视孔查看产氢桶11内部情况。

(5)出料口15开设于产氢桶11下缘或底部，供以输出在产氢桶11内经过反应的铝渣、碱液、及产生的一混浊金属离子溶液，较佳的，出料口15组设有一可拆筛网S，通过可拆筛网S可使出料口15将碱液及混浊金属离子溶液先行输出产氢桶11，可使产物便于进行后段废弃物处理制成，以及通过进液口13、出料口15、及可拆筛网S协作，可供产氢桶11内的液体体积呈现动态平衡，使产氢桶11可依需求调整为间歇式反应器（Batch reactor）、或连续式反应器（Continuous reactor）。

请参阅图3，为本发明的实施示意图，本发明于实施时，将铝渣及碱液送入产氢桶11中，并关闭产氢桶11，使其成为密闭环境，铝渣与碱液反应将持续产生氢气及放热，利用氢气体气泡往上及桶内热交换器E冷热对流，即可使碱液与铝渣充分接触及反应，当氢气持续于密闭环境产生时，将在产氢桶11内累积压力，当压力超过压力阀值，可满足填充高压钢瓶、耐高压气体容器、耐高压气体管路、化学反应槽、燃烧设备、或氢燃料电池时，及输出至各储气装置T，完成氢气的产生及收集；此外，出气口12还可与一加压泵U相组设，以对输出的氢气再做进一步加压，以符合高压钢瓶、耐高压气体容器、耐高压气体管路、化学反应槽、燃烧设备、或氢燃料电池等气体的压力需求。

请参阅图4，为本发明的方法流程图，如图所示：

(1)一碱处理步骤S1：取一铝渣及一碱液在一密闭环境内进行反应，产生一氢气及一混浊金属离子溶液，其中，碱液为由一氢氧化钠（NaOH）、一碳酸钠（Na

(2)一蓄压步骤S2：由碱处理步骤S1所产生的氢气持续于密闭环境中生成，并使密闭环境的一压力持续上升，此时，随着密闭环境的压力上升，将进一步提高碱液的沸点温度，以此使铝渣及碱液反应时有更高的产氢效率。

(3)一输气步骤S3：当该压力达到一压力阀值时，将氢气由密闭环境输出。

请参阅图5～图6，为铝渣成分分析结果（一）及（二），如图所示，铝渣由废铝熔炼产生的初级浮渣废弃物，其由外观区分常见为细粒径的小颗粒及粉末，与难以研磨粉碎的粗粒径的大颗粒，图5为细粒径的铝渣成分分析，图6为粗粒径的铝渣成分分析；经分析小颗粒铝渣为所含可利用及产生氢气成分的铝金属及其衍生物含量低，大多为有机化合物；而大颗粒的铝渣则具有相对高含量的可再生铝金属及其衍生物；请搭配参阅图7，为本发明的另一实施例（一），因此，在执行碱处理步骤S1前，可包括一筛分步骤S4，将铝渣以一筛网对铝渣进行筛分处理，取未通过筛网的粗粒径铝渣进行后续碱处理步骤S1，其中，筛网的筛孔可选为4目到10目。

请参阅图8，为本发明的另一实施例（二），由于铝渣内含有一氮化铝（AlN），氮化铝（AlN）在遇水气将分解出一氨气（NH3），导致环境危害，经过本发明处理的铝渣，可将氮化铝所分解的氨气溶解于碱液中，避免了释出的氨气造成环境危害及收集的氢气具有杂质等问题，更好的确保收集的氢气质量，此外，本发明在产氢桶11内部组设有一水雾装置W，可通过水雾装置W产生水雾，使氢气通过水雾确保不会有氨气残留于氢气中；请搭配参阅图9，为本发明的另一实施例（三），在碱处理步骤S1后，可包括一吸收步骤S5，将产生的氢气被一水雾通过，水雾将未被溶解的氨气进行吸收，确保产生的氢气质量，于本发明的利用铝渣产生氢气系统1中，产气桶11内部可布设有水雾装置W，供以定时产生水雾，使产生的氢气被水雾所通过，确保输出的氢气质量。

请参阅图10，为本发明的另一实施例（四），如图所示，本发明的利用铝渣产生氢气的系统及方法因处于密闭环境且为接近水沸点的反应环境，水蒸气有较高的蒸气压，使得产生的氢气含水率高，因此可在出气口12组设有一干燥装置，供以对输出的氢气除水，及在输气步骤S3后，包括一干燥步骤S6，将被输出的氢气进行干燥除水；其中，干燥装置可选的为一冷凝管装置、或一利用氯化亚钴进行干燥等。

本发明的利用废铝渣产生氢气的方法，以下以一实施例做例示，取60克的氢氧化纳、碳酸钠、碳酸氢钠混合物，溶解于1.5公升的水制成碱液，并将碱液与100克的铝渣投入密闭环境混合，将持续观察到碱液冒泡产生氢气，待液面停止冒泡则铝渣已产氢完成且被处理完毕，产氢途中，若密闭环境达压力阀值，则可持续稳定输出氢气，完成产氢及搜集氢气需求。

由上所述可知，本发明的利用废铝渣产生氢气的方法及系统，其铝渣处理工艺为将铝渣与碱液于密闭环境进行反应，所产生的反应热将提供工艺工作温度能量，使铝渣产氢时不需额外消耗能源，铝渣与碱液反应后将产生有氢气，通过于密闭环境进行蓄压，在达到所需压力阀值后可导出即可作为再生能源；前述铝渣与碱液可于具有出气口、进液口、进料口、及出料口的产氢桶中进行反应，当氢气于产氢桶中达到压力阀值时，由出气口输出氢气，出气口具有逆止阀，可避免输出氢气回流，另外，产氢桶还具有压力表、pH计等可时刻监控反应装况，通过出料口与进液口可使产氢桶随需求，动态调整为间歇式反应器或连续反应器；因此，本发明其据以实施后，确实可以达到有效降低铝渣处理的工作温度及耗能，且更可通过铝渣产生并收集高附加价值的氢气的目的。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明实施的范围；任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神与范围下所作的均等变化与修饰，皆应涵盖于本发明的专利范围内。