TWM624336U

TWM624336U - 汽電共生系統

Info

Publication number: TWM624336U
Application number: TW110211400U
Authority: TW
Inventors: 莊錦烽
Original assignee: 莊錦烽
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2022-03-11

Abstract

本創作提供一種汽電共生系統，其係至少包含有：一第一發電單元，其係包含有一氣渦輪發電機，該氣渦輪發電機用以燃燒該製程廢氣並將燃燒後的熱能轉化為電能；一廢熱回收單元，其係與該第一發電單元連通並且包含有一廢熱回收鍋爐，該廢熱回收鍋爐用以接收從該氣渦輪發電機所排出的廢熱源，並利用該廢熱源將進流水加熱蒸發生成水蒸氣；以及一第二發電單元，其係與該廢熱回收單元連通，並且包含有由一加熱裝置、一發電裝置、一冷卻裝置、以及一加壓裝置，並且該加熱裝置、該發電裝置、該冷卻裝置、以及該加壓裝置依次連通形成一有機朗肯循環結構。

Description

汽電共生系統

本創作係與廢氣處理系統有關，特別有關於一種汽電共生系統。

從電廠、都市廢棄物焚化爐、污泥焚化爐或工廠廢棄物焚化爐、裂解爐(或碳化爐)、氣化爐、鍋爐、柴油機、玻璃爐、水泥廠、金屬熔煉爐、高溫爐體或反應器等所產生的廢氣中，存在有許多危害人類健康的空氣污染物例如，粉塵、揮發性有機化合物、氫氯酸、氫氟酸、硫氧化物(SO_x)、戴奧辛及氮氧化物(NO_x)、溫室氣體(如N₂O等)等。諸如此類的各種空氣污染物不只會影響空氣品質，而且亦會對於人體呼吸系統、身體健康造成程度不等之各種危害。

因此，為了維護人身健康及環境保護，各國對於空氣污染改善之社會責任觀念隨之日漸加重，不但嚴格要求企業管控粒狀物與硫氧化物或酸氣之排放，並且朝向要求管制氮氧化物(NO_x)、溫室氣體(如N₂O等)及揮發性有機物(VOCs)、戴奧辛之污染排放。

再者，從工業系統所排放出來的廢氣大多為高溫氣體，如何用更經濟並有效利用能源的方式進行廢氣的淨化處理，乃是業界不斷在追求的目標。

有鑑於此，本創作之一目的在於提供一種汽電共生系統，能夠將處理製程廢氣所產生的廢熱能有效利用，在同一系統內產生電能及蒸氣，有助於能源再利用，進而提升廢氣處理的經濟效益。

為了達成上述目的，本創作提供一種汽電共生系統，其係至少包含有：一第一發電單元，其係包含有一氣渦輪發電機，該氣渦輪發電機用以燃燒該製程廢氣並將燃燒後的熱能轉化為電能；一廢熱回收單元，其係與該第一發電單元連通並且包含有一廢熱回收鍋爐，該廢熱回收鍋爐用以接收從該氣渦輪發電機所排出的廢熱源，並利用該廢熱源將進流水加熱蒸發生成水蒸氣；以及一第二發電單元，其係與該廢熱回收單元連通，並且包含有由一加熱裝置、一發電裝置、一冷卻裝置、以及一加壓裝置，並且該加熱裝置、該發電裝置、該冷卻裝置、以及該加壓裝置依次連通形成一有機朗肯循環結構。

根據本創作之一實施例，該第二發電單元中之該加熱裝置用以接收來自該廢熱回收單元的水蒸氣。

根據本創作之一實施例，該加熱裝置以及該冷卻裝置分別為板式熱交換器或管殼式熱交換器。

根據本創作之一實施例，該汽電共生系統進一步包含有一廢氣濃縮單元，該廢氣濃縮單元設置於該第一發電單元的上游端且其係包含有至少一濃縮轉輪，該濃縮轉輪的輪面可被區分為一吸附區、一冷卻區、及一脫附區；該吸附區係供導入製程有機廢氣，用以吸附該製程有機廢氣中的至少一部分揮發性有機化合物並送出一過濾氣體；該冷卻區係供導入一冷卻氣體，用以使因進行脫附而累積熱量並且升溫的該濃縮轉輪降溫；該脫附區係供導入一脫附氣體，用以脫附該濃縮轉輪所吸附的揮發性有機化合物並送出一VOC濃縮氣體至該第一發電單元。

根據本創作之一實施例，該廢氣濃縮單元進一步包含有一加熱器，該加熱器係與該濃縮轉輪連通，用以接收通過該冷卻區的該冷卻氣體並進行加熱，進而輸出該脫附氣體至該脫附區。

根據本創作之一實施例，該冷卻氣體為該製程有機廢氣的一部分分流或外部氣體。

根據本創作之一實施例，在該廢氣濃縮單元的上游端進一步設置有過濾單元。

根據本創作之一實施例，構成該濃縮轉輪的吸附材為選自玻璃纖維、活性碳、疏水性沸石、矽膠、活性氧化鋁、及其組合中之任一種。

根據本創作之一實施例，該汽電共生系統進一步包含有儲能單元，該儲能單元與該第一發電單元及該第二發電單元電性連接，用以儲存第一發電單元及該第二發電單元所生成的電能。

根據本創作之一實施例，該汽電共生系統進一步包含有除氧器，該除氧器設置於該廢熱回收單元的下游端，用以接收該廢熱回收單元所排出之水蒸氣的一部分分流，並移除水蒸氣中的氧氣再凝結為水。

10:第一發電單元

20:廢熱回收單元

30:第二發電單元

301:加熱裝置

302:發電裝置

303:冷卻裝置

304:加壓裝置

40:儲能單元

50:煙囪

60:除氧器

70:廢氣濃縮單元

701:濃縮轉輪

7011:吸附區

7012:冷卻區

7013:脫附區

702:加熱器

80:過濾單元

W:製程廢氣

P:緊急排放管線

圖1為顯示本創作之第一實施例中的汽電共生系統的架構示意圖。

圖2為顯示本創作之第二實施例中的汽電共生系統的架構示意圖。。

以下，針對本創作有關之汽電共生系統的構成及技術內容等，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，其為顯示本創作之第一實施例中的汽電共生系統的架構示意圖；該汽電共生系統可用以處理含揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds；VOCs)的製程廢氣W，製程廢氣W的來源並未特別加以限制，舉例來說，可以來自石化業、半導體業、煉鋼廠、汽機車、表面塗裝業、或是需要使用有機溶劑的製程廢氣，並且該製程廢氣W所含有的揮發性有機化合物可以是烷類、芳烴類、酯類、酮類；舉例來說，可以是但不限於丙烷、丁烷、苯、甲苯、乙苯、甲醇、乙醇、異丙醇、異戊醇、丙酮、丁酮、四氯乙烯、氯苯、醋酸丙二醇甲醚酯(PGMEA)、單乙醇胺(MEA)及二甲基亞碸(DMSO)。

承上，該汽電共生系統包含有第一發電單元10、設置於該第一發電單元10之下游端的廢熱回收單元20、以及設置於該廢熱回收單元20之下游端的第二發電單元30。

第一發電單元10包含有一氣渦輪發電機(gas turbine)，該氣渦輪發電機主要是由壓縮機、燃燒室及渦輪等部份所構成(未圖示)。製程廢氣W隨著進氣口進入燃氣渦輪機中的壓縮機，製程廢氣W被加壓成高壓氣體後進入燃燒室，接著噴油嘴噴出燃料(天然氣或柴油)進入燃燒室中與製程廢氣W進行燃燒成為高溫高壓氣體，在燃燒過程中可進一步加入空氣助燃。燃燒後所得的高溫高壓氣體進入渦輪段推動渦輪，渦輪轉動後帶動發電機輸出電力；另外，運作過程中殘餘的高溫廢氣則輸送至廢熱回收單元20。

廢熱回收單元20包含有一熱回收鍋爐(Heat Recovery Steam Generators，簡稱HRSG)，是以第一發電單元10所排出的高溫廢氣作為熱源，將進流水加熱蒸發成水蒸氣並輸送至第二發電單元30中，而通過廢熱回收單元20的高溫廢氣最終溫度約在100~200℃之間，可被導入煙囪50排放至外界。

又，第二發電單元30包含有一加熱裝置301、一發電裝置302、一冷卻裝置303、以及一加壓裝置304，並且依次連通形成一有機朗肯循環結構。

在本實施例中，第二發電單元30所使用的熱源為來自廢熱回收單元20的水蒸氣。加壓裝置304將有機工作流體(冷媒、或氨)加壓至特定壓力後輸送至加熱裝置301中，加熱裝置301所使用的熱源為來自廢熱回收單元20的水蒸氣，能夠與流經加熱裝置301的有機工作流體進行熱交換，並將有機工作流體汽化並加熱成高溫高壓的氣體，汽化後的有機工作流體則被輸送至發電裝置302中。

發電裝置302包含有膨脹機(未圖示)，來自加熱裝置301的汽化有機工作流體的熱能及壓力能夠轉化為膨脹機的機械能，進而帶動發電機發電；所述膨脹機可以是葉輪膨脹機、渦旋膨脹機等，更佳為渦旋壓縮機改裝而成，並且所述膨脹機可經由一膨脹閥控制其功率。

作工後的有機工作流體則排放至冷卻裝置303進行冷凝，冷卻裝置303所使用的冷源一般為冷卻水，能夠與作工後的有機工作流體進行熱交換，將有機工作流體降溫後再輸送至加熱裝置301循環利用。

根據本創作的技術思想，加熱裝置301與冷卻裝置303可以分別是板式熱交換器或管殼式熱交換器，在此不特別加以限制。

從第一發電單元10與第二發電單元30所生成的電能能夠輸送至儲能單元40中儲存，以供後續電力應用，亦可不經過儲能單元40，直接進行電力應用。

另外，請再參閱圖1，該汽電共生系統還進一步包含有除氧器60(Dearator)，該除氧器60設置於廢熱回收單元20的下游端，可接收廢熱回收單元20所排出之水蒸氣的一部分分流，能夠移除水蒸氣中的氧氣並將水蒸氣凝結為水後再導入廢熱回收單元20作為廢熱回收單元20的進流水利用。

接著，請再參閱圖2，其為顯示本創作之第二實施例中的汽電共生系統的架構示意圖。第二實施例與第一實施例的主要差別在於，在第一發電單元10進一步設置有一廢氣濃縮單元70。

該廢氣濃縮單元70包含有一濃縮轉輪701，該濃縮轉輪701是由可吸附揮發性有機化合物的吸附材所構成的蜂巢狀結構，並可藉由馬達 (未圖示)帶動以特定轉速旋轉。又，構成濃縮轉輪701的吸附材並未特別加以限制，舉例來說，可以選自玻璃纖維、活性碳、疏水性沸石、矽膠、活性氧化鋁、及其組合中之任一種，較佳為沸石轉輪或活性碳轉輪。

濃縮轉輪701的輪面可被區分為一吸附區7011、一冷卻區7012、及一脫附區7013。當製程廢氣W通過吸附區7011，吸附材會吸附製程廢氣中的至少一部分的VOCs並排出一過濾氣體，該過濾氣體可以被輸送至煙囪50排放至外界，或是做為其他用途；而被吸附材所吸附的VOCs則隨著濃縮轉輪701轉動到脫附區7013與一脫附氣體接觸並從濃縮轉輪701中脫附至該脫附氣體之中，並且送出一VOC濃縮氣體。

由於該脫附氣體為溫度在180~200℃之間(沸石轉輪)或100~120℃之間(活性碳轉輪)的高溫氣體，因此濃縮轉輪701在與該脫附氣體進行脫附時會因熱傳導作用導致濃縮轉輪701的溫度提升，進而導入一冷卻氣體至該濃縮轉輪701中使其降溫，該冷卻氣體可以是外部氣體或是由製程廢氣W分流而得。

請再參閱圖2，該廢氣濃縮單元70還包括有一加熱器702，該加熱器702與濃縮轉輪701中的冷卻區7012及脫附區7013氣體連通，用以接收從冷卻區7012排出的該冷卻氣體，並將其加熱至第一脫附溫度後生成脫附氣體，再將脫附氣體輸送至該脫附區7013進行脫附。

根據本創作的技術思想，該加熱器702可以是一般電子加熱器、瓦斯加熱器或是熱交換器，例如板式熱交換器或管殼式熱交換器，較佳為管殼式熱交換器，在此不特別加以限制。

另外，根據本創作的技術思想，該廢氣濃縮單元70的進料端可以設置一過濾單元80，製程廢氣W在進入該廢氣濃縮單元70之前會先通過該過濾單元80，藉以去除掉粒徑較大的粉塵顆粒。濃縮轉輪701還可以和消防管線或氮氣源連通，當有突發狀況或是有悶燃的情形發生時，能夠即時灑水或噴氮氣，並經由一廢水管線將使用後的廢水排出；又，在該廢氣濃縮單元70的上游端或過濾單元80也設有緊急排放管線P，以利突發狀況發生時，先將製程廢氣引導至他處或是煙囪50，避免設備損失或災害擴大。

此外，在本創作之汽電共生系統中還可以進一步在管線中設置複數個風機，幫助氣體傳輸；該些風機的數量及配置位置並未特別加以限制，可依製程需求進行配置。

另外，在本創作的其他實施例中，該廢氣濃縮單元70中之濃縮轉輪701的數量也可以是複數個，該些濃縮轉輪701可依據不同的風量、濃度、所需效率來選作轉輪選型，例如轉輪尺寸大小、轉速調整、濃縮倍率調整、轉輪厚度調整等，並且可依實際需求調整濃縮轉輪701的數量以及串並聯的形式，藉此提高系統的處理效能。

經由上述實施方式說明可知，本創作之汽電共生系統能夠將處理製程廢氣所產生的廢熱能有效利用，能在同一系統內產生電能及蒸氣，不但可避免耗費額外的能源，更可節省蒸氣升成所需能量，有助於能源再利用，進而提升廢氣處理的經濟效益及減碳目的。

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。