2007/10/05
經濟部能源局
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▓撰文：吳國光
據經濟部能源局資料顯示，工業部門在民國95年的能源消費量總計為55.71百萬公秉油當量，占了全國總消耗量的50.72％；其中以燃燒型式進行製程加熱所需之各式燃料合計為27.17百萬公秉油當量，占了該部門總耗能約48.77％。因此，對於燃燒加熱系統的熱效率必須予以重視，並積極開發、應用相關之節能技術，而富氧燃燒技術即是其中之一。
富氧燃燒特性
一般燃燒過程所用的助燃空氣均在自然狀態下，亦即氧濃度為21％，如果用比自然狀態下含氧量高的空氣做助燃空氣，則該燃燒稱為「富氧燃燒」，而富氧燃燒的極限狀態為「純氧燃燒」。富氧燃燒火焰與普通燃燒火焰相比有如下特點：
一、理論空氣量少
隨著富氧空氣中含氧量的增加，理論空氣需要量減少，例如含氧量21％時，燃燒1立方公尺的CH4所需之理論空氣量為9.52立方公尺，而含氧量28％時，燃燒1立方公尺的CH4所需之理論空氣量為7.14立方公尺；空氣量降低25％，從而改變燃燒特性，使燃燒容易在接近理論空氣需要量下進行。
二、火焰溫度高
火焰溫度和空氣中的氧濃度有關，一般來說，火焰溫度隨空氣中含氧濃度增加而升高，當含氧濃度小於30％時，火焰溫度會隨著氧濃度上升而急速增加，但當含氧濃度大於30％時，火焰溫度增加就趨緩。
三、排煙量降低
空氣中僅有21％的氧參與燃燒反應，其餘79％空氣並沒有作用，反而帶走大量的熱能，增加能源耗損。故當空氣中的含氧量越高，燃燒所需之空氣供應量就可降低，煙氣產生量也越少，同時排煙損失的能量也可大幅降低。
四、分解熱增加
隨著燃燒溫度升高，尤其是溫度超過2,000℃時，燃燒產物吸收了分解熱而產生解離，當遇到低溫表面時，這些解離的成分將會放出分解熱，增加了熱傳效果。
五、節約能源
由於富氧燃燒火焰溫度高，火焰與被加熱物之間的溫差增大，使爐內輻射熱傳增加，提高了爐內熱量利用率。同時由於排煙量減少，排煙熱損失也相對降低，因此提高了設備熱效率，減少燃料使用量。
六、降低污染排放
由於富氧燃燒可使排煙量降低，因此可降低包含CO、CO2等污染物的排放總量。此外，由於富氧燃燒所使用的空氣中不反應物N2降低，使燃燒廢氣中的CO、CO2、SOx、NOx濃度增加，可使CO2捕捉、排煙脫硝、排煙脫硫等廢氣處理程序更有效率，降低廢氣處理設備維修及購置成本。
富氧燃燒形式與製氧方式
富氧燃燒的形式大致可分為：微富氧燃燒（Air Enrichment）、氧氣噴槍（O2 Lancing）、純氧燃燒（Oxygen-fuel Combustion）、空-氧燃燒（Air-oxygen╱Fuel Combustion）等4大類，其各類特點分述如下：
一、微富氧燃燒
此方式是直接將氧氣和空氣先混合，使之呈現微富氧狀態，之後再送入燃燒機燃燒。絕大多數的傳統燃燒機都可採行此種方式，其具有花費較少成本即擁有富氧燃燒特性的優點，但若氧濃度超過一定範圍，則燃燒器可能因燃燒溫度過高而損壞，或是火焰太短而不符製程所需，此點在應用上需特別注意。
二、氧氣噴槍
係利用氧氣噴槍在燃燒室內局部注入氧氣。此作法的好處是燃燒器較不容易因高溫而毀損，同時此方式類似階段燃燒（Staging Combustion）的概念，因此其NOx排放量相對來說較低，基本上僅需在原有燃燒機上增設一氧氣噴槍並配合相關管線配置即可，不需大幅變更，故在裝置費用上也不需花費太多。
三、純氧燃燒
純氧燃燒即是利用氧氣直接取代空氣進行燃燒。為考量安全性之問題，最近純氧燃燒皆採用擴散火焰（Diffusion Flame）的方式，即氧氣和燃料分走不同管線，在燃燒器出口處才進行混合。純氧燃燒具有非常低的NOx排放量及相當高的火焰溫度，主要是用於玻璃熔爐等需極高溫的作業環境使用，其缺點是燃燒器需大幅修改及燃燒室內之耐火材可能因高溫而縮短使用年限。
四、空-氧燃燒
此方式是空氣和氧氣同時供應燃燒器燃燒所需。好處是可操作在較高的氧濃度下，提高節能效率，同時其操作費用要比純氧燃燒來的低，火焰長度及熱傳分布可藉由調整氧氣流量來加以控制。
由於一般工廠沒有現成的製氧設備，因此在富氧燃燒推行上最大的阻力在於製氧設備。目前製氧的方式可分為3種，分別為：深冷分離法（Cryogenic，低溫精餾法）、變壓吸附法（Pressure Swing Adsorption, PSA）、膜分離法（Membrane Separation）。
深冷法的原理是先將空氣壓縮，再膨脹降溫，冷卻後液化，然後利用氧、氮的沸點溫度不同，達到把空氣分離為氧、氮的目的。深冷法具有產量大，同時分離氣體的濃度可達99％以上的優點，但設備投資費用極高以及設備體積較大則是其劣勢。
變壓吸附法的原理是對於等溫條件下的氣體混合物，吸附劑對被吸附成分的吸附量，因其分壓升高而增加，分壓下降而減少。故吸附劑在高壓下吸附，達到吸附平衡後，再降壓解吸，釋放出被吸附的氣體成分，使吸附劑再生，這就是變壓吸附過程。性能良好的吸附劑是實現PSA分離的前提和條件，吸附劑是一種多孔架構的固體顆粒，因此高孔隙率和高比表面積是它的重要特徵。此外，吸附劑還具有選擇吸附性能，即對混合氣體的各組成成分有不同的吸附容量。
膜分離的工作原理是利用高分子聚合物薄膜來選擇過濾進料氣而達到分離的目的。當兩種或兩種以上的氣體混合物透過聚合物薄膜時，因各氣體成分在聚合物中的溶解擴散系數的差異，導致其滲透過膜壁的速率不同。當混合氣體在膜兩側相對應成分分壓差的作用下，滲透速率相對較快的氣體優先透過膜壁而在低壓滲透側被富集（Enrich），而滲透速率相對較慢的氣體則在高壓滯留側被富集，達到分離的目的。
結語
由於富氧燃燒具有節能及降低污染的雙重效益，因此備受重視，但以目前製氧成本仍然偏高的情況下，在應用上仍不普遍。以國內目前工業現況，採純氧燃燒在投資及節能效益上不如微富氧燃燒（O2＜30％），目前首要問題在於降低製氧成本，若能將製氧耗能降低至0.05kWh╱m3左右（含氧量30％），則富氧燃燒就具有市場競爭力。（作者為工研院能環所研究員）