首頁 > 燃燒科技:燃燒科技與能源應用
:::

燃燒科技:燃燒科技與能源應用

自從遠古時代燧人氏發現鑽木取火以來,火帶給人類溫暖和美味的熟食,後來又從熱能中產生動力、創造出電力並開啟太空之旅。燃燒不但是推動人類文明搖籃的手,也是點燃人類科技的主要火苗。
 
 
 
推動文明搖籃的手

燃燒現象為可燃物質如煤、石油、瓦斯、廢棄物等快速氧化的化學反應,而此一化學反應所形成的光、火焰、熱量和排放物,卻直接或間接地影響了整個人類文明的進步和生活環境的變遷。自從遠古時代燧人氏發現鑽木取火以來,火帶給人類溫暖和美味的熟食,後來又從熱能中產生動力、創造出電力並開啟太空之旅,但也帶給人們火災的驚懼和災難。

人類的文明基本上是從懂得用火才開始的,隨著歷史的演進,人類也逐漸知道如何去控制或預防它的災害。更重要的是,科技的進步,幫助了現代人認識燃燒現象,以及更廣泛地應用所產生的光和熱。因此,燃燒可說是推動人類文明搖籃的手。

化石能源

人類運用智慧,將地球蘊藏的「自然資源」轉換為可以便捷利用的「能源」,進而促進文明的蓬勃發展,而用火燃燒正是將自然資源轉換為可利用能源中最快速、方便的方法。從科學的角度來看,用火是將能量藉由燃燒反應釋放出來,並進行轉換。隨著工業化程度的日漸加深、經濟的快速成長、國民生活水準的提高,對能源的需求亦日益增加。由一個國家的能源消費形態及數量即可一窺其生產結構、技術層次、工業化程度及實質的生活水準。

能源一般可區分為再生能源與非再生能源兩大類。再生能源是指由太陽能、風力、水力、潮汐、海洋溫差、地熱及生質能如木屑、蔗渣、及動物的排泄物產生沼氣等產生的能源,取之於自然界,生生不息。非再生能源則指化石燃料如煤炭、石油、天然氣及核燃料如鈾等在地球上蘊藏量有限且因大量消耗而日漸枯竭的能源,用完難以再生。燃燒科技所需的燃料主要為化石能源。化石能源可分為三大類:(1)氣態燃料,如天然瓦斯、液化石油氣、製程可燃氣等;(2)液態燃料,如汽油、柴油、燃料油等;(3)固態燃料,如煤炭、木材、廢棄物等。

若依生產來源則可分為天然燃料及人造燃料。石油和天然氣是所有能源中使用最方便的燃料,且天然氣更具有易處理、易控制及燃燒乾淨的優點,故在工業上和家庭中大量使用。而液態燃料則具有易於操作、輸送和儲藏的優點,可直接燃燒用於驅動引擎或發電。雖然煤燃燒所產生的污染比起石油和天然氣要嚴重得多,但近年來工業界與學術界已積極研發如何將煤轉換成便宜且「清潔」的燃料如流體化床燃燒、煤炭氣化,以降低煤的污染並提升實際應用價值。

火在發電系統中的應用

燃燒最大的應用價值便是產生電力和動力,例如火力發電、鍋爐及其輔機、汽電共生、複循環發電、煤炭氣化發電等均是燃燒科技在發電系統中的典型應用。當然,目前產生電力的能量來源除了用燃料燃燒產生熱能以外,還可以利用核能、水力、太陽能、風能、海洋能,如:海洋溫差、潮汐、波浪能和地熱等方法,但其普遍性和應用性則大不如燃燒化石燃料產生電力的方法。因此,隨著科技的日新月異,能源的需求與日俱增,而燃燒仍是最廣泛、最有效而且最直接的能源獲取方式。

產生電力的原動力廠為工業動力之根源,其影響可謂無遠弗屆,涵蓋了鋼鐵、汽車、造船和航空等重工業,食品、紡織及建築等輕工業,以及電子、光電等高科技產業。各項工業發展與經濟成長均有賴於電力的供應與開發,由一個國家的電力使用率即可看出其工業化程度及經濟成長情況。因此,多年來世界各國能源政策的制定與推行,對於動力廠的開發與研究一直不遺餘力。原動力廠一般可區分為中央動力廠及工業動力廠,前者為大型動力廠,如:台灣電力公司所屬之火力發電廠,後者為小型動力廠,如:大工廠或醫院所自備的發電設施。

大部分產生電力的設備皆以燃燒化石燃料為主。我們常見的原動力廠藉著燒煤、油或是天然瓦斯所形成的熱,使得鍋爐產生足夠的高壓過熱蒸氣,進而推動蒸氣渦輪機的葉片使之旋轉,再帶動發電機切割磁場產生電力。作完功的低壓水蒸氣離開蒸氣渦輪機並進入凝結器,與冷卻水進行熱交換而凝結為低壓的液態水。由於需要大量的冷卻水,火力發電廠通常建在海邊或河、湖附近。而原本低溫之冷卻水吸熱後變成溫水排入海中造成熱污染,如珊瑚白化、秘雕魚等,近年來已受到廣泛的討論。離開凝結器的凝結水會在幫浦中加壓,成為高壓低溫水,再流回鍋爐,如此循環產生蒸氣動力。

此外,若配合其他附屬設備,如過熱器、空氣預熱器或省能器將可提升效率。燃燒後之廢氣溫度仍高,若直接由煙囪排出,將形成熱損失。藉由省能器使幫浦加壓之後的低溫水先吸取熱量提高水溫,可將廢熱回收利用。空氣預熱器與省能器有類似的廢熱回收作用,不同之處為空氣預熱器利用廢氣餘熱預熱新鮮冷空氣成為暖空氣。而大型電廠為了降低爐內燃燒溫度以減少氮氧化物排放,一般會採用煙道氣再循環的方法,亦即有一部分煙道氣在進入空氣預熱器之前會被煙道氣再循環的風扇導入爐內。另外,從遠處即可看見矗立於電廠中的高聳煙囪,其作用是將來自燃燒室的燃燒生成物排放至大氣中。煙道氣排放之前需先經靜電集塵器除去粒狀污染物、排煙脫硫除去硫氧化物、排煙脫硝除去氮氧化物等燃燒後處理設備的降污處理後,才可經由煙囪排放至大氣中。

因此,如何選用潔淨的燃料,研發低污染的燃燒系統,並藉由燃燒技術的改進,善用燃燒調整控制及燃燒後處理技術等,以節約能源,降低污染排放是刻不容緩的重要課題。

鍋爐猶如火力發電廠的心臟,儲存於燃料中的化學能經燃燒後轉化為大量熱能,鍋爐內的水吸取熱能後轉變為高壓、高溫的過熱蒸氣,經過蒸氣渦輪機的作用將工作流體的熱能變成動能,推動發電機又將機械能轉變為電能,供人類利用。這一連串不同的能量形式轉換,燃燒扮演了舉足輕重的角色。

除了大型蒸氣火力發電廠外,還有因應尖峰用電或緊急救援用的內燃機動力廠。汽油引擎、柴油引擎或是燒替代燃料的引擎,其基本原理都是將燃料直接在引擎汽缸內燃燒,利用燃燒後產生高壓氣的能量推動活塞,並帶動曲柄軸旋轉運動而輸出動力,該動力之機械能可藉發電機將其轉變成電能而輸出,或驅動輪軸達到傳送的目的。雖然以內燃機驅動的發電機不多,但是在某些方面的應用上卻有實質的優點,例如,汽油引擎由於可在極短的時間內啟動,故可應用於緊急情況,惟通常馬力不大,不會超過數百馬力。而柴油引擎可使用的引擎尺寸就比較大,因此常用於大型工業動力廠,輔助或緊急支援用電。此外,一般大型醫院或大樓的發電機以及夜市或路邊攤常見的照明用小型發電機,亦多屬於此類。

內燃式燃氣渦輪機之崛起進而快速發展,主要是肇因於噴射推進引擎在航空太空工程上的應用。現今燃氣渦輪機的應用範圍已相當廣泛,除應用於工業用動力廠外,亦可用於驅動壓縮機、幫浦或小型發電機,交通運輸上則可用於火車、船舶及飛機等。

所有電力系統都有短暫的極高負荷時期,稱之為尖峰負荷。因尖峰負荷的時間較短暫,故燃料費相對較不重要。由於燃氣渦輪機之輸送安裝時間較短且啟動快速,不像蒸汽動力廠之設置、啟動需要較長時間,因此非常適合在尖峰負荷時供應電力。此外,燃氣渦輪機亦極適合用於緊急狀況下的電力支援,例如,電廠電力設備損壞、電力輸送線中斷、或水力發電廠在低水位期間無法操作供電時,可以快速裝置燃氣渦輪機及時供應電力。

火在動力系統中的應用

燃燒另一最大的應用價值便是產生動力,例如,汽油引擎、瓦斯汽車、壓縮天然氣汽車、柴油引擎、渦輪引擎、噴射推進,以及火箭引擎等都是燃燒科技的典型應用。

凡利用燃料燃燒產生熱能,再使熱能產生動力的機械都稱為熱機。如前所述,內燃機引擎為一熱機,係將燃料的化學能轉換成旋轉輸出軸的機械能。燃料首先與汽缸內的空氣充分混合燃燒,將化學能轉換為熱能,使汽缸內的氣體溫度與壓力升高,利用高壓、高溫氣體推動活塞膨脹作功,轉換為動力。此一膨脹過程先經連桿機構轉換成曲柄軸旋轉運動後,曲柄軸再與變速箱或動力系統連結,將旋轉機械能傳送至最終使用目的-發電或產生動力。

由於內燃機很輕、體積小、啟動迅速,除了前面所述的發電功能外,更是交通運輸載具的主要動力來源。例如,汽油引擎、柴油引擎及燃氣渦輪機等,常用於驅動交通運輸工具,其他的應用包括驅動發電機或幫浦的固定式引擎,鍊鋸、割草機及曳引機的移動式引擎。今日交通運輸的蓬勃發展,人與人間的距離縮短,都是拜內燃機的發明及廣泛應用所賜。

燃氣渦輪機包括噴射推進引擎,最初是在第二次世界大戰期間成功地應用於飛機上。基本型渦輪噴射引擎的主要應用為運輸機、教練機、轟炸機和民用航空客機,而具後燃器渦輪噴射引擎的主要應用為戰鬥機。後燃式渦輪噴射引擎的主要作用在於瞬間提升推力,因為一般渦輪噴射引擎,考量機構的壽命,經壓縮機壓縮進入主燃燒室與燃料混合燃燒的高壓空氣約只燒去25%,賸餘空氣均用於冷卻燃燒器,以致引擎推力較小。若能將未充分利用但仍具有相當溫度的賸餘空氣導入裝置於渦輪下游的後燃器內並噴入適量的燃料與之燃燒,即可提供機體額外推力。而最重要的是後燃器重量輕且構造簡單,即使點燃後燃器會增加油耗,但仍是戰鬥機在爬升及特殊加速時之最佳選擇。

我們可以藉由人造衛星來了解地球本身與其他的行星;人造衛星亦能預測天氣、發射電訊、接通電話等等,使我們能探索宇宙之奧妙,生活更便捷。因此,人造衛星可說已是日常生活中不可或缺的工具。

眾所周知,現在火箭已可發射到大氣層的外側,作為運送人造衛星的工具。然而火箭究竟是在何時由那個國家發明的呢?早在十三世紀,蒙古人入侵歐洲時,就已經知道把火藥裝入筒狀的厚紙裡,再經由導火線點燃後,產生高速氣體向後方噴出,使「火箭」向前飛去殺敵。而開啟宇宙時代的火箭也正是利用此種力量向前推進的。

火箭的發明,使火箭引擎成為非常成功與普遍的動力推進裝置。化學火箭引擎所使用的燃料可區分為液體推進劑與固體推進劑二種。液體燃料火箭的構造比固體燃料火箭的構造複雜,前者需要一加壓系統分別將燃料與氧化劑在高壓下供給燃燒器噴嘴。思考一下牛頓第三定律:作用力與反作用力定律。液態燃料與液態氧在燃燒室混燒,燃燒時產生熱氣噴出,於是火箭就朝反方向前進。

火箭的用途相當普遍廣泛,例如發射人造衛星,攜帶精密儀器設備作高空探測和科學實驗等。由於火箭在宇宙中能夠搬運笨重物體,快速飛行,因而也常用來搬運武器。火箭如配置彈頭,即成為巡弋飛彈,可用於中程、長程或洲際攻擊。同時火箭亦可作為飛機的發動機,或飛機起飛的輔助發射器,但主要應用還是在於太空探測與載送人造衛星進入運轉軌道。

火在加熱製程中的應用

燃燒產生的熱固然可以轉換成為功輸出,藉以產生電力或動力,但直接使用產生的熱做加熱的熱源亦是常見的例子。工業製程如煉鋼、煉鐵、製玻、造磚、窯燒,還有提煉原油和煤炭液化、氣化等工業,都利用燃燒放熱為熱源。至於家庭能源的應用更是大家耳熟能詳的,諸如瓦斯爐、熱水器、烤爐、蒸氣式暖氣設備、壁爐中木材燃燒生熱和烤肉等,也都是燃燒放熱的實質應用。

家庭日常生活中用的瓦斯爐或瓦斯熱水器,其原理係利用瓦斯燃料從噴嘴噴出時所產生的內外壓力差將空氣吸入燃料噴管中,形成多管或多環的噴流部分預混火焰,燃料的化學能因燃燒轉換成熱能而進行加熱。

瓦斯爐的設計參數,包括吸入空氣與瓦斯的混合比例、瓦斯爐噴嘴口徑的大小、瓦斯爐爐頭焰孔口徑的大小、瓦斯供應壓力、爐頭焰孔出口流速、焰孔間距、瓦斯噴口和加熱面之間距,以及火焰之間的相互作用,對整體火焰的燃燒特性皆有顯著的影響,也直接關係著熱效率的高低。值得注意的是,瓦斯爐或瓦斯熱水器因在家庭中使用,需要更進一步考量安全性,諸如火焰的穩定性與燃燒污染物的適當控制等,尤其是一氧化碳和氮氧化物的排放率。

火在廢棄物焚化處理上的應用

垃圾的最終處置方式之一是以焚化處理,目前臺灣的垃圾大都以焚化爐燃燒處理。焚化物的類別涵蓋(1)高分子系廢棄物,如塑膠、輪胎、保麗龍、寶特瓶、塗料、軟片等;(2)醫療廢棄物、有害廢棄物及特殊廢棄物,如廢油、廢溶劑、油漆料等;(3)一般垃圾,如紙屑、樹葉、木屑、破布等。

垃圾焚化的程序可分為收受、儲存、進料、焚化四個步驟。焚化爐的設計需考量垃圾種類及處理量,以及經由特殊集塵設備、濕式洗煙塔處理,以達到無煙、無臭、低污染的高效率焚化效果。而具熱能,如熱水、蒸氣,回收利用經濟效益的焚化爐,係將垃圾焚化產生的高溫廢氣由廢熱回收鍋爐的水冷卻,並回收其熱能產生蒸氣,然後推動蒸氣渦輪機再帶動發電機發電,此種可將廢熱回收再利用的焚化爐目前廣受歡迎,因其可將廢棄物轉化為有用能源,亦即將蘊藏於廢棄物中的能量再利用與回收,目前正受到大力提倡與推廣。

燃燒對人類文明的發展貢獻卓著。燃燒不但可產生能源、電力與動力,而且是最廣泛、最有效而且最直接的能源取得方式。但是,未加充分控制的不適當燃燒,不僅造成能源的浪費及環境污染,還會帶來重大災害。因此,如何更有效的利用燃燒以產生能源,加強節約能源及防治燃燒所產生的污染問題,達到高效率、省能、低污且安全之最終目的,實是現階段享受燃燒科技卓越貢獻之外,亟待解決的重要課題。  □
推薦文章