鍋爐高效燃燒控制技術手冊

有鑑於近年空氣污染為環保團體及民眾關切之環保議題重點,其中固定污染源(工廠)為各界關注焦點,為環保署空氣污染管制策略積極改善之重點,依據「工廠管理輔導法」,工廠之中央目的事業主管機關為經濟部,由經濟部工業局及地方政府經發單位輔導改善,盡力協助其符合相關環保等相關法規及民眾期待。

在考量空污改善之前提下,近年經濟部與環保署大力補助協助工業鍋爐轉型,由以往使用之重油燃料,輔導並補助廠商改用天然氣、液化石油氣、柴油等相對較清潔之燃料,故目前國內主流鍋爐型態已由液體燃料鍋爐(如重油鍋爐)逐漸轉向氣體燃料(如天然氣)鍋爐,且因「鍋爐空氣污染物排放標準」於109年7月1日上路實施等原因,固體燃料鍋爐亦逐漸減少;而站在整體環保之角度,空污僅是環境保護領域中的一部份,對經濟部來說,固體燃料鍋爐的減少,對於空污改善或有成效,惟在焚化廠與事業廢棄物焚化爐無法短期內提高處理量之情況下,反而限縮了一部分原本可以協助去化事業廢棄物的重要處理設施。

以往環保署針對工業鍋爐之管制策略,主要著重在固定污染源生產製程及其後端排放管道之法規符合度,近年已開始朝向前端燃料使用管制方向推進,例如108年9月26日修正「固定污染源設置操作及燃料使用許可證管理辦法」管制原/燃物料,另109年3月23日發布之「公私場所固定污染源燃料混燒比例及成分標準」對燃料成分與混燒比例有所限制,然空氣污染主要與燃料、鍋爐燃燒控制、空污防制設備效能等環環相扣,環保署針對前端燃料與後端空污防制有所管制,然對鍋爐之燃燒控制並無管制權責與義務,有賴經濟部工業局提醒廠商注意與改善,對於空氣污染防制共盡心力。

經濟部工業局彙編本手冊之主要目的,係鼓勵產業針對既存流體化床鍋爐可在燃料選用上,依據鍋爐處理能力考量是否採用廢棄物製成之固體再生燃料註(下稱SRF),例如自行處理自廠製程產出之衍生廢棄物(如有機污泥、廢塑膠、廢橡膠、廢木材等);或是新設鍋爐時,盡量考量採用本手冊所介紹之高效流體化床鍋爐,除燃燒較完全、能源利用率較高外,搭配妥適之空污防制設備,可同時達到高效熱能利用及強化空污防制之目的,更可協助處理部分事業廢棄物,目前已有廠商使用7成SRF作為主要燃料,甚至有廠商規劃全燒廢棄物之流體化床式專燒爐,預計於110年商轉。

註:依環保署事業廢棄物清理計畫書審查作業參考指引(第3次修訂版)附件四、固體再生燃料製造技術指引與品質規範第一章第二條: 本規範所稱固體再生燃料(Solid recovered fuel, SRF),係指以具適燃性之廢棄物做為燃料,並須符合附表一燃料品質標準者,稱為SRF(Solid recovered fuel),中文亦可稱為固體回收燃料、固體再利用燃料或固體再生燃料。

本報告亦導入工業4.0之自動化與人工智慧(Artificial Intelligence,下稱AI)之概念與作法,期能在未來技術成熟後,作為廠商選擇配套之參考。

本報告目的為提升國內廠商鍋爐高效燃燒控制技術,預計達成以下經濟與環境面之主要優點,對廠商、政府而言皆有許多優點,應為雙贏之政策。

經濟面
提高鍋爐或燃燒設備之熱利用效率,即可使用較少燃料情況下即能產生所需之蒸汽熱值,故可減少燃料成本與燃料使用量、底飛灰產生量與其清除處理費等衍生優點。
環境面
因燃料使用量減少或以部分低排碳量燃料替代煙煤,可連帶減少碳排量,亦因燃燒較完全且搭配適當空污防制設備時,可降低空污排放量。

前言

鑑於我國經濟與環保部門近年逐步推進循環經濟政策,主要以物質回收與能源回收為主,如廠商未來使用高效鍋爐或燃燒設備,即可考慮用於去化部分事業廢棄物,例如許多紙廠採用氣泡式或循環式流體化床鍋爐,處理自廠產生之漿紙污泥,或將散漿機排渣製作成固體再生燃料(Solid recovered fuel,下稱SRF)後作為輔助燃料,即屬循環經濟中能源回收之作法,每年節省大量廢棄物處理費,亦減輕了焚化廠的負擔,達到政府推動循環經濟之目的,即為政府鼓勵之多贏作法。

以往廠內事業廢棄物之去化方式,主要係交由清除處理業者載送至鄰近之大型公有焚化廠以焚化處理,雖然我國大型公有焚化廠均設有廢熱鍋爐與蒸汽發電系統,以焚化處理與回收熱能發電確實屬於循環經濟中「能源回收」之理念(所謂能源回收,即是將具熱值之物種作為燃料,投入鍋爐/氣化爐/焚化爐/汽電共生設備等燃燒設備中,產出蒸汽、熱值或電力);然而並非每種燃燒設備的能源回收方式都具有高效而經濟之效益或節能環保的優點,例如垃圾焚化廠皆僅將回收能源主要用於發電,其能源回收利用效率較低(106年公有大型焚化廠平均值發電效率約19%),遠低於一般之汽電共生系統(按汽電共生系統實施辦法規定至少52%以上)或流體化床蒸汽或熱媒鍋爐約8成以上的熱利用效率;另近年我國大型公有焚化廠已進入延役整改期,焚化量能不足,優先處理家戶垃圾而排擠事業廢棄物,部分焚化廠已拒收高熱值廢棄物,造成廠商困擾。

廠商在選擇使用之鍋爐前,皆會以蒸汽或熱值需求、經濟考量等因素綜合考量,雖市場上有許多類型之鍋爐可供選擇,然在目前國內空污法規逐步加嚴下,建議廠商盡量採用高效鍋爐搭配相應之優良空污防制設備,以達環保單位與法規之各項要求;如廠商考量以廠內再利用方式去化自廠廢棄物或使用固體衍生燃料,則建議依照使用燃料之需求,採用燃燒控制與熱效率應用較佳之流體化床鍋爐,並搭配相應之空污防制設備,雖然一次到位的作法對初期設置成本需求較高,但可避免因應空污法規逐步改善,反而花費更多精力與金錢。

在鍋爐運作期間,花費之最多金額為燃料,在整個鍋爐生命週期內,燃料費用通常會超過9成,故使用高效鍋爐來節省燃料,可達到最多的省錢效果。

本手冊以紡織業之氣泡式與循環式流體化床鍋爐作為實際效率計算案例,結果2種鍋爐之熱效率都超過8成,其中循環式流體化床鍋爐接近9成,在節省燃料費用方面相當具有優勢。

目前在經濟部工業局與環保署近年辦理多廠次流體化床鍋爐試燒下,國內已有多家使用流體化床鍋爐廠商已瞭解該型鍋爐確實適合用於處理部分事業廢棄物,甚至某具備循環式流體化床鍋爐之廠商已可使用燃料總重量70%之SRF,經實廠試燒檢測結果,空污濃度各項數據皆符合現行排放標準,顯示使用高效鍋爐搭配相應之空污防制設備情況下,確實具備燃燒SRF之能力,再經適當的實廠試燒驗證後,更另環保單位放心核准使用,目前已順利商轉中。

綜上所述,本手冊依據經濟部工業局以往輔導經驗,鼓勵廠商使用既存流體化床鍋爐混燒或純燒SRF,欲新設鍋爐之廠商,應多考量使用流體化床鍋爐,其中循環式流體化床鍋爐的燃燒特性佳,適合使用揮發分較低之SRF(如有機污泥);氣泡式流體化床鍋爐則較適合處理揮發分較高之SRF(如廢塑膠),兩者產生空污及廢棄物皆較一般鍋爐少,如搭配適當之固定污染源最佳可行控制技術,可將污染排放有效控制;且因其熱效率高而可減少煙煤用量,具有減碳效益,可減少底飛灰及其處理費,亦可減少焚化廠之負荷,該優良作法值得廠商參考。

壹、流體化床鍋爐簡介

流體化床為利用固體顆粒沙床作為熱載體,因固體顆粒可提供優於氣體之熱傳速度,因此當燃料進入爐體內接觸固體顆粒,可快速到達氣化溫度而進行燃燒反應。

當一次空氣由下而上穿過固體顆粒,並提供固體顆粒抬升力,當固體顆粒之重力與氣體抬升力達力平衡時,固體顆粒將產生懸浮。由於其過程為空氣通過固體顆粒沙床,使得沙床表面如同沸騰液體般,因而得名流體化床,其流體化床示意如圖1。

圖1  流體化床示意圖
資料來源:J.B. Kitto et al., 2005

大量之固體顆粒形成高熱容量沙床,當燃料進入爐體,即可維持爐體氣化溫度,使流體化床具備高料源之接受度,可用於燃燒低熱值燃料、高含水率與高灰分之固體廢棄物。

流體化床因透過加熱固體顆粒維持爐體溫度約在800~950℃(K.W. Ragland et al., 2011)範圍內,雖因火焰高溫產生氮氧化物(下稱NOX)但可控制,並可透過固體顆粒中添加吸附劑(如:氧化鈣),降低硫氧化物(下稱SOX)之產生,因此為許多大型能源系統與垃圾焚化爐所採用。

當使用不同燃料進行流體化床操作時,以維持爐體溫度與蒸氣壓力進行相關操作參數調整,當使用低熱值、高含水量燃料時需提升進料速率,並暫停沙床冷卻水系統,透過一次風送風量進行沙床溫度控制;使用高熱值、低含水量燃料時,除啟動沙床冷卻系統外,因燃料氣化使可燃氣體增加,可增加二次空氣進氣量,以達完全燃燒與高燃燒效能之目標。(徐英綺等,民109)

一、流體化床鍋爐發展概況

德國人溫克勒於1921年在實驗中發現,將燃燒產生的煙氣導入一個裝有焦炭顆粒的爐室之爐底,固體顆粒因受氣體的阻力而上升,整個顆粒系統看起來就像沸騰的液體,這個試驗代表著流體化(fluidization)技術的開始。

自此開始,流體化技術於20年代初在德國首先應用於工業,此後在美國、法國和英國等國家均有研究發展和應用之實績,主要係應用於燃燒煤,很快地成為主流燃燒方式之一,流體化床燃燒的理論技術和實際應用推動流體化學科的發展亦相當快速。

流體化床燃燒係處在以固定床(fixed bed)加煤機燃燒(stokerfiring)和粉煤燃燒(pulverized coal fired boiler)之間的一種燃燒方式,兼有這兩種燃燒方式的優點,同時克服了其某些缺點,是一種很有發展前景的燃燒方式。

至20世紀中期,工業的迅速發展,包括大量燃煤鍋爐在內的工業過程造成嚴重的污染,因煤在燃燒過程中產生大量的灰渣、粉塵、廢水、SO2、NOX等廢棄物,嚴重干擾環境生態,甚至造成永久性的破壞,進而危害人類自身的健康。為了永續發展,必須積極地實現煤利用的高效率和低污染燃燒,亟須發展潔淨煤技術,以降低對環境傷害。

流體化床鍋爐商業化發展之時代背景,係緣起於1960年代初期中國和蘇聯交惡,中國無法再由蘇聯輸入石油,因而致力於煤的利用,大力發展可使用劣質煤的流體化床鍋爐,1965年在廣東茂名建造了世界第1座商業運轉的氣泡式(bubbling)流體化床鍋爐。70年代的石油危機,導致歐美各國開始研究較新且可燃燒各級煤炭或其他固體燃料的技術,1979年芬蘭Ahlstrom公司完成了世界第1座商業運轉的循環式流體化床鍋爐(蔡孟原,循環式流體化床鍋爐,科學發展450期,2010)。

在氣泡式流體化床技術之基礎上,1979年芬蘭奧斯龍(Ahlstrom)公司開發出了世界首台20t/h循環式流體化床鍋爐(circulating fluidized bed boiler,CFB Boiler)投入運轉。1982 年魯奇(Lurgi)公司開發的世界上首台用於產汽與供熱水的循環式流體化床鍋爐建成投運,熱功率為84 MW。循環式流體化床鍋爐真正達到電站級容量,是於1985年在德國杜易斯堡(Duisburg)第一熱電廠投運的95.8 MW(270 t/h,535/535℃,14.5 MPa)的再熱型循環式流體化床鍋爐,其爐型為帶有外置床熱交換器的魯奇型循環式流體化床鍋爐。

流體化床燃燒技術在較短的時間內能得到迅速的發展和應用,是因為其具有一些層燃和粉煤燃燒等常規燃煤技術所不具備的特點。

歷經數十年的發展,如今流體化床鍋爐大致可分為氣泡式流體化床鍋爐和循環式流體化床鍋爐兩種形式,不同樣態的煤,燃燒方式的燃燒特性比較如表1(陳文能,民103),從中可以看出,流體化床燃燒有別於其他兩種燃燒方式的最突出的特點是燃燒溫度低、停留時間長及湍流混合強烈。

表1 不同煤燃燒方式的燃燒特性比較

燃燒特性 層燃 粉煤燃燒 氣泡式流體化床 循環式流體化床
燃燒溫度(℃) 1,100~1,300 1,200~1,500 850~950 850~950
燃燒尺寸(mm) 0~50 0~0.2 0~12 0~8
截面煙氣流速(m/s) 2.5~3 4.5~9 1~3 4.5~6.5
燃料停留時間(s) ~1,000 2~3 ~5,000 ~5,000
燃料升溫速度(℃/s) 1 10 10 10
揮發物燃燼時間(s) 100 <0.1 10~50 10~50
焦炭燃燼時間(s) 1,000 ~1 100~500 100~500
混合強度
燃燒過程控制因素 擴散控制 擴散控制為主 擴散控制為主 擴散控制為主
資料來源:陳文能,民103

二、流體化床燃燒技術優點

流體化床是將特定尺寸的固體顆粒置入一個燃燒室中,下方由氣體分佈盤使得氣體均勻通過固體顆粒,氣體由下而上通過固體顆粒,當固體顆粒流速達到固體顆粒的最小流體化速度時,固體顆粒會呈現類似流體的特性,固體顆粒通常採用河砂,具有便宜又不耗損的經濟特性,更具有高蓄熱與耐高溫等物理特性。(羅國肇,民99)

流體化床燃燒(fluidized bed combustion)鍋爐具有許多優點,如對煤的適應性強,這種燃燒方式既能燃燒低熱值煤,也能燃燒優質煤;污染物排放控制特性好;燃燒高硫煤時,床料(bed sorbent)中加入石灰石(limestone),可有效脫除90%甚至更多的SO2,流體化床燃燒鍋爐是採相對較低溫(850~920℃)和空氣分段(級)燃燒(stage combustion),NOX的排放能達到排放要求。以下詳細介紹流體化床燃燒技術的優點(陳文能,民103):

(一)低溫動力控制燃燒
流體化床燃燒過程中,被空氣攜帶離開爐膛的顆粒進入分離器後,大部分重量較大之顆粒被分離攔截,落入進料系統返送回爐膛,形成循環燃燒,延長了燃料在爐膛內燃燒停留的時間。
另由於流體化床燃燒的特點,燃料可在相對較低之燃燒溫度下獲得與粉煤鍋爐較高燃燒溫度下同等的燃燼水平,且爐內溫度一般控制在850~920℃,相對粉煤鍋爐等高溫鍋爐,較能控制因熱產生的NOX 排放,且溫度低於一般煤的灰熔點,減少了飛灰熔融帶來的爐內結渣及鹼金屬析出問題之各項控制,均比粉煤鍋爐好很多。
從燃燒反應動力學角度看,流體化床內的燃燒反應在動力控制燃燒區內,相對來說,由於爐內溫度不高,並有大量固體顆粒強烈混合;由於燃料燃燒速率主要取決於化學反應速率,優異的混合能力使化學反應甚為快速,使流體化床燃燒技術的燃燼率通常可高達98%~99%。
(二)燃料適應性較好
由於爐膛內存在大量灼熱的惰性床料,使得流體化床鍋爐燃燒過程非常穩定,新加入的燃料在進入爐膛後很快與大量高溫床料混合,並很快被灼熱床料加熱引燃,同時不會對爐溫造成明顯沖擊,因此流體化床燃燒技術具有極好的燃料適應性,幾乎對於任何燃料,都可以設計出這種燃料的流體化床鍋爐,並保證燃燒過程的穩定和很高的燃燒效率,對於已經存在的流體化床鍋爐,即使燃料性質在相當大的範圍內變化,鍋爐仍能保證穩定燃燒。
至今已成功地在流體化床鍋爐上燃燒過的燃料包括一切種類的煤,其中有高水分的褐煤,低揮發物的無煙煤,各種煤的煤矸石、洗矸、洗煤泥漿、石煤、各種石油焦、油頁岩、泥煤、城市垃圾、油污泥、廢輪胎、農林業生物質廢料如樹皮、木屑、稻穀、甘蔗渣等。
流體化床鍋爐也可用於燃燒各種液體和氣體燃料,各種燃料既可以單獨燃燒也可以混燒,這是任何其他燃燒方式不能與之相比的。
(三)燃燒強度高,爐膛截面積小
爐膛單位截面積的熱負荷高是流體化床鍋爐的主要優點之一。流體化床鍋爐的截面熱負荷約為3~6 MW/m2,接近或高於粉煤鍋爐,同樣熱負荷下普通鍋爐需要的爐膛截面積要比流體化床鍋爐大2~3倍。
(四)燃料製備及進料系統簡單
流體化床鍋爐設計入爐顆粒一般為10 mm以下即可,比煤粉鍋爐的要求(通過200mesh≧80%)低得多。因此,流體化床鍋爐燃料製備系統不需要配置磨煤機(mill),只需單級或二級破碎裝置即可滿足要求。
流體化床鍋爐只需要將燃料沿著給料斜管滑入爐膛(配少量播煤風和給煤氣密風),進料系統簡單,沒有特殊設計的燃燒器,且可以集中給料,一個給料點可滿足約100t/h 鍋爐蒸發量的要求,有利於鍋爐大型化。此外,流體化床鍋爐能直接燃用高水分褐煤(水分達30%以上),當燃用高水分褐煤時也不需要專門的處理系統和設備。
如需使用SRF,則建議SRF長度不超過5公分,較不容易出現卡料或架橋狀況。
(五)高效脫硫
流體化床相對低溫燃燒之特點,與石灰石最佳燃燒脫硫之溫度一致,故流體化床鍋爐添加石灰石後有較好的爐內脫硫效果。以循環式流體化床鍋爐為例,只要結構設計合理、運轉操作適當,添加合適石灰石,脫硫劑當量比(鈣硫比)為1.5~2.5時,通常可達90%之脫硫效率,其他類型鍋爐則較難達到此效率。
脫硫反應時,為了讓石灰石燃燒後之產物氧化鈣充分轉化為硫酸鈣,煙氣中的SO2氣體必須與脫硫劑有長時間接觸和較大的比表面積,方能達到脫硫目標,故脫硫劑顆粒越小,越能得到更高的利用率。在循環式流體化床鍋爐中石灰石顆粒粒徑通常為0.1~0.3 mm,而氣泡床流體化床鍋爐則為0.5~1mm。0.1mm顆粒的反應比表面積是1mm顆粒的10倍以上。
在反應時間方面,在氣泡式流體化床鍋爐中,氣體在燃燒區域的平均停留時間為1~2秒,循環式流體化床鍋爐中則為3~4秒,再加上石灰石顆粒也參與循環,可反覆使用,因此無論是脫硫劑的利用率還是二氧化硫的脫除率,流體化床鍋爐通常比其他類型鍋爐更為優越。
(六)氮氧化物(NOx)排放低
流體化床鍋爐的另一個特點是氮氧化物排放低。燃燒常規燃料時,流體化床鍋爐的NOx 排放一般低於250 mg/m3(≒122 ppm)。流體化床鍋爐NOx 排放低的主要原因是:
爐溫相對較低
燃燒溫度一般控制在850~920℃,此時空氣中的氮雖會生成NOX,但相對粉煤鍋爐或水泥旋窯相比,溫度較低,NOX較容易控制。
分段(級)燃燒
抑制燃料中的氮轉化為NOx,並使部分已生成的NO2還原成氮氣。
(七)灰渣利用率高
流體化床為低溫燃燒,爐體內優良的燃燒條件使鍋爐的灰渣含碳量低,低溫燃燒的灰渣可再利用,如灰渣可作為再生水泥或建築原材料,且低溫燃燒也有利於灰渣中稀有金屬的提取。脫硫後含有硫酸鈣的灰渣,尚可用來製作膨脹水泥,其他污染物如CO、HCl、HF等排放量相對也較低。

三、氣泡式流體化床

早期發展流體化床燃燒技術因為設備與技術上的限制,通常操作壓力為常壓,因此氣流速度僅以維持在粒子終端速度下操作,粒子的粒徑與速度分佈因素,因此流體化床明顯可以分成下方的流體化床區及床表面以上的乾舷區兩部分,而流體化氣體通過床質空隙,因此這類型流體化床稱之為氣泡式流體化床。

固體燃料投入爐內進行燃燒時,固體燃料會因流體化床內高溫產生裂解反應,產生氣態揮發物與固態的固定碳,固態的固定碳會在流體化床區與氧氣進行異相燃燒(heterogeneous combustion)反應,而氣態的揮發物質隨著流體化氣體上升至乾舷區進行勻相燃燒(homogeneous combustion)反應,這兩個燃燒反應所產生的熱量,除了維持床質與流體化氣體的溫度之外,可以藉由爐內的水管傳熱。

流體化床中的床質具有高熱容量的特性,因此可以處理許多不同型態的燃料,並且對於升降載的限制較少,也易於燃燒低熱值的燃料或是混燒多種不同燃料。生質燃料因具有含水率與低熱值特性,因此流體化床燃燒爐是一種適合使用生質燃料的裝置。

氣泡式流體化床鍋爐主要包含氣泡式流體化床燃燒爐結合水管鍋爐結構,其組成如圖2,其主要結構及其目的如下(萬皓鵬等,民99):

風箱
用以蓄積流體化/燃燒用空氣的壓力,以達砂床流體化。
空氣分佈器
在爐膛底部設置數十、甚至數百個噴嘴,使風箱氣體均勻分佈於砂床中,空氣分佈器的均勻度,會影響砂床翻攪能力,進而影響燃燒完全之程度,如不均勻,可能部分砂無法獲得擾動,甚至燃料裂解或氣化累積之局部高溫造成石英砂玻璃化之現象。
流體化床
一般以矽質砂做為床質,例如河床採取之石英砂,其優點為低成本、硬度大而耐磨等特性。固定碳及部分揮發分,於此處透過與空氣分佈器所傳輸之空氣氣泡中的氧氣混合進行燃燒。為達控溫目的,此區常裝設噴水裝置或熱傳管。
乾舷區
位於流體化床上方,揮發性物質主要在這裡燃燒,大部分燃料在離開乾舷區前燃盡,因此常在乾舷區供應分段燃燒的空氣,此區含有部分被淘失(elutriation)的砂子。一般氣泡式流體化床水管鍋爐於乾舷區末端區域,常會設置水管牆,以吸收流體化床及乾舷區的輻射熱。
燃盡氣體出口
位於乾舷區末端,主要目的是排出燃燒後產生的煙道氣,其設計需兼顧防止粒子淘失。
對流熱傳區
佈設熱傳水管,以對流或傳導方式吸收煙道氣中的熱量。
其他設備
包括循環鍋爐水的水鼓/氣鼓、燃燒系統、公用設備(風機、泵浦)、自動控制設備等。
圖2  氣泡式流體化床燃燒爐

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資料來源:賴耿陽,民83;賴耿陽,民86

四、循環式流體化床

循環式流體化床顧名思義係具有循環特性之意,高速的流體化氣體會將部分的床質與未燃盡的焦炭或固態燃料,蒐集回收後迴流至流體化床內,使得固體床質粒子可以循環不斷使用,除可將燃料盡量完全燃燒外,亦可減少飛灰之產生。

高速流體化氣體會隨著爐體高度增加而下降,且固體燃料顆粒也會隨著滯留時間增加而變小,因此部分的固體粒子因終端速度低於流體化氣體的速度時,固體粒子會隨著其氣流向上流動,且伴隨著燃燒反應而放熱。

倘若燃燒未完成,則這些固體粒子會被煙道出口的分離裝置而捕獲,再度落回流體化床燃燒器中,此循環可提高燃燒效率與降低污然物的排放。循環式流體化床燃燒爐示意如圖3。

圖2  氣泡式流體化床燃燒爐

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資料來源:賴耿陽,民83;賴耿陽,民86

簡而言之,循環式流體化床鍋爐與氣泡式相比,係強化飛灰回收再燃燒,故比氣泡式更適合處理揮發分較低、灰分較高之物種,如有機污泥,處理廢棄物之範圍更廣,其主流類型分為三種,介紹如下。

第一台生產蒸汽的循環式流體化床鍋爐(熱功率為87 MW、蒸汽流量為50 t/h、蒸汽壓力為6.5 MPa(≒66 kg/cm2)、蒸汽溫度為480/480℃)於1982 年在德國呂能(Lüenen)的維雷納特(Vereinigte)鋁廠建成運轉後,經過十多年的發展,至20 世紀90 年代中期形成了許多不同的流派和爐型。其中最具有代表性、大型化後至今仍具有較大生命力的主要是三種爐型,分別為最早由德國魯奇(Lurgi)公司開發的Lurgi型、由原芬蘭奧斯龍開發的Pyroflow 型及由美國FW 公司開發的三個主要爐型。這三種不同爐型的最主要特性如圖4。

圖4  循環式流體化床鍋爐主要技術流派

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魯奇型循環式流體化床鍋爐的特點是在灰循環回路布置外置床熱交換器(external bed heat exchanger,EBHE),並用機械式錐形回灰控制閥(ACV,簡稱錐形閥)控制循環灰向外置床的分流;Pyroflow 型循環式流體化床鍋爐不布置外置床熱交換器,整體結構較為簡單,但須將大量受熱面布置在爐膛中;FW型循環式流體化床鍋爐採用獨特結構的外置床熱交換器INTREX(integrated recycle heat exchange bed,整體循環熱交換器),INTREX 與爐膛聯成一體,結構緊湊。此外,其分離器首先採用了汽冷旋風分離器(cyclone separators)。對三種主要技術流派的主要技術特點分別介紹如下。Lurgi 型、Pyroflow 型和FW型循環式流體化床鍋爐的主要技術性能比較如表2。

表2 三種主要循環式流體化床鍋爐爐型性能綜合表

鍋爐爐型
鍋爐性能
Lurgi型 Pyroflow型 FW型
爐膛上部平均煙氣流速(m/s) 5.5~6 5~5.5 5~5.5
旋風分離器內溫度(℃) 850~900 850~900 850~900
分離器入口固氣比(kg/kg) 2~4 2~4 2~4
燃料粒徑範圍(mm) 平均0.2~0.3,
最大6
好煤0~25,
高灰分煤0~7
好煤0~30,高灰
分煤及無煙煤0~5
爐膛吸熱量份額(%) 爐膛35、外置床25 60 爐膛+分離器60
尾部煙道吸熱量份額(%) 40 40 40
爐膛高度(m) 25~37 25~37 25~37
負荷調節比 4:1 4:1 4:1
鍋爐自身能耗(kW/MW) 16~20 14~16 14~16
鍋爐負荷變化速率(%/min) 2~5 7 7
鍋爐冷態起動至滿負荷時間(h) 10 10 4~6
資料來源:陳文能,民103
(一)Lurgi 型循環式流體化床鍋爐
Lurgi型循環式流體化床鍋爐的根本特點是在灰循環回路上布置外置床熱交換器。外置床熱交換器是一個低流速的氣泡床,傳熱係數很高。部分循環灰經回料閥直接返回爐膛;部分循環灰經過機械式錐形閥控制,分流進入外置床內,被其中的受熱面冷卻到400~600℃後再送回爐膛(或直接排出爐外)。通過控制循環灰的分流比例,增加了運轉中控制爐膛溫度和調節冷卻工質(過熱蒸汽和再熱蒸汽)出口溫度的手段。
魯奇型循環流體化床燃用燃料的平均粒徑為50~500 m,入爐煤最大粒徑在6~10 mm 之間,空塔速度為4~6 m/s。一次風(primary air)由布風板(distributorplate)下送入,約占總風量的40%,布風板上的床料密度為300 kg/m3 左右。二次風(secondaryair)由在爐膛側牆一定高度處的幾個二次風口送入。二次風口以上的氣-固兩相密度為30~50 kg/m3。爐內燃燒溫度一般為850℃。再加上分段(級)燃燒,在運轉中可有效地控制NOX 的排放量。
魯奇公司認為外置床具有三個優點:床溫控制僅需調節進入外置床與直接返回燃燒室的固體物料比例,比較靈活,無需改變循環倍率等其他因素; 將燃燒和傳熱基本分離,可使二者均達到最佳狀態; 將再熱器或過熱器布置在外置床中,汽溫調節非常靈活,甚至無需噴水調溫。此外,將受熱面布置到外置床內,也是鍋爐大型化達到600 MW 容量等級後,滿足受熱面布置需要的必然選擇。將受熱面布置在外置床內而非爐膛內部,由於其中流體化速度低,磨損會大大降低。但該方案的缺點是增加了設備的投資、維護工作量與廠內用電。
(二)Pyroflow 型循環式流體化床鍋爐
由原芬蘭Ahlstrom 公司開發的典型Pyroflow 型循環式流體化床鍋爐,其在灰循環回路中不布置外置床受熱面,而在爐膛中部布置特殊的管屏或在爐膛上部布置翼牆受熱面。高溫型旋風分離器可布置在爐膛前面、兩側或爐膛與對流煙道之間,布置自由靈活。一次風由爐底布風裝置送入,占總風量的60%~70%,二次風在布風板上方兩個或三個不同高度送入。
Pyroflow 型循環式流體化床鍋爐與Lurgi 技術最大的不同在於Pyroflow 爐型不設置外置床熱交換器,系統及運轉相對簡單,造價也可適當降低。但隨著鍋爐容量的增大和參數的提高,爐內需要布置更大比例的過熱、再熱受熱面,而此時爐膛比表面積又相對減小。對Pyroflow 型循環式流體化床鍋爐,由於沒有外置床,大量受熱面必須布置在爐內。這對於200~300MW 級循環式流體化床鍋爐已經比較困難,而對於更大容量(如600 MW 級超臨界)循環式流體化床鍋爐,受熱面布置更難於實現。
(三)FW 型循環式流體化床鍋爐
典型的FW 型循環式流體化床鍋爐的主要特點是採用蒸汽冷卻式旋風分離器,大型再熱FW 型循環式流體化床鍋爐還布置了特殊設計的外置床INTREX(integratedrecycleheatexchangebed,整體循環熱交換器),在循環灰回送爐膛前流經INTREX,通過氣動控制,可使灰流經過(正常負荷)或不經過(起動或低負荷)INTREX 內布置的受熱面。
從20 世紀90 年代中期三大技術流派形成後,擁有這些主要技術的公司又進行了一系列的兼併整合。美國FosterWheeler能源公司(FW 技術)兼併了芬蘭的AhlstromPyropower 公司(Pyropower技術),法國阿爾斯通(Alstom)收購了德國EVT公司(Lurgi技術)、法國Stein公司(Lurgi 技術)和美國ABB-CE 公司(Lurgi 技術)。由此,在國外形成了美國FW公司和法國GECAlstom 公司兩大循環式流體化床鍋爐技術集團。技術的進一步融合、滲透與發展,形成了不同種類和特點的循環式流體化床鍋爐,但從宏觀和發展趨勢來看,大型循環式流體化床鍋爐技術又呈現日益趨同的特點。
在其他類型鍋爐中,以粉煤鍋爐熱效率較高,與循環式流體化床鍋爐相比之下,整體仍以循環式流體化床鍋爐之優勢較高,各項參數比較如表3。

表3 粉煤爐和循環式流體化床鍋爐的比較

比較項目 粉煤鍋爐 循環式流體化床鍋爐
燃燒效率(%) 99~99.5 97~99
燃燒溫度(℃) 1,300~1,500 850~900
達99%脫硫效率的脫硫方法 煙氣脫硫裝置 爐膛內加入石灰石
NOX 排放濃度(ppm) 300~400
(低NOX 燃燒器)
120~150
不用油時負荷調節比 2:1 4:1
負荷變化的響應時間(s) 30~60 30~60
爐膛截面熱負荷(MW/m2) 1.4~4.5 4~6
爐膛容積熱負荷(MW/m2) 0.11~0.20 1.5~2
可用率(%) 95~98 97~99
冷態起動時間(h) 3~4 4~16
燃料顆粒尺寸(mm) 0~0.09 0~30
煤種適應性 有限度 很寬
燃用其他固體燃料適應性
燃料製備系統 複雜 簡單
爐膛結渣機會’
積灰的機會
爐膛吹灰 需要 不需要
燃料水分要求 需乾燥到1%~3% 不需乾燥
維護保養 中等
機械裝置數量 中(灰渣系統複雜)
煙氣流速(m/s) 最大10~13 最大5~10
預熱空氣 必須 不一定
增加煙氣脫硫裝置時單位容量鍋爐機組的成本 以粉煤爐為基準 80%~85%
資料來源:陳文能,民103

貳、高效燃燒控制技術

在高效燃燒控制技術中的所謂「高效」,並無法規上的定義,僅是相對以往傳統的一般固體燃料鍋爐如鏈排爐等相比,鍋爐熱效率較高之意。一般鏈排爐約可達60~80%熱效率,通常約7成,故此處「高效」係指平均高於7成者,例如本手冊所介紹之流體化床鍋爐。鍋爐熱效率通常可達8成以上,其中循環式甚至可達9成。

要瞭解鍋爐如何可達到「高效」,首先要瞭解燃燒控制的基本原理,讓燃料發揮到最高效益,其次再瞭解如何避免熱效率的損失,以下說明。

一、燃燒理論與3T(Temperature、Time、Turbulence)控制原理

(一)燃燒理論
燃料與氧化劑快速混合產生氧化還原反應,產生光和熱的現象稱為燃燒。引發燃燒反應需要適當的溫度與能量,才能引燃火焰,這種溫度稱為著火溫度(ignition temperature),工業界所使用的燃料多數使用碳氫化合物,也含有少許的硫、氮、氧與部分的水。一般的碳氫化合物燃燒完全反應式如下:
CxHy+a(O2+3.76N2)×CO2+(y/2)H2O+3.76aN2+燃燒熱(1)

當中 a=x+y/4 燃燒過程中供氧量與燃燒完全與否有密切關係,因此定義完全燃燒反應所需的空氣與燃料比例關係為定當量空氣燃料比(stoichiometric air-fuel ratio)

說明文字

而任意的狀態下的當量比(equivalence ratio, ϕ)可以定義如下:

說明文字

因此,當空氣/燃料比供給超過定當量下的空氣/燃料比,表示這個燃燒反應會存在過剩空氣,為貧油燃燒(fuel-lean combustion);相反,則為富油燃燒(fuel-rich combustion)。而火焰在常態下,可以引燃傳播的當量比,則稱為可燃極限(flammability),各種常見燃料的可燃極限如表4。

表4 各種常見燃料的可燃極限

燃料 可燃極限(Flammability limits)
貧燃料極限(φmin) 富燃料極限(φmax) 定當量下空氣與燃料質量比
乙炔(C2H2) 0.19 13.3
一氧化碳(CO) 0.34 6.76 2.46
正癸烷(C10H22) 0.36 3.92 15.0
乙烷(C2H6) 0.50 2.72 16.0
氫(H2) 0.14 2.54 34.5
甲烷(CH4) 0.46 1.64 17.2
甲醇(CH3OH) 0.48 4.08 6.46
正辛烷(C8H18) 0.51 4.25 15.1
丙烷(C3H8) 0.51 2.83 15.6
資料來源:環興公司依鍋爐協會資料彙編

(二)燃燒熱定義

所有的化學反應都伴隨著能量的吸收或釋放,而能量通常是以熱量的形式出現。一莫耳的燃料和氧化劑在等溫等壓條件下完全燃燒釋放的熱稱為燃燒熱。標準狀態的燃燒熱稱為標準燃燒熱,以Δh_c298^o表示,單位千焦耳/莫耳(kJ/mol)、千卡/公斤(kcal/kg)、千卡/立方米(kcal/m3)或千焦耳/立方米(kJ/m3)。

碳氫化合物燃料在等溫等壓條件下燃燒後的產物為H2O(l)、CO2(g)及N2(g)。產物當中的水是液體或氣體所獲得的燃燒熱,分別高熱值(High heating value, HHV)與低熱值(Low heating value, LHV),兩者差別在於H2O(l)與H2O(g)的生成熱不同。

說明文字

這裡Δh_298^o為一莫耳水的汽化潛熱,因此高熱值與低熱值的定義如下:

高熱值
單位體積(或質量)燃氣完全燃燒時所放出的熱量,且燃燒產物中水蒸氣凝結為水時之發熱量,又稱為總發熱量(淨熱量+水蒸氣的凝結熱)。
低熱值
單位體積(或質量)燃氣完全燃燒時所放出的熱量,而燃燒產物中水蒸氣以氣態存在時之發熱量又稱淨熱量。

(三)絕熱火焰溫度

某一等壓、絕熱燃燒系統,反應放出的全部熱量完全用於提高燃燒產物的溫度,這個溫度就叫絕熱火焰溫度(Adiabatic flame temperature, Tad),通常以標準反應熱來進行計算,但通常為了方便計算會以25℃(298K)為起點,則有

說明文字

當中Ms為然傷產物各組份莫耳數,Cps為比熱值。對於燃燒產物溫度低於1,250 K的反應系統,由於燃燒產物CO2、H2O、N2和O2等是正常的穩定物質,可以以簡單的莫耳分率與質量平衡的方式計算粗略出火焰溫度,但由於解離反應會吸收大量的熱,因此少量的解離會顯著降低火焰的溫度。

(四)燃燒3T控制

燃燒需要氧化劑、燃料與燃點三要素,在鍋爐燃燒過程中要達到良好的燃燒效果,就必須特別留意燃燒三要素,如何在鍋爐燃燒中要控制好燃燒3T與當量比(空燃比),當中3T為溫度(Temperature)、時間(Time)與紊流(Turbulence),這三個因素簡單的說就是,火焰溫度,燃燒停留時間與擾動強度等。做好燃燒3T控制,也可以控制鍋爐空氣污染、漸少燃料消耗與提高能源效率。

溫度
燃料需要達到這個溫度與氧化劑混合,才能克服活化能(activation energy)產生燃燒化學反應,釋放出光與熱。這個溫度稱為自燃溫度(auto-ignition temperature),又稱為著火溫度。在溫度下,燃料與氧化劑達到適當比例時,可以產生燃燒現象。在鍋爐燃燒室中,火焰的熱釋放需略高於燃燒室中的熱交換及熱損失,則可維持燃燒效率,另外,燃燒室中的溫度的分佈也需均勻,避免某些熱點或低溫點造成鍋爐內壁的損壞與Thermal NOX及黑煙的產生。
時間
燃料與生成物在燃燒室的滯留時間是影響燃燒反應是否完成與燃燒產物的生成重要因素之一,燃料通過燃燒反應區的時間,需要足以讓燃料充分反應,這個反應時間為燃料的反應速率倒數。而燃燒後的產物停留於燃燒室中,更因為高溫作用造成氮氧化物的生成。因此如何決定燃燒室的幾何外形與尺寸,考量燃料滯留時間之外,也須考量鍋爐的建置成本。因此許多的鍋爐燃燒室設計,除了依賴長久的設計與操作經驗之外,也須進行許多模擬研究,藉以改善整個燃燒室的幾何設計與氣體流道等。
紊流
流體的流動若是在雷諾數低於一定數字下,此時的流場為層流流場,反之,流場的雷諾數高於某個數字時,便稱之為紊流場。流場中的擾動或是攪動是紊流場的特性,因此燃料在這個流場中有助於燃料與氧化劑的混合,適當的紊流強度可以提升燃燒速度,但太強的紊流強度會造成火焰過度拉伸而產生局部熄滅。
空燃比
當燃料與空氣完全氧化,產生二氧化碳與水,倘若空氣的量供應不足,燃燒就不完全,易產生黑煙與一氧化碳;若空氣供應過多,則會降低爐溫,增加排煙量與熱損失。

二、鍋爐熱效率說明及評估

鍋爐熱效率計算
燃燒效率的定義為輸入燃料熱量與燃燒室發熱量比,計算方式可分為進出熱量法及熱損失法,其熱量輸入、輸出及損失關係如圖5(參考CNS 2141標準計算方式)。
圖5  鍋爐熱量輸入、輸出及損失關係

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以下將分別進行說明:

說明文字

Hl+Q為燃料及燃料用空氣側所發生或加進熱量之和,其中Q=Q1+Q2+Q3+Q4;Qs為有效吸熱量,意指水及蒸汽所吸收熱量之和,其中Qs=Qs1+Qs2+Qs3+Qs4;而各項參數將於後續章節詳細說明。

說明文字

其中熱損失Ll=L1+L2+L3+L4+L5+L6,各項參數於後續章節詳細說明。

(二)鍋爐燃料輸入熱量
計算各種型態與種類的燃燒熱值,燃燒熱值也稱為燃料發熱量,是指單位質量(固體/液體)或是單位體積(氣體)的燃料完全燃燒,燃燒產物冷卻到燃燒前時所釋放的熱量,各種型態與種類燃料,可參考表5。此外,各種型態與種類燃料熱量計算方式將於以下進行說明:

表5 各型態燃料熱值表

表5  各型態燃料熱值表

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1.固體燃料

(1)燃料組成
依CNS 10820之規定,先求出使用時燃料之全水分w %(使用時之基準)。工業分析組成(恆濕基)之水分w1 %、灰分a1 %與元素分析(無水基準)之碳c0 %、氫h0 %、硫s0 %、氮n0 %等成分百分比質量,固體燃料(使用時基準)之碳c %、氫h %、硫s %、氮n %、灰分a %及氧o %可由下列公式計算出。
(2)使用時燃料之高/濕基低位發熱量
依CNS 10820之規定,以恆濕試料測定之高發熱量為H0,使用燃料之高發熱量及濕基低位發熱量分別為Hh及Hl,並於下列呈現如下。
說明文字

濕基低位發熱量 Hl= Hh-5.9(9h+w) (kcal/kg),若無元素分析數據時,h %值得由下式估算

說明文字

2.液體燃料

(1)燃料組成
依CNS 1217、3383、3576、6357及6538等規定,測定碳、氫、硫、氮、灰分、氧及水分之質量百分比。
(2)使用時燃料之高/濕基低位發熱量
依CNS 6359之規定,測定其高發熱量Hh,可藉由下式換算其濕基低位發熱量Hl
Hl= Hh-5.9(9h+w) (kcal/kg)
若無元素分析時,h %值依不同油種而定,如煤油、輕油、原油(13 %),重油(12 %),並以水分為0進行濕基低位發熱量Hl計算。

3.氣體燃料

(1)燃料組成
先求出氣體燃料之成分中氣體之含有率(體積%),並以氫H2、一氧化碳CO、各種碳氫化合物CxHy(CH4、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、C4H8、C4H10等)、二氧化碳CO2、氮N2、氧O2、水蒸氣w表示其百分比。
(2)使用時燃料之高/濕基低位發熱量
依CNS 2632之規定,測定其高發熱量Hh,可藉由下式換算其濕基低位發熱量Hl
說明文字
4.燃料顯熱(燃料由外界熱源預熱時)
有關燃料藉由外界熱源預熱時之輸入顯熱Q1,可由下式計算
Q1 = cf(tf-tsub>0) (kcal/kg)
其中:cf = 燃料平均比熱(kcal/kg℃)
Tf = 加熱後燃料溫度(℃)
T0 = 戶外空氣溫度(℃)
未量測燃料之比熱時,可取以下比熱值進行假設,煤炭0.25 kcal/kg℃;重油0.45 kcal/kg℃;煤油、輕油、原油0.48~0.50 kcal/kg℃;煤氣0.34 kcal/kg℃;天然氣0.38~0.42 kcal/kg℃;石油氣0.7~1.0 kcal/kg℃。
5.空氣顯熱(空氣由外界熱源預熱時)
有關空氣藉由外界熱源預熱時之輸入顯熱Q2,可由下式計算:
Q2 = Aca(Ta-T0) (kcal/kg)
其中:A = 每1kg燃料所消耗之空氣量(m3/kg)
ca = 空氣之平均比熱(0.31 kcal/kgoC)
Ta = 加熱後燃料溫度(℃)
T0 = 戶外空氣溫度(℃)
由燃料組成燃燒氣體之歐式分析值,而以上式消耗之空氣量A,必要時使用實際量測值進行計算,其計算式如下所式,而各項參數亦將於下列進行說明:
A = mA0(1+1.61z) (m3/kg)
其中:m = 空氣比
z = 戶外空氣之絕對濕度
A0 = 理論空氣量(m3/kg)
(1)理論空氣量
A0為理論乾空氣量是理論上計算燃燒所需要的空氣量,依照燃燒化學反應式中各元素之耗氧量,在換算出完全燃燒所需之空氣量,單位碳、氫與硫元素之耗氧量如表6,各種常見燃料之理論空氣量如表7。
說明文字

表6 碳、氫與硫元素之耗氧量

說明文字

表7 常見液態與固態燃料之理論空氣量

說明文字
(2)實際空氣量與過剩空氣
實際空氣量是實際燃燒所送入的空氣量,一般來說都會大於理論空氣量。因此空氣比是指實際空氣量對理論空氣量之比,假設理論空氣量A0,實際空氣量A、空氣比m,則A=mA0,m又稱為空氣過剩係數。過剩空氣是指實際空氣與過剩空氣之差,A- A0,也等於(m-1) A0。(m-1)×100稱為過剩空氣率(%)。需要過剩空氣是由於實際燃燒時,爐內滯留時間有限,理論空氣量不可能全部接觸可燃分子而反應。需要過剩空氣是由於實際燃燒時,爐內的滯留時間有限,空氣不可能全部接觸可燃分子,因此實際空氣量勢必比理論空氣量大,而空氣比m計算式如下:
說明文字
在實際鍋爐操作上,過多或過少的過剩空氣都會造成鍋爐的影響,如下:
過剩空氣過少時,鍋爐會出現現象:a. 冒黑煙, b. 殘留未燃份, c. 鍋爐熱效率下降。
過剩空氣過多時,鍋爐會出現現象:a. 燃燒溫度下降, b. 排氣量增多, c. 鍋爐熱效率下降。
(3)空氣之絕對濕度
在一定的氣壓和一定的溫度的條件下、單位體積的空氣中能夠含有的水蒸氣是有極限的,若該體積空氣中所含水蒸氣超過此限度,則水蒸氣會凝結而產生水,而該體積空氣中實際含有水蒸氣的數值,用絕對濕度來表示。水蒸氣含量越多,則空氣的絕對濕度越高,其空氣中之絕對濕度可藉由圖6得出。
圖6  空氣之絕對溼度
6.噴進爐內之蒸汽或溫水輸入熱量
由外界熱源加熱之蒸汽或溫水噴進爐內時,輸入熱量Q3可由下列式計算:
Q3 = Wb(hb-ha)
其中:Wb = 每1kg燃料所需噴進蒸汽或溫水量(m3/kg)
hb = 噴進蒸汽之焓(kcal/kg),蒸汽約600 (kcal/kg)
ha = 戶外溫度下蒸汽或溫水之焓(kcal/kg),溫水t ℃時,約為t kcal/kg

(三)鍋爐有效吸收熱量

蒸汽吸收熱量
蒸汽所吸收之熱量,將依據蒸汽發生裝置之種類,其吸收熱量計算方式可分為下列4種,分別以QS1、QS2、QS3、QS4表示,鍋爐本體、過熱器及再熱器配置如圖7,而計算所需之飽和蒸汽表(壓力基準)如表8。
未裝設過熱器之鍋爐(QS1)
Q3 = QS1 = W2(hx-h1)
其中: W2 = 每1kg燃料所產生之蒸汽量(mx/kg)
hx = 蒸汽之焓(kcal/kg)
h1 = 給水之焓(kcal/kg)
有裝設過熱器之鍋爐(QS2):以噴水以外方法調節蒸汽溫度
Q3 = QS1 = QS2 = W3(h3-h1)
其中:W3 = 過熱器出口之蒸汽量(m3/kg)
h3 = 過熱蒸汽之焓(kcal/kg)
有裝設過熱器之鍋爐(QS3):以噴水方法調節蒸汽溫度
QS3 = W2(h3-h1)+ W4(h3-h4)
其中:W2 = W3 – W4蒸汽發生量(m3)
W4 = 噴水量(m3)
h4 = 噴水之焓(kcal/kg)
h3 = 過熱蒸汽之焓(kcal/kg)
h1 = 給水之焓(kcal/kg)
有裝設再熱器及過熱器之鍋爐(Qs4)(參考圖)
Qs4 = W2(h3-h1)+W4(h3-h4)+W5(h6-h5)+W7(h6-h7)
其中:W5 = W6 – W7進入再熱器入口之蒸汽量(m3)
W6 = 流出再熱器出口之蒸汽量(m3)
W7 = 調節再熱器溫度之噴水量(m3)
h5 = 再熱器入口蒸汽之焓(kcal/kg)
h6 = 再熱器出口蒸汽之焓(kcal/kg)
h7 = 再熱器噴水之焓(kcal/kg)
圖6  空氣之絕對溼度

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表8 飽和蒸汽表(壓力基準)

壓力 飽和溫度 比容積 (m3/kg) 比焓 (kcal/kg) 比熵 (kcal/kg.K)
(at) (℃) v' v" h' h" r = h"-h' S' S"
1 99.09 0.001043 1.725 99.17 638.8 539.63 0.3097 1.7594
2 119.62 0.0010603 0.9018 119.9 646.2 526.3 0.3639 1.7038
3 132.88 0.0010728 0.6168 133.4 650.6 517.1 0.3976 1.6713
4 142.92 0.0010831 0.4708 143.7 653.7 510 0.4226 1.6482
5 151.11 0.001092 0.3816 152.1 656 503.9 0.4426 1.6303
6 158.08 0.0011 0.3213 159.3 657.9 498.6 0.4594 1.6156
7 164.17 0.0011072 0.2778 165.7 659.5 493.8 0.4739 1.6031
8 169.61 0.001114 0.2448 171.3 660.8 489.5 0.4867 1.5922
10 179.04 0.0011262 0.1979 181.3 662.9 481.6 0.5087 1.5739
12 187.08 0.0011373 0.1663 189.8 664.5 474.7 0.5273 1.5588
14 194.13 0.0011476 0.1434 197.3 665.7 468.4 0.5434 1.5458
16 200.43 0.0011572 0.126 204.1 666.7 462.6 0.5577 1.5345
18 206.15 0.0011663 0.1124 210.2 667.4 457.2 0.5705 1.5243
20 211.39 0.0011749 0.1015 215.9 668 452.1 0.5822 1.5152
25 222.91 0.0011953 0.08147 228.6 668.9 440.3 0.6078 1.4954
30 232.76 0.0012142 0.06794 239.6 669.3 429.7 0.6295 1.4788
35 241.42 0.0012321 0.05817 249.4 669.3 419.8 0.6485 1.4643
40 249.18 0.0012494 0.05076 258.4 668.9 410.5 0.6654 1.4514
45 256.22 0.0012662 0.04494 266.6 668.3 401.7 0.6808 1.4396
50 262.69 0.0012826 0.04025 274.3 667.6 393.3 0.6949 1.4288
60 274.28 0.0013149 0.03313 288.3 665.5 377.2 0.7203 1.4091
70 284.47 0.0013469 0.02798 301 662.8 361.8 0.7427 1.3915
80 293.61 0.0013791 0.02406 312.8 659.7 346.9 0.7631 1.3752
100 309.53 0.0014457 0.01848 334.3 652.3 318 0.7993 1.3451
120 323.15 0.0015177 0.01466 354 643.5 289.4 0.8316 1.317
140 335.1 0.0015985 0.01183 372.8 632.8 259.9 0.8616 1.289
160 345.75 0.0016935 0.009615 391.3 619.7 228.4 0.8905 1.2595
180 355.35 0.0018139 0.007794 410.8 603.7 192.9 0.9205 1.2274
200 364.07 0.0019902 0.006187 431.6 582.8 151.1 0.952 1.1892
220 372.05 0.0023688 0.004423 462.7 545.8 83.1 0.9988 1.1276
225.56 374.15 0.00317 0.00317 503.3 503.3 0 1.0612 1.0612
2.沖放水之吸收熱量

在試驗時應盡量避免沖放之情形,如有沖放發生之情形時,沖放水冷卻器之冷卻水量及冷卻水之上昇溫度,計算出沖放水之吸收熱量Qd,其計算式如下:

Qd = Wd(hd-h1)
其中:Wd = 燃料所產生之沖放水(m3/kg)
hd = 沖放水之焓(kcal/kg)
h1 = 給水之焓(kcal/kg)

(四)鍋爐損失熱量

1.煙道氣之熱量損失(L1)
是指隨煙氣的排出而被帶走的熱量,亦是鍋爐熱量損失中最大的一項,一般約為4~8 %,計算式如下所式。影響這項損失的主要因素是煙氣容積及排煙溫度,而煙氣容積大排煙溫度高,則排煙帶走熱損失也大。為了解決排煙熱損失的問題,許多廠商會在鍋爐後段加裝煙氣餘熱回收裝置回收利用煙氣餘熱。
L1 = GCg(Tg-T0) (kcal/kg)
其中:G = 燃料所產生之實際煙道量(m3/kg)
Cg = 煙道氣體比熱0.33(kcal/kg)
Tg = 煙道氣體出口溫度(℃)
T0 = 戶外空氣溫度(℃)
而實際產生之煙道量G會因為燃料的屬性不同,而計算上有所差異,因此以下將分別說明各種燃料屬性之實際煙道量計算方式:
固體及液體燃料之屬性
說明文字
其中:G0 =理論乾煙道氣量
Gw =燃燒所生之水蒸氣量及燃料中水分所變成水蒸氣量之總和
Gw1 =燃燒用空氣所用之水蒸氣量
z、m及A0可參考空氣顯熱章節
氣體燃料之屬性
 
說明文字
其中:G0 = 理論乾煙道氣量
Gw = 燃燒所生之水蒸氣量及燃料中水分所變成水蒸氣量之總和
Gw1 = 燃燒用空氣所用之水蒸氣量
z、m及A0可參考空氣顯熱章節
2.噴進爐內水蒸氣或溫水之熱量損失(L2)
噴進爐內水蒸氣或溫水所造成之排氣熱量損失L2,如下式進行計算。
噴進由外界熱源所供給之蒸汽或溫水時:
L2 = Wb(hg-hs) (kcal/kg)
其中:Wb = 燃料所噴進蒸汽或溫水量(m3/kg)
hg = 煙道氣溫下蒸汽之焓(kcal/kg)
hs = 戶外溫度下蒸汽或溫水之焓(kcal/kg)
噴進試驗鍋爐本身之部分蒸汽時:
L2 = Wb(hg-hs) (kcal/kg)
其中:h1 = 給水之焓(kcal/kg)
3.不完全燃燒氣體之熱量損失(L3)
指煙氣中含有一部分可燃氣體在爐內沒有達到完全燃燒而隨煙氣排放出去,此損失稱為氣體不完全燃燒熱量損失,其熱量損失L3計算如下式。
L3 = 30.1[G0+(m-1)A0](CO) (kcal/kg)
4.灰渣中未燃燒成分之熱量損失(L4)
在鍋爐的灰渣和隨煙氣帶出的飛灰中,皆含有未燃燒完全的燃料顆粒,而這些沒有燃燒完的固體可燃物所儲有的熱量稱為灰渣中未燃燒之熱量損失L4,其計算式如下。
L4 = 81c2(kcal/kg)
c2 =au/(100-u)
其中:c2 = 未燃燒碳量
a = 使用燃料中之灰分量(%)
u = 灰渣中之平均未燃碳(%)
5.輻射熱之熱量損失(L5)
鍋爐是暴露於大氣中的金屬結構,包含爐牆、煙道等,而鍋爐中的熱向外界散失之熱量為輻射熱損失,此種損失與鍋爐的種類、構造及隔熱情形有直接關係,其計算式如下所式。
說明文字
其中:lr = 為對應濕基低位發熱量之輻射熱損失之百分比,其值隨鍋爐種類、構造及蒸發量等而不同。
6.其他熱量損失(L6)
熱量損失除上述1~5項說明外,如有其他熱損失都包含於此項熱量損失L6中。

三、鍋爐用水及軟水處理(水質管理)

鍋爐管路中循環水於加熱過程會因水中雜質而產生水垢,進而造成水管傳熱效能降低,甚至堵塞水管等問題。

(一)鍋爐用水種類

鍋爐需要有工作流體作為攜帶熱能載體,水是最普遍且成本較低的工作流體,一般鍋爐給水有以下幾種來源:

1.天然水
鍋爐用水某些區域中因為供水或是成本的考量,多數取用於自然界的用水,包括雨水、雪水或是地下水等。雨水與雪水所形成的地表水,這類型的水通常含有許多的氣體、有機物與雜質,其礦物質較少溶於水中,但這類型的水會因為季節與氣候的變化,造成水量與水質的變化,因此水管理就變得相對重要。而地下水的水質會因為水井的深淺與地理環境而改變,地表水滲入地下後,會受到地質或是人為因素的影響,通常相較於地表水而言,含有較多的礦物質。
2.自來水
自來水是水廠蒐集地表水或是地下水,經過水源淨化處理的程序後或生產的水,這類型的水所含的雜質較少,可提供一般民眾飲用,因此也常直接用於低壓鍋爐。但某些區域的水質硬度達到產生水垢的程度,因此還是需要進行部分的水質軟化的程序,而工業用的自來水品質要求不至像飲用水嚴苛,因此也不施行氯殺菌處理。
3.凝結水
這類型的水是由水蒸氣凝結而成,所以又稱為再用水,幾乎不含雜質,很適用於鍋爐用水,因此鍋爐所產生的蒸汽經配管或是使用端,因溫度變化產生的凝結,蒐集回到鍋爐的給水系統。
(二)鍋爐用水處理
在水進入鍋爐前進行前處理的程序,將水軟化或脫鹽等,產製軟化水及脫鹽水等,鍋爐用水常用自來水、地下水等,自來水多是將河水導入水庫中,進行淨化後形成,鍋爐水因使用方法的不同,有不同的解釋與定義,可分為如下:
  • 爐水(Boiler Water):鍋爐中所儲存的水,在爐中循環受熱形成蒸汽後,冷凝蒐集後形成水,為鍋爐中的工作流體,水中的雜質與給水相同。
  • 沖放(Blowdown):鍋爐運行中水因為時間與運轉程序,會產生懸浮物或部分雜質,而進行排放部分的水。
  • 冷凝水(Condensate):這種水是將鍋爐水形成蒸汽後,冷凝所得的水,匯集流回供給鍋爐數用,因此又稱為冷凝回水(Condensate Returns)。
  • 加添(Makeup):補充因為所需給水與冷凝所蒐集的的水之間的差異,造成這些的水量的損失包括蒸汽漏氣、管路漏裂、及蒸汽或是冷凝水用於清潔工作。這些補充水多數以蒸餾水添加,或是以淡水添加化學藥劑,溶出水中氣體與礦物質。

1.給水處理

鍋爐用水所需原水可能夾帶許多的雜質進入鍋爐,水受熱蒸發後為蒸汽,雜質仍殘留於鍋爐受熱面上,造成熱傳導效率下降,也會使鍋爐壽命縮短。雜質滲入給水的種類與原因如下:

(1)鹽類沉澱
給水中會因為鹽類的沈澱造成鍋爐管路或是受熱面的影響,主要原因包括:a. 蒸發汽內蒸發的蒸汽帶有鹽分;b. 蒸發汽內之海水漏入蛇形蒸汽碟盤;c. 淡水機凝水櫃漏水;d. 淡水中含有鹽分;e. 主輔機凝水櫃漏水;f. 停用鍋爐之洩泥閥漏洩使海水流入鍋爐,含有鹽分的給水經沸騰汽化後會對鍋爐產生鹽垢、酸性腐蝕及汽水共騰(Priming)等,常見影響鍋爐用水的鹽類如下。
A.氯化鈉
對鍋爐影響較小,但會引起汽與水共騰的現象,爐水被蒸汽送至鍋爐各個組件時,因為溫度與流場的改變,容易形成鹽垢並增加熱交換器的管壁厚,降低傳熱的困難度,甚至會造成鍋爐的熔毀。若是共騰現象持續發生,會造成水氣伴隨蒸汽進入渦輪機中,渦輪葉片上會產生鹽垢進而使得轉子失去平衡,隨著轉速越快,也造成失去效能也就越大,因此也需要添加化學藥劑,以避免汽水共騰。
B.氯化鎂
氯化鎂常溶於爐水內,分解後會形成鹽酸,腐蝕所有經過的區域,因此需添加化學藥劑使得爐水呈現鹼性中和鹽酸,避免腐蝕。
C.硫酸鎂和硫酸鈣
這兩種鹽類經溶解後會產生硬垢,容易集結在燃燒室的爐管附近,其附著力非常大,以機械方法也很難以去除,並且非常容易隔絕爐管傳熱,縱使結垢相當薄,也可能使爐管壁溫度升高而損毀,所以也必須添加化學藥劑以阻止鹽垢產生。
D.碳酸鈣
這類的鹽類原本對鍋爐無害,但常因聚集在鍋爐內死角處形成碳酸,進而侵蝕金屬,所以除了改善鍋爐爐管的設計之外,減少死角外,並使用化學藥劑使水呈現鹼性以綜合碳酸。
E.矽酸鹽
鍋爐若設置於港灣或靠近陸地,這些區域的海水經常含有矽酸鹽,矽酸鹽質地脆且硬,使得僅僅薄的鹽垢,就足以使管壁溫度升高而燒毀,所以也必須添加化學藥劑避免鹽垢的發生。
(2)滑油、燃油漏入
鍋爐內的許多設備,包括:燃油設施(燃油加熱器、燃油儲存櫃、日用櫃及燃油清潔櫃等),當蒸汽蛇管洩漏時,燃油會隨著排汽系統進入給水中伴隨進入鍋爐。滑油從滑油櫃內加熱的蒸汽蛇管洩漏進入或由渦輪機軸承、鍋爐內的旋轉機件及往復式蒸汽活塞桿等地方滲入給水系統。
(3)溶解氧氣
管路與設備接縫處的氣密問題,如低壓渦輪機、低壓泵、凝水櫃等,均可能導致外部的空氣滲入而進入給水系統。
(4)鏽蝕鐵質
鍋爐系統中,包括各個水管、汽管、水櫃、機器,與鍋爐中的鐵件,這些水中的蒸汽水分所產生的對系統中鐵件的鏽蝕,會伴隨著給水浸人鍋爐,產生鏽蝕。
(5)過量之化學藥物
過量的使用化學藥劑進行給水處理,導致化學藥物過剩,經由給水進到鍋爐之中。

2.雜質及其對鍋爐的影響

(1)油類進入鍋爐
滑油或是燃油滲入爐中,但因密度較水小,因此浮於水面上,易產生泡沫與乳化攜帶的現象,或是當爐水通常會產汽管或水管牆處,形成一層極薄且隔熱較好的油膜,因此降低熱傳效能,引起爐管過熱損壞。這些現象可以藉由檢查各加熱器與給水系統所有聚集油類的部分,也可以進行表面沖放排出浮油,倘若油類進入鍋爐,可以藉由油水位表可判斷。倘若鍋爐已經遭受油污嚴重污染,須徹底進行沖放程序,須將鍋爐先停止排光鍋爐內的污水,另行泵入清潔的給水,並加入鍋爐粉(Boiler Compounds),引入蒸汽經由洩泥閥或附近的接頭進入鍋爐,使得爐水沸騰維持顱內壓力約50psi,經過2~3天,再以清水進行清洗並重新換水即可。
(2)溶解氧氣
水中溶氧量在不同的操作條件下,有不同的影響,在高溫高壓的操作條件下,水中溶氧可使鍋爐進水部分鏽蝕,因此必須使用除氧設備去除水中的溶氧。但在低溫低壓的操作環境下,影響較小可以忽略。
(3)銹蝕、鐵屑
鐵鏽或碎屑隨給水進入鍋爐後,懸浮於水中形蒸發成核,誘發氣泡產生及汽水共騰,所以需使用化學藥劑使懸浮的碎屑沉澱,近一步以表面吹洩閥或是洩泥閥將其排出。
(4)乾硬垢
鍋爐周邊裝置中,洩泥閥的安裝位置與使用方式會影響鏽蝕排放、處理鍋爐水中產生的軟泥、水牆面管與靠近火室的爐管內乾硬垢的產生,降低爐管的傳熱能力,軟泥及鏽蝕乾凝後,很難以機械方式清除或是化學方法分解。
總而言之,爐管或爐室過熱器的受熱面上產生鹽垢,降低傳熱,造成鍋爐熱效率降低,爐管溫度上升,造成鍋爐熔毀。這些鹽類會造成金屬表面受到酸性鹽類或是溶氧的作用誘發鏽蝕,爐水產生泡沫或是汽水共騰現象,早成蒸汽伴隨著大量水份進入過熱器,甚至到達渦輪機。為了讓鍋爐維持最大效能與壽命,需要留意爐水水位與給水狀況,並於鍋爐管路各處取水採樣檢測,施以鹼性檢查、鹽分檢查、硬度檢查、溶氧檢查及pH值檢查等,若發現異常應及早處理。

3.爐水處理分類

可分為化學處理及物理處理兩類。

(1)化學處理
添加藥劑,保持爐水適當的酸鹼值,減少鹽垢的形成、以防止腐蝕、阻止氣沫及汽水共騰的現象發生。
(2)物理處理
以攪拌或沉降的方式,降低水中離值及溶氧量,避免爐水對鍋爐管路產生鏽蝕現象。
鍋爐水處理是利用化學藥品或是物理方式,防止鍋爐爐水產生礦物沉澱、乾硬垢、腐蝕與蒸汽攜水現象,這些方法主要為了防止鍋爐損壞、避免損害蒸汽作用之各項機械設備,維持各項動力設備在高效率下運轉。

4.鍋爐水處理過程

鍋爐水的處理程序,須包括依序完成下列程序:

  • 化驗:於鍋爐管路各處取水採樣檢測,施以鹼性檢查、鹽分檢查、硬度檢查、溶氧檢查及pH值檢查等。
  • 沖放:以沖放方式將爐水中過多的溶解物與懸浮物雜質移除,控制溶解物與懸浮物雜質含量。
  • 處理:使用化學藥品控制鍋爐水酸鹼值,以保護鍋爐周邊管路設備等。

5.鍋爐水處理所使用的化學藥品

用於鍋爐水各項處理的藥品種類繁多,下列各項為常用於防止鍋爐等設備遭受腐蝕者:

  • 磷酸鹽:鍋爐用的採用結晶粒狀之磷酸鹽,如磷酸鈉及亞磷酸鈉等,避免鍋爐內鈣質硬垢沉澱之形成。
  • 氫氧化鈉(NaOH):氫氧化鈉應用於鍋爐中,主要有兩種作用,包括:維持鍋爐爐水適當的鹼性,防止鍋爐遭受酸性腐蝕,及結合鍋爐中鎂促使淤泥沉澱,免於沖放以形成硬垢。
  • 液體凝結劑:用於鍋爐中常見的液體凝結劑為明磐(即硫酸鋁)及綠磐(即硫酸鐵)等,這些凝結劑用凝結水管中的污泥,避免給水受到油類污染所產生的各種問題。
  • 聯氨(N2H2):通常以15%聯氨或24%水和聯氨之混合溶液,添加於磷酸鈉和氫氧化鈉中,作為鍋爐水的驅氧劑,避免鍋爐與蒸汽在水管路中產生腐蝕作用。
  • 亞硫酸鈉(Na2SO2):這與聯氨溶液也相似的功效,可以防止低壓鍋爐中產生氧氣腐蝕。
  • 胺類:常用的胺類有馬福林、環乙胺等,為有機化學藥物作用與氨類似,可用於低壓鍋爐中與亞硫酸鈉搭配,防止蒸汽或回水管路腐蝕。
  • 防泡沫劑:常用的防泡沫劑如聚乙烯與聚乙二醇等化學藥品,僅會於特殊情況下使用,可使鍋爐內蒸汽氣泡離開水面時馬上破裂,以防止泡沫現象的發生。

四、AI技術應用於鍋爐控制技術

(一) AI技術應用於鍋爐控制介紹

人工智慧技術(AI)及物聯網技術(IoT)應用於鍋爐控制技術,可以提高鍋爐熱效率並降低空氣污染物排放。其中人工智慧技術(AI)可以透過燃燒特性、重要參數及燃燒優化控制系統,提高鍋爐整體效率(燃燒效率及熱效率),亦可降地鍋爐煙氣中NOX的排放,達空污排放標準。而物聯網技術(IoT)則整合物聯網雲端平台、終端應用、大數據分析服務等技術,並收集鍋爐運作的相關數據做為設備訊息反饋,讓鍋爐使用更加安全且穩定,有利於提高整體運作效率。

目前許多大型鍋爐已具備高度自動化之設計,甚至有些在近20年前設置的流體化床鍋爐,通常除起爐與停爐外,其餘燃燒參數皆交由自動化系統自行控制,顯見自動化於鍋爐操作使用上扮演著重要的角色,然隨著科技日新月異,其人工智慧技術(AI)、大數據和物聯網技術(IoT)已逐漸被運用於各領域中,目前廠商與學界皆在大力探索,其發展值得我們關注。

常見的AI人工智慧技術大多採用4個步驟,步驟一為「數據處理」,蒐集鍋爐進風量、給水、用煤量、排氣口氧氣含量、排氣溫度等;步驟二為「機器學習模型」,利用深度機器學習模型,將步驟一所蒐集之相關數據輸入至模型中,經複雜的演算方式,可得出學習結果(如進風量調整量、給水溫度控制量等);步驟三為「即時控制」,針對步驟二所學習出之結果,控制鍋爐給煤、給風等設備來優化鍋爐系統;步驟四為「模型驗證」,驗證機器學習模型輸出控制結果是否達成預期成效。

以日本日立造船株式會社(Hitachi Zosen Corporation)為客戶設計製造之大型鍋爐或焚化爐為例,除自動化控制燃燒狀況之設計外,甚至可設計將資料回傳該公司日本總部機房,除有利於收集大數據進階統計分析外,如有操作異常等狀況,廠商亦可提請日本總廠由遠端操控參數,大數據分析後所產生之軟體功能修正後,亦可連線廠商鍋爐系統控制電腦,自動更新其控制軟體,達到比傳統化控制方式更為先進且方便之設計。

另108年世界人工智慧大會於上海世博中心及上海世博展覽館舉行,其中中國無錫中正鍋爐有限公司於此發表在人工智慧和物聯網的應用實例,中正鍋爐除了採用潔淨燃燒技術、低氮燃燒機及在鍋爐尾端設置冷凝器,更將人工智慧及物聯網技術運用到鍋爐控制中,讓鍋爐操作人員利用簡易的控制系統操作介面,來實現系統起爐與停機、參數設定、數據查詢等功能,以快速進行鍋爐運作現況分析,另在鍋爐水位安全裝置及燃燒聯鎖保護等方面架構安全輔助系統,確保鍋爐全自動安全運行,實現智能化控制。

目前最新AI技術應用趨勢,係於鍋爐燃燒之中以CCD攝像機擷取影像,並將這些影像發送到電腦模式中運算,可預測燃燒狀態,並由控制單元根據燃燒狀態送出控制調整操作參數之訊號,使火焰穩定並高效燃燒。

雖目前較高階之AI技術尚在起步階段,尚未普及運用於流體化床鍋爐,然後續如有商業應用,預計將使廠商獲得更為自動化、控制燃燒及空污防制等更高效益,值得廠商關注,如未來應用至商業化領域時,建議廠商參考使用。

參、使用廢棄物作為燃料之注意事項

為達到循環經濟並減輕我國焚化廠負荷,經濟部與環保署近年皆致力於將廢棄物盡量資源化或能源化,其中流體化床式鍋爐因可處理固體、液體、氣體燃料,即扮演相當重要之角色。但並非每種廢棄物皆適合作為燃料,手冊將特別提醒廠商,即使使用如流體化床鍋爐等優異設備,亦並非萬能,仍須注意燃料之選用與前處理,並訂定適當之燃料允收標準,方能保護鍋爐設備正常運轉,維護自身與燃料供應商之權益。

一、原料選用適當性評估

目前我國並未訂定發布SRF品質標準規範,具備鍋爐之廠商普遍對於使用SRF有許多疑慮,例如SRF燃料品質不穩定、可能造成空污超標等關注重點,且各縣市環保局在審核時亦常訂定加嚴規定或內部規定要點等作法,在許可審查時常遭遇許多困難,使廢棄物能源化在推動上遭遇困境,目前難以在市面流通。

目前無論環保署與經濟部工業局對於訂定SRF相關法規時,皆有兩大原則,一是具有適燃性,二是非有害

在適燃性方面,作為燃料或輔助燃料,無論是與其他燃料混燒或專燒,皆必須具有燃料最基本的熱值特性,方能持續燃燒而不中斷。

在非有害方面,由於有害物質燃燒後可能產生嚴重空污或異味問題,為免影響操作人員或民眾接觸而有影響健康之虞,故規定SRF不得為有害廢棄物。為證明SRF之非有害特性,SRF製造商在交易時必須檢附如重金屬Cr、Cd、Cu、Pb、As等重要分析數值,證明其SRF係非有害廢棄物所製造,故對於可作為SRF原料物種,須依據廢棄物代碼分類,只有非有害且具適燃性的廢棄物才可作為原料使用。

環保署廢管處已於109年4月7日修訂發布之「事業廢棄物清理計畫書審查作業參考指引」(第3次修訂版),該指引之訂定目的係作為環保局及其委辦單位在審查廢清書時,針對SRF製造廠申請及填報時應注意之規定事項,其中與本計畫最相關部分為「附件四、固體再生燃料製造技術指引與品質規範」。

上開指引於總則定義固體再生燃料係指以具適燃性之廢棄物作為燃料,並須符合附表一燃料品質標準者,稱為SRF,中文亦可稱為固體回收燃料、固體再利用燃料或固體再生燃料,適用於以非有害適燃性固體廢棄物製造SRF之處理廠或再利用機構運作管理,或以自廠廢棄物轉製SRF,並作為鍋爐燃料者。可作為SRF之廢棄物種類、名稱、適用項目如表9。

表9 環保署廢管處認為可作為SRF之廢棄物種類

廢棄物種類 名稱 適用項目
廢塑膠 廢樹脂 非有害之樹脂如黏著劑等(D-0202)。
廢塑膠混合物 非屬公告應回收或再利用廢塑膠或其混合物(D-0299)。
廢塑膠 依中央主管機關公告可直接再利用之廢塑膠(共通性、內政部)或廢塑膠(容器)(交通部、通傳會)(R-0201)。
廢塑膠容器(PET) 公告應回收廢棄物。PET瓶(軟飲料、酒類容器)、地毯、服飾等(R-0202)。
廢塑膠容器(PE) 公告應回收廢棄物。包裝膜(包裝材料)、購物袋、鋁蒸發紙、可重複使用的運輸紙箱(乙烯基箱、零件箱等)(R-0204)。
廢塑膠容器(PP) 公告應回收廢棄物。可回收的盒子、綑綁繩、糖果包裝袋、鋁蒸發紙(R-0205)。
廢塑膠容器(PS發泡) 公告應回收廢棄物。電視機、音響設備、鋁蒸發紙、食品托盤、聚苯乙烯泡沫塑料、玩具外殼等家用電器外殼(R-0206)。
廢塑膠容器(PS未發泡) 公告應回收廢棄物(R-0207)。
廢塑膠容器(其他塑膠) 公告應回收廢棄物(R-0208)。
廢生質塑膠容器(PLA) 公告應回收廢棄物(R-0211)。
廢橡膠 廢橡膠混合物 非屬公告應回收或再利用廢橡膠或其混合物(D-0399)。
廢橡膠 依中央主管機關公告可直接再利用之廢橡膠(經濟部、內政部)(R-0301)。
廢紙 廢紙混合物 非屬公告應回收或再利用廢紙或其混合物(D-0699)。
廢紙 依中央主管機關公告可直接再利用之廢紙(共通性、交通部)(R-0601)。
廢木材 廢木材棧板 指廢棄之木質棧板(D-0701)。
廢木材混合物 非屬公告應回收或再利用廢木材或其混合物(D-0799)。
廢木材 依中央主管機關公告可直接再利用之廢木材(板、屑)(交通部、內政部)或廢木材(板、屑、木質電桿、木質橫擔或枕木)(經濟部、通傳會)(R-0701)。
廢纖維 廢纖維 指廢棄之纖維材質廢棄物(D-0801)。
廢棉屑 指廢棄之含棉屑材質廢棄物(D-0802)。
廢布 指廢棄布類廢棄物(D-0803)。
廢纖維或其他棉、布等混合物 指無法分類之廢纖維、棉屑、布或其混合物(D-0899)。
廢人造纖維 依中央主管機關公告可直接再利用之廢人造纖維(經濟部)(R-0801)。
紡織殘料 依中央主管機關公告可直接再利用之紡織殘料(經濟部)(R-0802)。
污泥 漿紙污泥 依中央主管機關公告可直接再利用之漿紙污泥(紙漿、紙及紙製品製造業在廢水處理設備產生之污泥)(經濟部)(R-0904)。
紡織污泥 依中央主管機關公告可直接再利用之紡織污泥(紡織業與塑膠原料製造業及人造纖維製造業於人造纖維製程所產生廢水在廢水處理設備產生之污泥或生產製程產生之污泥)(經濟部)(R-0906)。
動植物性
廢棄物
蔗渣 依中央主管機關公告可直接再利用之蔗渣(製糖業在製糖製程產生之蔗渣)(經濟部)(R-0102)。
垃圾 事業活動產生之一般性垃圾 事業活動(含營業活動)所產生與一般垃圾性質相近且非屬其他事業廢棄物種類之廢棄物。須經機械分選設備(Mechanical Treatment, MT)或機械生物處理程序(Mechanical Biological Treatment, MBT)分選後之適燃性廢棄物,方可作為SRF原料。(D-1801)
一般垃圾 指家戶或其他非事業產生源所產生之日常生活廢棄物。須經機械分選設備(Mechanical Treatment, MT)或機械生物處理程序(Mechanical Biological Treatment, MBT)分選後之適燃性廢棄物,方可作為SRF原料(H-0001)。
事業員工生活垃圾 指事業員工(不包括營業活動與生產製程)所產生之一般廢棄物。須經機械分選設備(Mechanical Treatment, MT)或機械生物處理程序(Mechanical Biological Treatment, MBT)分選後之適燃性廢棄物,方可作為SRF原料(H-0002)。
資料來源:環保署事業廢棄物清理計畫書審查作業參考指引(第3次修訂版),109年4月7日發布

二、鍋爐允收標準

政府若欲推動鼓勵工業鍋爐協助處理固體具熱值廢棄物,需先打通SRF品質標準與相關配套規範(如採樣、分析、認證制度),方能使廠商安心使用,以免有損壞鍋爐設備、造成空污超標,進而有遭受行政裁罰甚至關廠之疑慮。

使用鍋爐混燒廢棄物SRF時,由於SRF並非傳統燃料,部分特性可能導致鍋爐熱效率降低,然如過度限制廢棄物的品質,將造成前端過度的處理而產生不必要之能耗導致排碳量增加,反而較不環保,故重點在於在環保與經濟面互相平衡,而不偏廢於任何一端。

根據環保署廢棄物管理處於109年4月修訂發布之「事業廢棄物清理計畫書審查作業參考指引(第3次修訂版),其附件四、固體再生燃料製造技術指引與品質規範中,於附表一已訂定固體再生燃料品質標準,該標準係參考歐盟SRF 品質標準(EN 15359:Solid recovered fuels. Specifications and classes)分級,採淨熱值第4級、氯含量第5級及汞含量第5級訂定標準值如表10,供廠商參考。

然每廠的鍋爐對於熱值、氯含量等因子之承受能力與防制能力各有不同,建議鍋爐廠商參考該標準值作為基準,再依自廠鍋爐與防制設備之能力及以往檢測經驗等科學證據加以調整,訂定適合自廠使用之允收標準,較為妥適

表10 SRF品質標準參考值

表10  SRF品質標準參考值

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資料來源:環保署「事業廢棄物清理計畫書審查作業參考指引(第3次修訂版),109年4月修訂發布

允收標準之訂定,往往與鍋爐腐蝕、破管、維護等層面有關,例如有機廢棄物或燃料之含氯量多寡除與戴奧辛有關外,亦與鍋爐內部高溫腐蝕有關,另鈉、鉀含量與積灰結渣之控管有關,各廠有不同接受度,也有不同鍋爐與管道設計予以針對性改善,故建議鍋爐廠商與鍋爐製造商、SRF供應商討論允收標準,亦應在訂定允收標準建議值後,先向當地環保局申請試燒,以實廠試燒結果作為依據,確認可符合環保法規後,將該建議值修正後納入雙方契約,以利符合實際進料允收標準,確保雙方權益

三、使用SRF之經濟、環境(含減碳)效益

經濟部工業局近年持續執行實廠試燒工作,針對流體化床式鍋爐已累積許多經驗。實廠試燒時,經濟面、環境面(含減碳)之效益,需綜合考量,並非僅看單一層面,以下說明。

以某具代表性流體化床式鍋爐106~108年試燒結果為例,該廠曾試燒過純燒煙煤(100%)、煙煤+紡織污泥(84%:16%)、煙煤+廢塑膠SRF、(84%:16%)及煙煤+紡織污泥+紡織殘料(84%:12%:4%)等4種配比,試燒結果彙整如表11。

表11 某流體化床式鍋爐106~108年試燒結果

分析項目 / 燃料配比 純燒煙煤
(100%)
煙煤+紡織污泥
(84%:16%)
煙煤+廢塑膠SRF
(84%:16%)
煙煤+紡織污泥
+紡織殘料
(84%:12%:4%)
實際產能
(與許可蒸汽量相比)
65% 81% 54% 81%
鍋爐熱效率 93% 95% 88% 90%
環保法規符合度 全數符合 全數符合 全數符合 全數符合
支出成本節省比例
(與純燒煙煤實際產能為基準相比)
- 4.3% 14.3% 13.7%
減碳比例
(與純燒同等熱值之煙煤相比)
- 1.9% 12.1% 6.9%
資料來源:環興公司

由於每次試燒之產出熱值係對應產能,因應不同時間點訂單數量不同而有差異,故產能皆不相同,比較基準不同,故減碳比例與支出成本節省比例,係以純燒同等熱值之煙煤予以估算,互相比較較具意義,特予說明。

根據上表,該廠產能大時,普遍鍋爐熱效率較高,使用廢棄物或SRF比例越高時,減碳效益及支出成本節省之比例也越高。

最終該廠在選擇要使用哪種廢棄物作為燃料時,並非選擇可節省金額比例最高(14.3%)、減碳比例也最高(12.1%)的煙煤+廢塑膠SRF,而是選擇兩個重點比較項目皆略遜一籌的煙煤+紡織污泥+紡織殘料,主要係因為該選項可減輕員工額外對於廠內產出之紡織污泥與紡織殘料堆積或處理上之困擾,且減碳效益與鍋爐熱效率皆處於中等,故對該廠而言屬於相對最佳或最平衡之選擇,故對該廠而言屬於最適合之選項,此即為利用試燒檢測來作為實務選擇面上參考之經典案例。

肆、相關重要環保法規

鍋爐廠商要進行燃燒控制技術,通常出於對燃料等經濟層面之考量,對於「低污染」之理解,往往不是具備環保意識,而是因應環保法規之要求,要做到什麼程度才可穩定不被行政裁罰,往往是一個最基本且必須達成的門檻考量,故以下簡單介紹廠商應符合之環保法規,其中尤以空污法規最為重要。

在空污法規中,由於「固定污染源空氣污染物排放標準」、「固定污染源最佳可行控制技術」及行業別等基本法規,應已登載於既存廠商許可證中被要求符合,此不多談,此處僅列出廠商應特別注意之法規,例如甫加嚴上路實施之「鍋爐空氣污染物排放標準」及「公私場所固定污染源燃料混燒比例及成分標準」。

經濟部工業局站在廠商角度,希望廠商可有充足的盈餘,方能使企業永續發展,亦希望廠商可以有更深入的瞭解,所謂永續發展,不僅是經濟面,亦包括了環境面,這是環環相扣,無法脫勾的,要想永續經營得好,必須綜合考量,不可偏廢。

一、鍋爐空氣污染物排放標準

除「固定污染源空氣污染物排放標準」、「固定污染源最佳可行控制技術」及行業別等基本法規外,應以環保署於107年9月19日訂定發布「鍋爐空氣污染物排放標準」最重要,附表如表12。

該標準不分規模及燃料別,加嚴粒狀污染物(TSP)至30 mg/Nm3、硫氧化物(SOX)至50 ppm及氮氧化物(NOX)至100 ppm的排放標準,並給予業者約2年改善緩衝期,所有鍋爐須於109年7月1日符合本標準如表12,並給予廠商申請展延之權利,經環保局審核後,最多可給予廠商2年延長緩衝期,最長可達111年7月1日起全面符合。

嚴格之空污排放標準對空污改善有利,惟此修訂方式等同要求廠商使用天然氣或加裝空污防制設施直到等同於天然氣鍋爐排氣水準,恐降低一般鍋爐(如鏈排爐)廠商處理廢棄物之意願,但對於高效的流體化床式鍋爐,只要搭配相應的防制設備,則是否使用廢棄物作為燃料,只要控制好燃料品質穩定度,通常影響不大。

表12 鍋爐空氣污染物排放標準

空氣污染物 排放管道標準 施行日期
新設鍋爐 既存鍋爐
粒狀污染物 30 mg/Nm3 發布日 中華民國一百零九年七月一日
硫氧化物 50 ppm
氮氧化物 100 ppm

二、電力設施空氣污染物排放標準

採用汽電共生鍋爐之廠商,應優先符合環保署103年12月1日修正發布之「電力設施空氣污染物排放標準」附表二、汽電共生設備鍋爐以總熱效率換算之空氣污染物排放標準,如表13;如既存汽電共生設備鍋爐以農林植物作為燃料者,應優先符合附表五、既存汽電共生設備鍋爐以農林植物作為燃料之空氣污染物排放標準,包含目測判煙不透光度不得超過20%、粒狀物連續自動監測設施監測每日不透光率6分鐘監測值超過20%之累積時間不得超過4小時及100 mg/Nm3、SOX不超過150 ppm及NOX不超過175 ppm等規定。由於該標準之規定較為複雜,並登載重要專有名詞,與緊急備用電力設施起火期間停車及防制維修之排放標準等特殊規定,建議採用汽電共生鍋爐之廠商詳讀該排放標準。

表13 汽電共生設備鍋爐以總熱效率換算之空氣污染物排放標準(1/2)

表13  汽電共生設備鍋爐以總熱效率換算之空氣污染物排放標準(1/2)

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表13 汽電共生設備鍋爐以總熱效率換算之空氣污染物排放標準(2/2)

表13  汽電共生設備鍋爐以總熱效率換算之空氣污染物排放標準(2/2)

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資料來源:環保署「電力設施空氣污染物排放標準」,103年12月1日修正發布

三、公私場所固定污染源燃料混燒比例及成分標準

環保署已於109年3月23日訂定發布「公私場所固定污染源燃料混燒比例及成分標準」,欲使用廢棄物製成燃料之廠商,應特別關注

該標準之大原則是「有固定成分的燃料,應符合燃料成分標準;沒有固定成分的燃料(例如廢棄物製成之固體衍生燃料,下稱SRF),則應符合混燒比例」,其中混燒比例公式之精神,係以理論計算公式使混燒後硫氧化物(下稱SOX)及氮氧化物(下稱NOX)之濃度符合廢棄物焚化爐排放標準,然低於該固定污染源該行業別應符合SOX及NOX排放標準值之二分之一者,可不受該標準混燒比例之限制。

該標準係依空氣污染防制法第28條第2項授權,針對燃料源頭管制訂定一致性規範,包括生煤、燃料用油、石油焦、初級固體生質燃料等成分標準,以及廢棄物再利用燃料混燒比例限制,將作為審核機關審查固定污染源燃料使用許可證的審酌依據,除強化源頭管制外,亦可簡化申請程序,並搭配末端排放須符合各行業別排放標準,增強管制力度以減少空氣污染物排放。

環保署亦於同日公告「公私場所固定污染源應符合混燒比例及成分標準之燃料」,依「固定污染源設置操作及燃料使用許可證管理辦法」第3條及第62條規定,使用前揭公告燃料者,自燃料標準發布日起1年內,須申請燃料使用許可證。但僅使用石油煉製業煉製販售符合國家標準之石油製品或每年總設計、實際燃料使用量低於500公斤或500公升者,不在此限;另已持有生煤使用許可證者且符合燃料成分標準者,得於有效期限屆滿前3~6個月內,申請展延並換發燃料使用許可證。

以往環保署空保處以「無論前端使用何種燃料,後端廢氣排放符合排放標準即可」為原則,隨著因應民眾對空污議題之重視,且廢氣排放品質與前端使用燃料之種類與成分有連動關係;另部分廠商反映混燒時地方環保局審查常未有固定審核標準,使廠商在申請混燒、環保局在審核該些案件時皆無所適從,爰環保署空保處依據「空氣污染防制法」第28條第1項訂定燃料成分標準,對於無法訂定成分標準之燃料,例如廢棄物製成之SRF或目的事業主管機關公告之再利用燃料或輔助燃料(即R類廢棄物可作為燃料或輔助燃料者),由於物種複雜且無固定成分,無法訂定其成分標準,即以限制混燒比例的方式管制,預計對欲混燒燃料(尤其是混燒廢棄物燃料者)之燃料成分與混燒比例有較嚴格之規定,預計會影響廠商配合廢棄物燃料化政策之意願。

環保署空保處對於純燒傳統燃料之燃燒設備定義為鍋爐,純燒廢棄物者則為焚化爐,各應符合不同的排放標準,而同時混燒傳統燃料與廢棄物者,則介於兩者之間,需要同時符合2個以上法規者(例如同時需要符合鍋爐空氣污染物排放標準,又需符合廢棄物排放標準),以符合較嚴格者為準。

上開法規訂定之目的係為要求公私場所固定污染源所使用之燃料及輔助燃料,包含生煤、燃料用油、石油焦及初級固體生質燃料(如乾淨木材製造之木顆粒、棕櫚殼等,俗稱白料)或其他中央主管機關公告者,均應符合所定燃料混燒比例及成分之標準。其中石油焦部分,雖然國內公私場所已不再使用石油焦作為燃料,但為避免公私場所使用石油焦且未受到規範,爰於本標準訂定更嚴格之石油焦成分標準,以期達到管制目的。

本次環保署空保處公告內容重點,大致可彙整如圖8,其中廢棄物製成之SRF因無固定成分,故僅能訂定比例限制,其中該標準第5條規定以廢棄物再利用燃料、其他燃料之濕基低位發熱量等參數分別計算SOX及NOX在混燒後排放濃度應低於廢棄物焚化爐排放標準,但排放標準仍回歸鍋爐空氣污染物排放標準或行業別專法,不會依廢棄物焚化爐排放標準開罰。

圖8  公私場所固定污染源燃料混燒比例及成分標準之重點

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資料來源:環興公司彙整

能源回收商應依該標準第5條分別計算SOX及NOX之混燒比例,以較低者為主,向環保局申請燃料混燒比例上限,環保局則在審核固定源操作許可證後,將該數值以重量百分比登載於許可證中,以利稽查比對。

圖中計算公式如下:

  • Hw=((C-Cf×Hf))/Cw
  • Hf=1-Hw
  • Hw:廢棄物再利用燃料之輸入低位發熱量比例。
  • Hf:固定污染源使用廢棄物再利用燃料以外之燃料,其輸入低位發熱量比例,以計算Hf=1-Hw
  • Cw:固定污染源燃料總使用量適用之廢棄物焚化爐排放標準,單位為ppm。
  • Cf:固定污染源該行業別應符合之排放標準,單位為ppm。
  • C:混燒廢棄物再利用燃料後監檢測或設計排放濃度,單位為ppm。

公私場所依SOx及NOX計算出之廢棄物再利用燃料混燒比例不同時,應以較低者作為其混燒比例。

公私場所固定污染源使用廢棄物再利用燃料,且該固定污染源最近2年SOx及NOx之監測或檢測濃度低於廢棄物焚化爐排放標準,或低於該固定污染源該行業別應符合SOx及NOx排放標準之1/2者,其混燒比例不適用第五條第一項(即混燒比例)規定。

伍、實場鍋爐熱效率計算案例介紹

本節以某紡織業為實際案例,介紹鍋爐熱效率之計算與建議提升之方式。以往傳統紡織業常採用鏈排爐,然據工業局以往經驗,鏈排爐無論大小,鍋爐熱效率通常皆約7成左右,通常越小型之鍋爐越低,可能僅有6成,雖該型鍋爐價格較便宜,然鍋爐熱效率較低,單位熱值所需燃料使用量較高,故排碳量亦偏高,故本手冊較不推薦。

鍋爐在紡織業屬於常見之工業燃燒設備,用於提供熱值。紡織係指一種纖維或纖維集合體的多尺度結構加工技術(方快鍋爐,民108),紡織纖維等紡織材料(如棉、麻、紗等天然纖維及合成纖維如尼龍、特多龍等)經處理加工(退漿、精練、漂白、絲光)及印染整理成產品的過程如圖資料來源:經濟部工業局,民109

圖9,其中不論是染整、烘乾、壓片、漿紗、印染、定型等流程皆需要使用到蒸氣,因此多數紡織廠會使用蒸氣鍋爐,提供蒸氣供製程使用並確保紡織品生產流程正常運行,然蒸氣鍋爐所產生的蒸氣狀態會直接反應在紡織廠染色和烘乾的品質上,因此紡織業使用鍋爐時,須注意燃料利用率、鍋爐熱效率及蒸氣穩定度(主要指溫度與壓力),可有效的提高生產紡織的效率及產品品質。另穩定良好的燃燒效率亦可降低空氣污染排放量,不僅降低鍋爐運作成本外,亦可符合相關環保要求。

圖9 紡織染整製程流程圖

圖9  紡織染整製程流程圖

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資料來源:經濟部工業局,民109

本手冊以某紡織業作為實際案例,該廠具備3套流體化床鍋爐系統,提供廠內加工設備運作所需熱能,其中2套為德國INTEC公司所生產之氣泡式流體化床熱媒鍋爐,每小時最大能產生1,000萬大卡之熱量供給聚合製程使用,而另1套為中國熱華公司所生產之循環式流體化床蒸汽鍋爐,設計蒸汽量為35噸/小時,熱量將供給聚合製程及放紡絲製程使用,以下介紹此兩種鍋爐於紡織廠的應用流程及效率評估,並針對提升熱效率方面,提出改善或強化之建議。

一、氣泡式流體化床熱媒鍋爐

(一)鍋爐簡介及流程

熱媒鍋爐為一種「高溫低壓」的加熱爐,與一般常見蒸汽鍋爐不同,是以有機熱媒(液態之油品)作為熱量傳遞媒介,而不是使用水或水蒸進行熱量傳遞,熱媒油經鍋爐加熱後,藉由管路輸送至所需熱量之場所,再利用熱交換器進行熱能交換,再將熱媒油送回鍋爐加熱,形成一熱媒油循環加熱系統。熱媒油與水之性質不同,其飽和溫度低,但可得到高溫度之熱能,由於熱媒鍋爐所需之壓力低於蒸汽鍋爐,因此熱媒鍋爐適用於高溫且大量熱能需求之場所,免除使用高壓蒸汽的危險與不便。
該紡織廠之氣泡式流體化床熱媒鍋爐流程如圖10,此鍋爐採用變頻式馬達帶動螺旋給煤機,並依據現場鍋爐火力大小狀況調整給煤機馬達頻率,以控制煤炭進料速度。
該鍋爐之熱煙氣體導入熱交換器,與加熱過之熱媒油同時提供熱量給預加熱之產品,再將熱煙氣導入節煤器進行空氣預熱,可降低熱煙道氣體所產生之熱量損失,還可以提高鍋爐整體效率。
熱媒鍋爐的熱量傳遞媒介為熱媒油,因此系統之中需設有熱媒油處理系統圖11,進行熱媒油的循環處理,其中包含膨脹槽、熱媒油儲存槽、過濾器及循環泵浦,簡單說明各項功能如後。
圖10  氣泡式流體化床鍋爐流程

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圖11  熱媒油處理系統流程示意圖

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1.膨脹槽:
  • 膨脹槽在熱油循環系統具有重要的作用。
  • 儲存熱媒油受熱後引起的膨脹量。
  • 具有補充熱媒油之作用。
  • 於升溫過程中排出液態熱媒鍋爐爐和系統中氣體。
  • 注油時先將油注入槽內,再自動流向鍋爐系統管路內,有中間槽之稱。
  • 於停電情況下使用槽內較冷之介質置換爐內熱介質。
  • 槽體放置位置於最高位置,有補充之壓頭作用,故又稱高位膨脹槽。
  • 熱媒油儲存槽:儲存熱媒油之槽體,應盡可能放置於加熱系統的最低位置以便排放熱媒鍋爐中的熱媒油。
2.過濾器
在循環泵浦入口處應裝設過濾器,以便去除熱媒油在高溫運轉下形成的聚合物和殘渣,不但可保護循環泵浦,還可以避免影響鍋爐傳熱效率。
3.循環泵浦
於循環系統中是用來產生動力,迫使熱媒油在系統設備管路中流動的設備,故此項設備係鍋爐熱媒循環系統中必要之設備。
此鍋爐系統中設有空氣污染防制相關設備,其中包含脈動式袋式集塵器、選擇無觸媒還原(SNCR)及乾式排煙脫流,功能簡述如下。
1.脈動式袋式集塵器
首先氣體中的微粒在流動的過程中藉由濾布纖維過濾較大之微粒並停留於濾布上,其後的微粒繼續堆積於先前的微粒塵上,形成濾膜,而微粒持續的堆積並擠壓成濾餅,當濾餅厚度逐漸增加時,橫過濾層的壓降也逐漸變大,因此必需觀察集塵器壓降清除濾布表面的濾餅。一般袋式集塵器清洗方式可分為振動式、逆洗式及脈動式三種,而以脈動式清洗效果最佳。
2.選擇無觸媒還原(SNCR)
指無觸媒的作用下,藉由注入一種含氨基的還原劑,如氨或尿素水溶液,在適合脱硝反應的溫度(900~1,050℃)内噴入還原劑,將煙氣中的氮氧化物還原為無害的N2及H2O,而本設備採用尿素作為還原劑,每小時添加7公斤進行脱硝反應,以降低排煙氣中之NOX濃度。
3.乾式排煙脫流
係指於鍋爐燃燒室中吹入碳酸鈣,並在高溫燃燒氣流中直接與二氧化硫進行反應,藉此吸收的排煙氣中的硫氧化物成分,而反應後產生的石膏顆粒將於後端袋式集塵器中被過濾出,而此套系統每小時約吹入85公斤的碳酸鈣,進行化學反應吸收硫氧化物,以降低排煙氣中之SOX濃度。
鍋爐煙道氣體通過以上空氣污染防制設備,進行氮氧化物、硫氧化物及懸浮粒子的去除作業,於鍋爐排煙道口量測之SOX濃度為44.6 ppm、NOX濃度為50 ppm。
(二)鍋爐熱效率評估
為計算此鍋爐之鍋爐熱效率,需先了解鍋爐整體運作流程,方可得出哪些流程是屬於輸入熱量,哪些流程是屬於吸收熱量,並採用CNS 2141陸用鍋爐熱效率計算方法。鍋爐系統相關參數呈現於表14中,而相關計算與假設參數如表15。

表14 氣泡式流體化床熱媒鍋爐相關參數

用煤量(kg/hr) 1,675
熱媒流量(m3/hr) 525
熱媒系統入口溫度(℃) 365
熱媒系統出口溫度(℃) 337
燃料濕基低位發熱量(kcal/kg) 5,532
鍋爐壓力(kg/cm2) 3.8
鍋爐尾氣溫度(℃) 185
是否設置燃料預熱器
是否設置空氣預熱器 是(節煤器)
空氣預熱溫度變化(℃) 210

表15 氣泡式流體化床熱媒鍋爐熱效率計算參數

熱媒油比熱(kcal/kg℃)(於340℃時) 0.59
熱媒油密度(kg/m3)(於340℃時) 775
空氣比熱(kcal/kg℃) 0.24
空氣密度(kg/m3) 1.29
戶外空氣之絕對濕度 0.03
理論空氣量(kg/m3) 5.312

以輸入熱量來看,此熱媒鍋爐未設置外部熱源預熱媒炭、外部熱源預熱空氣及向鍋爐內部施加蒸汽或溫水之過程,因此輸入熱量僅有煤炭所提供之熱量,其煤炭供應熱量是依CNS 10820之規定所計算出的燃料發熱量。

輸入熱量=煤炭濕基低位發熱量=5,532 (kcal/kg)

以有效吸收熱量來看,此熱媒鍋爐僅有循環熱媒油進行有效熱量吸收,此外系統中煙道尾段設有節煤器,提供空氣預熱所需吸收之熱量,因此空氣預熱所吸收之熱量應列入有效吸收熱量中。

有效吸收熱量=熱媒油吸收熱量+煙道預熱空氣吸收熱量熱媒油吸收熱量:

=單位燃料所需之熱媒油量(kg/kg)×熱媒油比熱(kcal/kg℃)×熱媒油溫度變化(℃)
說明文字

煙道預熱空氣吸收熱量:

=單位燃料所用之空氣量(m3/kg)×空氣比熱(kcal/kg℃)×空氣密度(kg/m3)×空氣溫度變化量(℃)
=8.60(m3>/kg)×0.24(kcal/kg℃)×1.29(kg/m3)×210(℃)
=559(kcal/kg)

綜合上述說明,以進出熱量法進行鍋爐熱效率計算,其計算式於下列中呈現,而其計算鍋爐熱效率為81.5 %。

說明文字

(三) 氣泡式流體化床鍋爐熱效率提升方法

以本手冊計算案場之氣泡式流體化床鍋爐為例,此鍋爐熱效率81.5%已於水準之上,其原因除流體化床本身對燃燒控制之性能甚佳外,為鍋爐於排氣末端設置空氣預熱器減少約10.1%的排煙熱損失,但整體而言鍋爐熱效率還有很大的進步空間。為精益求精,持續提高鍋爐熱效率及減少能源損耗,以此案為例,給予以下建議。

1.減少空氣過剩問題
建議可從熱交換系統與燃燒系統進行總盤點,其中包含鍋爐排氣溫度、鍋爐排氣含氧量、鍋爐供給空氣量、鍋爐供給空氣溫度、鍋爐進風量、燃料使用量及燃料顆粒大小等,將參數進行交叉比對,找出最佳的調整方法,避免造成更多的熱量損失。
2.減少熱損失:
  • 建議在鍋爐運行中應定期進行受熱面吹灰和即時除渣,可減輕和防止積灰、結焦,從而保持排煙溫度正常,且降低排煙熱損失。
  • 建議定期檢修鍋爐保溫層是否有受損破裂處。部分熱量會藉由受損部位以輻射和對流方式向周圍空氣散失,成為鍋爐熱損失,進而降低鍋爐整體效率。目前市面上已有外接式的手機紅外線熱感應模組,售價約1.5萬元,比以往動輒5~10萬元之專用設備便宜許多,因此建議廠商可購買作為漏熱檢測使用,雖精準度不如專用設備,但貴在方便使用,往往尋出漏熱處,都可節省數萬至十萬元/月,與設備本身價格相比,屬於非常划算之設備,建議廠商購買。

二、循環式流體化床蒸汽鍋爐

(一)鍋爐簡介及流程
該廠循環式流體化床蒸汽鍋爐流程如圖12,此鍋爐採用變頻式馬達帶動螺旋給煤機,將依據現場蒸汽需求狀況調整給煤機馬達頻率,以控制進料速度。此外,此系統於給煤過程中同時吹入石灰粉末進入鍋爐燃燒室中,在高溫燃燒氣流中直接與二氧化硫進行反應,藉此降低的廢煙氣中的硫氧化物成分,反應後產生的石膏顆粒將於後端袋式集塵器中被過濾出。
圖12  循環式流體化床鍋爐流程圖

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由於工業鍋爐的排煙溫度較高,而排煙溫度高意味著燃料中有較多熱量被煙氣帶走散失在大氣中,造成鍋爐之排煙熱損失,因此為降低排煙氣體之熱量損失,一般會於鍋爐排氣尾段增加受熱面之方法,使其熱量損失降低,而以此套鍋爐為例,為減少排煙熱損失,因此於煙道尾段設有鍋爐節煤器進行餘熱吸收,作為空氣預熱之熱源,此舉不但能降低排煙熱損失,還可以提高鍋爐整體效率。

在此鍋爐系統中有設置脫氧槽進行脫氧動作,其主要原因是鍋爐之傳熱媒介為水,而水中溶解氧氣為造成鍋爐系統設備腐蝕最大之原因,故此鍋爐系統採用機械式除氧槽,盡量去除爐水中所溶存之氧氣,再以化學加藥劑二次除氧,使爐水中含氧量降至最低值。

機械式除氧的基本原理乃根據氧在水中溶解度對溫度及壓力之關連性,溫度越高氣體溶解度越低,壓力越低氣體溶解度越低,因此系統亦利用鍋爐所產生之部分蒸汽來加熱除氧槽內之水溫,同時達到給水預熱及除氧效果。

此鍋爐系統搭配之空氣污染防制設備包含脈動式袋式集塵器、選擇無觸媒還原(SNCR)及乾式/濕式排煙脫流(DFGD/WFGD)設備,功能說明如下。

1.脈動式袋式集塵器
為乾式除塵設備以濾布過濾廢氣中的微粒。以下簡單說明集塵器之過濾流程,首先氣體中的微粒在流動的過程中藉由濾布纖維過濾較大之微粒並停留於濾布上,其後的微粒繼續堆積於先前的微粒塵上,形成濾膜,而微粒持續的堆積並擠壓成濾餅,當濾餅厚度逐漸增加時,橫過濾層的壓降也逐漸變大,因此必需觀察集塵器壓降清除濾布表面的濾餅。一般袋式集塵器清洗方式可分為振動式、逆洗式及脈動式三種,而以脈動式清洗效果最佳。
2.選擇無觸媒還原(SNCR)
指無觸媒的作用下,藉由注入一種含氨基的還原劑,如氨或尿素水溶液,在適合脱硝反應的溫度(900~1,050℃)内噴入還原劑,將煙氣中的氮氧化物還原為無害的N2及H2O,而此設備操作平均溫度為721.6℃,且每小時添加8公斤的10%尿素作為還原劑使用,以降低排煙氣中之NOX濃度。
3.乾式排煙脫流
採用一般最常見的石灰石脫硫法,以每小時吹入40公斤的碳酸鈣,進行化學反應吸收硫氧化物,以降低排煙氣中之SOX濃度。
4.濕式排煙脫流
於洗滌器內添加鹼劑(氫氧化鈉)與煙道氣體進行化學反應,吸吸收硫氧化物,以降低排煙氣中之SOX濃度。而此設備每小時用水量約36.8噸,每小時添加17公斤的45%氫氧化鈉作為還原劑使用,而經洗滌器後之洗滌液pH值約8.1。
鍋爐煙道氣體通過以上空氣污染防制設備,進行氮氧化物、硫氧化物及懸浮粒子的去除作業,於鍋爐排煙道口量測之SOX濃度為3.4 ppm、NOX濃度為46 ppm。

(二)鍋爐熱效率評估

採用CNS 2141陸用鍋爐熱效率計算方法,相關參數呈現如表16,而相關計算與假設參數呈現如表17。

表16 循環式流體化床蒸汽鍋爐相關參數

用煤量(kg/hr)

3,440

用水量(kg/hr)

30,759

給水溫度(℃)

102

燃料濕基低位發熱量(kcal/kg)

5,532

蒸汽產量(kg/hr)

28,069

鍋爐壓力(kg/cm2)

20

鍋爐尾氣溫度(℃)

172

是否設置蒸汽再熱器及過熱器

是否設置燃料預熱器

是否設置空氣預熱器

是(節煤器)

空氣預熱溫度變化(℃)

200

是否設置給水預熱器

是(除氧槽)

表17 循環式流體化床蒸汽鍋爐熱效率計算參數

飽和水之焓(kcal/kg)(於20 kg/cm2時) 215.9
飽和乾蒸汽之焓(kcal/kg)(於20 kg/cm2時) 668
蒸汽乾度(%) 95
空氣比熱(kcal/kg℃) 0.24
空氣密度(kg/m3) 1.29
戶外空氣之絕對濕度 0.03
理論空氣量(kg/m3) 5.31

以輸入熱量來看,此蒸汽鍋爐未設置外部熱源預熱媒炭、外部熱源預熱空氣及向鍋爐內部施加蒸汽或溫水的過程,因此輸入熱量僅有煤炭所提供之熱量,其煤炭供應熱量是依CNS 10820之規定所計算出的燃料發熱量。

輸入熱量=煤炭濕基低位發熱量=5,532 (kcal/kg)

以有效吸收熱量來看,此蒸汽鍋爐未設置蒸汽過熱器及蒸汽再熱器,因此僅需計算最終蒸汽出口之蒸汽所吸收之有效熱量,在此假設蒸汽乾度以95 %進行計算;由於此系統亦設有除氧槽之給水預熱及節煤器之空氣預熱,但其中除氧槽之給水預熱是使用鍋爐生產之部分蒸汽進行加熱,故此熱量視為一種熱循環,應避免重複計算,所以不得列入有效輸出熱源中,而鍋爐煙道尾氣並不屬於有效輸出熱源,因此節煤器預熱空氣所吸收之熱能,應列入有效輸出熱源中。

有效吸收熱量=蒸汽吸收熱量+煙道預熱空氣吸收熱量

蒸汽吸收熱量:
=單位燃料產生之蒸汽量(kg/kg)×水汽化至蒸汽所需之焓(kcal/kg)

說明文字

煙道預熱空氣吸收熱量:

=單位燃料所用之空氣量(m3/kg)×空氣比熱(kcal/kg)×空氣密度(kg/m3)×空氣溫度變化量(℃)
=8.60(m3/kg)×0.24(kcal/kg)×1.29(kg/m3)×200(℃)
=532(kcal/kg)

綜合上述說明,以進出熱量法進行鍋爐熱效率計算,其計算式於下列中呈現,而其計算鍋爐熱效率為89.8%。

說明文字
(三)循環式流體化床鍋爐熱效率提升方法
以本手冊計算案場之循環式流體化床鍋爐為例,鍋爐熱效率達89.8%已於水準之上,主要原因為此套蒸汽鍋爐末段排氣中設有降低排煙熱損失的空氣預熱器,可大幅降低排煙熱損失約9.62%,此外,亦利用鍋爐所生產之蒸汽,部分提供給除氧槽進行給水預熱及除氧功能,因此相當值得作為他廠之典範。於未來可以持續提高鍋爐熱效率及減少能源損耗,說明如下。
建議調整空燃比控制
燃燒過程為降低不完全燃燒損失和排煙熱損失,當過剩空氣係數過高時,相當於吸入了多餘的冷空氣進入爐膛,這部分多餘的冷空氣並未參與燃燒,而是被加熱後排放出,因此排煙熱損失增大;當過剩空氣係數過低時,由於燃料得不到足夠的氧氣而不能完全燃燒,造成不完全燃燒損失增大。而鍋爐處於長期不完全燃燒情況下,將導致鍋爐受熱面積碳,影響換熱效率,排煙損失持續增大。
建議設置蒸汽冷凝水回收系統,原因:
  • 冷凝水為純的蒸餾水,不含鍋垢之固體成份,可回收至給水系統中,並節省大量清鍋費、水費。
  • 可提高鍋爐給水水質,蒸汽品質提高,減少鍋爐沖放以節約能源。由於冷凝水水溫較高,混入給水系統後,除了可以減少水中含氧量,避免鍋爐管線銹蝕,還可以增加鍋爐蒸發量,減少單位蒸汽生成熱能的需要量,直接節省燃料消耗(同時降低CO2,NOx和SOx對空氣的污染),提高鍋爐熱效率。
  • 冷凝水回收管能有效的降低閃蒸汽排放到大氣時產生的噪音,以及產生的水灘,優化工廠的工作環境。
  • 另建議注重祛水器之使用。祛水器可藉由自動排除系統中的冷凝水和空氣讓蒸汽管道和製程設備中保持充滿蒸汽的狀態達到保持良好的蒸汽品質,分為熱靜力式及壓力平衡式等多種樣態,建議與祛水器廠商討論排氣量等參數後,決定最適合使用之類型。據廠商經驗,良好的祛水器甚至有可能使鍋爐節能能力增加約2~3成,如設置數量較多,亦可討論是否可用ESCO方式推廣,例如祛水器之成本由祛水器廠商自行吸收,後續以每月分攤方式收費,由於節能費用很有可能大於每月之分攤費,故對鍋爐使用者而言,每月節省之燃料費大於分攤費,屬於相當划算之投資。

從上述說明之方法進行加強,可將持續將鍋爐熱效率向上提升,不但可以節省產業使用的能源成本,還可以降低排放對環境所造成的污染,因此持續減少鍋爐熱量損失的議題相當之重要。

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