TWM618356U

TWM618356U - 水電同產系統

Info

Publication number: TWM618356U
Application number: TW110208356U
Authority: TW
Inventors: 江彥雄; 林金昇
Original assignee: 台灣耐賀德科技有限公司
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2021-10-11

Abstract

本創作係提供一種可回收發電廠的廢熱能並加以再利用的水電同產系統；該水電同產系統係至少包含有蒸氣生成單元、發電單元、以及海水淡化單元；其中該蒸氣生成單元至少包含有一鍋爐裝置，該鍋爐裝置的內部設有燃燒室及鍋筒，且該鍋爐裝置的一端設有與該燃燒室連通的燃料入口及與該鍋筒連通的淡水入口，該鍋爐裝置的另一端設有與該鍋筒連通的蒸氣出口；該發電單元設置於該蒸氣生成單元的下游端，用以接收來自該蒸氣生成單元的蒸氣，並且將該蒸氣所發出的熱能轉換為電能；以及該海水淡化單元設置於該發電單元下游端，用以接收該發電單元所排出的廢熱源並使海水蒸發，再將海水蒸發後所得的蒸氣冷凝成淡水。

Description

水電同產系統

本創作係關於海水淡化技術，特別是關於一種可達成熱能再利用的水電同產系統。

近年來，溫室效應讓全球地氣候變化劇烈，水災、旱災等極端氣候頻傳，水資源循環系統越來越不易維持，根據聯合國的資料，全球有近5成人口都面臨用水短缺，若不積極正視，水資源缺乏的難題恐越來越嚴峻。同樣地，台灣也一直存在著水資源缺乏的問題，除了民生及農業用水以外，半導體業、面板業、電子業等高科技產業在製程中對於水的需求量也是十分龐大。因此，為了能夠獲得更充足的水資源，海水淡化技術已越來越多引起人們的重視，許多國家都進行著各種各樣的海水淡化的研究和開發。

目前常用的海水淡化技術主要分為蒸發法和薄膜法，兩種方法各有優點和缺點。蒸發法是將海水加熱蒸發後得到蒸氣，然後再將蒸氣冷凝成淡水，其優點是對原海水要求低，預處理簡單，淡化水含鹽量較低，缺點是海水淡化過程發生氣液兩相變化，對熱量需求大，海水利用率低、冷卻水攜帶熱量離開等；薄膜法是利用天然或人工合成的高分子薄膜，以外加能量或化學位元差做為推動力，將海水中的鹽和水分離開得到淡水，其優點是整個過程不發生相變，一般不需要加熱，能耗低，啟動和停機較簡單，缺點是海水溫度波動影響膜通量，對預處理要求嚴格，淡化水含鹽量較高等。

根據熱法和膜法兩類海水淡化技術的特點分析，可知這兩類方法具有一定的互補性，通過熱膜耦合海水淡化技術構成，能將蒸發法和薄膜法海水淡化技術方式結合起來形成薄膜蒸餾(Membrane Distillation,MD)法。然而，薄膜蒸餾(Membrane Distillation,MD)也是海水淡化的方法之一，但由於市售膜組設計複雜，且需要加熱提供熱流，導致消耗高能量及高成本，因此實際使用並不高。

是以，如何用更經濟並有效利用能源的方式進行海水的淡化處理，乃是業界不斷在追求的目標。

有鑑於上述的問題與缺失，本創作經過長期努力研究的結果，發現一種可回收發電廠的廢熱能並加以再利用的水電同產系統，能夠有效地解決現行既有海水淡化技術上所導致的能量消耗、成本增加、不符合經濟效益等問題點。

意即，本創作的目的之一即為追求更有效率且經濟的水資源處理系統。

具體而言，本創作可以提供一種水電同產系統，其特徵在於，能夠產生電能並同時進行海水淡化；該水電同產系統係至少包含有蒸氣生成單元、發電單元、以及海水淡化單元；其中該蒸氣生成單元至少包含有一鍋爐裝置，該鍋爐裝置的內部設有燃燒室及鍋筒，且該鍋爐裝置的一端設有與該燃燒室連通的燃料入口及與該鍋筒連通的淡水入口，該鍋爐裝置的另一端設有與該鍋筒連通的一蒸氣出口；該發電單元設置於該蒸氣生成單元的下游端並且與該鍋爐裝置的蒸氣出口氣體連通，用以接收來自該蒸氣生成單元的蒸氣，並且將該蒸氣所發出的熱能轉換為電能；以及該海水淡化單元設置於該發電單元下游端，並包含有至少一蒸發模組及與該蒸發模組連通的冷凝器，該蒸發模組係用以接收該發電單元所排出的廢熱源並使海水蒸發，該冷凝器係用以接收海水蒸發後所得的蒸氣並將其冷凝成淡水。

根據本創作之一技術思想，該蒸發模組包含有一熱交換器、及一驟沸桶；該熱交換器設有熱流管路與冷流管路，該熱流管路的進流端與該發電單元連通，用以接收該發電單元所排出的廢熱源，該冷流管路係用以導入海水，以使海水與該熱流管路中的該廢熱源進行熱交換而升溫；該驟沸桶的進流口與該冷流管路的出流端連通，且其內部設有壓力控制器，用以將升溫後的海水閃蒸而獲得蒸氣及濃縮滷水。

根據本創作之一技術思想，該冷凝器係與該驟沸桶的蒸氣出口連通，用以接收來自該驟沸桶的蒸氣並將其冷凝成淡水。

根據本創作之一技術思想，該冷凝器的出流口係進一步與該鍋爐裝置中的淡水入口連通。

根據本創作之一技術思想，該廢熱源為蒸氣及/或熱水。

根據本創作之一技術思想，該蒸發模組為複數個，該些蒸發模組分別為第一蒸發模組至第N蒸發模組，N為大於1的自然數，並且該第一蒸發模組至該第N蒸發模組為依序串聯設置。

根據本創作之一技術思想，各該蒸發模組皆設置有一熱交換器及一驟沸桶；該熱交換器設有熱流管路與冷流管路，且在同一該蒸發模組中的該驟沸桶的進流口與該熱交換器中之該冷流管路的出流端連通。

根據本創作之一技術思想，該廢熱源係從該第一熱交換器中的該熱流管路進入，該海水係從第N熱交換器中的該冷流管路進入。

根據本創作之一技術思想，第N-1蒸發模組中之驟沸桶的蒸氣出口係與第N蒸發模組中之熱交換器中的熱流管路連通；第N蒸發模組中之驟沸桶的滷水出口係與第N-1蒸發模組中之熱交換器中的冷流管路連通。

根據本創作之一技術思想，該廢熱源係從該第一熱交換器中的該熱流管路進入，該海水係從第一熱交換器中的該冷流管路進入。

根據本創作之一技術思想，第N-1蒸發模組中之驟沸桶的蒸氣出口係與第N蒸發模組中之熱交換器中的熱流管路連通；第N-1蒸發模組中之驟沸桶的滷水出口係與第N蒸發模組中之熱交換器中的冷流管路連通。

1:蒸氣生成單元

11:鍋爐裝置

2:發電單元

3:海水淡化單元

31:蒸發模組

311:熱交換器

312:驟沸桶

32:冷凝器

33:第一蒸發模組

331:第一熱交換器

332:第一驟沸桶

34:第二蒸發模組

341:第二熱交換器

342:第二驟沸桶

圖1為顯示本創作一實施例中之水電同產系統的配置示意圖。

圖2為顯示本創作中有關逆流式海水淡化製程中之海水淡化單元的配置示意圖。

圖3為顯示本創作中有關順流式海水淡化製程中之海水淡化單元的配置示意圖。

以下，針對本創作有關之水電同產系統構成及技術內容等，列舉各種適用的實例並配合參照隨文所附圖式而加以詳細地說明；然而，本創作當然不是限定於所列舉之該等的實施例、圖式或詳細說明內容而已。

再者，熟悉此項技術之業者亦當明瞭：所列舉之實施例與所附之圖式僅提供參考與說明之用，並非用來對本創作加以限制者；能夠基於該等記載而容易實施之修飾或變更而完成之創作，亦皆視為不脫離本創作之精神與意旨的範圍內，當然該等創作亦均包括在本創作之申請專利範圍內。

另外，為了對本創作的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本創作的具體實施方式。有關本創作之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本創作加以限制者；而關於本創作之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之各實施例的詳細說明中，將可清楚呈現，以下實施例所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」等，僅是參考附加圖示的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本創作；再者，在下列各實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的元件標號。

首先，請參閱圖1，其為顯示本創作之水電同產系統的配置示意圖，該水電同產系統至少包含有蒸氣生成單元1、發電單元2、以及海水淡化單元3，其中該發電單元2係設置在該蒸氣生成單元1的下游端，而該海水淡化單元3係設置在該發電單元2。

該蒸氣生成單元1至少包含有一鍋爐裝置11，該鍋爐裝置的內部設有燃燒室及鍋筒(圖未示)，且該鍋爐裝置11的一端設有與該燃燒室連通的燃料入口及與該鍋筒連通的淡水入口，該鍋爐裝置11的另一端設有與該鍋筒連通的一發電用蒸氣出口。石油、煤炭、天然氣、或再生能源等燃料會經由燃料入口進入燃燒室中燃燒，促使鍋筒中的淡水蒸發生成蒸氣。一般來說，從蒸氣生成單元1生成的蒸氣有一部分可作為工廠製程使用，另一部分則是會被送到發電單元2進行發電。

該發電單元2可以是與該發電用蒸氣出口氣體連通的氣輪機，用以接收來自該蒸氣生成單元的蒸氣，並且將該蒸氣所發出的熱能轉換為電能，而發電單元2發電後所殘存的廢熱源則是以蒸氣及/或熱水的形式傳送至該海水淡化單元3。

如圖1所示，該海水淡化單元3包含有一蒸發模組31以及與該蒸發模組31連通的冷凝器32。該蒸發模組31係用以回收該發電單元2所排出的廢熱源，並使海水蒸發，而該冷凝器32則是用以接收海水蒸發後所得的蒸氣並將其冷凝成淡水。

該蒸發模組的包含有一熱交換器311及一驟沸桶312，該熱交換器311設有熱流管路與冷流管路，該熱流管路的進流端與該發電單元2連通，用以接收該發電單元2所排出的廢熱源，該冷流管路的進流端則是能夠導入海水。該驟沸桶312的進流口與該冷流管路的出流端連通，且其內部設有壓力控制器，能夠將桶內環境設置成低壓環境，因此升溫後的海水在進入驟沸桶312後因沸點隨壓力驟降而下降，進而生成閃蒸氣及濃縮滷水，閃蒸氣可經由驟沸桶312的冷凝用蒸氣出口排放至冷凝器32，而濃縮滷水則可經由驟沸桶312的滷水出口排出。而發電單元2所排出的廢熱源經由熱交換器311冷凝成冷水後，也可以經由熱流管路的出流端部分回流至該蒸氣生成單元1，作為該發電單元2的蒸氣來源。

冷凝器32可以是風冷式冷凝器、水冷式冷凝器、或蒸發式冷凝器，在此不加以限制；該驟沸桶312所生成的閃蒸氣經冷凝器32冷凝成淡水後，即可排放至工業或民生用水使用；另外，冷凝器32所排出的淡水也可以部分回流至該蒸氣生成單元1，作為該發電單元2的蒸氣來源。

更具體而言，在本創作之如圖1所示的水電同產系統中，可以適用的蒸氣的溫度範圍是從60℃到400℃之間，可以適用的熱水的溫度範圍是從80℃到120℃之間。又，根據本創作之如圖1所示的水電同產系統，當利用蒸氣將海水淡化時，可以生產約115,000CMD的淡水，當利用熱水將海水淡化時，可以生產約3,200CMD的淡水。

在上述實施例中，海水淡化單元僅設置了一組蒸發模組，但並不依此為限；根據本創作的技術思想，在海水淡化單元中也可以設置多組蒸發模組進行多效處理，藉以提升海水淡化的效能，並且可依照海水的流向分成逆流式海水淡化製程和順流式海水淡化製程。

請參閱圖2，其為分別顯示逆流式海水淡化製程中之海水淡化單元的配置示意圖。該海水淡化單元3包含有依序串聯設置的第一蒸發模組33、第二蒸發模組34、以及冷凝器32。在第一蒸發模組33中設置有第一熱交換器331及第一驟沸桶332，在第二蒸發模組34中設置有第二熱交換器341及第二驟沸桶342。第一熱交換器331與第二熱交換器341皆設置有熱流管路與冷流管路，第一驟沸桶332的進流口是與第一熱交換器331的冷流管路的出流端連通，第二驟沸桶342的進流口是與第二熱交換器341的冷流管路的出流端連通。

此外，第一驟沸桶332的蒸氣出口係與第二熱交換器341中的該熱流管路連通，第二驟沸桶342的蒸氣出口係與冷凝器32連通；第二驟沸桶342的滷水出口係與第一熱交換器331中之冷流管路的進流端連通。

承上，在逆流式海水淡化製程中，來自發電單元2的廢熱源是該第一熱交換器331中之熱流管路的進流端進入，而海水是從第二熱交換器 341中之冷流管路的進流端進入，海水經過升溫後進入第二驟沸桶342中生成閃蒸氣和濃縮滷水，從第二驟沸桶342所排出的閃蒸氣進入冷凝器32中冷凝成淡水，而從第二驟沸桶342所排出的濃縮滷水則是流入第一熱交換器331中的冷流管路與第一熱交換器331中之熱流管路內的廢熱源進行熱交換，接著再被導入第一驟沸桶332中進行二次閃蒸處理。

然後，從第一驟沸桶332所排出的閃蒸氣則被導入第二熱交換器341中之熱流管路內與第二熱交換器341中之冷流管路的海水進行熱交換，而第二熱交換器341中之熱流管路的出流端所排出的冷水則可與冷凝器32所排出的淡水匯流進行後續利用。

以此類推，當蒸發模組為N組(N為大於1的自然數)時，第N-1蒸發模組中的第N-1驟沸桶的蒸氣出口係與第N蒸發模組中的第N熱交換器中的熱流管路連通，第N驟沸桶的滷水出口係與第N-1蒸發模組中的第N-1熱交換器中的冷流管路連通；是以，海水是從第N蒸發模組中的第N熱交換器中之冷流管路進入，然後依序經由第N-1蒸發模組、第N-2蒸發模組、至第一蒸發模組進行海水淡化處理，最後從第一蒸發模組中之第一驟沸桶將濃縮滷水排出，除了第一蒸發模組所使用的熱源為來自發電單元的廢熱源以外，其餘蒸發模組皆是以前一蒸發模組中之驟沸桶所生成的閃蒸氣做為熱源利用。

更具體而言，在本創作之如圖2所示的水電同產系統中，可以適用的蒸氣的溫度範圍是從60℃到400℃之間，可以適用的熱水的溫度範圍是從80℃到120℃之間。又，根據本創作之如圖2所示的水電同產系統，當利用蒸氣將海水淡化時，可以生產約205,000CMD的淡水，當利用熱水將海水淡化時，可以生產約5,700CMD的淡水。

接著，請參閱圖3，其為顯示順流式海水淡化製程中之海水淡化單元的配置示意圖。該海水淡化單元3包含有依序串聯設置的第一蒸發模組33、第二蒸發模組34、以及冷凝器32。在第一蒸發模組33中設置有第一熱交換器331及第一驟沸桶332，在第二蒸發模組34中設置有第二熱交換器341及第二驟沸桶342。第一熱交換器331與第二熱交換器341皆設置有熱流管路與冷流管路，第一驟沸桶332的進流口是與第一熱交換器331的冷流管路的出流端連通，第二驟沸桶342的進流口是與第二熱交換器341的冷流管路的出流端連通。

此外，第一驟沸桶332的蒸氣出口係與第二熱交換器341中的該熱流管路連通，第一驟沸桶332的滷水出口係與第二熱交換器341中的冷流管路連通；第二驟沸桶342的蒸氣出口係與冷凝器32連通。

承上，在順流式海水淡化製程中，來自發電單元2的廢熱源是該第一熱交換器331中之熱流管路的進流端進入，而海水是從第一熱交換器331中之冷流管路的進流端進入，海水經過升溫後進入第一驟沸桶332中生成閃蒸氣和濃縮滷水，從第一驟沸桶332所排出的閃蒸氣進入第二熱交換器341中的熱流管路進行熱交換後從熱流管路的出流端排出冷水；而從第一驟沸桶332所排出的濃縮滷水則是進入第二熱交換器341中的冷流管路與熱流管路中的閃蒸氣進行熱交換，接著再被導入第二驟沸桶342中進行二次閃蒸處理，從第二驟沸桶342所排出的閃蒸氣進入冷凝器32中冷凝成淡水，而第二熱交換器341中之熱流管路的出流端所排出的冷水則可與冷凝器32所排出的淡水匯流。

然後，從第一驟沸桶332所排出的閃蒸氣則被導入第二熱交換器341中之熱流管路內與第二熱交換器341中之冷流管路的海水進行熱交換，而第二熱交換器341中之熱流管路的出流端所排出的冷水則可於冷凝器32所排出的淡水匯流進行後續利用。

以此類推，當蒸發模組為N組時(N為大於1的自然數)，第N-1蒸發模組中之第N-1驟沸桶的蒸氣出口係與第N蒸發模組中的第N熱交換器中的該熱流管路連通，第N-1驟沸桶的滷水出口係與第N蒸發模組中的第N熱交換器中的冷流管路連通；是以，海水是從第一蒸發模組中的第一熱交換器中之冷流管路進入，然後依序經由第二蒸發模組、第三蒸發模組、至第N蒸發模組進行海水淡化處理，最後從第N蒸發模組中之第N驟沸桶將濃縮滷水排出，除了第一蒸發模組所使用的熱源為來自發電單元的廢熱源以外，其餘蒸發模組皆是以前一蒸發模組中之驟沸桶所生成的閃蒸氣做為熱源利用。

更具體而言，在本創作之如圖3所示的水電同產系統中，可以適用的蒸氣的溫度範圍是從60℃到400℃之間，可以適用的熱水的溫度範圍是從80℃到120℃之間。又，根據本創作之如圖3所示的水電同產系統，當利用蒸氣將海水淡化時，可以生產約280,000CMD的淡水，當利用熱水將海水淡化時，可以生產約7,800CMD的淡水。

經由上述實施方式說明可知，本創作之水電同產系統能夠將發電廠所產生的廢熱能有效轉化為海水淡化製程所需能量，可在同一系統內產生電能及淡水，不但可避免耗費額外的冷卻水將發電所產生的廢熱能冷凝，更可節省海水淡化所需能量，有助於能源再利用，進而提升海水淡化的經濟效益。

以上，雖然已經以如上的實施例舉例而詳細說明了本創作的內容，然而本創作並非僅限定於此等實施方式而已。本創作所屬技術領域中具有通常知識者應當能夠明瞭並理解：在不脫離本創作的精神和範圍內，當可再進行各種的更動與修飾；例如，將前述實施例中所例示的各技術內容加以組合或變更而成為新的實施方式，此等實施方式也當然視為本創作所屬內容。因此，本案所欲保護的範圍也包括後述的申請專利範圍及其所界定的範圍。