燃油鍋爐效率提升與氮氧化物控制技術簡介

▓撰文：李文伯 ▓圖片來源：台電公司

燃油鍋爐生產蒸汽與熱水可應用於發電、汽電共生、工業製程及加熱系統等，為工業界極為普遍的能源設備。目前在燃油價格日高與供應問題逐漸浮現之下，我國政府單位如能源局與環保署均積極推廣提升效率與降低污染之相關技術，以達節能與環保目標。本文茲介紹燃油鍋爐效率提升與氮氧化物控制技術，以供各界參採。

燃油噴霧燃燒技術為燃油（重油、柴油）於鍋爐內燃燒釋放熱量，經爐管熱傳產生熱水或蒸汽。蒸汽可送入汽機發電（如台電公司之重油發電鍋爐），或做為製程用（如造紙乾燥製程或煉油製程之氫氣重組器）。燃油是否能有效迅速的完全燃燒，將直接影響到燃料用量與鍋爐的體積。噴霧燃燒將燃油由燃燒器噴嘴高速射出成霧狀，構成油霧之小油滴可增加與空氣的接觸面積並迅速混合，而在極短的時間內達到幾乎完全燃燒的效率。

鍋爐效率提升技術

鍋爐效率之定義為：單位時間產生定量蒸汽或熱水所需的熱量，與單位時間進入鍋爐之燃料總熱值之比率。而影響鍋爐效率最直接的是燃燒效率與鍋爐內熱傳效率，亦即燃燒熱經由爐管傳至蒸汽之能力，其他因素則為熱輻射與熱對流損失以及環境溫度等。燃燒效率及熱傳效率理論上視鍋爐設計（燃燒器、爐膛）而定，但是實際上常因不同的操作與維護而有所差異。一般鍋爐設計效率均可達90％以上，而國內輔導業界的經驗顯示，常無法到達此一標準，因此操作人員的運轉維護觀念是提升鍋爐效率頗為重要的一環，以下係提升鍋爐效率的可能途徑：

一、 提升燃燒效率

提升霧化品質可有效提升燃燒效率。直接於重油中添加適量水（約5％），可降低黏度有助於霧化。重油加水必須注意的是混合均勻，否則造成局部含水量過多反而使燃燒不完全而結碳渣於噴嘴。重油中的水噴出後之水滴被油滴包圍，於鍋爐內高溫受熱蒸發而爆裂形成更小的油滴，使燃燒更為迅速。

另方面，燃燒過程中空氣量之控制十分重要。理論上空氣量只要足夠使燃油完全燃燒即可，實際上由於燃油與空氣的混合並不能完全均勻，因此空氣之供應必須超過理論量以確保燃燒完全。通常重油發電鍋爐之過剩空氣量為6～10％，而燃油工業鍋爐為約15％。操作人員必須注意控制排煙中CO含量低於30ppm而氧含量在2～5％之間，以維持較佳之燃燒效率。過剩空氣亦不宜過多，否則會降低燃燒效率，且空氣中的氮會將熱量由排煙中帶走造成熱損失。

二、提升鍋爐內熱傳效率

燃燒釋放之熱能傳遞至蒸汽的效率與爐管管排設計、爐管材質、煙氣速度（鍋爐內滯留時間）等有關。在一定的鍋爐構造下要達到熱傳效率設計值，操作人員應避免排煙溫度過高（約140～170℃），若溫度過高可能意味爐管水側與煙側表面積垢積灰影響熱傳係數、燃油進入過多、鍋爐飼水量不當（蒸汽壓力產生變化）或是發生延後燃燒（霧化不良）煙氣熱量不及傳至蒸汽便排出鍋爐外，以及過剩空氣過多等操作維護問題，必須予以排除；若排煙溫度過低則必須注意煙氣中硫氧化物冷凝產生硫酸腐蝕煙囪內襯的問題。至於過剩空氣過多，除會降低燃燒效率外，由於煙氣量過大將加快流速而致縮短鍋爐內滯留時間降低熱傳效率，再者，過剩空氣過多會造成鼓風機不必要的耗電而降低鍋爐整體系統（包括輔助設備）之能源效率。

氮氧化物（NOx）控制技術

重油與柴油在煉油生產過程中，其硫含量與含灰量均已受到控制，因此氮氧化物（NOx）為污染控制之重點。燃油鍋爐氮氧化物排放控制技術基本上包括：低氮氧化物燃燒器（LNB）、分段燃燒（Staged Combustion）、再燃燒（Reburning）、煙氣迴流法（FGR）、選擇性觸媒還原法（SCR）、以及選擇性非觸媒還原法（SNCR）等，茲分別說明如下。

一、低氮氧化物燃燒器（LNB）
LNB為兩段式燃燒器。第一段供應約70％的理論空氣量，燃燒時產生的熱能將燃油中的氮氣化，由於缺氧，燃油中的氮無法生成NOx。燃油與剩餘的空氣於第2階段中之燃燒速度較慢而降低火焰溫度，進而降低空氣中的氮生成NOx之機會。LNB易於安裝具經濟性，目前應用甚廣，其NOx脫除率約為20～40％。 二、分段燃燒（Staged Combustion）
若不將現有燃燒器改裝成LNB，則分段燃燒是一個經濟易行的方法。令燃燒器在富燃料條件下運轉，在燃燒器上方設火上空氣口（Over Fired Air, OFA），將剩餘之空氣送入以降低NOx生成。OFA的原理與LNB相同，其NOx脫除率約為10～30％。

三、再燃燒（Reburning）
再燃燒為燃料分段供應。第1階段供應約80％的燃料，第2階段供應約10～20％，第3階段則供應剩餘約10％的燃料以及充足的空氣，以降低NOx生成，其NOx脫除率約為40～60％，較不適於工業鍋爐使用。

四、煙氣迴流法（FGR）
FGR將部分煙氣迴流至鍋爐燃燒區，稀釋氧濃度並降低尖端火焰溫度而減少NOx生成，FGR施工簡單並易於與其他控制系統配合。煙氣迴流最佳比例約為20％，大於20％則減量效果不明顯，反而易使燃燒不穩定且耗用過多廠內用電，其NOx脫除率約為10～30％。

五、選擇性觸媒還原法（SCR）
上述利用燃燒控制降低NOx生成有其極限，為要符合嚴格排放標準，在煙道中裝置觸媒並噴入NH3直接吸收還原NOx成N2，操作溫度約為400℃，其NOx脫除率約為60～90％。由於成本較為昂貴，觸媒需更換回收，且NH3會造成二次污染，因此工業鍋爐安裝困難。

六、選擇性非觸媒還原法（SNCR）
SNCR與SCR原理相同，因無觸媒須在較高溫度操作。在鍋爐上方900～1,000℃（對流區）處注入NH3還原NOx成N2，其NOx脫除率約為40～70％；工業鍋爐安裝困難。

小動作，大收益

近幾年燃油鍋爐產生之蒸汽由每公噸約新台幣200～300元快速攀升至800～900元。建議業界應建立廠內燃油鍋爐操作與維護標準程序確實執行，不但可因應高能源價格與嚴格的環保法規，亦可降低產品成本，即藉由微小但正確的操作與維護動作，可為公司節省鉅額經費。（作者為坤騰科技開發有限公司總經理）