2010/04/05
經濟部能源局
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▓撰文：焦鴻文、張育誠、吳國光 ▓圖片提供：工研院能環所
傳統的燃燒技術僅要求將燃料與燃燒空氣做適當的分配，以求燃燒完全即可；新世代的燃燒技術則必須同時兼顧地球環境及節約能源。在一片節能及環保的聲浪下，如何提高燃燒裝置的熱效率並減少污染的排放，已成為各國燃燒技術開發及應用上的重點。
蓄熱式燃燒系統原理
蓄熱式燃燒系統（High-cycle Regenerative System, HRS）主要由燃燒器、蓄熱體及切換機構等3者組合而成，蓄熱式燃燒器因燃燒器內部即包含蓄熱再生器系統，故一組蓄熱式燃燒器必須有兩支燃燒器來做為週期性交互切換燃燒，由於燃燒器本身可做為排氣之通道，在燃燒器內部有安置陶瓷蓄熱體做為高溫煙氣廢熱回收的載具。
蓄熱式燃燒系統為週期性的交互切換燃燒，其運轉動作為：當A燃燒器燃燒時，B燃燒器便做為高溫煙氣的排放通道，並將高溫煙氣中的熱能蓄積在B燃燒器裡的陶瓷材料中，而在下一個切換運轉時，B燃燒器開始運轉燃燒，並利用空氣將B燃燒器陶瓷中的熱能取出當作燃燒之用；此時A燃燒器為高溫煙氣的排放通道，並將煙氣中的熱能回收在A燃燒器的陶瓷材料裡。
一般傳統燃燒的空氣預熱技術利用一個金屬式複熱器（Recuperator）來進行廢熱回收，一般預熱空氣在複熱器附近可達到400～600℃，因複熱器與燃燒器的空間阻隔，真正能利用到的溫度多在400℃以內，能提升的預熱空氣溫度有限。蓄熱式燃燒系統的空氣加熱則是利用陶瓷材料當為熱的傳遞介質，因為陶瓷材料比金屬更具耐溫性，所以可置於相當高的溫區位置來回收集排氣中的熱能，並同時加熱燃燒用的空氣。
從熱交換器材質的溫度限制來看，復熱式熱交換器受限於它金屬材質的特性，無法如陶瓷材料可直接接觸1,000℃以上的高溫煙氣，所以復熱式熱交換器的燃料節約率就無法比擬蓄熱燃燒方式，而且有一段明顯的落差。而蓄熱式燃燒系統以蓄熱再生器（Regenerator）的方式，透過將再生器整合至燃燒器本體內，回收廢氣中的顯熱（Sensible Heat）並以直接熱交換的方式來預熱燃燒空氣。此舉除了能大幅提高燃燒空氣溫度外，也可避免預熱後的燃燒空氣，再度通過空氣管路時的熱損失。因此，在1,200℃以上的爐溫時，預熱後的燃燒空氣溫度可提升至1,000℃以上，其節能效率優於傳統金屬式熱交換器達30％以上。
由於蓄熱式燃燒系統可將燃燒空氣預熱至相當高的溫度，故在燃燒空氣的空燃比使用上會比傳統燃燒器來的低，如此也可以有效降低排氣所造成的熱損失。也因為預熱空氣溫度高的關係，相對也可使用熱值低的燃料而不會造成燃燒不穩定的現象，而其切換燃燒的方式亦可提高燃燒區域的平均熱通量，也可加強爐內的均溫性。
另外，由於蓄熱式燃燒系統其空氣預熱溫度高，故在控制氮氧化物的生成上是一重要的課題，目前利用階段燃料注入或是外部煙氣循環法，是一有效控制氮氧化物方法。
蓄熱式燃燒系統的應用
蓄熱式燃燒系統目前在國外已普遍運用於各式金屬加熱爐、熱處理爐、溶解爐、化工加熱製成、鍋爐、焚化爐等需要高溫環境且須做有效廢熱回收的場合。在日本的實廠經驗裡，將蓄熱式燃燒系統應用於貫流式熱媒鍋爐，能將原先450℃的煙氣溫度降低至200℃左右，可將效能提升14％左右；應用於金屬熱處理爐時，則可將原先650℃的煙氣溫度降低至200℃左右，可將效能提升25％；如果應用於更高溫度的鋼鐵加熱爐，則可將原先900℃的煙氣溫度同樣降低至200℃左右，更可將效能提升46％，比起使用傳統復熱式熱交換器節能效果好的多。
目前在台灣也已將蓄熱式燃燒系統應用於許多場合，如盛鋼桶加熱爐、球化熱處理爐、連續式保溫爐等需要高溫廢熱回收的環境，其節能率約可達到30％以上，如長時間使用於1,000℃高溫加熱爐，其節能率跟傳統加熱方式相比更是可達40％以上。
結語
蓄熱式燃燒系統現今已運用在許多的鋼鐵生產製程上，它的優點在於熱能回收效率高出傳統復熱式熱交換器許多，是一項更具優勢的廢熱回收節能技術；除此之外，也因為它的燃燒方式不同於以往的燃燒模式，因此可提升工業加熱爐膛的加熱性能及其產品的品質。蓄熱式燃燒其高效率燃燒節能主要的方法，是對燃燒後排放的煙氣進行熱回收，回收的熱能普遍應用於預熱燃燒空氣，以減少燃料的消耗，故蓄熱式燃燒系統是現行加熱效率最高的燃燒設備，也是未來降低工業爐耗能，解決二氧化碳排放量的最佳選擇。（作者任職於工研院能環所工業節能技術組熱能應用與能源分析研究室）