本发明涉及沼气纯化领域，尤指一种用于分离沼气中的二氧化碳，使沼气经纯化后取得纯度较高的甲烷，并提供作为环保能源使用的沼气纯化系统。
背景技术：
随着科技的进步以及人们生活水准的提高，家家户户几乎都有至少一辆机车或汽车代步工具。为因应大量的机车与汽车的动力来源需求，近年来石油开采业者更加速了石油的开采速度。但根据科学家的研究显示，石油的生成可能需要数千年至数万年的时间，因此地球上的石油以目前的开采以及使用速度，很快就会面临消耗殆尽的一天。因此，替代能源的寻找与开发为目前世界各国极为重视的课题之一；其中，沼气更成为被受瞩目的其中一种替代能源。
沼气通常自然地生成在河边的湿地、沼泽地处，湿地或沼泽地处的植物腐败后所形成的土壤表面下呈现厌氧状态，进而使土壤表面下的有机物质发生厌氧分解与发酵，最终形成沼气。一般沼气中除了含有甲烷气体并为其主要成分外，另伴随着二氧化碳气体的存在。
根据目前科学研究，当甲烷气体的纯度达到一定的程度后，即可以拿来作为汽、机车的动力能源使用，因此，如何将沼气中的二氧化碳气体去除，以保留高纯度的甲烷气体，使其可作为石油的替代能源，为现今科学家急欲积极发展的气体纯化技术。
中国台湾发明专利公告第267365号公报揭示一种再生式水洗沼气纯化装置，其将含有甲烷气体与二氧化碳气体的沼气通入吸收塔后，使吸收塔内的水可以吸附二氧化碳气体，以此将二氧化碳气体随着水被带走，最后再单独将甲烷气体排出，以完成沼气的纯化工作。
但由于二氧化碳气体于一般室温液体温度下的环境中仅能略溶于水中，若要二氧化碳气体大量地溶于水，一般需要施予一定的大气压力才行，且一旦减压后二氧化碳气体又会从水中跑出来，因此，该加压与减压过程不易操控，且该加压与减压的过程耗费能源，亦需要大范围的面积使得水与二氧化碳气体可以直接接触，故由前述原理可以合理推测经前述再生式水洗沼气纯化装置纯化后所得到的气体中除了大部分为甲烷气体以外，其纯化后的气体中必然仍含有一定量的二氧化碳气体，显示该篇专利文献所揭示的沼气纯化效果不佳，无法将纯化后的气体直接作为汽、机车的燃料使用。
技术实现要素：
有鉴于现有技术所面临的问题，本发明的目的在于解决二氧化碳气体溶于水中或是吸附于水中后难以与水完全分离的问题，通过本发明所提供的沼气纯化系统可以在常压下让二氧化碳气体溶于水，再对水加温以提升二氧化碳气体离开水中的量，又再利用投药方式使得残留于水中的二氧化碳分子可以完全与水分子分离，使得水可以与二氧化碳分离后重复被循环并提供予甲烷与二氧化碳分离使用。
为实现上述目的，本发明提供了一种沼气纯化系统，其包括：
一沼气分离单元，其包括：
一沼气输入器，其中该沼气包含有甲烷与二氧化碳；以及
一甲烷输出器；
一甲烷与二氧化碳分离单元，其分别与该沼气输入器以及该甲烷输出器相连接，并且该甲烷与二氧化碳分离单元设于该沼气输入器与该甲烷输出器之间；
一二氧化碳分离单元，其包括：
一液体加热器，其与甲烷与二氧化碳分离单元相连接；
一二氧化碳过滤器，其与该液体加热器相连接；
一储液桶，其与该二氧化碳过滤器相连接，并且该甲烷与二氧化碳分离单元设于该液体加热器与该储液桶之间；
一投药器，其与该储液桶相连接；以及
一真空抽气装置，其与该储液桶相连接。
根据本发明所述的沼气纯化系统，优选地，该投药器中装设有二氧化碳吸附剂。
根据本发明所述的沼气纯化系统，优选地，该二氧化碳吸附剂为甲基二乙醇胺、三乙烯四胺、胺基乙基乙醇胺的其中之一或其组合。
根据本发明所述的沼气纯化系统，优选地，该二氧化碳过滤器中设有一二氧化碳过滤膜。
根据本发明所述的沼气纯化系统，优选地，该二氧化碳过滤膜的一侧呈真空状态，该二氧化碳过滤膜的另一侧填充含有二氧化碳气体的水溶液。
根据本发明所述的沼气纯化系统，优选地，该储液桶的顶端设有一液面控制器，而该储液桶的一侧设有一排水装置。
根据本发明所述的沼气纯化系统，优选地，该二氧化碳分离单元包括一二氧化碳排出器以及一纯水补充装置，该二氧化碳排出器与该纯水补充装置分别与该二氧化碳过滤器相连接，并且该二氧化碳排出器与该二氧化碳过滤器之间设有一抽气泵。
根据本发明所述的沼气纯化系统，优选地，该二氧化碳分离单元包括一冷却装置，该冷却装置具有一热水管与一冷水管，并且该冷却装置通过该冷水管与该热水管连接至该储液桶。
根据本发明所述的沼气纯化系统，优选地，该沼气纯化系统具有多个抽气泵以及一抽液泵，其中，所述抽气泵分别设置于该沼气输入器与该甲烷与二氧化碳分离单元之间，以及该甲烷与二氧化碳分离单元与该甲烷输出器之间，该抽液泵设置于该储液桶与该甲烷与二氧化碳分离单元之间。
为达成前述目的，本发明提供了一种沼气纯化系统，其包括：一沼气分离单元、一甲烷与二氧化碳分离单元、一二氧化碳分离单元。其中，该甲烷与二氧化碳分离单元连接该沼气分离单元与该二氧化碳分离单元。该沼气分离单元包含：一沼气输入器与一甲烷输出器，该沼气包含有甲烷与二氧化碳。该甲烷与二氧化碳分离单元分别与该沼气分离单元的该沼气输入器以及该甲烷输出器相连接，并且该甲烷与二氧化碳分离单元设于该沼气输入器与该甲烷输出器之间。该二氧化碳分离单元包含：一液体加热器、一二氧化碳过滤器、一储液桶、一投药器以及一真空抽气装置；该液体加热器与该甲烷与二氧化碳分离单元相连接，该二氧化碳过滤器与该液体加热器相连接，该储液桶与该二氧化碳过滤器相连接，并且前述甲烷与二氧化碳分离单元设于该液体加热器与该储液桶之间，该投药器独立地与该储液桶相连接，该真空抽气装置独立地与该储液桶相连接。
本发明通过甲烷与二氧化碳分离单元分离沼气中的甲烷气体以及二氧化碳气体，并且通过沼气分离单元以及二氧化碳分离单元同时与甲烷与二氧化碳分离单元相连接而达到带走沼气中的二氧化碳气体、得到沼气纯化过后的高纯度甲烷气体的目的。此外，本发明亦利用了二氧化碳分离单元进一步将溶于水中的二氧化碳或是吸附于水中的二氧化碳的中的水分子与二氧化碳分子分离，进而使得水可以重复循环提供予甲烷与二氧化碳分离单元将二氧化碳气体从沼气中带走，连续不断地进行沼气的纯化工作，使得纯化过后的高纯度的甲烷气体可以不断地被本发明的沼气纯化系统生产出来并且提供使用。另本发明同时利用液体加热器控制溶有或吸附有二氧化碳气体分子的碳酸水溶液的液体温度，以此调整水释放二氧化碳气体的能力。
较佳的，该投药器中装设有二氧化碳吸附剂。
更佳的，该二氧化碳吸附剂为：甲基二乙醇胺(methyldiethanolamine，mdea)、三乙烯四胺(triethylenetetramine，teta)、胺基乙基乙醇胺(aminoethylethanolamine，aeea)的其中之一或其组合、活性碳或沸石。
较佳的，该二氧化碳过滤器中设有一二氧化碳过滤膜。该二氧化碳过滤膜具有多个过滤孔洞，其仅能够提供二氧化碳气体分子通过所述过滤孔洞，而无法使水分子通过所述过滤孔洞，以此将溶有或吸附有二氧化碳气体分子的水溶液中的水分子可以与二氧化碳分子分离，将溶解有或吸附有二氧化碳气体分子的水溶液分离形成二氧化碳气体与纯水液体。此外，通过该二氧化碳过滤膜的设置可以有效增加二氧化碳气体与水的接触面积，进而可以缩小整体沼气纯化系统的体积。
更佳的，该二氧化碳过滤膜的一侧呈真空状态，该二氧化碳过滤膜的另一侧填充有含有二氧化碳气体的水溶液；更具体而言，该二氧化碳过滤膜的另一侧为溶解有或吸附有二氧化碳气体的水溶液。此技术手段利用该二氧化碳过滤膜的一侧呈真空状态，使得填充溶解有或吸附有二氧化碳气体的水溶液的二氧化碳过滤膜的另一侧因为大气压力的作用下，使得二氧化碳气体会由具有大气压力的一侧朝向真空方向通过该二氧化碳过滤膜进入到二氧化碳过滤膜的真空侧，以此达到水分子与二氧化碳分子的过滤分离的目的。
较佳的，该储液桶的顶端设有一液面控制器，而该储液桶的一侧设有一排水装置。此技术手段利用液面控制器控制排水装置的运作时机，当液面控制器侦测到储液桶已超过满水位时，即会马上启动排水装置运作，将多余的水排出，避免储液桶中的水过多而溢出，影响整体沼气纯化系统的运作。
较佳的，该液体加热器的液温控制范围为30℃至70℃。其主要加温目的为将溶解有或吸附有二氧化碳气体的水溶液加热后，利用水于高温下对于二氧化碳气体的溶解度下降的特性，帮助水分子与二氧化碳分子相互分离，以此加速水分子与二氧化碳分子的分离速度，提升后续二氧化碳过滤器的分离效率。
较佳的，该二氧化碳分离单元包括一二氧化碳排出器以及一纯水补充装置，该二氧化碳排出器与该纯水补充装置分别与该二氧化碳过滤器相连接，并且该二氧化碳排出器与该二氧化碳过滤器之间设有另一抽气泵。此技术手段利用二氧化碳排出器以及抽气泵帮助将分离出来的二氧化碳气体可以有效被排出，甚至可以将分离出来的二氧化碳气体收集之后再利用。另纯水补充装置可以额外提供纯水予二氧化碳过滤器，并且与过滤后取得的水一同流入储液桶中暂存，以提供充足的水量予甲烷与二氧化碳分离单元使用。
较佳的，该二氧化碳分离单元包括一冷却装置，该冷却装置具有一热水管与一冷水管，并且该冷却装置通过该冷水管与该热水管与该储液桶相连接。此技术手段为利用冷却装置控制纯水的温度，以此调整纯水溶解二氧化碳气体的能力，以提升沼气中的二氧化碳的分离效率以及甲烷气体的纯化效率。
较佳的，该沼气纯化系统具有多个抽气泵以及一抽液泵，其中所述抽气泵分别设置于该沼气输入器与该甲烷与二氧化碳分离单元之间以及该甲烷与二氧化碳分离单元与该甲烷输出器之间，而该抽液泵设置于该储液桶与该甲烷与二氧化碳分离单元之间。此技术手段利用抽气泵与抽液泵的辅助使用帮助气体与液体的流通，以促进本发明的沼气纯化系统运作的流畅性以及提升沼气纯化的效率。
附图说明
图1为本发明的沼气纯化系统的系统配置图；
图2为本发明的沼气纯化系统的甲烷与二氧化碳分离单元的运作示意图；
图3为本发明的沼气纯化系统的二氧化碳过滤器的内部结构示意以及其运作示意图。
主要附图标号说明：
10、沼气分离单元；11、沼气输入器；
12、甲烷输出器；20、甲烷与二氧化碳分离单元；
30、二氧化碳分离单元；31、液体加热器；
32、二氧化碳过滤器；33、储液桶；
331、热水管；332、冷水管；
34、二氧化碳排出器；35、纯水补充装置；
36、投药器；37、真空抽气装置；
38、排水装置；39、冷却装置；
40a、40b、40c、抽气泵；50、抽液泵。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例及说明书附图对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例
本实施例提供了一种沼气纯化系统，其配置图如图1所示，该沼气纯化系统包括：一沼气分离单元10、一甲烷与二氧化碳分离单元20、一二氧化碳分离单元30、三抽气泵40a、40b、40c以及一抽液泵50。
该沼气分离单元10具有一沼气输入器11以及一甲烷输出器12，其中该沼气为包含有甲烷气体与二氧化碳气体的混合气体，并且该沼气输入器11与该甲烷输出器12分别与该甲烷与二氧化碳分离单元20相连接。更具体而言，该甲烷与二氧化碳分离单元20设置于该沼气输入器11与该甲烷输出器12之间，并且该甲烷与二氧化碳分离单元20分别与该沼气输入器11以及该甲烷输出器12相连通，使沼气中的含有甲烷气体与二氧化碳气体的混合气体可以经由该沼气输入器11进入该甲烷与二氧化碳分离单元20中，并且通过该甲烷与二氧化碳分离单元20的分离作用而将纯度较高的甲烷气体传送至该甲烷输出器12，进而将纯度较高的甲烷气体自该甲烷输出器12排出，作为石油的替代能源的提供与使用。
另该沼气输入器11与该甲烷与二氧化碳分离单元20之间设有一抽气泵40a、该甲烷与二氧化碳分离单元20与甲烷输出器12之间设有另一抽气泵40b，该抽气泵40a用于帮助将沼气自该沼气输入器11抽取输送至该甲烷与二氧化碳分离单元20中，以进行甲烷气体与二氧化碳气体的分离作业，而该抽气泵40b用于帮助将该甲烷与二氧化碳分离单元20分离出来的甲烷气体抽取并且输送至该甲烷输出器12，以使甲烷气体可以顺利自甲烷输出器12排出使用，不会残留于该甲烷与二氧化碳分离单元20以及该甲烷输出器12之间而造成能源的浪费。
该二氧化碳分离单元30依序包括：一液体加热器31、一二氧化碳过滤器32以及一储液桶33，其中该二氧化碳过滤器32进一步分别延伸连接一二氧化碳排出器34以及一纯水补充装置35，而该储液桶33进一步分别延伸连接一投药器36、一真空抽气装置37、一排水装置38以及一冷却装置39。
该液体加热器31与该储液桶33分别与该甲烷与二氧化碳分离单元20相连接。具体而言，该甲烷与二氧化碳分离单元20设置于该液体加热器31与该储液桶33之间，以使得该储液桶33中容置的纯水可以通过该甲烷与二氧化碳分离单元20进入该液体加热器31中进行加热。更具体而言，如图2所示，前述沼气分离单元10的沼气输入器11将含有甲烷气体与二氧化碳气体的混合气体输送进入该甲烷与二氧化碳分离单元20的同时，该储液桶33中容置的纯水由储液桶33进入该甲烷与二氧化碳分离单元20，并且通过二氧化碳气体略溶于纯水而形成的碳酸水溶液以及水分子可以吸附二氧化碳气体的特性，将二氧化碳气体自含有甲烷气体与二氧化碳气体的混合气体中带走，并且进一步将溶有二氧化碳气体的碳酸水溶液与吸附有二氧化碳气体的水分子输送至液体加热器31中进行加温，以利后续二氧化碳气体分子与水分子的进一步分离。通过上述溶解与吸附作用，由甲烷与二氧化碳分离单元20送入甲烷输出器12的甲烷气体能具有较高的纯度，并且进一步将纯度较高的甲烷气体自甲烷输出器12排出供使用者使用。
该液体加热器31可以将溶有二氧化碳气体的碳酸水溶液与吸附有二氧化碳气体的水分子于室温(约30℃)的温度条件下加热至约70℃，如此通过升温可降低纯水与二氧化碳气体的溶解度以及水分子与二氧化碳气体的吸附性，帮助部分碳酸水溶液分解为水与二氧化碳气体，同时协助吸附于水分子上的二氧化碳气体与水分子分离，并且再将上述物质一起输送至二氧化碳过滤器32中进行水与二氧化碳气体的分离工作。
该二氧化碳过滤器32中设有一二氧化碳过滤膜321，该二氧化碳过滤膜321上具有许多孔洞，所述孔洞的大小为可以让二氧化碳气体分子通过而无法让水分子通过即可，本实施例的孔洞尺寸约为0.03微米(μm)，并且该二氧化碳过滤膜321将该二氧化碳过滤器32中的空间分隔为一近似真空的气体流动空间322以及一液体流通空间323，如图3所示。当水与二氧化碳气体一起被输送至二氧化碳过滤器32中的液体流通空间323时，由于该气体流动空间322几乎呈真空状态，因此根据大气压力的气体会从大气压力大处往大气压力小处移动的定律，于液体流通空间323中的二氧化碳气体会因为大气压力的作用而经由二氧化碳过滤膜321上的孔洞进入到近似真空的气体流动空间322中，而水分子则因为无法通过该二氧化碳过滤膜321上的孔洞而继续朝向储液桶33方向流动，以达成水与二氧化碳气体的分离工作。
该进一步与二氧化碳过滤器32延伸连接的该二氧化碳排出器34其与前述气体流动空间322相连通，并且于该二氧化碳过滤器32与该二氧化碳排出器34之间另设有一抽气泵40c，该抽气泵40c用于帮助将分离出来的二氧化碳气体抽取输送至该二氧化碳排出器34，并且将二氧化碳气体自二氧化碳排出器34排出，以使得二氧化碳气体不会停留于该二氧化碳过滤器32以及该二氧化碳排出器34之间的连通道中，增加连通道中的气体压力，进而影响后续该二氧化碳过滤器32进行水与二氧化碳气体分离的效率。
此外，由于经过二氧化碳过滤器32分离过后的水会流入储液桶33中暂存，以再一次提供予甲烷与二氧化碳分离单元20分离甲烷气体与二氧化碳气体使用，但又因为前述液体加热器31对液体加温因而加速了水的蒸散作用，因此造成水量于液体加热器31及二氧化碳过滤器32的运作过程中会逐渐减少，所以为了后续能够不断地提供充足的水量予甲烷与二氧化碳分离单元20进行甲烷气体与二氧化碳气体的分离工作，本发明进一步于二氧化碳过滤器32上延伸连接一纯水补充装置35，使得由纯水补充装置35额外提供的纯水可以与二氧化碳过滤器32过滤后取得的水一同流入储液桶33中暂存，以提供充足的水量予甲烷与二氧化碳分离单元20使用。
当经二氧化碳过滤器32过滤后取得的水流入储液桶33中暂存后，由于仍有少量的碳酸水溶液以及少量仍吸附于水分子上的二氧化碳气体会一起流入储液桶33中暂存，因此该储液桶33进一步延伸连接一投药器36，该投药器36中装置有二氧化碳吸附剂，该二氧化碳吸附剂可以为甲基二乙醇胺、三乙烯四胺或是胺基乙基乙醇胺。本发明的沼气纯化系统可以将前述二氧化碳吸附剂投入储液桶33中，促使碳酸水溶液中的二氧化碳分子与水分子完全分离，并且使吸附于水分子上的二氧化碳气体与水分子分离，再利用与储液桶33进一步延伸连接的真空抽气装置37将由二氧化碳吸附剂与水作用后所产生的二氧化碳气体抽离储液桶33中，使得储液桶33中仅留下纯水而不会有二氧化碳气体的残留。
此外，该储液桶33的顶端另设有一液面控制器(图中未示)，该液面控制器可以侦测储液桶33中的纯水储存量，当储液桶33中的纯水储存量超过液面警戒线时，该液面控制器会启动与储液桶33相连接的排水装置38开始进行排水运作，以此可以有效避免储液桶33中的水量非预期性地溢出而影响整个沼气纯化系统的运作。
最后，在该储液桶33中的纯水再次提供予甲烷与二氧化碳分离单元20进行甲烷气体与二氧化碳气体分离使用之前，该储液桶33通过一热水管331与一冷水管332与该冷却装置39相连通，使得储液桶33中的纯水先经由热水管331流入冷却装置39中进行冷却后，再由冷水管332回流至储液桶33中储存，以让储液桶33提供予甲烷与二氧化碳分离单元20的纯水处于低温状态，该低温状态可以为22℃至26℃，而最佳为4℃，如此将更有利于纯水溶解二氧化碳气体，使纯水更可以在甲烷与二氧化碳分离单元20中将二氧化碳气体溶解或吸附，以此提升储液桶33所提供的纯水可以带走甲烷与二氧化碳分离单元20中的二氧化碳气体的能力与气体量，进而提高沼气中的甲烷的纯化浓度，更有效提升沼气中的甲烷的纯化效果。
此外，为了帮助将储液桶33中的纯水有效输送至甲烷与二氧化碳分离单元20，于储液桶33与甲烷与二氧化碳分离单元20之间设有一抽液泵50，该抽液泵50即可有效地将储液桶33中经冷却装置39冷却过后的纯水抽取至甲烷与二氧化碳分离单元20，供甲烷气体与二氧化碳气体的分离作业使用。
综上所述，本发明的沼气纯化系统不但利用液体加热器31与冷却装置39轮流地控制水温，帮助水可以通过温度的调控适时地在低温状态下溶解、吸附更多的二氧化碳气体，亦可以适时地在高温状态下与二氧化碳分子或气体有效分离，以此提升沼气中的二氧化碳气体的分离效率，达到纯化沼气的目的，并且使得沼气经过本发明的沼气纯化系统纯化后可以得到高纯度甲烷气体，以供给作为新的环保能源使用。
此外，本发明的沼气纯化系统另利用了投药器36于未完全与二氧化碳分子分离的水溶液中进行二氧化碳吸附剂的投药动作，使得仍含有少量二氧化碳分子的水溶液可以完全分离以形成纯水与二氧化碳气体，并且经由真空抽气装置37将分离出来的二氧化碳气体完全排出，避免二氧化碳气体回溶于纯水当中，使得储液桶33中的水可以保持为纯水状态，并提供予甲烷与二氧化碳分离单元20再一次分离甲烷气体与二氧化碳气体使用，使得本发明的沼气纯化系统可以不断地重复循环使用，亦可减少水资源的浪费。