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流體化技術:流體化床燃燒爐–由糖炒栗子談起

自古至今凡提到炒栗子,就必提及同時拌炒的小砂礫,加了小石頭炒出的糖炒栗子比較好吃嗎?糖炒栗子炒鍋中的小石頭有什麼功能?到底這小砂礫有什麼奇特的地方,為什麼糖炒栗子總少不了它?
 
 
 
秋冬之際路邊的糖炒栗子攤前,總可看見搓著手等待的人龍,看著攤子的老闆從黑得發亮的砂礫中,把熟透泛著甜香的栗子篩出來,裝袋交到客人手上。

梁實秋教授在《雅舍談吃》的〈栗子〉一文中,寫道:「翻炒栗子,不是乾炒,是用砂炒,加上糖使砂結成大大小小的粒,所以叫做糖炒栗子。」這砂炒的手藝始於唐宋,明末周篔在《析津日記》裡有這樣的記載:「蘇秦謂燕民雖不耕作而足以棗栗,唐時范陽為土貢,今燕京市肆及秋則以煬拌雜石子爆之。」自古至今凡提到炒栗子,就必提及同時拌炒的小砂礫,到底這小砂礫有什麼奇特的地方,為什麼糖炒栗子總少不了它?

這堆不起眼的砂礫其實扮演著熱載體的角色。由於栗子的顆粒大,每顆栗子之間的孔隙也很大,使得熱傳導不易。藉由粒徑較小且熱容量大、溫度高的砂礫填入孔隙中,可把熱量傳給栗子。這個方法不只栗子可均勻受熱,而且同一鍋炒出的栗子熟度都一樣,便於品質控制。如糖炒栗子般利用熱載體進行加熱的技術,也成功應用在工業上,就是本文介紹的流體化床燃燒爐。

流體化床燃燒爐是流體化技術在燃燒上的應用。流體由下而上通過固體顆粒層,當流體速度超過固體顆粒的最小流體化速度時,在流體的作用下,固體顆粒層就會呈現類似流體的行為,這現象稱為「流體化」,而具有流體行為的固體顆粒層就稱為「流體化床」。流體化床燃燒爐通常以空氣做為流體化流體,因為空氣取得容易且輸送方便,並可提供燃燒所需的氧氣,其床質多採用河砂,便宜又不易耗損。

流體化床燃燒爐具有以下優點。

床溫均勻 在流體化床燃燒爐中,流體化氣體會以氣泡的形態大量且快速地通過床質。在氣泡上升的過程中,粒子會被氣泡帶動使床質粒子均勻攪拌,這特性可使床內溫度均勻分布。

容易進行連續穩定的操作 由於床質粒子的熱容量大,可使床體溫度不易劇烈變化,使燃燒行為穩定。

熱傳效率高 相較於一般燃燒爐中的熱傳面,流體化床使埋設在砂床中的熱傳面有較高的熱傳速率。

燃料型態彈性大 流體化床燃燒爐可燃燒多種型態的燃料,除了燃燒傳統化石燃料時表現優異外,對於低等級的劣質煤炭、含砂石的油頁岩或一般都市固體廢棄物,都可達到很高的燃燒效率。不只固態的燃料,液態或氣態的燃料也可利用流體化床燃燒。

低汙染物排放 流體化床燃燒溫度大約為攝氏 850 度,比一般煤燃燒爐低,因此氮氧化物(NOx)的排放濃度較低,而硫氧化物(SOx)可藉由爐內添加石灰石(CaCO3)吸收。

流體化床燃燒爐依操作條件,主要可分為氣泡式、循環式及加壓式 3 種。

氣泡式

氣泡式流體化床燃燒爐是最早發展的形式,早期發展的流體化床燃燒技術都是在常壓下,使氣體速度保持在粒子終端速度以下操作。由於氣體速度小於粒子的終端速度,使得流體化床燃燒爐中可明顯分為下方的流體化床區及床表面以上的乾舷區兩部分。通過流體化床的氣體由形似氣泡的空隙通過床體,因此把這種形式的流體化床稱為氣泡式流體化床。

當燃燒爐操作時,固體燃料(如煤、木塊等)多以重力落料的方式投入流體化床中燃燒,會在床內因高溫分解成氣態揮發物及固態的固定碳。在氣泡式流體化床中,固定碳的粒子會留在床內進行碳與氧氣的異相(氣體—固體)燃燒反應,而氣態的揮發物會隨著向上的氣流到達上方的乾舷區進行勻相(氣體—氣體)的燃燒反應。燃燒所放出的熱能可藉由設置在爐內的熱傳管產生蒸氣加以回收,在流體化床內設置的熱傳管的熱傳係數較一般鍋爐高,可有效回收熱能。

由於氣泡式流體化床有個超高熱容量的砂床,可以處理多種型態的燃料,且容易降載操作,尤其是可處理不易燃燒的低級燃料或成分複雜的廢棄物,因此常應用於廢棄物焚化,燃燒生質燃料及多種燃料混合燃燒。

循環式

在循環式流體化床的操作中,可把被高速氣流帶離燃燒爐的床質,或尚未燃燒完全的固定碳粒子,收集後迴流至床內,使固體粒子在系統中不斷循環使用。

由於操作的氣速高於床質及固定碳粒子下降的終端速度,因此在燃燒爐中的粒子會隨著氣流一起向上流動,在流動的過程中同時燃燒放熱。若在上升過程中不足以完全燃燒,則未燃盡的碳粒子會被煙氣出口處的旋風分離器捕捉下來,再集中落回燃燒爐內。因此循環式流體化床燃燒爐的燃燒效率非常高,能源效率也高。又因為可把燃料燒得乾乾淨淨,所以這項技術是目前備受矚目的淨煤技術之一。

加壓式

加壓式流體化床的概念是增加氣體的壓力,使空氣的黏度及密度增加,如此可使流體化氣速需求減低,與相同尺寸的常壓流體化床燃燒爐相比,可提高燃料的處理量。

加壓式流體化床發電效率比較高,巧妙處就是在排出煙氣末端加設的煙氣渦輪機組。一般發電廠僅利用燃燒放出的熱能所產生的蒸氣推動渦輪發電,但加壓式流體化床可利用高壓煙氣排放至常壓環境時的體積膨脹,推動煙氣渦輪機組發電,如此就可提高發電效率。

燃燒技術的發展

流體化技術最早是在 1921 年由德國人福里茲.溫克勒(Fritz Winkler)發明的,起初的目的是希望以其穩定操作的特性,把煤炭轉化為燃氣或化學原料,隔年他就同時向德國及美國申請專利。溫克勒在 1925 年建立一套大型的模型,實驗煤炭粒子的流體化行為,並在 1926 年建立了全球第ㄧ套商業化流體化床煤炭氣化工廠。

然而在 1930 前葉,由於石油裂解技術的成熟,化工界漸漸捨棄利用煤炭裂解取得化學原料的途徑。石油時代的來臨使得做為固體燃料代表的煤炭漸漸失去光環,難道流體化技術僅是曇花一現嗎?

發明流體化床時,正值歐洲及亞洲風雲變色之際,兩個軍國主義國家在工業化的強化下正企圖改變世界,德國與日本同時在世界的兩端開啟了戰事,也就是第二次世界大戰。然而這場戰爭也提供了展現流體化技術的舞台。

在戰爭期間,機械化的武器需要燃料來推動,如何快速生產機械化武器所需的燃油是重要的課題之一。例如 1942 年,英國的石油公司利用流體化床的原理使石油裂解觸媒流體化,設計出一種可連續進行石油裂解及觸媒再生的工業程序,使英國的航空用油生產量大幅提高,34 座裂解爐每天可生產 24 萬桶的航空用油,成為最後把同盟國推向勝利的關鍵之一。

在戰爭中,流體化技術飛快地進步,戰後這項技術受到世界的肯定,多方使用在有關流體與固體同時存在的異相反應或無反應的工業程序中,例如能源、冶金、製藥、環境等工業。流體化床燃燒技術就在戰後開始發展,並且成功應用在能源及環境工業中。

1950 年代,流體化床才開始應用在燃燒技術上。最早是 1955 年英國的 Babcock & Wilcox 公司,在法國的 La Mur 建立了第ㄧ套商業運轉的流體化床鍋爐,產熱規模是 2.3 百萬瓦,目的是處理開採煤礦時產生的廢棄煤料。同時期,美國、英國、中國大陸、北歐及西歐都開始發展流體化床燃燒技術。

美國發展流體化床燃燒技術的目的主要是燃燒含硫量高的煤炭,利用添加石灰石至爐床中吸收二氧化硫,使排出的煙氣能符合環保法規。英國則是為了發展小型的燃煤熱能工廠提供熱能予工業使用,也為了有效使用開採煤礦所產生的廢料。在西歐(荷蘭、德國、法國、比利時及奧地利)發展這技術,則是為了焚化處理事業及一般廢棄物,西歐與北歐也同時發展流體化床燃燒生質燃料的技術。

中國大陸當時也發展流體化床燃燒技術,由於工業水準較低並不受世界注意,但也於 1965 年在廣東省茂名市,成功建立第1套燃燒油頁岩的流體化床鍋爐。

氣泡式流體化床燃燒技術現今大量應用在中小型的能源工廠中,在北歐森林資源豐富的國家,有許多紙漿工廠利用氣泡式流體化床鍋爐,燃燒製程中的廢棄物(樹皮、小枝葉等)來產生熱能及電能。不只在工廠中使用,北歐許多城鎮也利用它來供應民生用電及在冬天供暖。最大規模的氣泡式流體化床燃燒爐,是芬蘭 UPM-Kymmene Kuusankoski Mills 紙廠的發電量 100 百萬瓦汽電共生鍋爐,除了發電外,每小時還可供應 385 公噸的蒸氣。

固體粒子會有流體化的行為,是因為流體流經粒子時施予粒子的拖曳力,以及粒子在流體中的浮力與重力的交互作用。當研究人員思考到這個問題時,就有人提出藉著改變氣體的壓力來改變流體的物理特性,以改善流體化的品質。

1969 年英國的道格拉斯.艾略特(Douglas Elliott)成功地實踐了這個概念,建立了第ㄧ套加壓式流體化床燃燒爐,最大壓力可操作到 6 bar。若應用在發電上,發電效率可以超過 40%,但是加壓式流體化床的建造成本較高。最近投入商業運轉的是 1999 年日本九州電力公司興建的 Karita 電廠,發電量 360 百萬瓦。

1970 年代末期,一個名為循環式流體化床的新技術,正式成為流體化床燃燒技術家族的一份子。循環式流體化床技術最先由德國的 Lurgi 公司開始發展,1979 年該公司在法蘭克福建立了一個小型的循環式流體化床先導工廠(產熱規模 1.5 百萬瓦)。同年,芬蘭的 Ahlstrom 公司建立了世界上第ㄧ座商業運轉的循環式流體化床鍋爐,產熱規模是 15 百萬瓦。1982年,Lurgi 公司在德國的 Luenen 建立了規模更大的循環式流體化床汽電共生鍋爐(84百萬瓦)。

循環式流體化床燃燒爐的發展,有兩點有趣的特性,一是發展這套技術的公司過去都沒有生產鍋爐的經驗,另一是這套技術一開始就從大型規模發展,沒有小型實驗室規模設備的設置。目前循環式流體化床大量應用在發電或大型汽電共生的能源工廠中。

現今世界上已成功運轉的大型循環式流體化床燃燒爐,主要發電規模為 300 百萬瓦,例如,位於佛羅里達 Jacksonville 發電廠,由美國能源部部分出資與美國 JEA(Jacksonville Energy Authority)合作興建,是美國排名第八大的發電廠。中國大陸至 2008 年底,商業運轉的 300 百萬瓦循環式流體化床發電廠共有13座。

規模更大的循環式流體化床發電廠是位於波蘭 Lagisza 的 PEK 電廠,已於 2009 年 7 月開始運轉,發電量是 460 百萬瓦。然而中國大陸從 2006 年開始,計劃在四川白馬設計建造一座 600 百萬瓦的循環式流體化床發電廠,預定在 2011 年開始運轉。

未來的燃燒技術

在過去,流體化床燃燒技術隨著當時的需要而做型態上的演進,然而研究人員也不僅止於目前的發展。近年來由於全球暖化議題備受矚目,燃料型態也由化石燃料轉變為可達到碳平衡的生質燃料。此外,一種不同以往的燃燒觀念也在發展中,就是化學迴路燃燒法。這個方法是以金屬氧化物做為氧載體,提供燃料燃燒所需的氧原子,不再利用空氣提供氧氣助燃,目的是減少煙氣中的氮氣量,並使二氧化碳的濃度增加,以便於捕捉。

化學迴路燃燒的原理是把做為氧載體的金屬氧化物,利用流體化技術在燃燒室與氧化反應器中循環流動,不斷地進行氧化還原反應。金屬氧化物被送至流體化床燃燒室中與燃料充分接觸,進行還原反應,以釋放出氧原子予燃料進行燃燒氧化反應,同時大量放出熱能。

處於還原狀態的金屬,再利用流體化技術輸送到另一個反應器中與空氣接觸再次氧化,再次氧化後的金屬氧化物帶著氧原子再回送到燃燒室中,繼續供氧給燃料燃燒。由於不再使用空氣做為助燃劑,減低了煙氣的排量,因此隨著煙氣排放而損失的能量大幅減少,而提升了能源使用的效率。

人類自從使用火之後便學會了控制能源,使得文明快速發展。18 世紀末更進一步把燃燒產生的熱能轉變為動能,利用蒸氣推動的巨大飛輪啟動了工業革命,也帶來了環境的破壞。時至21世紀工業技術如此發達的今天,我們還是主要倚靠燃燒來產生能源,但與過去不同的是,我們比過去更珍惜能源,更會保護生態環境。流體化床燃燒技術具有高燃燒效率及低汙染排放的特性,使這項技術更為人所知,相信它可為能源與環境的問題提供一個解決的方法。
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