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【績效評鑑獎】集廢熱發電的螞蟻雄兵:整合式工業燃燒設備節能技術計畫

2019/07/29 |採訪撰文:鍾嘉雯 點閱人次: 135

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熱電模組由熱電材料所組成,可以和熱交換器結合成熱電系統,將廢熱轉換為電力
攝影/鍾嘉雯

【績效評鑑獎】能源局自2011年推行計畫績效評鑑作業,一路行來,鞭策計畫成效精進,使策略規劃品質更為提升。2018年從83項計畫中脫穎而出的優等生們,在能源領域研究中有什麼卓越表現?讓這些楷模和特殊貢獻獎代表們一一道來!

一點廢熱都不放過!整合式工業燃燒設備節能技術計畫(簡稱「燃燒節能」)應用熱電技術開發世界前三大kW級廢熱回收系統,回收低溫廢熱轉換為電力,既減廢又生電!


「燃燒設備如鍋爐、熱處理爐、廢棄物焚燒裝置等在工業當中相當普遍,也是人類所製造出來的主要廢熱來源之一。全台灣鍋爐就有上萬台,如果可以將這些廢熱儘量利用來發電,可以取代非常多電廠原本要產出的電力,從源頭減少燃料使用和污染排放。」燃燒節能計畫主持人林育立博士說。

工業部門的電力消費占全國總耗能的一半以上(2017年占比54%),而工業部門的低溫廢熱占廢熱總量50%以上。燃燒節能計畫以鍋爐為起點,提出一套整合式節能程序,先改善燃燒設備的燃燒端效能,再回收排放端廢熱發電,進而減少燃料使用量、降低設備對於電網電力的需求,以提高整體能源效率。起點,就從鍋爐效能改善開始!


從源頭加氫 燒得更乾淨讓廢熱減量

為什麼會有廢熱產生?林育立博士表示:「燃燒設備顧名思義,就是以燃燒燃料或可燃廢棄物等來達成加熱目的的裝置。燃燒時會產生大量的熱,這些熱因為技術的限制,沒有辦法被燃燒設備完全利用,部分甚至沒有利用就直接排放掉;另外有些老舊的燃燒設備沒辦法將燃料燒得很乾淨,因此會產生如一氧化碳及未燃碳等可燃的產物。這些沒有充分利用的熱或可燃物,會隨著燃燒所產生的煙氣排出,這些熱便是所謂的廢熱,而煙氣中沒燒完的可燃產物不僅造成環境污染,也是浪費能源。」

因此,燃燒節能團隊想到了兩個方式,來分別解決「燃燒不完全」和「排出廢熱」的問題。

燃燒設備的廢熱量與「過量空氣」有很密切的關係。林育立博士解釋:「燃料要燒起來得靠空氣中的氧氣助燃。一般的燃燒過程中,要導入比理論值還多的空氣,才能提高完全燃燒的機率,這些就是所謂的『過量空氣』。既然是過量的空氣,就表示會有剩下沒用到的氧氣,以及原本就不會燃燒到的氮氣,這些剩餘的氣體加上燃燒後產生的二氧化碳、水蒸汽等就會帶走一部分熱能,造成能量的浪費。另外,過量空氣也表示會有更多的氮氣送到燃燒設備中,因此也容易產生會造成空氣污染的氮氧化物(NOx)。」

燃燒節能團隊經過文獻探討和實驗驗證,提出在燃燒時混入一定量的氫氣,藉由氫氣容易燃燒的特性,可適當地降低空氣過量的比例,加上氫氣燃燒的溫度高,也有助於使原本的燃料燒得更完全,整體而言就能減少產出的廢熱與污染物量,同時提高燃料能量利用率。

加氫的方式視燃燒設備及燃料種類而定,可以先將氫氣與燃料混合,或是改造燃燒設備,以「氫氣槍」注入氫氣。在改善上游燃燒的品質後,對於從燃燒設備尾端排出的廢熱,團隊則設計用來發電,廢熱轉換出的電力可以提供燃燒設備運作時使用,也可以直接將電力併網供給現場其他設備使用。這種將燃燒設備的上下游都做到最佳品質與最低浪費的模式,是一種有效的能源循環使用架構。


熱電再轉換 以溫差發電的熱電技術讓廢熱重生

廢熱的問題該如何解決呢?將熱轉換為電力,就是燃燒節能團隊想到的妙招,靠的就是熱電技術!

熱電技術是利用導電但低導熱的熱電材料(分為P型與N型)將熱能轉換成電力,而熱電材料通常會先被組成熱電模組再使用。典型的熱電模組以兩片陶瓷平片作為基板,兩者中間貼覆數十至數百顆熱電材料,構成一個三明治結構。兩片陶瓷片中的一片作為熱面來接收熱能,另一片則作為冷面來散熱;換言之,熱電模組是透過溫差讓熱能通過熱電材料而轉換出電力。林育立博士現場拿出熱電模組進行實驗,將模組放在桌上,手指壓在模組上,手指與桌面的溫差就讓模組產生了電力(見下圖)。

熱電模組發電:以手指和桌面間的溫度差產生電力
攝影/鍾嘉雯

林育立博士說明:「我們將熱電材料組合成熱電模組,再將熱電模組和供熱與散熱的熱交換器結合起來,即成為一個熱電發電系統。當熱源進入供熱的熱交換器,同時又有相對較低溫的水或空氣等流體進入散熱的熱交換器時,熱能將會因為溫差而通過熱電模組,進而轉換出電力,不需要額外的驅動力就能發電!」


kW級熱電系統第一代 精衛也能填海

雖然技術的發想概念十分進步,不過林育立博士也坦承,以目前已經大量生產的熱電材料性能水準而言,用在最常見的200℃以下低溫廢熱時,效率通常在5%以內,還有很大的進步空間。即便如此,在投資層面上,以目前團隊所研發出的10kW級熱電發電系統來說,若能夠生產到百部以上,平均每kW售價有機會落在6~10萬元之間,已經有市場應用價值。林博士比喻:「目前熱電的核心元件已經是一個成熟的技術,就像是iphone第一代,現在用iphone 10的人回頭去看會覺得第一代有很大的進步空間,但它已經是可行的產品。」

目前全世界最大的熱電發電系統是美國的17kW系統,日本則有8kW系統,燃燒節能團隊研發的10kW級系統,實測最高值達到13.6kW,規模在全世界也是名列前茅,並在工業現場持續進行效能驗證,優秀的成績也讓燃燒節能計畫得到經濟部能源局的「績效評鑑獎」。

林育立博士也舉例,他在2018年底評估北部一間傳產公司,因廢熱條件相當良好,經評估設置規模可達到120kW。若能導入燃燒節能團隊所開發的熱電系統,以模組化生產降低成本之下,大概3~4年即可回收。也就是說,以目前的熱電技術水準,在一定規模量之下,回收期已經是在一般廠商可以接受的範圍內,更何況熱電材料的效率仍在進步當中,未來有非常大的市場潛力。

於工業現場測試的10kW級熱電發電系統,實測最大發電量可達13.6kW
圖片提供/工業技術研究院綠能與環境研究所

節能螞蟻雄兵 潛力無限!

目前燃燒節能團隊正在研發體積更小、發電量與效率更高的第二代熱電系統。林育立博士強調:「我們目標是設計出尺寸適中、發電量高的熱電發電系統,例如有一種機體規格是發電量在1kW以上、長寬高都在70公分以內,一個人就可以搬運!這樣的模組化小單元可以依照客戶需求,任意擴充至各種發電規模,真的有狀況則可以更換單台機組,從搬運、組裝到更換,都可以很方便地完成。」

相較於同樣用在廢熱發電的ORC(Organic Rankine Cycle;有機朗肯循環)技術,1kW、5kW起跳的熱電發電系統規模小了許多,不過台灣分散式的燃燒設備極多,且當中有許多設備所在的空間極狹小,正是適合熱電系統發揮的地方。如何積少成多、眾志成城,讓螞蟻雄兵發出大象之力,就要靠「整合式工業燃燒設備節能技術計畫」!

燃燒節能計畫團隊成員
圖片提供/工業技術研究院綠能與環境研究所


關鍵字:績效評鑑,工業節能,廢熱回收

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