高温空气燃烧技术之发展－降低CO2排放之新燃烧技术.PDF

高溫空氣燃燒技術之發展－降低 CO2 排放之新燃燒技術 1. 概要 由日本燃燒學會、日本工業爐協會及 JSUP （宇宙環境利用推進中心）共同合作，通產省協助組成的 NEDO 事業集團，為開發防止地球溫室效應之新技術，目前正共同進行 「高性能工業爐開發」之研究計畫。 在本研究計畫中，包含一熱效率較以往高出許多的新型工業爐開發項目，為達到此一目的，雖然可以 應用溫度超過 1000℃的高溫空氣燃燒法作為基礎技術，但是此種燃燒法過去在應用時相當困難。根據此一 技術，預期可以較過去使用的方法降低 30%以上的二氧化碳及 50%的 NOx ，抑制地球的溫室效應。 日本十分瞭解高溫空氣燃燒法的優異特性係居於世界領先的地位，且最近此項技術也成為海外注目的 焦點。此技術從基礎理論的研究到實用化的開發，包含了整體性的組合，須要產官學界共同努力執行。 2. 背景 在第一次石油危機時，日本全國運用當時可能的一切技術致力於節省能源，使日本的省能技術居於世 界最先進的地位。然而，自 1980 年代能源價格滑落之後，由經濟的觀點，節約能源已達飽和階段，一般 均認為省能技術之發展已呈困難且無多大意義。 之後，各方提出因溫室效應導致地球環境惡化的憂慮，故而呼籲應減少導致溫室效應之 CO2 的排放。 90 年的環境高峰會議，日本亦被要求對省能技術作進一步的改善；政府在接受此項要求後，即以通產省為 中心，於 1993 年擬定「防止地球溫室效應之行動計畫」。 「高性能工業爐開發」計畫即為此項行動計畫之一環，產業界以日本工業爐 [NFK] 為中心總共有 15 家公司參加，學術界以日本燃燒學會為中心總共有 15 所大學、研究機構參與此項開發計畫。 3. 高性能工業爐開發之基礎技術─高溫空氣燃燒 「高性能工業爐開發」計畫之目標為： 減少 30%以上的 CO2 ，節省能源 低NOx 、低燃燒噪音 同時達到設備小型化；根據以往的技術此三項目標之間互相牴觸，不可能同時達成。 圖 1 所示之第 3 區域，適用於燃燒爐的高溫空氣燃燒區，可能同時達到上述的目的。高溫空氣燃燒法 係將空氣預熱至 1000℃以上，而且燃料之高速噴流維持在低氧濃度，此一高溫空氣燃燒實驗可以判明下列 事情。 1. 高溫預熱空氣會伴隨效率上升、火焰溫度局部上升及 NOx 濃度急速提高等燃燒特性，此為第 2 燃 燒區域遭遇的問題。 2. 針對上述問題，高溫空氣燃燒技術渴望達到 低 NOx 低噪音 火焰溫度均勻化等實用化燃燒 特性。 3. 高溫而低氧濃度之燃燒，將以往之不可見光演變為以 C2 發光為中心的綠色火焰。 由此可見，高溫空氣燃燒技術具有優良的燃燒特性，若能配合科學推導的基本熱傳計算[參圖 2]以取代 以往的經驗公式，應該可以促成必威体育精装版型工業爐的誕生。 高溫空氣燃燒所須的高溫空氣，從 1980 年開始在實用化方面有相當大的進展，其係以短時間交互切換燃 燒之蓄熱型燃燒器的蓄熱體來預熱空氣。 1992 年日本的規定確立了低 NOx 技術的需求，使蓄熱型燃燒器 的應用成為可能。因此，此項技術在成為實行計畫的有力手段之後，1995 年以來即被迅速普及設置於鋼鐵 用加熱爐、熱處理爐及鋁熔解爐等，且亦適用於輻射管加熱器。此類蓄熱型燃燒系統，目前正成為各型企 業執行省能計畫的主要核心。 4. 高溫空氣燃燒之原理及效果 利用燃燒空氣之高速噴流造成爐氣再循環，使其形成低氧濃度流場，而使燃燒爐內部溫度分佈均勻化； 此一方法可以抑制使用高溫空氣時可能產生的局部高溫問題。再者，此種利用增強爐氣循環及分散燃料產 生的高溫、低氧濃度燃燒，雖然提高溫度場，但其火焰體積膨脹，溫度及濃度梯度極小，具備均勻燃燒的 特性；且其助長暫態基 (radical)的生成，使其即使在高溫流場的情況下，亦能具備低 NOx 的效果。 爐內溫度均勻化的結果可以提高燃燒爐的平均溫度，增加單位熱傳面積的傳熱能力，使燃燒設備小型 化。 5. 高溫空氣燃燒技術之衝擊 「高性能工業爐開發」之研究計畫自 1993 年開始執行，其中的高溫空氣燃燒技術則從 1995 年才被傾 全力研究。通過理論及相關的實驗結果，學術界（日本燃燒學會、日本機械學會）亦確認此項技術的應用 性。 而 IEA 亦表達其關切之意，在 1996 年舉行的能源節約及污染減量（Energy Conservation and Emission Reduction ）之領袖會