～1～

卷首語

區為因應全球氣候變遷，以及善盡環境保護之責，去年7月1日政府制定溫室

氣體減量及管理法，並頒佈全國施行，該法中特別提出減量對策一章，以期能有

效地降低與管理溫室氣體的排放，這對於國內產業發展的目標，將可架構出一個

與時具進的新願景，協會必當努力以赴來推動此法中節能減碳的重點工作。

無獨有偶的是，美國環境保護署在同年8月3日也公佈設置新電廠溫室氣體排

放標準的最後版本。此項新電廠碳排放標準一方面是作為取代以往之提議，另一

方面則是在清潔空氣法下建立性能標準的新法源來限制燃煤和燃氣電廠的二氧化

碳排放。吾人熟知從新電廠碳排放標準伴隨而來的是新技術的開發，國內業界當

可留意此一趨勢，以做為未來設置之所用。

本期內容是以鍋爐節能減碳的議題為主軸，其中包括：溫室氣體管理與發電

減排技術、鍋爐燃燒懸浮粒子排放減量與節能燃燒技術、燃媒鍋爐一次風扇進口

風門開度指示之萬向接頭元件鬆脫改善案例、鍋爐設計與石化燃料電廠汙染防治

之研究、燃媒鍋爐空氣預熱器線上高壓水洗系統簡介、低溫廢熱再利用的機會-固

態熱電發電技術、亞熱帶溫室先進節能降溫技術以及發電鍋爐大量換管之規劃與

執行。由於上述專文不僅對鍋爐的節能技術有諸多的介紹，另在排放管理與汙染

防治方面，也著墨甚深，相信讀者於閱覽之際，必能有所收穫，更期待相關內容

可嘉惠國內產業之發展。

最後謹代表協會向寫作稿件的學者專家表達由衷的謝意，承蒙大家熱心的支

持與付出，以及在專業方面的經驗分享，才能夠讓本期鍋爐知識順利發行，並持

續受到讀者的肯定。關於刊物中如有疏漏之處，尚祈先進賢達不吝指正及賜教。

台灣省鍋爐協會 理事長 汪清港2016.5.1

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目 錄

溫室氣體管理與發電減排技術………………………… ／夏曉文 3

鍋爐燃燒懸浮粒子排放減量與節能燃燒技術………… ／李志杰 13

燃煤鍋爐一次風扇進口風門開度指示之萬向接頭元件

鬆脫改善案例 …………………………………………… ／洪慶生 33

鍋爐設計與化石燃料電廠污染防治之研究…………… ／楊福正 45

燃煤鍋爐空氣預熱器線上高壓水洗系統簡介………… ／邱士展 61

低溫廢熱再利用的機會─固態熱電發電技術

…………………………… ／林育立‧葉建弦‧莊瑞誠‧陳奕瑞 69

亞熱帶溫室先進節能降溫技術………………………… ／徐英綺 85

發電鍋爐大量換管之規劃與執行─低溫再熱器水平管排

全面換管案例分享 ……………………………………… ／顧宏基 97

本刊內容已刊載於本會網頁，請進

台灣鍋爐協會網站（www.tbva.org.tw）

點進“刊物報導”進入覽閱

～3～

溫室氣體管理與發電減排技術

夏曉文

摘要

在面對全球氣候極端變化的影響下，溫室氣體的管理益顯重要，本文先就溫

室氣體的種類與特性、排放所佔比例和年均濃度變化趨勢加以說明。其次提出我

國去年7月1日頒布的溫室氣體減量及管理法之架構以及美國2015年8月3日制訂的

新電廠碳排放標準，該標準並明列燃燒天然氣新電廠，電力每百萬瓦小時（MWh）

之二氧化碳排放量不可超過1000磅（455 kg），而燃煤新電廠，則電力每百萬瓦小

時（MWh）之二氧化碳排放量不可超過 1400 磅（636 kg）。最後介紹發電減排技

術，其中包括燃煤和燃氣電廠二氧化碳排放達到標準的最新研究，希望在能源與

環保兼顧之下，開創產業發展的新契機。

一、前言

有鑒於溫室氣體的排放對於地球氣候惡化的影響日趨嚴重，聯合國氣候變化

綱要公約（United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC）遞約國

在 1997 年日本京都召開第三次締約國大會（COP3），並擬定相關的管制協議，此

即為京都議定書（Kyoto Protocol）。其中管制氣體的範圍包括二氧化碳（CO2）、甲

烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、全氟化碳（PFCs）、氫氟碳化物（HFCs）以及六

氟化硫（SF6），而此六種溫室氣體的全球暖化潛值（Global Warming Potential, GWP）

分析如表1。另該議定書亦提出具體的減量目標為：於2008年至2012年之期限內，

上述六種溫室氣體排放量，平均應減少到比1990年排放量低5.2%之水平。此外，在

表1中亦載及我國工研院能資所（現綠能所）將六種溫室氣體主要排放來源的產業

別加以彙整。

在2014年政府間氣候變遷專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）

的報告指出 2010年全球溫室氣體排放比例中，二氧化碳佔 76%、甲烷 16%、氧化亞氮 6%、

含氟氣體 2%，如圖 1（a）所示，而全球溫室氣體若以部門別來分，則電力與供熱佔 25%，

農林業24%，工業21%，交通14%，其它10%，詳如圖1（b）。從上述統計資料顯示，溫室

氣體中二氧化碳所佔比例達四分之三，以及發電與供熱產業的排放佔總排放的四分之一，

二者對環境之影響至為關鍵。

～4～

有鑒於此，本文內容將先以溫室氣體濃度的變化進行分析，並就二氧化碳、甲烷與氧

化亞氮三種主要溫室氣體近十年的增加率提出計算結果，其次再說明我國頒布的溫室氣體

減量及管理法之架構，以及美國最近制訂的新電廠碳排放標準，最後介紹燃煤與燃氣二項

主要發電的減排技術，相關內容冀能提供溫室氣體管理與產業技術發展之參考。

表 1 京都議定書管制溫室氣體之全球暖化潛值（GWP）分析表

項次 溫室氣體GWP 值***

主要排放來源****20 年 100 年

1 二氧化碳（CO2） 1 1 化石燃料燃燒、砍伐（燃燒）森林

2 甲烷（CH4） 72 25垃圾場、水稻、天然氣、石油及煤礦、

家畜排泄物管理、腸道發酵

3 氧化亞氮（N2O） 289 298 氮化物肥料使用、化石燃料燃燒

4 全氟碳化物（PFCs）* 5210 7390 鋁製品、半導體、滅火器

5 氫氟碳化物（HFCs）** 3830 1430 滅火器、半導體、噴霧劑

6 六氟化硫（SF6） 16300 22800 電力設施、半導體、鎂製品

*以 PFC-14 為例**以 HFC-134a 為例***IPCC: ar4-wg1-chapter2, p.212, 2007****http://www.kind.com.tw/tutor.php? id=23&item_id=26

(a) (b)

圖 1 2014 年 IPCC全球溫室氣體排放分析圖（a）排放百分比（b）部門別百分比

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二、大氣溫室氣體濃度歷史變化

長期以來美國商業部（Department of Commerce）所屬國家海洋與大氣管理局

（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）即對於大氣溫室氣體濃度

進行監控，其中依據地球系統研究實驗室（Earth System Research Laboratory, ESRL）

全球監控部門（Global Monitoring Division, GMD）的資料顯示，年均溫室氣體指數

（Annual Greenhouse Gas Index, AGGI）的歷史變化如圖2，該圖中分析 CO2、CH4、

N2O以及冷媒（CFC、HFC、HCFC）等四類型的大氣溫室氣體濃度的演變，前三類

持續有逐年增加的趨勢，至於 CFC 冷媒在禁用的有效控管下，濃度已經下降。為

進一步瞭解近年來 CO2、CH4、N2O 的濃度變化，可由2005年至2015年的統計數據

加以分析如表2。從該表中得知CO2的濃度（ppm）十年平均增加率為0.569%，CH4

的濃度（ppb）十年平均增加率為0.3%，而N2O的濃度（ppb）十年平均增加率則為

0.274%，三者中以CO2的十年平均增加率為最大，因此之故，如何有效地減緩這種

趨勢，勢必更為全球所關注。

(a) (b)

(c) (d)

圖 2 大氣溫室氣體濃度歷史變化

（a）CO2（b）CH4（c）N2O（d）CFC, HFC, HCFC

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表 2 2005~2015 年大氣主要溫室氣體濃度變化統計表

年份 二氧化碳（CO2）* 甲烷（CH4）** 氧化亞氮（N2O）***濃度，ppm 增加率，% 濃度，ppb 增加率，% 濃度，ppb 增加率，%

2005 379.80 - 1773.97 - 319.75 -2006 381.90 0.560 1774.68 0.040 320.43 0.2132007 383.76 0.457 1781.02 0.357 321.32 0.2782008 385.59 0.551 1786.85 0.327 322.23 0.2832009 387.37 0.392 1793.19 0.355 322.94 0.2202010 389.85 0.593 1798.73 0.309 323.80 0.2662011 391.63 0.481 1802.89 0.231 324.71 0.2812012 393.82 0.520 1808.09 0.288 325.58 0.2682013 396.48 0.706 1813.23 0.284 326.41 0.2552014 398.61 0.483 1822.47 0.510 327.64 0.3772015 400.83 0.569 - - 328.62 0.299平均 - 0.531 - 0.300 - 0.274

*source: ftp://aftp.cmdl.noaa.gov/products/trends/co2/co2_annmean_gl.txt**source:ftp://aftp.cmdl.noaa.gov/products/trends/ch4/ch4_annmean_gl.txt***source:ftp://aftp.cmdl.noaa.gov/data/hats/n2o/insituGCs/CATS/monthly/mlo_N2O_MM.dat

三、溫室氣體管理

我國

為因應全球氣候變遷，以及善盡環境保護之責，政府於民國 104 年 7 月 1

日制定溫室氣體減量及管理法，全文包括總則、政府機關權責、減量對策、

教育宣導與獎勵、罰則及附則等六章共 34 條。在第三章的條文中特別提出減

量對策，以期能有效地降低與管理溫室氣體的排放，該法之架構如圖 3 所示。

圖 3 我國溫室氣體減量及管理法之架構圖

如前所述，全球溫室氣體排放中二氧化碳所佔比例最大，超過四分之三，

我國長時間以來也針對此一數據進行統計，根據經濟部能源局 2014 年的資料

顯示，二氧化碳的排放（含電力消費排放）在六大部門中工業就高佔 48.3%，

詳如圖 4，幾乎達到半數的排放量，由此可見我國在發展工業之際，對於二氧

化碳減量與管理的期待仍為甚殷。

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圖 4 2014 年我國二氧化碳排放部門別百分比分析圖（含電力消費排放）

美國

美國對於現有電廠與新電廠的溫室氣體排放標準討論多時，其環境保護

署（Environmental Protection Agency, EPA）並在 2015 年 8 月 3 日公佈設置新電

廠溫室氣體排放標準的最後版本。此項新電廠碳排放標準（Carbon Pollution

Standard for New Power Plants）一方面是作為取代 2013 年 9 月以及 2012 年 2 月

之正式提議，另一方面則是在清潔空氣法（Clean Air Act）下建立性能標準的

新法源來限制燃煤和燃氣電廠的二氧化碳排放。

上述新電廠碳排放標準明列如為燃燒天然氣者，電力每百萬瓦小時（MWh）

之二氧化碳排放量不可超過 1000 磅（455 kg），此一目標可由最新複式循環

（combined cycle）技術達成。至於燃煤新電廠，則電力每百萬瓦小時（MWh）

之二氧化碳排放量不可超過 1400磅（636 kg），這勢必要藉由使用碳捕存（Car-

bon Capture and Storage, CCS）技術來達成。

四、發電減排技術

如前所述，在全球溫室氣體排放中，電力與供熱為最大宗，為進一步瞭解其

細節，本文就我國、美國與德國2014年發電的能源結構加以分析，如表3與圖5所

示。從統計資料中可知燃煤為最主要的發電能源，我國、美國與德國分別為38%、

39%以及 43.6%，另關於燃氣部分，我國與美國則為第二大的發電能源，此一比重

也相當可觀，故二者咸視為減排技術之重點。此外，值得一提的是德國再生能源

所佔的比例已達四分之一，實為凸顯。

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表 3 我國、美國與德國 2014 年發電量分析表

項次 我國（%） 美國（%） 德國（%）

燃煤 28（10）* 39 43.6***燃氣 24（8） 27 9.6核能 19 19 15.9

再生能源 2（2） 7** 25.8燃油 3 1 0.8

抽蓄水力 1 - -傳統水力 - 6 -

其它 （3） 1 4.3

*括弧為民營**風能 4%、生質能 2%、太陽能 1%***包括無煙煤與褐煤

(b) (c)

(a)

圖 5 2014 年發電能源結構圖（a）我國（b）美國（c）德國

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在燃氣減排方面，可藉由複式循環電廠（Natural Gas Combined Cycle, NGCC）

的高熱效率來達成，如熱效率為50~60%時，每百萬瓦小時的 CO2排放小於單一燃

煤電廠的一半，而最新的NGCC電廠的熱效率已經可達到61%。此外，燃氣的均化

成本（levelized cost）與煤、核能以及風力之比較如表4，從該表中明顯地可看出其

競爭力，此即意謂著燃氣發電能提供低成本的選項以及減少碳的排放。

表 4 預定於 2017 年商轉之新電廠均化成本分析表*

新電廠型式均化主要成本

（美元/百萬瓦小時）**總系統均化成本

（美元/百萬瓦小時）**

燃煤傳統型 64.9 97.7

IGCC*** 74.1 110.9

燃氣傳統型（NGCC） 17.2 66.1

先進型 17.5 63.1

風力 82.5 96.0

核能 87.5 111.4

*資料來源：Annual Energy Information Administration of the Department of Energy. 2012.**以 2010 年計價*** IGCC：Integrated Gasification Combined Cycle

關於燃煤減排方面，現今效率最高的燃煤電廠是採用超-超臨界鍋爐（ultra-

supercritical boilers）或是整合氣化複式循環（Integrated Gasification Combined Cycle,

IGCC），雖是如此，每百萬瓦小時（MWh）仍有1700磅（773 kg）的CO2排放，實

難符合法規，故須利用碳捕存技術來達成。CCS 是一種多階段的流程，即自電廠

排放的CO2將予以大量捕捉，而非直接排到大氣，而這些被捕捉的CO2再經由管線

輸送，並注入到地面下永久儲存，當然美國環境保護署（EPA）對此一作法已經建

立相關的管理要求。某些 CCS 電廠設定捕捉90%的 CO2為目標，如經換算的話，

則相當於每百萬瓦小時（MWh）捕捉500磅（227 kg）的 CO2，如此要達到新電廠

溫室氣體排放的標準咸信可行。

眾所周知碳捕存技術在發展上有燃燒前（pre-combustion）捕捉與燃燒後（post-

combustion）捕捉，但由於燃燒前能兼具有效可靠與低成本的技術仍為有限，故歐

盟（European Union, EU）的展望計畫（Horizon 2020）即積極地著手於燃燒前新技

術的開發，即所謂的DECARBit專案。該專案計畫是以整合氣化複式循環（IGCC）

配 合 PSA（Pressure Swing Adsorption）、MGD（Membrane Gas Desorption）、LT

（Low Temperature separation）與 ITM（High Temperature Membrane air separation）等

四項先進流程進行研究，相關成果與基準（EBTF/CCS）之比較摘述如表5。該表顯

～10～

示 LT 技術具有高淨發電量、高發電效率、低總電廠成本以及低 CO2捕捉成本的極

大優勢，但由於捕捉率與捕捉成本是成反比，所以 LT的捕捉率相形較低。此外，

這項計畫也包含四項先導型研究，即混合吸收塔/膜、氧交換膜、先進低溫技術與

高壓氫氣燃燒。藉由以上的研發技術，歐盟希望能夠落實到更大型的二氧化碳補

存技術電廠，以達成2020年減少30%溫室氣體排放的目標。

表 5 DECARBit 專案計畫之技術與成本比較表

比較項目 PSA MGD LT ITM EBTF/CCS* EBTF

淨發電量，MW 370.9 379.1 396.5 365.1 352.7 391.5

效率，% 36.6 39.0 40.2 37.7 36.7 46.9

CO2 排放量，kg/MWh 136.6 118.8 208.9 90.1 88.9 757.6

CO2 捕捉量，kg/MWh 838.0 795.7 678.5 897.0 864.5 0.0

捕捉率，% 86.0 87.0 76.5 91.0 91.0 N/A**

總電廠成本，百萬歐元 1147 1187 1096 1264 1134 926

燃料成本，百萬歐元/年 82.8 78.7 80.0 78.5 78.9 66.6

CO2 捕捉成本，歐元/噸 25.1 25.7 19.5 29.0 23.9 N/A

*EBTF/CCS：Base case developed by European Benchmarking Task Force with CCS**N/A：Not Available

五、結語

從本文的介紹中，可以瞭解全球溫室氣體的排放以二氧化碳所佔比例最大

（2010年為76%），部門別則以發電與供熱產業所佔比例最高（2010年為25%），

二者對環境影響的程度也最為重要。其次對於主要溫室氣體二氧化碳（CO2）、甲

烷（CH4）與氧化亞氮（N2O）的濃度在大氣歷史變化趨勢與增加率予以分析，統

計值以CO2濃度（ppm）十年平均增加率為0.569%為最大。此外，並提出我國去年

所頒布的溫室氣體減量及管理法之架構，以及說明 2014 年我國二氧化碳排放部門

別所佔百分比之現況，其中是以工業為最大宗（佔48.3%）。關於電廠二氧化碳的

排放，美國經多次討論後，也制訂出設置新電廠的碳排放標準，燃氣新電廠電力

每百萬瓦小時（MWh）之二氧化碳排放量不可超過1000磅（455 kg），而燃煤新電

廠則電力每百萬瓦小時（MWh）之二氧化碳排放量不可超過1400磅（636 kg）。最

後在發電減排技術方面，燃氣電廠相當具有均化成本的優勢，並可藉由複式循環

（NGCC）的高熱效率來達成。至於燃煤電廠，歐盟展望2020計畫的 DECARBit 專

案即積極研究燃燒前能兼具有效可靠與低成本的減排技術，其中以整合氣化複式

循環（IGCC）配合低溫分離（LT）技術具有高淨發電量、高發電效率、低總電廠

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成本以及低CO2捕捉成本的極大優勢。綜言之，對於溫室氣體減排與有效管理是全

球高度關注的議題，我國如能及時地吸取先進國家的技術與經驗，落實因應作為，

則不僅可善盡世界環保之責，亦可維持產業的永續發展。

六、參考文獻

經濟部能源局，我國燃料燃燒二氧化碳統計，民國 104 年 7 月。

台灣電力公司永續報告書 2015，經營統計概要。

3. https://www3.epa.gov/climatechange/ghgemissions/global.html

4. http://www.esrl.noaa.gov/gmd/aggi/

5. http://www.c2es.org/technology/factsheet/natural-gas

6. https://powergen.gepower.com/applications/industrial-power-generation.html

7. Intergovernmental Panel on Climate Change （IPCC）, the Fourth Assessment Report:

Climate Change 2007 （AR4）.

8.https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/news/promising-technologies-reduce-

power-plant-emissions

9. http://www.sintef.no/projectweb/decarbit/results/

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鍋爐燃燒懸浮粒子排放減量與

節能燃燒技術

李志杰／工研院中分院

一、前言

2015年3月中國前央視主播柴靜拍攝「穹頂之下」記錄片，揭示中國嚴重的霧

霾污染，引起外界廣大的關注，對於過去人們總認為安全的生活環境的觀念產生

巨大衝擊與疑慮，也因此「霧霾污染」、「PM 2.5濃度」等相關空氣污染議題開始

成為人們日常生活每天皆會關注及討論的話題，本文之中將針對霧霾污染等相關

主題進行說明。空氣、水與陽光是人類生存的三要素，空氣污染也對人類的身體

健康造成嚴重威脅，根據研究顯示空氣污染會引起呼吸道、肺部及甚多慢性疾病，

嚴重者甚至癌症，世界衛生組織（World Health Organization, WHO）公布在2012年

室外空氣污染在全世界估計造成約三百七十萬人的過早死亡，其中 88 %發生在中

低收入國家，而且大部份在西太平洋和東南亞地區，國際研究報告在 2010 年有

223,000人死於肺癌，其中歸因於 PM2.5的肺癌死亡有超過半數發生在中國與其他

東亞國家，所以空氣污染的影響是不容忽視。在 2013 年十月國際癌症研究署

（International Agency for Research on Cancer, IARC）根據全世界超過一千篇的科學

文獻的研究評估後，將室外空氣污染物列為第一類致癌物（Carcinogenic to human,

Group 1，此類為已有確切證據顯示對人體致癌），而空氣污染物之中，以懸浮微

粒（particulate matters, PM）對人體健康的影響最具威脅，懸浮粒子能夠在大氣中停

留很長時間，並可隨呼吸進行人體之中，附著於氣管或肺部之中，影響身體健康。

二、何謂霧霾及細懸浮粒子（PM2.5）？

由於經濟規模崛起及都市化的迅速擴展，起自全球因工業化發展迅速，其中

須仰賴燃燒石化燃料產生能源而產生大量廢氣，使得空氣污染成為人們不得不面

對的真相，空氣污染中的霧霾問題也已深刻影響人的生活品質。「霧霾」包括兩

種現象，是霧（fog）和霾（haze）兩種天氣現象的統稱，同時因為兩種天氣現象

都會有伴隨能見度下降的現象，所以大眾和媒體報導常常將者合併為「霧霾」。

在天氣現象中霧與霾常有一同發生的情況，同時存在相互轉化之可能性，其組成

成份不同，對人體健康所造成的危害程度也有所不同。如何進行霧與霾的區分與

在差異？在氣象學上為根據對天氣系統所造成之影響，結合各種數據來判定。霧

～14～

的定義為凡是大氣中懸浮的雲霧滴（細微小水滴或冰晶所組成）導致能見度低於1

公里時的天氣現象，而當能見度在1-10公里時則定義為輕霧。其中霧的主要是由水

蒸氣所凝結的液體微滴，水份含量高，厚度多為數十公尺至數百公尺，顏色為偏

白色，與其他天氣系統間的邊界較為清楚，在秋冬季節發生之機率較高，對人體

健康所造成的影響也較低。而霾的定義為空氣中所懸浮的灰塵、極細的乾塵微粒

所組成的氣膠系統，使得能見度低於 10 公里的空氣普遍混濁現象，其特色為厚度

可高達1-3公里，顏色為黃色或灰白色，與周邊天氣系統的邊界並不明顯。霧與霾

兩者具同時發生的可能性，一般而言，當相對濕度低於 80 %時的大氣混濁導致能

見度惡化的天氣定義為霾；當相對濕度高於 90 %時大氣混濁導致能見度惡化的天

氣現象定義為霧。當能見度在1-10公里時，大氣環境中所存在的細微水滴或者乾氣

溶膠皆有可能造成如此的能見度，不易區分是否由霧或霾所獨自造成，而當相對

濕度介於80 %~ 90 %之間時，導致大氣混濁及能見度下降則是由霧與霾的混合物所

共同造成，此即稱為「霧霾現象」，通常大部份其主要成份是霾，霧和霾的形成

現象都與氣溶膠粒子有關。其中霾由乾氣溶膠粒子組成，霧由雲霧滴參與氣溶膠

粒子組成，所以霾相對比較乾，反之，霧比較濕，霧與霾兩者比較整理於表1。

表 1 霧與霾特性之區別

種類 組成粒子 粒徑範圍 水份含量 能見度 厚度 顏色 邊界

霧雲霧滴參與

氣溶膠粒子

1-100（mm）

≧90 %（飽和）

＜ 1 km10-200（m）

偏白宮邊界清晰，界

線清楚

霾乾氣溶膠粒

子

< 10（mm）

＜ 80 %（不飽和）

1-10（km）

1000-3000（m）

偏黃色、

橙灰色

霧與周圍環境

邊界不明顯

然而，近年來隨著工業化腳步的加速，天氣系統中的霧-霾不僅受到空氣中水

分多少及分佈影響，更因為人為排放的空氣污染懸浮微粒（particulate matters, PM）

增加而使得空氣霧霾問題更加嚴重。空氣污染懸浮微粒是空氣污染中的一種粒狀

物，粒狀物的排放源相當多，包括工業上的燃燒源及非燃燒源，採礦、營建工程、

汽機車及廢棄物的焚化等等，天然的塵粒排放源則包括火山、森林火災、狂風、

花粉、海洋飛沫等等。粒狀物或懸浮微粒不僅在霾害中扮演非常重要的角色，根

據流行病學的研究證明，粒狀物與人群呼吸道症狀增加、肺癌死亡率、心血管疾

病的發病率有密切的關係。粒狀物的重要特性之一為其粒徑大小，塵粒粒徑常用

單位是微米（ m），在學理上，以空氣動力學直徑大小（aerodynamic diameter），

此粒狀物空氣動力學直徑是指在靜止空氣中和其有相同沈降速度的一單位密度（即

為水的密度）的球體直徑，可分為總懸浮微粒（total suspended particles,簡稱TSPs），

～15～

其空氣動力直徑＜100（ m）、可吸入懸浮微粒（inhalable particles），其空氣動力

直徑＜10（ m），也稱為 PM10、粗懸浮微粒（coarse particles），其空氣動力直徑

大於2.5（ m），小於10（ m），也稱為 PM2.5-10、細懸浮微粒（fine particles），其

空氣動力直徑小於2.5（ m），也稱為 PM2.5，其中以乾氣溶膠為主的霾，即存在

許多直徑小於或等於2.5微米（ m）的細懸浮微粒、超細懸浮微粒（ultrafine particles,

簡稱 UFPs），其空氣動力直徑小於 0.1（ m），粒狀物的濃度單位是以微克/立方

公尺（ g/m3）表示，常見不同空氣動力直徑的粒狀物可見圖1。由於這些懸浮粒子

的粒徑大小有別，對人體健康的影響也不同。一般空氣中懸浮微粒會經由鼻、咽

喉呼吸道進入人體，粗略來說，粒徑在 10 微米以上的懸浮微粒，容易被擋在人的

鼻子外面或沉積在鼻腔，對人體傷害小；粒徑小於10微米的PM10，因為可以吸入

呼吸道之中，容易沉積在氣管和肺泡，因此稱為可吸入粒狀物，對人體健康有一

定程度的危害；其中粒徑在2.5微米至10微米之間的粗懸浮微粒 PM2.5-10，能夠進入

上呼吸道，沉積於上部鼻腔與深呼吸道；而最引起人們注意的是粒徑在2.5微米以

下的細懸浮微粒PM2.5，鼻毛與肺部纖毛無法清除，會進入肺泡，並被巨噬細胞吞

噬，會永遠停留在肺泡裡，甚至經由肺部微血管，藉由血液循環，跑遍全身各處。

因此，不僅對呼吸系統，對心血管、神經系統和許多器官等都會有影響。常見的

空氣懸浮粒子名稱，及其粒徑與特性可參考表2。

圖 1 PM2.5 和 PM10 與不同生物尺度之相對比例圖

～16～

表 2 常見空氣懸浮粒子名稱、粒徑與特性

名稱 粒徑（ m） 特性

總懸浮微粒

（Total suspended particles, TSPs）＜ 100

大小約為小於細沙的顆粒物，可懸浮於

空氣中，當粒徑＞ 10 微米以上之顆粒

物，通常無法吸入，會沉積於鼻腔內。

可吸入懸浮微粒

（Inhalable particles, PM10）＜ 10

小於細沙粒直徑的 1/10 的顆粒物，可通

過鼻腔內之鼻毛與呼吸道而抵達喉嚨，

容易沉積在氣管和肺泡，因此稱為可吸

入顆粒物。

粗懸浮微粒

（Coarse particles, PM2.5-10）2.5～10

約頭髮直徑的 1/6～1/24 大小的顆粒物，

能吸入並附著於人體的呼吸系統，通常

沉積於上部鼻腔與深部呼吸道。

細懸浮微粒

（Fine particles, PM2.5）＜ 2.5

小於頭髮直徑的 1/24 的顆粒物，無法透

過鼻毛與肺部纖毛清除，會進入肺泡，10 %以下沉積於支氣管，約 20～30 %於

肺泡，將有一定比例直接進入血管中隨

著血液循環全身。

超細懸浮微粒

（Ultrafine particles, UFPs/ UPs）＜ 0.1

小於頭髮直徑的 1/60 的顆粒物，約像流

感病毒大小，易沉積於肺泡組織內，肺

泡組織巨噬細胞無法移除，也會進入血

管之中。

三、PM2.5 的來源與形成

空氣懸浮粒子中的 PM10和 PM2.5皆會對人體健康產生影響，由於 PM2.5約佔

PM10的60- 70 %比例，加上更能深入人體內，所以更被為重視。PM2.5主要有兩種

形成的來源，可分為原生性（或稱一次）懸浮微粒及衍生性（或稱二次）懸浮微

粒，都有可能由自然界或人為產生。原生性懸浮微粒是指被直接排出的固態粒子，

或者高溫氣態排出，經冷凝為固態粒子，而排放到大氣時為PM2.5的粒狀物，其產

生主要由物理破碎或一次污染排放，分為天然來源及人為來源兩類，天然來源主

要源自海鹽粒子、風沙塵、土壤塵粒、植物花粉等。人為來源主要來自化石燃料

（煤、燃油、燃氣等）飛灰、工業粉塵、鍋爐及機動車輛之燃燒排放和生質物燃

燒飛灰等。衍生性懸浮微粒主要為被釋出之非PM2.5之化學物質，該化學物質亦稱

為前驅物，可能為固體、液體或氣體，氣態物主要為 SO2、NOX、NH3 及揮發性有

機物質（volatile organic compounds, VOCs），在大氣環境中經過多相化學反應或光

化學反應形成的微粒，組成成份為硫酸鹽（SO42-）、硝酸鹽（NO3

-）及銨鹽（NH4+）。

在上述兩者情況下，PM2.5的成份包括無機成份、有機成份、元素碳、微量重金屬

元素等，其成份組成和量會因國家、地區、能源結構、產業類別及管理有關。PM2.5

～17～

體積小、質量輕，在大氣中滯留時間長，會造成能見度降低，大規模空氣污染，

其中最大的傷害為可能攜帶有毒有害污染物進行遠距離傳輸，如果微懸浮粒子吸

附一些對人體健康有害的重金屬、有機物或多環芳香 碳氫化合物（polycyclic

aromatic hydrocarbons, PAHs），有可能進入人體產生各種健康危害，乃至於致癌。

總懸浮微粒（TSPs）的微粒粒徑範圍為100微米以下，總體對人體危害較小，

因此目前許多國家都已廢除總懸浮粒子（TSPs）空氣品質標準。根據研究指出，

每上升1 g/m3的 PM10將增加0.51 %致死機率，在2013年美國流行病學雜誌的研究

成果顯示，每上升1 g/m3的 PM10，老年人增加的致死風險為0.64 %，比年輕人的

0.34 %高出近一倍，這些研究證實了 PM10對人體健康的危害，也因此 PM10數值

的控制在空氣品質標準的重要性是不容置疑的。而 PM2.5 在 PM10 中所佔的比例

高，且沉積在肺部的機率高，更有可能在血液中循環，對人危害更大。相關研究

已證實PM2.5會引發心血管疾病，也證實和呼吸道疾病、氣喘、心血管疾病所導致

的致死率有絕對的正相關性。在2002年的研究更指出每上升10 g/m3的 PM2.5將增

加4 %總死亡率、6 %心肺疾病及8 %肺癌致死的死亡風險，近年更有研究指出會影

響生殖能力。WHO與各國也逐漸建立PM10及PM2.5空氣品質標準，按照短期（二

十四小時平均值：指連續採樣二十四小時所得之樣本，經分析後所得之值）和長

期（年平均值：指全年中各日平均值之算術平均值），以這兩個數值來當做空氣

質量標準，世界衛生組織（WHO）、歐美國家、中國大陸和台灣在PM2.5和PM10

的空氣品質標準可參考表3所示。

表 3 世界衛生組織（WHO）、歐盟國家、美國、中國大陸及

台灣的空氣品質標準 PM2.5 和 PM10 值比較

空氣標準品質WHO

歐盟美國 中國大陸

台灣IT-1 IT-2 IT-3 AQG 聯邦 一級 二級

PM2.5（ g/m3）

年平均值 35 25 15 10 25 12 15 35 15

24 小時平均值 75 50 37.5 25 － 35 35 75 35

PM10（ g/m3）

年平均值 70 50 30 20 40 － 40 70 65

24 小時平均值 150 100 75 50 50 150 50 150 125

IT-1：Interim target-1，過渡期目標 1IT-2：Interim target-2，過渡期目標 2IT-3：Interim target-3，過渡期目標 3AQG：Air quality guideline, 空氣品質標準值

在2010年，加拿大研究人員以美國太空總署（The National Aeronautics and Space

Administration, NASA）衛星監測儀器得到氣溶膠總量，並且合併電腦模型所計算出

的氣溶膠垂直分佈量，共計算統計2001到2006年的 PM2.5年平均量並繪製成圖，

～18～

並發表首張只 PM2.5年均量長期觀測的全球量化分佈地圖（圖2），在圖中，顏色

愈紅表示PM2.5濃度愈高，可以發現深紅色區域幾乎都出現在中國大陸，而最紅色

的地方出現在中國大陸的北方城市，表示北方城市有著最嚴重的PM2.5污染情況，

這個情況近幾年並沒有改善，在 2013 年一月出現了難以想像的嚴重霧霾，籠罩了

大約一百四十萬平方公里的土地範圍，在北京，竟出現能見度低於一百公尺之嚴

重現象，更令人驚訝的是PM2.5數值到達了500- 800 g/m3之間，在2013年底，PM2.5

指數在上海更是首度突破300 g/m3，能見度低於200公尺，原本一般出現在秋冬季

節（約10月到隔年2月）的霾害，也延長至初春（3-4月）。

圖 2 2001-2010 年以衛星觀測全球 PM2.5 年均量全球濃度分佈圖

（環境健康展望雜誌 Environmental Health Perspectives）

四、其他空氣污染種類

硫氧化物：包含二氧化硫 SO2及三氧化硫 SO3合稱為硫氧化物或稱 SOX。硫氧

化物是燃料中硫份氧化的結果，其主要來源是鍋爐燃燒過程。燃料中的煤和石油

均含有硫，低硫煤含硫量約0.5-1 %，而低硫重油含硫量規範為1%。當燃燒為貧燃

料之情況時，大部份的硫被氧化為SO2；但在富燃料的情況，硫化物（H2S和COS）

會殘存下來，產生臭味。一部份的SO2可能斷續被氧化為SO3。SO3是鍋爐操作員相

當關切的產物，因為它可能會和水反應產生硫酸而造成腐蝕問題，其反應式如下：

SO3+H2O→H2SO4 （1）

硫酸在大氣溫度下，很快被凝結形成硫酸霧；此種現象很容易從煙囪出口處

的藍煙判別出。一般而言，SO2氧化成 SO3的發生可能出現在燃燒溫度低於600°Ｃ

的情況下；而且反應速率相當慢。因此，在鍋爐燃燒過程中所排出之 SOX，SO2佔

了90％以上，其餘的部份才是 SO3，H2S…等。

氮氧化物：NO 與 NO2合稱氮氧化物或稱 NOX，為燃燒所產生，而在燃燒過程

～19～

中形成氮氧化物可分為兩類：其一是燃燒空氣中大氣氮的熱穩定（thermal fixation），

產生"熱 NOX"（thermal NOX）另一是燃料中氮份之轉化，產生所謂的"燃料 NOX"

（fuel NOX）。雖然NOX主要包括NO，NO2和N2O等化合物，但由實驗數據顯示，

發電廠煙囪排出的NOX中，NO佔95％以上。一般而言，使用天然氣和輕餾出油做

為燃料主要產生「熱 NOX」；而殘餘油和煤則產生「燃料 NOX」為主。

五、鍋爐系統燃燒效能測試與懸浮粒子量測系統

鍋爐系統在工業上的使用極為頻繁，是生產過程中最普遍的熱能或動力媒介，

常利用於紡織染色加熱、烘乾加熱、製程加熱、製程動力與發電等用途，也是各

行業最主要的能源成本來源，現今燃料價格高漲及懸浮粒子排放等空氣污染問題，

因此如何提高鍋爐效率節約能源與符合法規之排放標準，成為企業在經濟、環保

與法規上的重要議題。接下來本文章將針對李志杰博士研究團隊與潔康鍋爐公司

曹起熊總經理所共同建立的鍋爐燃燒效能測試系統及其在節能與污染物排放減量

上的創新研究成果進行說明。

鍋爐，系指經燃燒反應過程，將燃料化學能轉換為熱能，而又利用熱能將水

加熱成熱水或高溫高壓蒸汽之設備，整個鍋爐系統主要包含： 給水系統（脫氧

櫃、給水泵浦及藥水系統）， 鍋爐本體（鍋爐、節煤器、空氣預熱器、燃燒空

氣鼓風機、廢氣抽風機）， 燃料供應系統（燃料儲槽、燃料泵浦、燃料預熱

器）， 廢氣排放裝置， 爐水排放。鍋爐系統的設備和操作方式，包括燃料、

給水、空氣、蒸汽、洩放水、冷凝水等，相關系統的處理裝置、管理措施、回收

機制等，都會影響鍋爐系統之效率。鍋爐系統效率主要包含兩大部份，一為燃燒

效率，指的是當燃料開始進行燃燒化學反應時，實際上會有多少化學能轉變成熱

能，也就是所取得的熱能與燃料所具有化學能之間的比例；另一為熱效率，指的

是燃燒後產生的熱能最後能產生多少溫度之熱水量或蒸汽量，也就是最後熱水或

蒸汽所具有的熱能與燃燒熱能之間的比例，因此，如果將鍋爐效率以一簡單數學

式子表示，可寫成鍋爐效率=燃燒效率×熱效率。所以，在提升鍋爐系統效率之措

施上皆是以改善燃燒效率及熱效率為依據，因此，為了達到節能目標，除了選購

高效率的鍋爐系統設備外，也應適當調整鍋爐系統的操作條件，其中影響鍋爐系

統效率的重要項目主要可歸納為燃燒器、本體、熱回收、空氣、給水系統及蒸汽

系統等六大項，提升鍋爐效率基本上可採用三種方式， 調整燃燒條件， 提高

熱能的回收使用， 減少鍋爐系統的電力等能源使用，而評估鍋爐系統是否為最

適化操作，則可依據鍋爐效率評估方式-CNS2141 陸用鍋爐之效率計算方法，以熱

損法或出入熱法計算出鍋爐效率，依據充分的數據擬定最適化操作條件，平時則

～20～

應彙總五個重點參數，包括過剩空氣量、排煙溫度、爐壁溫度、排煙中CO濃度、

燃煤鍋爐灰中未燃碳及其他能源查核事項，做為日常鍋爐燃燒操作調整之依據。

「燃燒熱能」是鍋爐系統所有能量的源頭，透過燃燒方式將燃料的化學能完全轉

換成熱能的能力，更是優化鍋爐系統效率中的關鍵技術，除了上述已普遍研發成

熟的鍋爐節能方式外，李志杰博士團隊主要針對高燃燒效率之燃料進行開發，開

發出具備更優異之化學能-熱能轉換效率之燃料，並可直接適用於現在產業中所使

用的鍋爐系統當中，以提高燃料燃燒效率之概念開發新型燃料，更有效率地從燃

料本身所具有的化學能中獲得較高之熱能，可降低燃料的使用量，因為具有高燃

燒效率之特性可減少因燃燒不完全所造成的空氣污染問題，達到節能與減排的效

益。新型燃料除了高效能與低排放的特性外，結合生質能之應用也是重要的方向，

達到降低二氧化碳排放量與保護地球環境之世界公民責任，在企業營運上，未來

也可做為折抵碳稅降低經營成本。過去業界對於生質燃料的印象，普遍存在含水

量高、熱值低、燃燒效率差之問題，而李志杰博士團隊則應用結合生質燃料達到

微爆現象及提升霧化的效果，藉由最適化的組成改質提升燃燒效率，並且藉由所

建立的鍋爐效能測試系統進行燃燒過程的可視化量測及燃燒特性測試，透過直接

量測火焰強度來驗證燃料之燃燒效能，其鍋爐效能測試系統如圖3所示，包括鍋爐

本體、火焰觀測視窗、火焰強度光學量測系統及污染物排放量測系統。

圖 3 鍋爐燃燒效能測試系統

～21～

六、燃料燃燒效能測試結果

在鍋爐燃燒效能測試系統中，能夠針對燃料的燃燒特性進行觀察，包括火焰

引燃、火焰型態、火焰穩定性及火焰面積等進行觀察，此即為鍋爐火焰可視化技

術，在新型燃料開發過程中，火焰的引燃難易特性及燃燒穩定性（是否容易產生

熄滅現象）是最基本且重要的燃燒特性，在此測試系統中能清楚觀察燃料在燃燒

過程中的變化，如圖4即為三種不同組成的燃料油的火焰型態，而如此的火焰型態

觀察在一般鍋爐中並不容易獲得。

圖 4 在鍋爐燃燒效能測試系統中進行不同燃料的火焰型態觀察

燃燒效能測試系統中，利用李志杰博士研究團隊所開發的高速化學螢光法，

可直接針對燃料燃燒時的火焰強度進行量測，燃燒時的火焰強度愈高，代表其燃

燒效率也就愈高。此技術是以化學螢光法為學理基礎之量測技術，火焰螢光分佈

波段在UV光及可見光之間，光的波段則取決於自由基的種類及其能階狀態，因此

藉由分析不同自由基所發散的不同波段光譜，可以做為決定特定火焰其燃燒反應

的特性。透過解讀此過程中的反應信號仍可作為研究燃燒反應的指標。由於這些

反應過程中的燃料、中間反應物及氧化物等都是燃燒反應中的重要參數，因此其

散發的化學螢光可作為研究火焰性質的依據。在此基礎之上，透過量測特定激發

態自由基的發射光波長及其強度，可以定義出火焰所在的位置或是熱釋放率等特

徵，進而分析局部火焰面和火焰結構的形成機制。量測火焰強度時是以每秒 5,000

張之速度進行雙碳基（C2*）及碳氫基（CH*）螢光影像的擷取，對於時間尺度的

解析能力達到200 s，同時每張影像能獲得480,000（800×600 pixels）筆數據，每次

測試則連續取 6,000張影像進行分析。經由研究團隊自行開發之程式計算後共可獲

得2,880,000,000筆雙碳基（C2*）及2,880,000,000筆碳氫基（CH*）火焰螢光強度之

數據，同時將所獲得的實驗數據進行機率分佈函數之分析（PDF），分析燃料燃燒

過程中其火焰強度分佈之統計特性，並依此計算該燃料之平均火焰強度以分析其

燃燒節能效益。圖5為四種不同燃料透過火焰化學螢光法，量測在鍋爐中燃燒時所

～22～

形成的火焰範圍中而得到的燃燒火焰強度，圖中的顏色即代表火焰強度，顏色愈

趨近紅色即代表其火焰強度愈高，也代表燃燒效能愈佳，反之，顏色愈趨近藍色

則代表其火焰強度較低，其燃燒效能也較低，在高效能燃料開發概念中，即以提

高燃燒反應中高燃燒效能（顏色趨近紅色）反應所佔有之區域為所追求的目標，

圖五中所呈現的四種燃料之燃燒效能測試，從其顏色其分佈面積大小即可判斷出

圖五中的 Synthetic Fuel Oil （B）與（C）具有較高的燃燒效能表現。

圖 5 四種不同燃料的燃燒效能及火焰強度測試結果

將燃燒測試過程中，所獲得的巨量火焰強度數據以程式進行大數據統計分析

（Big Data Analysis），可獲得不同燃料各自之燃燒強度分佈趨勢及燃燒效能指標

數據，此數據愈高代表其燃料之燃料效率愈高，換言之，在兩種具備相同熱值的

不同燃料中，燃燒效能指標數據愈高之燃料代表其在燃燒反應過程中能夠有較高

的熱能產生及較高的燃燒效率表現，此燃燒效能指標比過去傳統比較燃料之熱值，

更能正確且具說服力充分呈現燃料本身燃燒效果的優劣表現，以圖6為例，前三種

燃料之熱值皆相當接近（約10,350 kcal/g），但其燃燒效能指標則以第三種燃料Fuel

～23～

Oil C（燃燒效能指標數據為227.4）為最高，而 Fuel Oil A與B雖然有相似的熱值，

但其燃燒效能指標較低，則代表該兩種燃料之燃燒效率較差，無法有相同的熱能

產生效果之表現。後兩種燃料之熱值也相當接近（約9,605 kcal/g），其燃燒效能指

標數據也相當接近（分別為224.7及226.3），雖然這兩種燃料的組成成份不同，但

是因為具有類似的燃燒效能指標數據，顯示此兩種燃料之燃燒效能表現也會相當

接近。

圖 6 五種燃料油（兩種熱值）的燃燒效能指標數據及各自燃燒強度分佈趨勢

七、粒狀污染物減量技術

空氣中粒狀污染物的形成，主要來自化石燃料的燃燒，目前全世界對於懸浮

粒子的排放所造成的空氣污染問題相當重視，政府也將此問題視為影響國民健康

及生活環境品質的重要因素，正積極研擬有效管控燃燒所產生的懸浮粒子排放，

這勢必會對產業發展造成衝擊，因此企業須擬訂相關降低懸浮粒子排放的對策。

目前為防止粒狀汙染物汙染持續升高，行政院環保署發布「固定汙染源空氣汙染

物排放標準」規定：燃燒過程中新汙染源粒狀污染物排放小於 50 mg/Nm3，既存汙

染源粒狀污染物排放小於100 mg/Nm3。此規定不論排氣量一律適用此排放標準，因

此須加裝旋風集塵機、袋濾集塵器、靜電集塵器與濕式洗滌塔等過濾設備，才能

通過空汙法規之標準，但加裝過濾設備與內部耗材對於鍋爐使用者是增加一項成

本支出。降低鍋爐燃燒所產生的懸浮粒子排放可從三個燃燒階段進行改善， 燃

～24～

燒前的改善，主要以減少油料中的灰份雜質為主，可在油路過程增設過濾器，減

少灰份雜質進入燃燒室之中。 燃燒中的改善，主要以提升燃燒效率為主，減少

因燃燒不完全所產生的焦粒塵灰，可採用的方式為鍋爐的定期維護保養工作、鍋

爐操作條件的最適化調整、添加燃燒輔助劑等方式。 燃燒後尾氣排放處理裝置，

主要是針對燃燒排放物進行補集或處理，如加裝旋風集塵機、袋濾集塵器、靜電

集塵器與濕式洗滌塔等過濾設備。其中對於企業在鍋爐操作上或成本上，最為方

便及便宜的應該為調整鍋爐最適化操作條件及添加燃燒輔助劑，其中鍋爐操作條

件最適化有其改善極限，因此研究團隊研究燃燒輔助劑對於降低懸浮粒子排放的

效益，燃燒助燃劑可區分為兩種效果，一為改善油路及噴嘴霧化品質，達到燃燒

效率之提升。其二為以生物酵素之方式對燃料油產生降解反應，提高油料流動性

及火焰燃燒效果。在降低懸浮粒子的效益上，以環署檢字第0970071971號公告「排

放管道中粒狀污染物採樣及其濃度之測定方法」，測試灰份雜質較多之燃料，在

燃燒過後的懸浮粒子排放結果，並且與相同燃料油添加燃燒輔助劑之懸浮粒子排

放結果進行比較。其中，灰份雜質較多之燃料的固態污染物的排放量為 343 mg/

Nm3，在添加燃燒輔助劑之後，其固態污染物排放量為 181mg/Nm3，在固態污染物

排放量上有 47 %的減少幅度，顯示在提升燃燒效率後對於降低固態污染物的排放

是有明顯幫助的。

八、污染物排放標準

鍋爐排放管污染物排放標準，為依據環保署所訂定的「固定污染源空氣污染

物排放標準」，此法於 102 年進行修正，因此各污染物之排放標準有更嚴格的規

定。新法規中污染物排放標準依據污染源設立的時間也有所不同，分為「既存污

染源」與「新污染源」，「既存污染源」指八十一年前四月十一日前設立之污染

源，八十一年前四月十二日後為「新污染源」，需特別注意的是八十一年四月十

二日以後，若相關設備更新或其他任何理化性，或操作方法改變而增加空氣污染

物之排放潛量，或排放新增空氣污染物，則視為「新污染源」，「新污染源」之

排放標準如表4所示。

「排放管道」為俗稱煙囪，即採集煙囪內污染物，而排放管道採集位置需於

氣流平穩區，此位置具有明確定義與規範，於污染物檢測方法內詳述。「周界」

指污染物所屬公私場所所使用或管理之界線，「周界」採樣位置的選定，為以公

司場所使用或管理之界線以外任何位置，能判定污染物由欲測之公私場所所排放

為之。「燃燒以外過程」指剛引燃與燃燒結束時不穩定之過渡期。

～25～

表 4 新污染源之排放標準

污染物名稱 排放管道 周界

粒狀污染物

（不透光率）

連續自動監測：

每日不透光率值超過 20 ％，之累積時間不得

超過 4 小時。

目測判煙：

不得超過不透光率 20 ％，停止、開始運轉時可

到不透光率 40 ％，但一小時內超過不透光率20 ％之累積時間不得超過 3 分鐘。

粒狀污染物

（重量濃度）

50 mg/Nm3（燃燒過程）100 mg/Nm3（燃燒以外過程）

500 g/Nm3

硫氧化物

（SOX）

氣體燃料：100 ppm（燃燒過程）650 ppm（燃燒以外過程）

0.3 ppm

液體燃料：300 ppm（燃燒過程）650 ppm（燃燒以外過程）

0.3 ppm

固體燃料：300 ppm（燃燒過程）650 ppm（燃燒以外過程）

0.3 ppm

氮氧化物

（NOX）

氣體燃料：150 ppm（燃燒過程）250 ppm（燃燒以外過程）

0.25 ppm（燃燒以外過程）

液體燃料：250 ppm（燃燒過程）250 ppm（燃燒以外過程）

0.25 ppm（燃燒以外過程）

固體燃料：350 ppm（燃燒過程）250 ppm（燃燒以外過程）

0.25 ppm（燃燒以外過程）

九、污染物檢測方法

粒狀污染物不透光率連續自動監測：

此連續自動監測是利用透光儀進行監測，透光儀之原理相當簡單，需要有一

光線發射端與接收端，當光線由透光儀發射端發射，經過排放管道內，管道內的

粒狀污染物濃度會使光線散射而使強度下降，再經由接收端接收，即可藉由光強

度下降的量推估粒狀污染物的濃度。於法規「固定污染源空氣污染物連續自動監

測設施管理辦法」中，明定透光儀性整體設備需包括：

採樣界面（Sample Interface）：保護監測設施的分析儀，使之不受排放管道排

放污染物的影響，有助保持光學表面清潔之界面。

污染物分析器（Pollutant Analyzer）：感應排放氣體不透光率並輸出訊號之儀器。

數據記錄器（Data Recorder）：持續記錄分析器輸出不透光率之訊號，並具有

自動整理數據功能及可供電腦連線傳輸介面之儀器。

性能規範如下表 5 所示：

～26～

表 5 粒狀污染物不透光率連續自動監測性能規範

參數 規格

校正誤差 ≦3%不透光率

應答時間 ≦10 秒

操作測試時間 ≧168 小時

零點偏移（24 小時） ≦2%不透光率

全幅偏移（24 小時） ≦2%不透光率

「公私場所應設置連續自動監測設施及與主管機關連線之固定污染源」法，

規範需設置連續自動監測系統之產業為：鋼鐵冶煉業、水泥製造業、石油煉製及

石油化工製造業、紙漿製造業，或總輸入熱值大於一億仟卡／小時、總蒸氣蒸發

量大於一百三十公噸／小時，等使用者需加裝自動監測系統，並根據「固定污染

源空氣污染物連續自動監測設施管理辦法」，粒狀污染物監測數據傳輸頻率為，

每六分鐘紀錄一次，並以網路向地方主管機關傳輸。

粒狀污染物重量濃度測定法：

根據環保署所公布之「排放管道中粒狀污染物採樣及其濃度測定方法」（NIEA

A101.74C），詳細規範測定位置與採樣方法。此粒狀污染物採集法是利用抽氣秤

重法，簡單來說就是利用抽氣裝置伸入排放管道中進行抽取，如圖7所示，而抽氣

裝置內具有圓筒濾紙（捕集率> 99 %），當抽氣裝置進行抽取時，排放管道中的髒

空氣會被吸入，經過濾紙而通過，此使髒空氣中的粒狀污染物將被濾紙捕集，當

圓筒形濾紙總捕集量大於5 mg 或抽氣量大於1000 Ｌ時停止採集，隨後進行濾紙秤

重，可得知捕集粒狀污染物重量，依據抽氣量即可得出管道中粒狀污染物之濃度。

圖 7 排放管道中粒狀污染物採樣及其濃度測定方法示意圖

～27～

此檢測法有兩點需特別注意： 檢測之位置 抽氣速度。檢測位置為避免氣

流擾動所產生的量測誤差，應此檢測位置需在氣流平穩處，因此需避免選於彎管

或截面形狀急遽變化的部分，正常測定位置應選在離彎曲、收縮或放大管道口之

下游 8 倍管道直徑以上且在其離彎曲、收縮或放大管道口之上游 2 倍管道直徑以

上之處；當無法在上述條件設置適當測定孔時，則至少應選在離彎曲、收縮或放

大排放管道口之下游 1.5 倍至 8 倍管道0直徑且在其離彎曲、收縮或放大管道口之

上游 0.5 至2 倍管道直徑之處。抽氣速度須滿足與排放管道中排氣速度相近，其誤

差不得超過± 10 %，因為當抽氣速度大於排氣速度時，粒狀污染物捕集量會大於實

際濃度，相反的當抽氣速度小於排氣速度，粒狀污染物捕集量會小於實際濃度。

為確保檢驗結果可靠度，可採用預先量測排氣溫度、壓力、水量、密度、流速等，

預先算出抽氣速度，調整抽氣系統使抽取速度與計算結果相近（誤差＜± 10 %），

再進行採樣。另外因流速會影響壓力大小，因此也可使用氣壓進行抽氣流速之調

整，如下圖8動壓示採樣，圖中文氏管與皮托管皆為量測壓力之壓力計，文氏管量

測排放管道中的壓力，皮托管量測抽氣壓力，當皮托管壓力與文氏管壓力相同時，

代表排放管道中排氣速度與抽取速度是相同的，即可進行後續採樣。

圖 8 動壓式抽氣方式示意圖

進行量測前，濾紙需經過 105 ～ 110 ℃ 乾燥 1 小時以上，置於乾燥器中冷卻

至室溫稱量之，需重複乾燥、冷卻至室溫等步驟，稱至恆重（所謂恆重係指本次

稱重值與前次稱重值之差值小於等於 0.5 mg），確定濾紙水分完全去除，以免水氣

影響濾紙重量造成量測不精確。經稱量之濾紙，使用前應妥善保存在防塵容器中，

不能使其沾有粒狀物，而完成捕集粒狀物後之濾紙，需於 105 ～ 110 ℃ 乾燥 1 小

時以上，置於乾燥器中冷卻至室溫稱量之，並重複乾燥、冷卻至室溫步驟稱至恆

～28～

重。由捕集前後濾紙與粒狀物捕集器之質量差，求出捕集粒狀物之質量，再經過

下列公式即可得出排放管道中粒狀污染物之濃度：

Cn=md

Vn'

式中 Cn：乾基（不含水氣）排氣中粒狀物濃度（g / Nm3）

md：捕集之粒狀物質量（g）

Vn'：標準狀況下所吸引之乾基（不含水氣）排氣量（Nm3）

硫氧化物檢測法：

根據環保署所公布之「排放管道中總硫氧化物檢測方法－沈澱滴定法」（NIEA

A405.72A），為檢測排氣中含硫氧化物（SO2、SO3）濃度之方法。其檢測原理為：

含硫氧化物（SO2，SO3）之氣體，導入過氧化氫吸收液後，會形成硫酸根離子。在

醋酸酸性之異丙醇溶液中，硫酸根離子與醋酸鋇-醋酸鉛滴定液（醋酸鉛之添加可

使滴定終點更鮮明而易於觀察）會生成BaSO4沈澱。當到達滴定終點時，多餘的鋇

離子及鉛離子則會與砷 紫Ⅲ指示劑（ArsenazoⅢ indicator）形成錯合物，檢液由

紅紫色轉變成靛藍色。由醋酸鋇 - 醋酸鉛滴定液之消耗量及其濃度可算出排氣中總

硫氧化物之含量。此方法適用於排放管道排氣中總硫氧化物之檢驗，其濃度在

140～700 ppm 之範圍；但增加採氣量或稀釋試樣溶液時，均可使可定量的範圍增

大。排放管道氣體採集方式如圖9所示：首先選擇煙道排氣中氣體流速變化不顯著

之位置作為採樣點，採樣管須插入煙道橫截面1/3 至1/2位置，當煙道直徑大於 2.0

m 時，須遠離管壁至少1.0 m，以採集到具代表性氣體。為防止排氣中之粒狀污染

物混入試樣氣體中，須於採樣管先端之適當位置裝配過濾材料（如圖A）。為避免

採集之煙道氣體，水氣因冷凝成水滴於管路造成量測誤差，因此採樣管至三通活

栓（P1）間之管路均須加熱至120 ℃～160 ℃，加熱部分之管路連接，須使用磨砂

玻璃接頭或矽質橡膠管。使用3 ﹪過氧化氫溶液作為吸收液，吸收煙道中含硫氧化

物（SO2，SO3）之氣體，因此在兩個吸收瓶（圖中F1、F2）內各加入50 mL吸收液。

圖 9 排放管道中總硫氧化物檢測方採樣示意圖

～29～

採樣方式：

採樣前應執行採樣前測漏，採樣完成後亦應執行採樣後測漏，洩漏率不得高

於流量 2 %。

切換三通活栓（P1 及 P2）至旁通管路，啟動抽氣幫浦（L），以樣品氣體置換

由採樣管（B）至三通活栓（P1）之管內氣體。以抽氣幫浦（L）使樣本氣體通

過吸收瓶（H），以流量調整閥（K1，K2）調整流量至約 1L/min。

停止抽氣幫浦（L）後，轉動三通活栓（P1，P2）至吸收瓶（F1，F2），在氣體

流量計（M）上讀取體積值（V1）至 0.01L。

採集約 20L 樣品氣體後（可依總硫氧化物之濃度做適宜地增減），停止抽氣

幫浦，切換至旁通管路位置，關閉幫浦，在氣體流量計（M）上讀取體積值

（V2）至 0.01L，同時記錄氣體流量計（M）上之溫度計（N）與壓力計（O）

之溫度與壓力測值。同時量測大氣壓力。

將吸收瓶（F1 與F2）之吸收液一併移入單一樣品瓶，以試劑水淋洗吸收瓶，洗

液併入樣品瓶，樣品體積不得超過 250mL。

分析操作步驟：

將採氣後之吸收液，移置於 250mL 量瓶，用試劑水洗淨吸收瓶，並將洗液一

併移入量瓶內，稀釋至標線，此即為檢液。

分取 10mL 檢液，置於 200mL 三角燒瓶。

加入 40mL 異丙醇，1mL 醋酸及 4～6 滴砷 紫Ⅲ指示劑，溶液呈紅紫色。

使用 0.01N 醋酸鋇-醋酸鉛滴定液，當測定液呈現靛藍色並維持 1 分鐘時，即

達滴定終點，記錄滴定液量（amL）。

試劑空白樣品分析：

量取 3 ％過氧化氫吸收液 100mL，置於 250mL 量瓶，加試劑水稀釋至標線，

即為試劑空白樣品分析用吸收液。

分取試劑空白樣品分析用吸收液 10mL，置於 200mL三角燒瓶，依前之步驟求

出試劑空白樣品分析值（bmL）。

結果處理：

依下式算出標準狀況時（0℃，760mmHg），樣品氣體中總硫氧化物之濃度。

C =0.112× a b × f×

250v

V×273

273+t×Pa+Pm Pv

760

×1000

C：總硫氧化物濃度（ppm）

0.112：1mL 0.01N 醋酸鋇-醋酸鉛滴定液相當於總硫氧化物（SO2+SO3）

～30～

氣體在標準狀況下之體積（mL）

a：檢液所消耗 0.01N 醋酸鋇-醋酸鉛滴定液量（mL）

b：試劑空白樣品分析所消耗 0.01N 醋酸鋇-醋酸鉛滴定液量（mL）f：

0.01N 醋酸鋇-醋酸鉛滴定液之濃度係數

v：分析用檢液之分取量（mL）

V：採氣量（L），（3）及（4）之 V2-V1

t：氣體流量計上之溫度計顯示之溫度（℃）

Pa：大氣壓（mmHg）

Pm：氣體流量計上之壓力計顯示之壓力（mmHg）

Pv：t℃之飽和水蒸氣壓（mmHg）

十、氮氧化物檢測法

根據環保署所公布之「排放管道中總氮氧化物檢驗法－酚二磺酸比色法」

（NIEAA407.71A），規範氮氧化物於排放管道中之檢驗方式，其檢驗原理為：氣

體試樣中之氮氧化物（NO ＋ NO2）經吸收液吸收後，被氧化形成硝酸根離子，使

其再與酚二磺酸（Phenoldisulfonicacid）反應呈現黃色，黃色溶液會吸收特定波長

之光線（405nm），因此可用分光光度計於405nm進行量測，比較此波長之光線經

過待側液體後光強度的改變，光強度下降量越大代表溶液中氮氧化物濃度越高。

此種量測特定波長之光強度改變即稱為比色法，進行比色法之光強度判別之儀器

為分光光度計。

步驟：

採集氣體裝置及說明

連接氣體採集裝置如圖 10 所示。採氣管須插入煙道橫截面 1/2 至 1/3 位置，如

煙道直徑 2m 以上時須插入 1m。

採氣管宜使用不受排氣中腐蝕性氣體所侵蝕之材質（如硬質玻璃管、石英

管），若確定排氣中不含氯氣時亦可使用不銹鋼管。

氣體試樣採集瓶之前端須附適當的過濾材料（如石英綿或無鹼玻璃纖維），

以防止粒狀污染物混入氣體試樣中。而纖維質的濾紙以及含有鹼性成分之玻

璃器具，因其易與二氧化氮反應故不宜使用。

採氣管與氣體採集瓶之間必須加熱至 120℃，以防止排氣中之氮氧化物及水汽

凝結。或者配管儘量可能縮短，亦可防止水汽凝結，又配管中若無水汽凝結

之可能時，則可省去加熱操作。

～31～

圖 10 排放管道中總氮氧化物檢驗法採樣示意圖

採集氣體試樣

精取 25.0mL 吸收液置於採集瓶，連接於採集裝置，開啟真空唧筒將瓶內減壓

至吸收液開始沸騰為止，關閉活栓。並同時以氣體試樣經由分路充分置換，

不再有水滴凝結為止，並關閉真空唧筒。

排氣前先行測定採集瓶之絕對壓力，同時亦測定採集瓶周圍之氣溫。

開啟三通活栓進行抽取，將氣體試樣引進瓶內，大約 15～30 秒即可關閉活栓

取出採氣瓶，用手振盪 1 分鐘後靜置 16 小時以上。

分析操作步驟

吸收液置於 100mL 量瓶，用蒸餾水洗淨採集瓶，並將洗液一併移入量瓶內，

加水稀釋至標線，此即分析用檢液。

分析用檢液分取 10.0mL 置於 200mL 蒸發皿上。

於蒸發皿上之溶液中，加入氫氧化鈉溶液，直到石蕊試紙呈現鹼性為止，將

蒸發皿置於水浴上蒸乾，冷卻後，小心加入 2mL 酚二磺酸溶液於殘渣上，使

用玻璃棒壓碎殘渣，並使其與酚二磺酸溶液充分接觸。

於蒸發皿加入蒸餾水 1mL及濃硫酸 4 滴，置於水浴加熱 3 分鐘，並小心攪拌，

冷卻後加入蒸餾水 10mL 並充分攪拌。

最後加入 15mL冷氨水，此時將產生中和熱，使溶液成沸騰狀態，為避免溶液

濺出，務必小心慢慢加入，並用石蕊試紙確認有過量氨水存在為止。

隨即以直徑 11cm 之濾紙（註 6）將溶液過濾入 100mL 褐色量瓶內，以少量蒸

餾水清洗蒸發皿數次，並以此洗液將濾紙洗淨一併收集於該褐色量瓶中，加

蒸餾水至標線。

～32～

空白試驗所得溶液，當作比色對照液，於 405nm 測定樣品吸光度，由檢量線

求出 NO2 之體積。

氮氧化物濃度之計算：氣體試樣中所含氮氧化物總量均以二氧化氮表示，其

濃度可依下式計算。

C = n.vVs ×106

C：氮氧化物之濃度（V∕Vppm）

Vs：氣體試樣採取量（mL）〔0℃，760mmHg〕

n：分析用檢液之稀釋倍數

v：由檢量線求得之氮氧化物體積（mL）

參考資料

C. David Cooper, F. C. Alley, 1994, "Air Pollution Control A Design Approach,"

Waveland Pr Inc.

工業技術研究院 IEK 產業情報網"PM 2.5 及其衍生之防護商機"。

J. W. Chen, C. C. Liand J. T. Yang, 2015, "Enhanced stabilization of multiple premixed

flameswith a compressive vortex pair on a stratified burner,"Combustion Science and

Technology, Vol. 187, pp. 1452-1467.

楊鏡堂, 李志杰, 2005,"能源、幸福、未來─潛力無窮的再生能源發展,"能源季

刊, pp. 14-16.

C. C. Li, Y. C. Hsu, 2015, " The Combustion Characteristics of Heavy Oil with Water

Addition by Transient C2* Chemiluminescence in an Industrial-scale Boiler," 13th

Triennial International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Tainan,

Taiwan, August 23-27.

～33～

燃煤鍋爐一次風扇進口風門開度指示

之萬向接頭元件鬆脫改善案例

洪慶生

一、摘要

大型粉煤燃燒發電鍋爐一次風道壓力控制，是藉由控制一次風扇進口風門的

開度，來達成所需的壓力，以提供足夠的一次風流量，來烘乾及吹送粉煤進入鍋

爐，獲取最佳化燃燒。

當控制邏輯或是現場控制卡片、機構異常時，將使一次風扇進口風門的開度

發生突開或突關，其結果將導致一次風道壓力過高或過低的異常現象，甚至引起

一次風流量過低，使得鍋爐發生主燃料跳脫的跳機事故，因此一次風道壓力控制

邏輯或是現場控制卡片、機構的可靠度及穩定度，對機組正常運轉就變得相當重要。

本文即以某電廠 7 號機一次風道壓力進口風門位移檢測元件，因萬向接頭鬆

脫，導致位移回授信號指示全開（100%），伺服閥驅動卡片送出關閉風門的異常

修正信號，導致一次風道壓力進口風門全關，引起一次風道壓力低的異常現象，

雖處理得宜，未釀成跳機事故，但是機組也因此被迫緊急降載，造成減少發電損失。

二、製程簡述

一般大型粉煤燃燒鍋爐設置兩台一次風扇，其空氣進口如圖1所示，可直接取

自大氣或引自送風機出口之所謂二次空氣系統。

一次風扇將風壓提升後出口如圖2所示分兩路，一路經空氣預熱器（Air Heater）

將溫度提升後由熱風門開度控制流量稱熱風系統；另一路未經空氣預熱器由冷風

門開度控制流量稱冷風系統；冷、熱風門開度依粉煤機出口溫度設定及燃用煤源

水份而改變，進入粉煤機一次風溫度一煤源不同介於135℃～280℃間，差異極大。

流量控制風門用來控制進入粉煤機一次風量，一次風量與煤量比例一般控制

於1.8～2.0間，太低有回火風險，太高則有火焰距離燃燒器太遠致離開爐膛燃氣溫

度高之缺點。

上述設有冷風門、熱風門及流量風門之一次風控制系統稱三風門控制系統，

其優點為控制方式簡單可靠，惟三種風門皆未全開所造成之節流損失大，於目前

積極推動降低廠內用電政策前提下，若能更為二風門控制將可降低節流損失，帶

來可觀之一次風扇馬達用電減降效益。

～34～

圖 1 一次風扇空氣進出口流程示意圖

圖 2 一次風系統流程示意圖

～35～

所謂二風門控制系統，係將流量風門維持於全開，冷風門、熱風門除負責粉

煤機出口溫度控制外亦兼具一次風流量之控制；此二風門控制模式目前已相當成

熟並廣泛使用中，特於本稿提出供參考。

三、控制原理簡述

一 次 風 道 壓 力 控 制 邏 輯 是 建 構 在 DCDAS（Distributed Control and Data

Acquisition System 簡稱 DCDAS ）系統裡（如圖1），控制器是一簡單反向回授控

制，實際的一次風道壓力由二只壓力傳送器測得，再經一演算器（SM2XMTRS）

處理後，可選擇兩只壓力傳送器的最高值、最低值、平均值、A 或 B 傳送器信號

當控制信號，再與一次風道壓力設定值做比較，經控制器做簡單的反向比例加積

分控制後，再送出風門需求信號（4～20mA）至現場控制箱，與現場風門位移檢

測元件的開度回授信號做比較，經伺服閥驅動卡片送出驅動信號，以開啟或關閉

伺服閥，使得開啟或關閉液壓缸的油壓改變，最後驅動液壓缸以開啟或關閉一次

風扇進口風門（如圖2）。

當開啟或關閉一次風扇進口風門將使得一次風道壓力上升或下降，經一次風

道壓力傳送測得一次風道壓力，再回授至 DCDAS 系統的控制器，與設定值做比

較，若實際的一次風道壓力與設定值相同似時，DCDAS 系統的控制器一次風扇進

口風門需求信號將維持不變，當實際的一次風道壓力仍舊高於或低於設定值時，

控制器將繼續下降或上升一次風扇進口風門需求信號，以關閉或開啟一次風扇進

口風門，使一次風道壓力趨近於設定值。

一次風道壓力能否穩定控制，代表能否提供粉煤機穩定適量的一次風流量，

以便能烘乾及吹送粉煤至爐內，使燃燒最佳化，當一次風道壓力太低導致一次風

流量不足時，有可能會導致燃燒器回火，致使煤管發生爆燃的意外事故，為避免

發生此事故，因此各鍋爐廠家對一次風道壓力過低都有適當的安全保護措施，以

跳脫鍋爐，由於一次風道壓力過低立即跳脫鍋爐，除了安全考量之外，將影響鍋

爐正常的運轉，因此在安全許可之下，美國B&W鍋爐廠家修改保護措施，當一次

風道壓力過低並不立即跳脫鍋爐，而改由各粉煤機一次風流量過低延時跳脫該台

粉煤機，如此不僅可避免發生燃燒器回火，導致煤管發生爆燃的事故，也可避免

鍋爐因此而跳脫，可將影響減至最低。

～36～

圖 3 一次風道壓力控制邏輯圖

圖 4 一次風道壓力控制方塊圖

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如上所述可見一次風道壓力控制穩定性之重要，為避免設備或控制機構異常，

導致一次風扇進口風門突開或突關，影響一次風道壓力的穩定，控制邏輯上增設

了下列兩項保護措施：

當一次風扇進口風門需求信號與風門開度回授信號相差大於±10%延時 1 秒，

將一次風扇進口風門控制站立即跳手動。

當一次風扇進口風門需求信號與風門開度回授信號相差大於±15%延時 1 秒，

立即鎖住（Lock out）風門，以避免異常事故擴大，也同時出示警報，提醒值

班人員立即處置。

由一次風道壓力控制方塊圖（圖2）可知，當一次風扇進口風門開度需求信號

送至現場伺服閥驅動卡片（圖4）與位移檢測元件所測得的一次風扇進口風門開度

信號（ZT）相比較，做比例控制後，送出一次風扇進口風門開度修正信號，以驅

動伺服閥（圖5），使液壓缸（圖6）開啟或關閉，帶動風門驅動連桿（圖6），除

了驅動一次風扇進口風門開啟或關閉外，也經萬向接頭（圖6）帶動一次風扇進口

風門位移檢測元件（圖6），使得一次風扇進口風門位移檢測元件的回授信號也跟

著改變，當一次風扇進口風門位移檢測元件回授信號與一次風扇進口風門開度需

求信號相同時，則伺服閥驅動卡片將不再送出一次風扇進口風門開度修正信號去

控制伺服閥，使得一次風扇進口風門開度維持在當時的開度不變。

圖 5 一次風扇進口風門及儀控設備

～38～

圖 6 一次風扇進口風門現場伺服閥驅動卡片

圖 7 一次風扇進口風門現場伺服閥及

儀控管路

圖 8 一次風扇進口風門驅動機構及

位移檢測元件

綜觀整個一次風道壓力控制系統，若要使一次風道壓力控制穩定，其相關的

儀器控制設備及傳動機構均需正常可靠穩定，否則將使一次風扇進口風門控制發

生異常，導致一次風道壓力偏離設定值，經檢視控制系統若有任一下列設備發生

異常時，將導致一次風扇進口風門控制也發生異常：

一次風道壓力傳送器及其類比輸入卡片（AI）

～39～

一次風扇進口風門控制器軟/硬體設備

一次風扇進口風門需求信號類比輸出卡片（AO）

現場伺服閥驅動卡片及其電源供應卡片

伺服閥

液壓缸

萬向接頭

風門位移檢測元件

四、一次風道壓力控制系統異常案例

某電廠7號機於滿載正常運轉中，在某年01.25 13:24:19警報窗突然出示『ANY

PAF IVC LOCKED』警報，DCDAS 系統圖控畫面顯示 PAF #7-1 進口風門全開

（100%），PAF#7-2 進口風門需求信號為 56%，但是風門開度信號全開於 100%位

置，經現場查看，發現PAF#7-2進口風門實際全關，風門傳動機構與風門位移檢測

元件的連結機構萬向接頭已鬆脫（圖7）。

圖 9 萬向接頭鬆脫示意圖

由於萬向接頭鬆脫，導致風門位移檢測元件下滑至全開的位置，值班人員緊

急將負載降至 340MW，雖然一次風道壓力最低降至 7.5KPa，然各台粉煤機的一次

～40～

風流量均未低至跳脫設定值（65MT/H），所以未導致任何粉煤機跳脫。

綜觀上述異常狀況，其控制情形，在正常情況下兩台一次風扇進口風門控制

均置於自動，滿載時一次風道壓力均設定在 10.2KPa，一次風扇進口風門開度約

52～54%，由於 PAF#7-2 進口風門萬向接頭鬆脫，導致風門位移檢測元件回授至伺

服閥驅動卡片的信號為 100%，遠大於當時的需求信號（56%），導致伺服閥驅動

卡片輸出關閉的修正信號去控制伺服閥，使 PAF#7-2 進口風門關閉，由於 PAF#7-2

進口風門萬向接頭已鬆脫，無法帶動風門位移檢測元件，雖然實際風門已關下，

但是風門位移檢測元件仍維持在 100%全開的位置，使得伺服閥驅動卡片一直送出

關閉的修正信號去關閉風門，最後終使 PAF#7-2 進口風門全關，由於此時 PAF#7-2

進口風門需求信號與風門開度回授信號相差已大於±15%，延時 1 秒後，立即將

PAF#7-2 進口風門控制跳手動，並於警報窗出示『ANY PAF IVC LOCKED』警報。

圖 10 PAF 7-1 進口風門異常趨勢圖

由於PAF#7-2 進口風門突關導致一次風道壓力瞬間降至7.5KPa，遠低於設定值

（10.2KPa），控制器因而指令自動台（PAF#7-1）進口風門開啟，裨一次風道壓力

回至設定值。（圖8）

～41～

五、檢修過程

經查次事故是因PAF#7-2 進口風門位移檢測元件萬向接頭鬆脫所導致後，首先

用固定桿將 PAF#7-2 進口風門固定，然後以手動方式將風門緩慢開啟約 15%，使

PAF#7-2 進口風門有些許流量，以便降低 PAF#7-1 進口風門的開度，讓一次風道壓

力控制可藉PAF#7-1 進口風門的開度來調節，以免檢修過程中，再次發生一次風道

壓力過低的現象而導致一次風流量過低，粉煤機跳脫的事故。

接著檢查風門回授機構元件是否受損，結果均正常，然後更換萬向接頭組件，將

萬向接頭組件一端鎖緊到底，另一端鎖到適當位置後，再以螺帽鎖緊固定，並以油漆

筆做標記，以便往後定檢時作觀察，再將萬向接頭組件固定於液壓缸連桿。（圖9）

更換完萬向接頭組件後，進行校調測試的工作，於確認液壓缸及回授機構動作

均正常後，將液壓缸連桿與風門連結，接著再解除風門固定桿，交由運轉人員操作。

圖 11 更換萬向接頭及標記示意圖 圖 12 液壓缸連桿與風門連結示意圖

六、事故原因探討

萬向接頭的安裝方式是將螺絲鎖入兩邊萬向接頭，再用螺帽固定上側萬向接

頭。（圖11）

～42～

本次事件發生原因為現場設備因震動造成萬向接頭螺絲鬆脫，導致萬向接頭

脫落，致使 PAF#7-2 進口風門位移檢測元件滑落，回授信號因而顯示為100%的全

開信號。

圖 13 萬向接頭安裝示意圖

圖 14 萬向接頭鬆脫示意圖

～43～

七、改善與防止對策

就事故發生原因，加以研究檢討後，提出如下的改善對策，以防止類似情形

再次發生：

將萬向接頭組單邊點焊固定，以防止萬向接頭螺絲因震動而旋轉鬆脫，

另一端以油漆筆標記，作為觀察萬向接頭螺絲是否有鬆脫現象之判斷依據。

圖 15 萬向接頭組單邊點焊固定示意圖

～44～

類似的設備平行展開進行全面巡查及改善。

每月風門定檢加入觀察萬向接頭螺絲是否鬆脫項目。

機組大修時，檢查萬向接頭點焊牢固狀況，如有劣化需更換新品時，應

以螺絲固定密封劑及點焊方式處理，確保萬向接頭組螺絲牢固不鬆動。

八、結語

儀控設備之體積於鍋爐並不起眼，惟其重要性卻如同人體之神經系統，攸關

鍋爐能否穩定可靠運轉，不允任何差錯，而儀控設備是否穩定可靠則端賴良好維

護、調校與改善。

本案風門開度指示萬向接頭鬆脫案例，於事故後經上述改善並水平展開至各

機組迄今3年，未再發生相同事件，因而特撰本稿供業界參考，並期不吝指正。

～45～

鍋爐設計與化石燃料電廠污染

防治之研究

楊福正／軍備局生產製造中心第二○九廠

摘要

鍋爐設計是指設計出不同使用目的的鍋爐的過程，鍋爐的主要功能是加熱水

產生蒸氣，鍋爐產生蒸氣可運用於不同的目的，包括空間加熱、消毒、烘乾、濕

潤及發電等，溫度或蒸氣狀態具不同應用需求，所以鍋爐設計非常權宜。另由於

化石燃料電廠為目前世界各國廣泛應用，本文廣蒐相關文獻也進行一系列的介紹，

期在潔淨能源開發尚不符使用需求量的條件下，能讓讀者對化石燃料電廠多一分

認識與了解。

一、 前言

現代鍋爐設計提供許多優點，過去因不當的鍋爐設計已有造成爆炸導致生命

財產損失案例，現代設計嘗試避免此類災難，更進一步，數值模擬可計算需要多

大鍋爐空間及使用何種材質，當計算出鍋爐設計規格之後，設計工程師可以估算

建構成本及工期，圖 1

為 浦 那 工 程 學 院

（College of Engineering,

Pune）蒸氣科技中心的

鍋爐。化石燃料電廠，

是燃燒諸如煤、天然氣

或石油等化石燃料，以

產生電力的電廠。核心

的化石燃料電廠，設計

成大規模以方便連續運

轉，很多國家運用如此

的電廠提供大部份的電

能使用。化石燃料電廠

中有可以把燃燒的熱能

圖 1 浦那工程學院（College of Engineering, Pune）

蒸氣科技中心的鍋爐

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轉換成機械能的機械裝置，然後帶動電力發電機。發動機可能是1部蒸汽渦輪機、

燃氣渦輪機，或是在小型的電廠中則為1部往復式的內燃引擎。所有的工廠使用那

些萃取來自膨脹氣體、蒸汽或是燃燒氣體的能量，很少建立直接將移動中熱氣體

的能量轉換為電能的動力發電機，圖2為波蘭Be chatów電廠（5400MW），為世界

上最大的燃煤電廠之一。

圖 2 波蘭的 Be chatów 電廠（5400MW）為世界上最大的燃煤電廠之一

二、 鍋爐設計的益處及重點

鍋爐設計考量愈仔細，將可為使用者開發出最符合需求的鍋爐，針對設計鍋

爐的參考因素、益處及限制略敘如次：

鍋爐設計的益處：

鍋爐可基於以下 14 項考量因素參考設計：

用最少燃料消耗，產生最大量蒸氣。

設備的經濟與實用。

操作期間最少的操作人員注意要求。

快速啟動能力。

符合安全法規要求。

生水品質：硬或軟水的多少將決定鍋爐的材質。

熱源：燃料的燃燒及它的灰燼特性【1】或材料加熱過可被回收。

能量/蒸氣輸出需求通常以每小時多少噸或每秒多少公斤計算。

蒸氣狀況-壓力及溫度等。

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安全考量。

機械限制。

成本限制。

貨幣價值。

任何結合過程必須考慮材料張力強度【2】。

鍋爐設計的重點：

零附件及配件是鍋爐不可或缺的料件，但並非安裝在上面，它包含廢熱鍋

爐、過熱器、回饋泵及預熱器，零附件輔助鍋爐有效率地控制及運作，某些共

通的配件（尤其那些印度鍋爐條例要求）包括：

回饋檢查閥－控制水流進鍋爐及防止水回流回饋泵損壞問題。

蒸氣止閥－控制鍋爐產生的蒸氣流至蒸氣管，並且也可用於停止鍋爐供應

蒸氣。

金屬消防栓-位於最低水位及燃燒室上，它的功能在於當鍋爐鍋身內水位降

到特定標記層以下時能瞬間滅火。

吹氣活栓－移除鍋身內一般間隙的水，去除鍋身底各種沈積的雜質。

安全閥－自動阻擋超出安全標準的蒸氣壓力。

水位指示器－指示鍋身內的水位。

三、 電廠基本原理

熱（能）型電廠在運轉時的副產品，在電廠設計與運轉時都必須考量進去。

廢熱能量，因為卡諾（Carnot）循環、郎肯（Rankine）循環或狄賽爾（Diesel）循

環的效率有限，而加以保留；再直接地釋放到大氣或河流/湖水之中，或使用冷卻

塔（使用河水或湖水做為冷卻媒介）間接地排放至大氣之中。來自燃燒化石燃料

的煙道氣（廢氣），則排放至空氣之中。此氣體之中含有二氧化碳與水蒸汽，以

及其它像氮氧化物（NO）、硫氧化物（SO）、汞，其它金屬的痕跡（微量）等其

它物質；且對於燃煤的電廠，還有飛灰這項物質。來自燃煤鍋爐的固態（體）廢

棄灰，也必需要加以移除。某些煤灰可以再循環做成建築用材料。

化石燃料電廠，是二氧化碳CO2的（乙種溫室氣體）主要排放者，而依照科學

組織共識意見，二氧化碳是全球暖化的元兇之一。每單位的電能，褐煤所排放出

來的二氧化碳量幾乎是天然瓦斯的2倍，而黑煤所排放出的二氧化碳則更稍微少一

些。二氧化碳排放的補捉與儲存，在目前並不可行[3]。

基本概念：

在一個化石燃料電廠中，儲存於諸如煤、燃油、天然氣或油頁岩及空氣中

的氧氣等化學能，成功地轉換成熱能、機械能，及最後變成電能。每一座化石

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燃料電廠，都是很複雜的、客製化設定的系統。建築成本從 2004 年的每 1 千瓦

為美金 1,300 元，或是 500MWe 單元的美金 650 百萬元。多組的發電單元可能蓋

在同一個位置上，好讓土地、自然資源及人力的利用更有效率。世界上大部分

的熱能發電廠，都使用化石燃料--數量上超過核能、地熱、生質或太陽能電廠。

熱轉換成機械能：

根據熱力學第二定律：在一個閉環的循環中，只能將部分在燃燒期間所產

生的熱轉換成機械功。而剩下的熱能，稱之為廢熱，在循環中返回部份的期間，

必需要釋放於較冷的環境之中。部分的熱釋放至乙個較冷的媒介時，必需要等

於或大於冷卻系統（環境）及熱源（燃燒爐膛）的絕對溫度比率。將爐膛（燃

燒室）的溫度予以昇高，可以改善效率，但會使設計工作變得複雜，主要選擇

使用於建築上的合金，讓爐膛（燃燒室）變得更昂貴。在沒有甚至更冷的冷卻

系統的狀況下，廢熱不能轉換成機械能。然而，它可能可以使用汽電共生廠，

來加熱建築物、產生熱水，或是使用於工業界（如煉油廠、工廠及化學合成廠）

來加熱材料。

對於燃煤或燃油的發電廠而言，屬於公用規模的電力發電機，其典型的熱

效率為 33%左右，而複合循環燃氣發電廠的燃燒效率則約為 56~60%（LHV）。

發電廠的設計是要達到最高效率，而當發電廠運轉在非設計狀況的時候（亦即，

溫度太低時），在容量的狀況運轉時則將會比較沒效率。[4]

實際的化石發電廠運作，因為熱機無法超過卡納循環對於熱能轉換成有用

功的限制（界限）。而燃料電池不是熱機，而沒有相同的熱力學限制。熱蒸汽

的溫度及理想的卡諾引擎效率，可以用以估算引擎的溫度。因為忽略其它的損

失，此估算是最小的水/蒸汽溫度。舉例來說，冷卻水的有效率溫度將顯著的比

較高，假設冷卻溫度為 10℃（280K），則環境溫度因為數個損失的原因，想必

是比實際的蒸汽溫度要低很多。

燃料/煤：

煤，是地球上最豐富的礦物之一，它是相對性便宜的燃料，在某些最大儲

存的區域（政策性的相對性穩定），諸如中國、印度與美國，圖 3 為煤發電廠之

典型蒸汽-循環圖，煤最大儲量是位於政治動盪的波斯灣。與天然氣與石油比照，

固體的煤，在大部份的應用上，無法直接取代天然氣或石油；石油大部份使用

運輸，而天然氣並不使用於發電，大都使用於太空、水與工業加熱用。煤，可

以轉換成氣體或液體燃料，但是如此的加工效率與經濟性會讓它們不可行。汽

車或加熱器可能要經過改裝，才能使用煤衍生燃料。比起石油或是天然氣，煤

會產生更多的污染。

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在 2009 年，台中火力發電廠為台灣最大的燃煤發電廠。世界上最具能源效

率的燃煤發電廠是丹麥的 Avedøre 發電廠[5]。

圖 3 煤發電廠之典型蒸汽-循環圖

燃料運輸與傳遞：

美國、佛羅里達州阿波羅海岸的Big Bend燃煤發電廠（如圖 4），該發電廠

為美國提供約 46%的消耗電力。另圖 5 為猶他州靠近 Helper 的城堡形（Castle

Gate）發電廠。

煤，透過高速公路的卡車、火車、駁船、煤船或以煤漿管道傳遞。某些發

電廠甚至建在靠近煤礦產地利用輸送帶來傳送煤。大型的運煤火車，稱之為「單

元火車」，可能是二公里長（超過 1 英哩），每部均內含 130~140 部的單元車

（上面有 100 短頓（2,000 磅）的煤），整個負載為 15,000 頓。大型的發電廠在

滿載的狀況下，每天至少需要這樣規模的煤運送乙次。發電廠可能每天獲得三

到五輛的運煤火車，尤其是在「旺季」最熱的夏季或是最冷的冬季月份（視當

地的氣候而定），是電力耗用量最高的時候，大型的熱型發電廠（如在Nanticoke,

Ontario），當湖面結冰的時候，儲存數百萬立方頓的煤可供冬季使用。

現代化的卸料機（卸船機）使用旋轉傾倒裝置，免除了煤在底部傾卸車結

冰凍住的問題。卸料機（卸船機）包含火車定位器臂，將整輛火車拉到定位，

每節火車至煤的倒料斗上方。傾卸器抓住個別車箱抵住一個平台，讓整節車箱

上下顛倒而把煤傾倒出來。迴轉街頭能夠讓各節車箱仍然連結在一起的狀況下，

使整個運作順暢。卸載一輛單元火車，約需要三個小時。

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較短的火車，可能使用具有「氣壓傾卸」的軌道車，依賴來自引擎的空氣

壓力加上在乙節車上的「熱靴」。此「熱靴」，當它與在卸載支架上的「熱軌」

接觸的時候，經由氣壓傾卸裝置發射出電荷，並造成在車子底部上門開啟，將

煤經由支架上的開口而傾倒出來。卸載一輛這樣的車子可能要花上一個小時到

一個半小時。舊型的卸料機可能仍然使用人力操作的底部傾卸軌道車，且附接

有一個搖動器來傾倒煤。而鄰近礦場的發電廠，可能利用輸送帶或是來柴油電

力驅動的卡車來接收煤。

運煤船即攜帶煤的貨輪，可以儲存 40,000 長噸（2,240 磅）的煤，並花數天

的時間來卸載。某些運煤船運載有屬於它們自己的運送設備，以卸載它們自己

的煤倉；其它的則依賴發電廠的設備。運煤船是大型、適航、自行式船隻，供

在平靜（如河流與湖泊）水域中運送煤之用的平底船，稱之為，且經常使用，

運煤船通常不具動力，而由拖船或拖駁來協助其移動。

基於啟動或輔助用途，發電廠亦可能使用燃油，燃油可以經由管路、貨輪

貨卡車而運送至發電廠，油可以儲存在立式圓桶型鋼製除儲槽中，儲存容量可

以高達 90,000 桶（14,000m3）的價值。較重的是#5 號燃油及#6 號燃料，是典型

的-在寒冷的天候下，必須要先以蒸汽加熱再泵送。

圖 4 美國、佛羅里達州阿波羅海岸的

Big Bend 燃煤發電廠

圖 5 猶他州靠近 Helper 的城堡形

（Castle Gate）發電廠

燃料處理（加工）：

將煤從原煤破碎成小於 2 英吋（51mm）大小的煤塊，以便於使用，然後利

用橡膠輸送帶將煤從儲存場運送至工廠內的儲存倉（以每小時最高達 4,000 短噸

的速度）。在工廠內燃燒的煤，儲存倉饋送煤而磨煤機拿取較大的 2 英吋煤塊，

將它們磨成一致性的滑石粉，再把它們分類，然後把它們與初級燃燒空氣混合，

將煤運送到鍋爐的燒室，並先將煤予以預熱，以將多餘的水分含量給驅散出來。

一座 500 MWe 的發電廠可能有六座如此的磨煤機，在滿載的狀況下其中五座能

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夠以每小時 250 噸的速率供應煤至燃燒室。在並不燃燒粉碎煤的發電廠內，較大

的 2 英吋煤塊可能直接饋送至儲存倉，然候饋送至機械式的分配器（將煤掉落在

乙個移動的格柵），或是饋送到旋風氣旋燃燒器（一種特別的燃燒器，可以有

效率地燃燒較大塊的燃料）。

四、 電力設施的發展

隨著時代演進，各式電力設施持續開發，並且可使用的能源種類也不斷增加，

本節將介紹各式電廠的發展近狀：

火力電廠：蒸汽電力

大部份由化石燃料所產生的電力（能量），是由火力發電廠所產生的。在

1906 年第一部蒸汽渦輪機問世之後，往復式蒸汽引擎迅速地停止使用。

燃汽渦輪機發電廠：

480MW 奇異牌H系列發電用燃汽渦輪機，靠近猶他州Mona的Currant Creek

電廠，是一座燃燒天然器的發電廠。

化石燃料發電廠的其中一種類型，使用燃汽渦輪機再結合熱回收蒸汽產生

器（Heat Recovery Steam Generator, HRSG）。因為它結合燃氣渦輪機的循環及

HRSG的循環，所以它比較像是一座複合循環的發電廠。這些發電廠的熱效率已

經達到 5,690 Btu/（kW·h）熱率的紀錄，或剛好只是在 60%以下（在Wales Baglan

Bay 的乙項設施）[6]。

渦輪機是以天然瓦斯、合成氣或燃油做為燃料。當更有效率及更快地建造

一座 1,000 MW 的發電廠，從開始建造到完工，至少要 18 個月的時間，發電廠

時，如此電廠的經濟將會嚴重地受到燃料（通常是天然氣）的非永久性成本所

影響。複合循環式發電廠，在設計上是由一些燃氣渦輪機，再接著蒸汽渦輪機

所組成，而有各種不同的構型。舉例來說，乙座 3-1 的複合循環設施，有 3 部燃

氣渦輪機機連結 1 部蒸汽渦輪機。

有時候會安裝簡單循環或開式循環的燃氣渦輪機發電廠，沒有蒸汽循環，

做為緊急或尖峰容量；它們的熱效率低很多。每小時高運轉費用是被其低資本

成本給抵消掉，而且每年要運轉此單元的時間只有數百小時而已。其它的燃氣

渦輪引機發電廠，在安裝上有分階段，具有乙部開式循環的燃氣渦輪機為第一

階段，而額外的渦輪機或轉換成乙個密閉循環做為日後規劃的一部份。

切換至天然氣：

在 1990 年代是氣體的衝刺期，在英國因為有來自北海油井的豐富天然氣供

應，所以建造 30 座的燃氣發電廠。依據美國能源資訊管理局的 2012 預測，在

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2016 年之前將有來自美國 175 座燃煤發電廠的 27GW 燃煤發電機的（電力）容

量將會除役[7]。

天然氣已經顯示出相對應性的跳躍，在 2011 年已經增加超過 1/3[8]。有些如

1,200 MW的Hearn發電廠等的燃煤發電廠，已經透過切換至天然氣的方式而停止

燒煤。煤所分享的電力產生比率已經掉至只有超過 36%。天然氣佔 81%的新電力

發電（介於 2000 年及 2010 年） [9]。燃油發電所排放的二氧化碳的量（每MW小

時所產生的量約為 2,000 磅），比起燃燒天然氣（每 MW 小時為 1,100 磅溫室氣

體）所產生的二氧化碳量約為 2 倍。當燃料混合於美國已經有所改變，降低煤而

增加天然氣發電，二氧化碳的排放也已經大幅地掉落。在 2012 年第一季所測得

的二氧化碳，是自 1992 年以來有所記錄中最低的一年[10]。天然氣壓裂而所增加

的配送洩漏甲烷進入到大氣之中，可能是比二氧化碳更有力 10-25倍的溫室氣體，

天然氣火力發電廠已經有超過 100 座，產生介於 100MW 與 5,600MW 之間的電

力，天然氣發電廠越來越受到歡迎，而在 2014 共產生全世界發電量的 22%[11]。

往復式引擎：

柴油發電機組，通常使用於社區，並未連接到普及的電力網，緊急（備便）

電力系統可能會使用往復式內燃引擎，而以燃油或天然氣來運轉，備便發電機，

可能為工廠或資料中心扮演供電的角色，或亦可能與地區的公共電力系統併聯，

以減少來自公共供電的尖峰電力需求。

柴油引擎可以在相對低的旋轉速度下產生強力的力矩，這是一般在驅動交

流發電機時想要的部分，但是柴油於長時間儲存的時候可能會發生問題，而導

致積水及化學分解。很少使用的發電機組，可能相應的安裝成天然氣或液化石

油氣 LPG，將燃油系統的維護保養需求降至最少。火花點火的內燃引擎，以汽

油（石油）、丙烷、液化石油氣 LPG 來運轉，通常做為供建築工作、緊急電力

或娛樂使用等之便攜式暫時電力來源。

往復室外燃引擎，如史特林引擎，可以用不同的化石燃料來運轉，亦可以

使用可再生燃料或式工業廢熱來運轉，安裝史特林引擎來作為發電之用，相對

的非常不普遍。

五、 環境衝擊分析

Mohave發電廠是一座靠近Laughlin, Nevada的煤發電廠，於2005年因為環境限

制的因素而停止服務[12]，到2030年，全世界的電力需求期望上升60%[13]。在2007

年全世界有超過座50,000正在運轉中的煤發電廠，且預期這個數字還在成長[14]。

在2004年國際能源署 IEA 估算，到了2030年化石燃料將會佔能源市場的85%[13]。

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世界組織與國際機構（如國際能源署 IEA），關注到燃燒化石燃料對於環境的

衝擊，尤其是對於煤，燃燒煤對於酸雨及空氣汙染的危害最大，且已經與全球暖

化有所關連，因為煤的化學成份在讓其燃燒之前，很難在固體燃料終將雜質予以

去除，因為「淨（滌）氣器」技術（在煙囪中過濾排氣），所以現代的燃煤火力

發電廠比起老舊設計，排放較少的汙染；然而比起天然氣火力發電廠，其各種汙

染的排放量（位準）仍然多出天然瓦斯平均值的數倍。在這些現代化的設計之中，

來自燃煤火力發電廠所排放氣體（如二氧化碳、氮氧化物及二氧化硫）汙染排放

至空氣中。

酸雨，是因為排放氮氧化物與二氧化硫所造成的，這些氣體本身可能只是輕

度的酸性，而當它們與大氣發生反應時，它們產生如亞硫酸、硝酸、硫酸等酸性

化合物，降落下來為雨，因稱名詞稱之為酸雨。在歐洲與美國，更嚴格的排放法

規與重工業的衰退，已經減少與此問題相關之環境危機，帶領它們自 1960 年代的

巔峰走向較低的排放。

在2008年，歐洲環境總署（EEA）以來自歐盟的火力發電廠實際排放為基礎，

紀錄與燃料有關的排放因子（係數）如表1[15]。

表 1 歐洲環境總署（EEA）紀錄與燃料有關的排放因子（係數）彙總表

汙染物 硬煤 褐煤 燃油 其他油 氣體

二氧化碳 （g/GJ） 94,600 101,000 77,400 74,100 56,100

二氧化硫（g/GJ） 765 1,361 1,350 228 0.68

氧化氮（g/GJ） 292 183 195 129 93.3

一氧化碳 （g/GJ） 89.1 89.1 15.7 15.7 14.5

非甲烷有機化合物（g/GJ） 4.92 7.78 3.70 3.24 1.58

顆粒物質（g/GJ） 1,203 3,254 16 1.91 0.1

煙道氣體積總量（m3/GJ） 360 444 279 276 272

二氧化碳：

台灣的台中火力發電廠是世界上最大的二氧化碳排放者[16]，使用碳基燃料

的電力發電，對於全世界的大部分二氧化碳排放是有責任的，而在 2010 年的美

國人為二氧化碳排放的 34%是有責任的，在美國有 70%的電力產生（發電），

是來自於燃燒化石燃料[17]。

而在化石燃料之中，煤比油或天然氣更密集，導致每單元產生電力之二氧

化碳排放體積更大（多），在 2010 年，來自發電所排放的二氧化碳之中，煤佔

81%，而在美國所產生的電力則佔 45%[18]。在 2000 年，美國火力發電廠的碳濃

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度為 2,249 lbs/MWh（1,029 kg/MWh）[19]，而美國燃油火力發電廠的碳濃度則為

1,672 lb/MWh （758 kg/MWh or 211 kg/GJ）-[20]而美國的燃氣火力發電廠之嘆濃

度為 1,135 lb/MWh （515 kg/MWh or 143 kg/GJ）[21]。

政府間氣候變遷委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC）表

示，二氧化碳是溫室氣體，在大氣內所增加的量將「很可能」在全球範圍上導

致更高的平均溫度（全球暖化）；關注於此種的暖化將有改變全球氣候的潛在

性，政府間氣候變遷委員會（IPCC）建議全球要大幅地砍除二氧化碳的排放[22]。

透過更有效地、更高的燃燒溫度，及透過在循環內更有效率地產生電力，

可能可以降低排放，對於燃煤火力發電廠進行二氧化碳的捕捉與儲存（Carbon

Capture and Storage, CCS），是另外乙種的替代方案，但是此技術仍然還在發展

之中，且將會增加以化石燃料為基底來產生電力的成本，二氧化碳的捕捉與儲

存（CCS），可能在經濟上並不可行，除非排放二氧化碳到大氣中的價格上漲。

顆粒物質：

另外一個與燃燒煤有關的問題，是顆粒的排放對於公眾的健康有嚴重的衝

擊。發電廠使用袋濾室，或是靜電集塵器來將煙道氣予以移除，幾座比較新的

發電廠，使用不同的處理（程序）來燃燒煤，整體複化氣體循環，其中合成氣

體是在煤與氣體之間做出一個反應。合成氣體被加工（處理）以移除大部分的

汙染物，然後最初的用來推動燃氣窩輪機。然後來自燃氣渦輪機的熱廢氣，則

用來產生蒸汽以推動蒸汽渦輪機。如此工廠的汙染程度，將大幅地低於那些「經

典」燃煤火力發電廠[23]。

來自燃煤發電廠的顆粒物質，將會是有害的，且對健康具有負面影響，研

究已經指出暴露於顆粒物質與呼吸及心臟死亡的增加有關係[24]，刺激肺部中的

小氣道，導致增加哮喘、慢性支氣管炎、氣道阻塞及氣體交換問題的增加[25]。

有不同類型的顆粒物質，視其化學成份與尺寸大小而有所不同，來自燃煤

發電廠的顆粒物質，其主要形式為煤飛灰，但是次要的硫酸鹽與硝酸鹽亦包含

於來自燃煤發電廠顆粒物質的主要部分[25]。煤飛灰，是煤已經燃燒後的剩餘

物，所以它是由煤碳內所發現之不可燃物所組成[26]。

這些顆粒（粒子）的尺寸大小與化學成份，影響著其對人類健康的影響[24]

[25]。目前，粗（直徑大於 2.5 m）及細（直徑介於 0.1 m 與 2.5 m 之間）的顆

粒有被監管，但超細顆粒（直徑小於 0.1 m）目前則未予以監管，但是它們帶來

很多的危險[24]。但不幸地是目前仍然不知道哪一種顆粒物質會帶來最大的危

害，因此很難拿出是當地法規來監管顆粒物質[25]。

有幾種方法可以協助降低來自燃煤火力發電廠所排放的顆粒物質，粗略地

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約有 80%的灰掉落到灰漏斗，但剩下的灰然後被攜帶到大氣之中而變成煤飛灰

[26]。減少這些顆粒物質排放的方法包括：濾袋間/袋集塵室、靜電集塵器（Elec-

troStatic Precipitator, ESP）及漩渦除塵器。

濾袋間/袋集塵室，有一個細濾袋收集灰顆粒，靜電集塵器使用電磁場在高

壓板（片）上補陷灰顆粒，而漩渦除塵器則使用離心力將顆粒補限於牆壁上[26]。

乙份最近的研究指出，來自中國化石燃料火力發電廠所排放的硫，可能會造成

在全球化上的十年風歇（1998-2008）[27]。

放射性微量元素：

煤是沉積的岩石所形成，主要來自累積的植物物質，且它包含很多的無機

礦物與元素，在行程的過程中與有機物質一起沉積，作為地球地殼的剩餘部分，

煤亦含有少量的鈾、釷，及其他自然發生的放射性同位素（釋放進入至大氣中

而導致放射性汙染）。當這些物質以非常小之微量雜質而存在的時候，燃燒足

夠量的煤則這些物質將會被釋放出來。一座 1,000 的燃煤火力發電廠，每年可能

已經受控制的釋放多達 5.2 立方噸的鈾（含有 74 磅（34 kg）的鈾 235），及每年

12.8 立方噸的釷[28]。在比較上，一座的核能發電廠每年將會產生約 30 立方噸的

高量放射性的固體包裝廢棄物[29]。那是在 1982 年期間所估算的，美國燃燒煤

釋放 155 噸未受控制的放射性物質至大氣之中，與三哩島事件一樣多的量[30]。

介於 1937 與 2040 年間來自全球燃燒煤所導致的集體放射性，估算約為 2,700,000

居禮或 0.101EBq[28]。在正常的運轉期，來自燃煤火力發電廠的有效等效劑量是

來自核能發電廠的 100 倍[28]。正常的運轉，然而是乙個做為比較的矇騙基線：

就單獨車諾比核能電廠慘劇所釋放出來的，就單獨碘-131 就估算為 1.76 EBq 的

放射能[31]，來自一個世紀內所有燒掉的煤之總排放量超過此值一個量級；而碘

131 是主要的放射性物質，在意外的狀況下跑出來，半衰期為 8 天。

煤灰所造成的水及空氣污染：

發布於 2010 年 8 月由環境完整性計畫、賽拉俱樂部及地球正義等組織所贊

助的研究，檢驗在美國各州的污染資料，燃煤火力發電廠所產生的煤灰傾倒在橫

跨 21 個美國州，已經以有毒元素汙染地下水，汙染包括毒化物砷和鉛[32]。砷已

經造成皮膚癌、膀胱癌、肺癌，並導致神經系統的損壞，煤灰污染亦與呼吸系統

疾病及其它健康與發展問題有關連，且已擾亂當地水生生物[32]，煤灰也釋放不

同的有毒汙染進入附近的空氣，對那些呼吸於暫時性煤塵的人造成健康威脅[33]。

目前，美國環保署並未監管煤灰的處置，各州和電力行業一直在遊說來維

持現狀，大部分的州，對於煤灰傾倒位置附近的飲水並不需要加以監測，此研

究發現額外有 39 個受汙染的美國位置，並做出結論：因煤灰在美國所造成的水

～56～

汙染問題，遠比已經估計的還要廣泛。此研究也指出橫跨美國的 137 個地下水位

置，是受到燃煤火力發電廠所產生之煤灰所汙染[32]。

汞汙染：

美國政府的科學家對於 291 條位於受到汞汙染鄉間溪流中的魚進行測試，它

們在每一條測試的魚身上發現汞-依照美國內政部的研究，它們甚至在偏遠鄉間

水路中的魚身上發現汞，所測試的魚之中，有 25%的其身上的汞含量已經超過

美國環保署對於定期食用魚的人所決定安全含量。在美國，汞汙染的最大來源

是以煤為燃料的火力發電廠所排放[34]。

六、 環境衝擊改善

當了解電廠會對環境帶來衝擊之後，必然伴隨著如何減少對環境的衝擊，以

下針對化石燃料火力發電廠的綠化、低氮氧化物燃燒器、淨煤及汽電共生加以說明：

化石燃料火力發電廠的綠化：

進一步資訊：零排放的化石燃料火力發電廠，對於改善化石燃料火力發電

廠之排放（問題）有幾個已存在的方法，一個常常使用到的成本效益方法，是

將乙座發電廠轉換成燃燒不同的燃料，包含生物質量與廢棄物的轉換。轉換成

燃燒廢棄物的火力發電廠，所得到的利益是減少垃圾掩埋場[35][36][37]。此外，

燃燒廢棄物的火力發電廠可以配備資源（材料）回收，對環境也是有益處的。

在某些例子中，生質的烘培可能是需要的，如果生質是材料的話則轉換後將可

以被化石燃料火力發電廠使用[38]。

增進燃煤火力發電廠的能源效能的同時，亦要降低排放，舉例來說，可以

藉由升級現存的發電廠或建造高效率、低排放的發電廠來降低排放。在相同的

負載狀況下運轉的話，如此的發電廠所排出來會少 20%的二氧化碳。從長期來

看，英國德文郡（Devon）的 HELE 發電廠能夠進一步地促進降低排放，因為燃

煤發電廠運轉於最高的效率，也是碳捕捉與儲存改造的最適當選項[39]。

無論轉換與否，一個真正的低碳化石燃料火力發電廠實現碳捕捉與封存，

意味著二氧化碳將不被釋放到環境之中，且化石燃料火力發電廠變成無排放的

火力發電廠。在 2006 年，碳捕捉與封存的化石燃料火力發電廠範例，如丹麥靠

近 Esbjerg 的 Elsam 實驗性火力發電廠[40]。

低氮氧化物燃燒器：

在化石燃料火力發電廠中常見的改造（裝修），是將原來的燃燒器更換為

低氮氧化合物的燃燒器，仔細考慮流體力學和火焰熱力學，使得大幅度減少火

焰溫度，導致氮氧化物的形成減少。

～57～

淨煤：

淨煤，是一種處理將煤以化學方式洗淨，洗掉礦物質與雜質，有時候氣化，

燃燒並以蒸汽來處理煙道氣，目的是要去除二氧化硫，重新燃燒而使得煙道氣

中的二氧化碳能夠經濟上可以回收。煤業使用「淨煤」這個名詞來描述此技術，

在設計上是要提高採煤、準備與使用的效率與環境的可接受性[41]，但是在任何

排放沒有提供具體的數量限制，尤其是二氧化碳。而像硫或汞等的汙染物可以

從煤身上加以去除，而碳則無法有效的加以去除，而仍然留下有用的燃料，而

不具碳吸收和儲存之潔煤發電廠則無法顯著的減少二氧化碳排放。

James Hansen在致歐巴馬總統的乙封公開信中，曾主張「暫停和逐步淘汰不

捕集和封存二氧化碳的燃煤發電廠」。在 Storms of My Grandchildren 書中，相同

地，Hansen 討論他的公僕精神第一條宣言，要求暫停不捕集和隔離二氧化碳的

燃煤發電廠[42]。

汽電共生：

熱電聯產（Combined Heat and Power, CHP），也稱之為汽電共生，是使用一

座火力發電廠來提供電力並處理熱或區域供熱，當拒絕高於正常溫度的熱，能

夠使建築物加熱而降低整個發電廠效率，而額外的油耗將由減少要用來加熱建

築物的化石燃料來加以抵消。舉例來說，此技術被廣泛地運用在丹麥、其它納

部分的維亞國家及德國等。計算顯示，小型汽電共生（Combined Heat and Power

District Heating, CHPDH）是最便宜的降低碳排放方法[43]。

七、 化石燃料火力發電廠的備選方案

根據美國2014年的發電類型[44]分析，化石燃料火力發電廠的備選方案，包含

核能發電、太陽能發電、地熱發電廠、風力發電、潮汐發電、水力發電及其它再

生能源（請參考無碳經濟）。這些其中的某一部分，是已經在工業規模上經過驗

證的技術（亦即核能、風力、潮汐及水力），其他的仍然在原型形式。

核能發電與地熱發電，因將熱能添加到本來不會被釋放的生物圈，所以可能

會被歸類成熱汙染。在生物圈內能量轉換的淨含量，因為採用風力發電、太陽能

發電、潮汐發電、水力發電等屬於靜態的，且是衍生自陽光及月亮與星球移動的

效果。

一般而言，由非燃燒化石燃料發電廠所產生的電能，其成本將會比燃燒化石

燃料的成本還要高。然而，這樣的說法僅是包含產生電力的成本，並未將很多因

為燃燒化石燃料所產生的汙染有關之非直接成本計算進去，亦即因細微煙霧顆粒

所造成呼吸疾病，所增加的住院費用。

～58～

按生產源的相對成本比較時，習慣於從發電機端以後來開始計算發電的成本，

考慮幾個主要因素，如接線等的外部成本，對於每個發電廠在配電電網上的影響，

是單獨地考慮成額外的成本；相對於在配電端的發電成本及影響分別視為在終端

支付額外費用來計算的功率成本，考慮的初始因素為：

資金成本，包含廢物處理及核能電廠的退役成本。

運轉與維護成本。

化石燃料與生質源的燃料成本，對於廢棄物可能是負的。

很像每年運轉小時或負載因素，對風力發電可能低至30%而核能則高達90%。

抵銷賣熱（能），舉例來說，熱電聯產集中供熱（汽電共生），這些成本

發生在化石燃料火力發電廠使用壽限的30~50年之間，使用貼現現金流量。在一般

大型的化石發電廠中，是吸引人的-因為它們的初始資金成本低-通常是每 kW相較

於陸上風力發電便宜將近一倍。

參考文獻

Brad Buecker （2002） , Basics of boiler and HRSG design, p.59, ISBN

0978-0-87814-795-3

"Elements of Workshop Technology", S Hajra Choudhury, Nirjhar Joy

"Charles Camp; Department of Civil Engineering. PCA Manual" （PDF）. University

of Memphis, Herff College of Civil Engineering. Retrieved 8 January 2013

"ELECTRIC GENERATION EFFICIENCY: Working Document of the NPC Global Oil

& Gas Study" （PDF）. Highbeam Research. Retrieved 18 July 2007

Avedore Power Station from the web page of DONG Energy

GE Power's H Series Turbine

Gerhardt, Tina （1 November 2012）. "Record Number of Coal Power Plants Retire".

E-Magazine

Electric Power Monthly, March 2011 （released May 2012）, U.S. Energy Information

Administration

http://www.eia.gov/todayinenergy/detail.cfm? id=2070

cite web |first=Rachel |last=Nuwer |title=A 20-Year Low in U.S. Carbon Emissions |url=

http://green.blogs.nytimes.com/2012/08/17/a-20-year-low-in-u-s-carbon-emissions/ |

date=August 17, 2012

http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2014.pdf%

7Cpg24

～59～

SEC Mohave Generation Station Retrieved 24-07-2008

World Outlook 2004 （PDF）, Paris: IEA, 2004-10-26, p. 31, ISBN 92-64-10817-3,

retrieved 2006-06-13

"Carbon Dioxide Emissions From Power Plants Rated Worldwide". Science News.

2007-11-15. Retrieved 2008-01-29.

Air pollution from electricity-generating large combustion plants（pdf）, Copenhagen:

European Environment Agency （EEA）, 2008, ISBN 978-92-9167-355-1

http://thephoenixsun.com/archives/6548

"Sources Climate Change". US EPA. 2012. Retrieved August 26, 2012

"Electricity Sector Emissions Climate Change". US EPA. 2012. Retrieved August 26,

2012

US EPA Clean Energy-Coal

US EPA Clean Energy-Oil

US EPA Clean Energy-Gas

Solomon, S.; et al. （2007）. "Summary for policymakers" （PDF）. A report of

Working Group I of the Intergovernmental Panel on Climate Change. IPCC. Retrieved

24 March 2010

Committee on Benefits of DOE R&D on Energy Efficiency and Fossil Energy, US NRC

（2001）, Energy research at DOE: was it worth it? Energy efficiency and fossil energy

research 1978 to 2000, National Academies Press, p. 174, ISBN 0-309-07448-7

Nel, A. （2005, May 6）. Air Pollution-Related Illness: Effects of Particles. Science,

308（5723）, 804-806

Grahame, T., & Schlesinger, R. （2007, April 15）. Health Effects of Airborne

Particulate Matter: Do We Know Enough to Consider Regulating Specific Particle

Types or Sources?. Inhalation Toxicology, 19（6-7）, 457-481

Schobert, H. H. （2002）. Energy and Society. New York: Taylor & Francis, 241-255

Washington Post 7-5-2011|http://www.washingtonpost.com/blogs/capital-weather-

gang/post/new-study-blames-10-year-lull-in-global-warming-on-china-coal-use-air-

pollution/2011/07/05/gHQAwjV8yH_blog.html

Coal Combustion: Nuclear Resource or Danger? by Alex Gabbard, ORNL Review,

Summer/Fall 1993, Vol. 26, No. 3 and 4

Thompson, Linda. "Vitrification of Nuclear Waste". PH240 - Fall 2010: Introduction to

the Physics of Energy. Stanford University. Retrieved 10 August 2014

～60～

Physics.ohio-state.edu

"Fukushima radioactive fallout nears Chernobyl levels". Newscientist.com. Retrieved 24

April 2011.

"Study of Coal Ash Sites Finds Extensive Water Contamination" McClatchy; also

archived at: commondreams.org

EarthJustice news release, 2010 Sept. 16, "New Report-Coal Ash Linked To Cancer and

Other Maladies; Coal's Waste Is Poisoning Communities in 34 States" Earthjustice.org

and Physicians for Social Responsibility, "Coal Ash: The Toxic Threat to Our

Communities and Our Environment" 2010 September 16, earthjustice.org

nytimes.com "Mercury Found in Every Fish Tested, Scientists Say" New York Times,

2009 Aug. 19

Coal to biomass power plant conversion

Coal to biomass conversion by Georgia Power

Conversion of coal to waste-fired power plant

Torrefaction of biomass sometimes needed when using biomass in converted FFPS

Barnes, Ian （March 2015）. "Upgrading the Efficiency of the World's Coal Fleet to

Reduce CO2 Emissions". Cornerstone

ENS （March 15, 2006）. "Europe Tests Carbon Capture at Coal-Fired Power Plant".

Environment News Service. Retrieved 15 July 2012

AustralianCoal.com.au-Clean Coal Overview Archived December 7, 2007 at the

Wayback Machine

Hansen, James （2009）. Storms of My Grandchildren. London: Bloomsbury

Publishing. p.242. ISBN 1-4088-0745-9

Claverton-energy.co.uk

http://www.eia.gov/electricity/monthly/epm_table_grapher.cfm? t=epmt_1_01

～61～

燃煤鍋爐空氣預熱器線上高壓

水洗系統簡介

邱士展

一、 前言

鍋爐空氣預熱器長時間運轉後，熱元件會有積灰堵塞現象，若該鍋爐為符合

氮氧化物排放的需求而增設 SCR 選擇性脫硝觸媒反應器，將更容易發生所謂硫酸

氫銨堵塞的情形。

空氣預熱器一旦發生堵塞則鍋爐通風力受影響，於相同鍋爐出力前提下，將

致送風機、引風機、一次風扇耗用電力增加，鍋爐燃氣出口溫度上升等負面影響，

嚴重時鍋爐被迫減載運轉。

空氣預熱器堵塞時於目前係採用低壓水洗方式，惟須於鍋爐停止運轉或鍋爐

降至50%負載以下，停止一組送風機、引風機之所謂單邊通風系統運轉下進行，發

電機組發電量因而減少，影響發電機組容量因素及經濟效益。

本報告係一大型發電鍋爐為改善上述問題，引進所謂線上高壓水洗設備，可

在機組不停機或不降載單邊通風系統運轉的情況下進行水洗。根據實績顯示，確

有改善空氣預熱器因煤灰或硫酸氫銨堵塞功能。目前已有諸多鍋爐安裝此線上高

壓水洗設備，本項技術如果能夠更成熟地發展，對於鍋爐運轉穩定及經濟效益必

有極大的幫助，因而特撰本稿供業界先進參考並期不吝指教!

二、 空氣預熱器及其堵塞原因介紹

典型燃煤鍋爐空氣預熱器位於鍋爐的出口端，其功用為利用特殊的金屬材料

元件，將爐膛排出的燃氣熱量吸收，再藉著連續迴轉的方式，將吸收到的熱量，

加熱進入空氣預熱器另一側的冷空氣。這些無數旳金屬元件，排列整齊的被填塞

在轉子半徑四周分隔成的扇型籃框中，被稱為轉子。而外殼包圍轉子的架構，由

兩端裝有連結導箱，同時還有徑向氣封片及圓周氣封片的裝置，構成一良好的氣

封系統。空氣預熱器的一半通道為空氣通路，另一半為燃氣通路。當空氣預熱器

轉子慢慢的迴轉，燃氣和空氣交互流過的金屬元件，一方面吸收熱量，再將儲存

的熱量交換給流經空氣預熱器另一側的冷空氣，經交換後，溫度上升的空氣，就

被送進爐膛，作為燃燒用空氣及輸送與乾燥粉煤用。

空氣預熱器位於鍋爐的出口，此處煙氣和熱元件金屬壁溫較低，而且燃煤產

～62～

生的煙氣含灰量較多，容易出現堵灰問題。且現在的燃煤鍋爐為了符合環保要求，

大都在上游裝置 SCR 脫硝裝置。SCR De NOX 之原理乃是利用在觸媒反應器之催化

作用下，還原劑 NH3只選擇與煙氣中的氮氧化物 NOX 反應，不會與煙道氣其他氧

化物反應。其化學反應式為：

Ⅰ.NO、NO2 與 NH3 反應產物（反應溫度 180～570℃）

4NO + 4NH3 +O2→ 4N2 +6H2O

6NO + 8NH3 +O2→ 7N2 +12H2O

Ⅱ.未反應之 NH3與煙氣中之過剩氧反應（反應溫度450℃↑）

4NH3 + 5O2→ 4NO + 6H2O

4NH3+ 3O2→ 2N2+ 6H2O

2NH3 + 2O2→ N2O + 3H2O

Ⅲ.未反應之 NH3與煙氣中之 SO2氧化成 SO3反應（反應溫度210℃↓）

SO2 +1/2O2→ SO3

2NH3 + SO2 + H2O → (NH4)2SO4 硫酸銨

NH3 + SO3+ H2O → NH4HSO4 硫酸氫銨

圖 1 空氣預熱器外形及各部名稱

～63～

對於裝置 SCR 後的空氣預熱器，因為脫硝觸媒在脫硝過程中，會將煙氣中部

份的 SO2轉變成 SO3，如果脫硝反應不完全時，未反應的 NH3（稱為逸失氨或 NH3

SLIP）和 SO3反應形成黏稠性的硫酸氫銨（Ammonia bisulfate，簡稱 ABS）。而一般

發電燃煤鍋爐NH3SLIP量設計為3～5PPM，此SLIP量在煙道中部份會被煤灰吸收，

實際檢出量約在1～4PPM。因空氣預熱器煙道側溫度，由360℃降為150℃，跨越硫

酸氫銨NH4HSO4之生成溫度，故其會生成而附著於空氣預熱器中，而使堵塞加劇。

空氣預熱器堵塞的影響主要在：增加風煙道阻力，使空氣預熱器洩漏率增加，

並導致風機電流上升、能耗提高，廠內用電增加；如果空氣預熱器堵灰不均勻，

差壓波動，將導致一、二次風壓、風量的波動，可能引起風機喘振（Surge），嚴

重時使機組無法滿載運轉，或被迫停機檢修，對設備長期運轉及機組效率造成影響。

根據 ABB 之試驗結果，在能達到預期脫硝效果，NH3SLIP 量愈低，則 AH 須

停車水洗之頻率則愈低。當控制在 1PPM 以下時,可以確保運轉超過一年，不會有

AH 阻塞現象。

圖 2 NH3SLIP 量與 AH 須停機水洗時間關係

三、 空氣預熱器線上水洗技術介紹

由於 ABS 為水溶性，因此空氣預熱器發生堵塞後可採取水洗方式來改善。早

期機組必須停機停爐，在常溫下以大量低壓水沖洗空氣預熱器。因為 ABS 為酸性

的化合物，因此在水洗過程中，當檢查水洗廢水的酸鹼值達到中性時（通常pH>6），

則被判斷大部份的ABS已清除。對於一座550MW的燃煤發電鍋爐，這種水洗方式

至少要停機3天，造成的發電損失極大。

～64～

另一種方式是為了改善龐大的發電損失，將鍋爐出口一側空氣預熱器隔離，

另一側維持運轉。隔離的空氣預熱器冷卻至一定溫度後，再進行水洗。如此可以

維持將近一半的負載，減少發電的損失。

有鑑於 SCR 普遍安裝，空氣預熱器的堵塞情形已無法避免。空氣預熱器製造

廠家也都積極研究在不降載下進行空氣預熱器的清洗，例如 HOWDEN 的 EnerjetTM

沖洗系統及AVROS（原ASTOM）的OSW（On-line Stream Washing）。以HOWDEN

的EnerjetTM線上清洗系統為例：利用高壓力低流量的水（通常可達30MPa）作為沖

洗介質，透過高壓槍管及高壓噴嘴成為針狀的水柱，在鍋爐滿載的運轉狀況下，

由空氣預熱器的冷端注入，垂直往上仰洗。由於空氣預熱器需先透過吹灰將積灰

清除，再利用高壓清洗系統將堵塞物沖擊成碎片，同時被燃氣加熱乾燥（約380℃），

然後通過空氣預熱器排出，因此不會再次粘著。

圖 3 HOWDEN EnerjetTM 線上清洗系統

以一部550MW 發電量的燃煤鍋爐來說，如果停機3天進行空氣預熱器水洗，

發電損失達3,960萬度；如果採用降載方式水洗，負載降至200MW，合計降載時數

24小時，發電損失仍有840萬度；但如果採用高壓線上水洗，則沒有發電損失，因

此對於空氣預熱器經常堵塞、水洗頻率高的機組而言，將是一個值得投資的選項。

～65～

表 1 各種水洗方式的比較

時間 停機 3 天 降載 24 小時 高壓線上水洗

水壓 0.5MPa 0.5MPa 30MPa

用水量 3,000 噸 3,000 噸 120 噸

廢水處理 需要 需要 不需要

發電損失 3,960 萬度 840 萬度 --

空氣預熱器的高壓沖洗系統並不是一套複雜的系統，其主要設備包括：

高壓水沖洗裝置

通常沖洗裝置是結合半伸縮式吹灰器採雙介質設計或單獨設置，利用

高壓水作為沖洗介質，配設高壓水槍管以及高壓水噴嘴，使其可實現線上

水沖洗，即可以在鍋爐停機、滿載時進行高壓水洗，或者通過隔離單台空

氣預熱器、降低鍋爐負載的方式進行線上隔離沖洗。

高壓水泵

配置壓力可達 30MPa的高壓水泵，提高沖洗壓力以達到更好的沖洗效果。

圖 4 雙介質的清洗裝置示意圖

圖 5 單獨設置的高壓水沖洗裝置外觀 圖 6 高壓清洗泵

～66～

高壓水管路

包括水泵出口至沖洗裝置之間的所有管路閥門、邏輯程式及安裝附件。

電控設備及控制程式

沖洗系統具備控制節點和沖洗程式，便於操作及監控。整套電控元件

可提供現場或遙控操作，以達到線上沖洗目標。

然而大多數的電廠對於在正常運轉下的空氣預熱器進行線上水洗的可靠性，

仍存有疑惑：主要是線上高壓水洗是否會對轉子和熱元件造成潛在的影響。由於

線上高壓水洗採取高壓力低流量的方式，沖洗壓力高達30MPa，高壓清洗水和冷端

熱元件的溫差約為40-50℃（以水溫30-40℃，冷空氣及燃氣出口平均溫度為冷端熱

元件溫度80-90℃計算），因沖洗水量僅150-200L/min，沖洗時僅通過約50mm*100mm

小面積，廠家認為不會對AH轉子造成明顯的變形，轉子發生“淬火”的可能性非

常小。

另外，依據 ISO-4530 搪瓷琺瑯加熱片品質測試與標準，搪瓷琺瑯加熱片須通

過熱衝擊性測試：即在熱風式烤箱加熱到350℃保持 10分鐘，取出並在5秒內投入

15℃至 20℃水中，必須完全浸入水中至少 30 秒，取出擦乾並冷卻到室溫，重複三

次冷熱循環完成，樣品表面目視不能有龜裂、脫落現象。因此理論上冷端的加熱

片亦不會因高壓水洗發生淬裂。HOWDEN 表示至少在已經應用該方式的電廠，還

沒有收到轉子淬裂、變形或磨損的案例的類似回饋。

線上沖洗時，HOWDEN 建議鍋爐負荷應大於70%額定負載，目的是保證進入

空氣預熱器的沖洗水能充分汽化、減少煤灰在煙道沉積以及確保後續設備的安全

運轉；在對集塵器的影響方面，根據目前 HOWDEN 已經進行線上沖洗電廠的經

驗，無論是靜電集塵器、濾袋式集塵器，均沒有受到影響，也沒有出現除塵器排

灰系統堵塞的問題。而對排氣溫度的影響，經過理論計算和實際的運轉經驗，EnerjetTM清洗系統線上沖洗時，排氣溫度大約下降15～20℃；沖洗完成後，隨著熱效率的

提高，甚至可使排煙溫度下降。然而，如果堵塞嚴重或高壓水無法有效穿透時，

排氣溫度的下降就沒有預期的多了。

熱元件也是影響高壓線上水洗的關鍵。目前廣泛使用DU型熱元件吹灰時會產

生偏流且通道較窄，新式的 ARVOS 的 DUN 型熱元件以及 HOWDEN 的 HC 型熱元

件因相鄰之凹痕浪板相交叉而形成一個通道，可消除偏流和導引吹灰氣流，使吹

灰空氣可以直接穿越過熱元件，減少吹灰介質之能量損失，並可在最小壓力降下

得到最佳的熱傳效果。因此，在設置線上高壓清洗設備時，也必須同時考慮進行

加熱元件的更換，以得到較佳的清潔效果。

～67～

依空氣預熱器的大小，每個水洗循環可持續 2～4 個小時，且高壓水洗程式允

許連續的水洗循環。依照廠家經驗，為了達到最終潔淨狀態下的壓降，可能需重

複高壓水洗循環才能完成。尤於每次線上高壓水洗都是在滿載下進行的，除考慮

排水及灰斗溢滿的問題外，水洗持續的時間無關緊要，因為水洗程序對鍋爐輸出

和可靠度沒有任何影響。

位於西班牙東北部 Teruel 電廠包含 3 座 350MW 的機組，由美國 FOSTER

WHELLER 設計。該廠燃用當地低等褐煤礦，但褐煤含硫量高達 7%，與進口煤混

合後含硫量約為 4%。電廠燃燒高硫煤，導致空氣預熱器在惡劣的環境中運轉時快

速堵灰。一旦空氣預熱器發生了嚴重的堵灰，就很難用正常程序的吹灰方法進行

清潔。HOWDEN 公司在該廠裝設高壓線上清洗系統，在空氣預熱器冷端配備雙介

質的吹灰及清洗裝置。2005 年，電廠在滿載下完成線上高壓水洗，高壓水洗後，

壓降降至1.1 ～1.4kPa。

圖 7 DUN 和 HC 波形熱元件可消除偏流

～68～

圖 8 西班牙 Teruel 電廠空氣預熱器高壓線上清洗前後性能曲線

四、結語

從Teruel電廠的實際應用，廠家認為空氣預熱器線上高壓水洗是安全、可靠和

可有效的降低熱元件堵灰風險的手段。據稱目前高壓清洗系統已經有數十個機組

的安裝實績，高壓線上清洗技術已是經過測試可以使用的技術，其亦可與現有的

吹灰器整合，在不停機或降載下進行熱元件的清理。高壓清洗系統解決了低壓水

洗需要降載或停機的發電損失及處理大量的廢水，投資此系統在正常情況下，可

在一年內回收，如與新型的熱元件結合，可以得到更大的清洗效果，對鍋爐的長

期運轉和降低廠內用電等方面均有重要貢獻。

～69～

低溫廢熱再利用的機會

固態熱電發電技術

林育立、葉建弦、莊瑞誠、陳奕瑞

工業技術研究院 綠能與環境研究所

摘要

能源是燃燒設備使用期內主要成本支出項目，遠高於設備投資，因此有效利

用能源，包括提升燃燒端效能以及減少熱損失等，是節省成本最重要的項目。目

前政府積極推動工業節能措施，包括能源大戶年節電1%規範、廢熱回收設備補助

方案等，希望能有效鼓勵或促進廠商投入節約能源工作，長期而言不但能節省廠

商能源費用支出，同時也能直接對於國家整體能源使用量、環境污染控制、帶動

新興產業發展等方面產生正面效益。固態熱電技術為少數適合運用在低溫（小於

300℃）廢熱發電的技術，近年來在節能減碳議題發酵之下逐漸受到各國重視，並

開始在汽車與工業廢熱利用等方面展開驗證與商業活動。本文簡介固態熱電技術

之原理、運用方法與實績，作為燃燒設備業者未來導入能效改善工程或發展新產

品之參考。

一、前言

由於能源短缺問題日益嚴重和全球氣候的劇烈變遷情形下，節約能源技術逐

漸受到廣泛的高度重視，並且已成為國際間熱門的生存發展議題。美國、日本、

中國及歐洲等國家都投入大量的資金和人力開展基礎與應用研究，以法令和補助

的方式推動新能源技術，期望獲得重大進展，並造就潔淨和永續經營的環境。能

源的使用不外乎光、熱、電的相互轉換，在光直接轉電的太陽光電技術已蓬勃發

展之後，熱直接轉電、而非透過傳統機械力轉換的發電方式，是一個可以被理解

並探討的議題。

事實上現今人類能源利用仍以熱能呈現居多，佔總能源使用的 90 %之多，而

由於所有的能源使用後的最終殘餘形式都是熱能，因此『廢熱』必然存在。工業

是我國最大的能耗部門，因此所產生的廢熱規模也相對龐大。根據台經院在民國

100年針對我國製造業和發電部門的能耗調查，我國工業廢熱在不同溫度區間的分

佈如圖 1 所示，並推估在 400℃以下低階廢熱（已經過一次回收程序或無法再回收

而排放者）的總能量相當於 8,500千公秉油當量，相當於當年度工業總能耗（含電

～70～

力）43,160千公秉油當量的20%。廢熱固然不能直接等於可以被使用的有效能源，

但在此主要可突顯出工業部門的能源使用上，若能有積極的改進成效，將對國家

能源供應體系產生顯著影響。

圖 1 不同溫度範圍內工業廢熱量比例圖

（資料來源：區域能源整合調查與策略建議，台經院，民國 100 年）

從另一角度來解析：若將工業低階廢熱換算成為電力單位『度』來計量時（一

度電能量約等於861千卡），則接近900億度電。以台電公司一年發電量約2,100億

度電來比較，當年度低階工業廢熱的能量相當45%的台電發電量，已龐大到可視為

是一種「熱能礦藏」。由於電力並非初級能源，在多數情況下是透過初級能源（天

然氣、煤礦等）轉換而得，因此取得的成本自然高於一般熱能，更遑論利用低階

廢熱來轉換出電力的程序。儘管低階廢熱和電力不能直接比擬，更不可能全轉換

成為電力，但若能在該「熱能礦藏」當中發掘出一條新的供電道路，必能降低我

國未來所可能遭遇的電力供需風險。

以目前的技術發展現況來看，較有機會作為低階廢熱發電的技術主要有兩種，

一種是利用低沸點工作流體驅動的有機朗肯循環技術，效率較高，佔地較大；一

種是利用特定材料直接將熱能轉為電能的固態熱電技術，效率相對較低，但空間

限制也較小。受技術特性限制，通常前者傾向於運用在 50 千瓦以上發電規模，後

者則在此範圍以內，甚至低到微瓦等級。由於許多工業現場空間較為侷限，不容

～71～

易額外放置體積較大的設備，因此較無空間限制的熱電技術有機會實現較佳的滲

透率，成為多類型熱源再利用的利器。

本文旨在介紹固態熱電發電技術特性以及目前產業應用狀況，以供燃燒設備

產業應用與開發新產品之參考。

二、固態熱電技術簡介

固態熱電（可簡稱熱電, Thermoelectric）是一種沒有運動行為的能源轉換技術，

主要有兩種運作模式：發電與致冷，如圖2所示。熱電發電技術是一種與太陽光電

相似的靜態發電技術。當外在環境使『熱電材料』本身出現溫度差、進而使熱能

通過材料本體時，因材料特性而使熱能驅動出電位差，在外接負載之下即可作功

而得到『電能』，如圖2（a）所示。與發電相反的是，若對熱電材料輸入電能，則

可使其出現取熱與散熱的行為，類似熱泵的功效，如圖 2（b）所示，此可稱為熱

電熱泵現象。

(a) (b)

圖 2 熱電技術運作示意圖（a）發電模式；（b）致冷模式

固態熱電技術在實務上是以由諸多熱電材料組裝成的熱電模組為基本工作單

元，透過串併聯可擴大至任意規模，因此有相當高的裝置彈性，能廣泛應用在各

種規模的熱源上，特別是總量龐大與類型多元的工業廢熱；此外由於運作時沒有

動件，因此只要將操作溫度控制在適當的範圍內，熱電元件的壽命相當長，維護

成本低。

由於熱能直接轉換成電能在自然界當中並不是一種很常態的行為，意即並非

～72～

在沒有特定的載具或方式下就能發生，因此要使熱電技術這種最直接的能源轉換

被實現，絕非如燃燒燃料以釋放能量一般容易。目前固態熱電發電技術的熱轉電

效率較低，成本相對較高，因此多被設定在例如遠距感測器之電源供應等利基用

途上，然而透過技術與商業模式分析，預期熱電技術發電成本在系統規模放大後，

有機會接近我國市電價格。

熱電技術的內涵約可分成三個技術面向：材料、模組與系統，以下分別簡介之：

熱電材料

固體物質通常具有一種特性：容易導電者常常也容易導熱，反之亦然，例

如金屬容易導電也容易導熱，塑膠則兩種特性皆不良，也可理解成『單向』的

行為。然而，一個有效的熱電材料，卻有著迥然不同的特性：具有相對好的導

電能力以及相對低的熱傳導能力，是一種『反向』的行為。這可以從評估熱電

材料轉換效率的熱電優值（Thermoelectric figure of merit） ZT 來說明：

ZT= ·S2

T

其中S為Seebeck係數，是固體物質本身出現溫度差時、同時也會出現一定電

壓差的特性參數，也是熱電轉換效應的獨特參數；此外 為導電率、 為熱傳導率、

T為絕度溫度 [1]。ZT值越高，表示該熱電材料將熱能轉換成電能的效率越高，此

可用圖 3 來表示。圖 3 為不同熱端溫度下（固定冷端為 50℃），不同 ZT時可產生

的理論發電效率曲線，其中的卡諾循環理論效率為熱力學上溫度差作功的效率極

限，也表示熱電行為遵守相同法則，只是因為技術本質而有不同的效率特性。

以目前的技術現況，材料 ZT 值通常在 1 上下，1.5 以上多是實驗室研究成

果，尚未落實到實際商品。若以ZT=1、並假設高溫是常見的廢熱溫度 200℃（相

當於冷熱源溫差 150℃），在不考慮實際使用時的各種熱阻之下，理論發電效率

為 7.1%，也就是通過熱電材料的能源當中，有 7.1%可被轉換成為電力，其餘 92.9%

則從冷端逸散。然而實際使用時，必須將熱電材料組裝成熱電模組，當中會因為

存有相當多的介面而形成一定熱阻，因此即便有材料的特性數據，在實務使用時

並不能以材料的性質作為效能估算依據，而必須考慮後文將提到之熱電模組以及

取散熱元件特性，才能較準確地推算發電效益。

從公式上來看，欲得到高ZT值的熱電材料，可以藉由增加材料的導電率與

Seebeck 係數、或減少熱傳導率亦可。然而如上所述，一般材料的性質是『單

向』的，增加導電率的同時通常也會增加熱傳導率，因此理論上雖然所有的固

體物質都有熱電效應，但因導電或導熱行為太極端而使熱電效應不明顯。此即

熱電材料開發上最主要的門檻，故目前對於熱電材料的研究方向，重點都是在

～73～

設法讓該『反向』的效應擴大。依技術現況，有較佳熱電轉換特性的材料多為

半導體，也就是介於導體（例如金屬）和絕緣體（例如陶瓷）之間、導電和導

熱特性相對較不極端的材料。

圖 3 ZT 與發電效率關係

一般而言熱電材料主要可以依照適用溫度，區分為三個種類：低、中與高

溫熱電材料。圖 4 為各種不同熱電材料之 ZT 值與溫度關係圖[2]。

圖 4 各種不同熱電材料之 ZT 值與溫度關係圖

～74～

低溫型熱電材料，應用溫域為室溫至 300°C （573 K），其代表材料為碲化鉍

（Bismuth Telluride, Bi2Te3）合金，是目前低溫下最常使用的熱電材料系統，

長期以來也被認為是最好的熱電材料之一。碲化鉍是 50 年代以來所發現熱電

優值最高的材料，此材料的發現使得熱電模組的應用得以實現。目前商業化

碲化鉍合金 ZT 值約為 1~1.2，且已普遍作為商用熱電模組之材料。目前已有

研究單位將其 ZT 值突破至 1.5 以上[3-5]，但性能穩定性及再現性仍有待進一

步驗證。

中溫型熱電材料，應用溫域為 300°C （573 K）至 600°C （873 K），其主要發

展材料較多樣化，有碲化鉛（Lead telluride, PbTe）合金、矽基（Silicide）合金

等目前研發所得中溫型合金ZT值可達 1.2~1.7 之間，但大多仍處於研發階段。

高溫型熱電材料，應用溫域為 600°C（873 K）以上，其發展材料為矽鍺（Silicon-

germanium, SiGe）合金。矽鍺合金最早主要是應用在軍事、太空用途，例如人

造衛星，將衛星內核反應產生的餘熱轉換成電力來使用。目前有研究已將矽

鍺合金 ZT 值突破 1.5 以上[6, 7]，然由於它的應用溫域較高，在一般熱回收發

電方面已有其他技術（例如汽電共生）發電效率高於固態熱電發電，因此矽

鍺合金的熱電應用仍侷限在特殊環境。

由以上說明，低溫熱電材料是相對較為成熟且商業化程度較高者，因此目

前市面上絕大多數的熱電模組，都是採用低溫熱電材料製作。另從實際需求來

看，大部分的可利用廢熱都是在低溫熱電材料的工作範圍內，更高的溫度時尚

有其他的回收技術選項，或是可利用一些控制方式讓溫度降低到低溫熱電材料

的適用範圍。以各類鍋爐為例，標準煙氣排放溫度多不會超過 300℃，正好落在

低溫熱電材料的工作範圍；鋼鐵加熱爐的煙氣排放溫度超過 600℃，此時可先經

過空氣預熱將煙氣溫度降低後，再以熱電技術作二次回收。因此對於多數的工

業廢熱再利用方面，現階段的低溫熱電材料應該都足以應對。

熱電模組

熱電模組是由諸多熱電材料組成的一個元件，如圖 5 所示。以一般常見的市

售熱電模組為例，通常尺寸是 5cm 以內見方，厚度約在 5mm 以內，內部所含的

熱電材料長寬高通常都在 1~2mm 之間，也因此一個熱電模組內通常有數十到數

百顆熱電材料。熱電模組包含幾個組成元素（圖 6）： 熱電材料 作為主要

支撐結構、並接受熱源和冷源的陶瓷基板 連接熱電材料，使成為連通電路

的電極 將熱電材料接合在電極上的焊料 製作在材料與銲料的接觸面、

用以防止在高溫使用下產生金屬互擴散的擴散阻障層，另外還有將產生的電力

～75～

對外輸送的兩條電線（如圖 3 左邊樣品上兩線）。其中材料方面，因為考慮到電

路結構和熱流的因素，模組內通常會使用 p-型與 n-型兩種熱電材料；此外也有

使用單一種材料的模組設計法，但較少見於商業化產品當中。另需注意的是，

熱電模組使用的焊料為常見的錫合金焊料，熔點多在 250℃以內，因此一般熱電

模組的操作溫度上限常會設定在 200~230℃，以免過熱崩壞。

圖 5 熱電材料至熱電模組程序示意圖

圖 6 熱電模組結構示意圖

熱電模組使用方式相當簡單，如圖 7 所示。圖 7 的範例中，冷熱源都是流

體，例如冷源是工廠常見的循環冷卻水、熱源是鍋爐煙氣，兩者分別以熱交換

器取熱，意即將模組的冷面和熱面貼附在該兩熱交換器，以此便能使熱能從高

溫端流向低溫端，使熱電模組內出現溫差，並在外接負載之下產生電力。然而

要取得最佳熱電發電性能，也就是發電性能等於熱電材料本身的能力，實際上

相當困難，主要原因在於從冷熱源到熱電材料受熱面間，包含有熱交換器到模

組內部擴散阻障層等之間的多個介面，皆是熱阻而會造成溫度梯度，難以讓熱

電材料表面溫度等於冷熱源溫度，也就無法完全反映出冷熱源的溫度差。以目

前的商化業熱電模組水準，其效能通常是熱電材料的 80%以內，例如假設所使

用的熱電材料ZT為 1 時，則使用該材料的熱電模組等效ZT值約在 0.8 以內。由

於差異顯著，因此降低熱阻是目前熱電模組開發當中相當重要的議題。

～76～

圖 7 熱電模組使用示意圖

熱電系統

熱電系統是一個讓熱電模組使用的平台，如圖 7 所示的結構即為一例，因此

一般熱電發電系統結構主要分成三個部分：包括取熱交換器（熱端）、熱電模

組與散熱交換器（冷端）。但有些情況例如熱源為爐壁散熱時，可將熱電模組

熱端直接貼覆在該壁面上，因此未必須要取熱交換器，但多數情況下都需要散

熱交換器；另外，尚有一種取熱情況是在熱源為熱輻射時，需將熱電模組與特

定吸收材料結合，待吸收材料擷取熱輻射升溫後，再傳遞給熱電模組。這種情

況是針對溫度較高的熱源，例如鋼鐵業的熱鋼胚、水泥造紙業的旋窯等。其散

發出大量熱輻射，而熱輻射又因來源溫度高低不同而有不同波長，此時需使用

對應可吸收該波長之吸收材料，才能夠有效擷取該輻射熱。這種吸收材料與熱

電模組的結合，形式上與貼壁取熱相似，吸收材料本身也可被定義成是一種熱

交換器，因此也可以認定是一種有熱交換器的熱電系統。

除了上述硬體之外，熱電系統產生的電力，需要一電源轉換系統才能穩定

輸出。由於熱電模組輸出的電力特性，會隨著溫度差而改變，在很多情況下冷

熱源溫度並非十分穩定，此時若沒有一個依據熱電發電特性來調控輸出電力的

裝置作為介質，則後端的負載設備將很難取得穩定的電力品質，這種行為與太

陽光電十分相似。例如陰天或雲朵遮陰時，太陽光電板輸出的電壓電流都會因

為接收到的光強度改變而有變化，類似的邏輯可套用在受熱溫度變化的熱電模

組上。因此熱電系統所需要的電力控制技術，本質上和太陽光電相似，需透過

電路設計，以隨時讓發電量控制在當時條件下所能得到的最大量，此程序稱為

『最大功率點追蹤』（Maximum Power Point Tracking, MPPT），而發出的電力後

續也可以像太陽光電或風力發電一樣，透過併網器饋入電網當中供整體使用。

因此實際使用上，電力控制系統是熱電發電系統不可或缺的單元。

～77～

三、技術驗證實績

熱電發電技術已發展多年，因發電效率不高、過去能源價格偏低以及環保要

求不若現今嚴格等因素，過往以來一直未在大規模工業應用上嶄露頭角，而多在

小型的利基市場如小電力需求的感測器、戶外充電等方面緩慢發展。近年來由於

能源價格變動劇烈，加上節能減碳風潮日漸興盛，在廢熱回收領域逐漸被關注之

餘，熱電發電技術也逐漸獲得重視。

目前國際熱電發電系統研發與應用領域主要有兩個方向: 交通工具的廢熱發

電，如引擎廢熱及排氣管廢熱； 工業廢熱，包含各式工業製程之廢熱源（加熱

爐、鍋爐、高溫連續產線等）。除了此兩種主流領域外，也有以太陽光集熱與熱

電技術整合的太陽熱能熱電應用技術，但因為與太陽光電有競爭問題，距離商業

化時程仍遠。以下針對短期內較有產業化機會的交通工具以及工業廢熱兩領域作

一說明。

交通工具廢熱

由於產業特性之故，美國、韓國及歐盟國家的熱電發電系統研發主力著重

在車輛廢熱發電應用，主要原因是除了這些國家的汽車工業發達之外，車輛電

力消耗是影響油耗的重要因素，也就是改善電耗問題可反應在節油表現或符合

更高的環保法規。車輛因廢熱量多、溫度高（500°C~ 600°C）、空間有侷限性及

移動性等因素，因此相當適合應用固態熱電技術，且目前沒有其他相似可競爭

技術；另外，由於現今的汽車具有愈來愈多的電子裝備，對於車輛的電力需求

日益增加，而汽車中經由汽、柴油發電產生電力的成本高於熱電發電成本，因

此在車輛上運用固態熱電技術，以經濟價值的觀點是可行的。以目前汽車能源

使用現況，約 40 %以上的能源是以引擎廢熱及排氣管廢熱消耗掉，因此近年國

際各大車廠BMW、Honda、Ford與GM等均已投入汽車廢熱發電回收技術研發，

目標是達成 10 %以上節油效果。

此外，目前BMW、美國Gentherm公司合作開發汽車排氣管廢熱回收發電系

統（圖 8），運用於BMW X6 車款，實車測試可達到 700 瓦發電量。然而在汽車

上使用仍需克服幾個問題，如車輛行駛時產生的震動問題，容易導致各個模組

的損壞，以造成系統效能和耐用性不佳的問題。BMW 和 GM 公司皆已針對模組

與熱交換器接合性進行結構設計，以增加系統發電效能與耐用性。此外熱電發

電系統有一定重量，對於熱電發電系統加入，勢必增加汽車的油耗，這都需要

考量的。因此目前在車用熱電系統方面，主要是朝輕質化材料，以減少汽車額

外油耗負擔。此外，美國著名廠商Evident-GMZ開發出千瓦等級之汽車廢熱發電

回收技術（如圖 9），這也是目前在車載系統上最大的發電量，此系統是由 5 個

～78～

200 瓦的熱電次系統組合而成，應用在 15 L 柴油引擎的廢氣排放回收，測試結

果顯示在測試期間熱電系統的性能並無衰退的現象，也因此Evident-GMZ在熱電

發電上成功達到新的里程碑，未來此系統將會安裝於美國軍用戰車。熱電發電

系統也被應用於與汽車熱源環境相似的船舶上，日本海洋院與船舶業開發利用

引擎排氣廢熱回收發電，可提供 300 瓦額外電力，約等效提升引擎 10 %發電量。

(a)

(b)

圖 8 BMW X6 排氣管廢熱回收熱電發電系統（a）車用熱電系統；

（b）熱電發電系統安裝於底盤之照片（資料來源：網際網路資訊）

～79～

(a)

(b)

圖 9 Evident-GMZ 之 1 千瓦廢熱回收熱電發電系統（a）系統測試照片；

（b）系統構件爆炸圖（資料來源：網際網路資訊）

工業廢熱

工業部門的能源使用是多數國家能源消費的大宗項目，而且工業部門的能耗

又常是各能源消費部門當中最高者。大部分工業耗能皆以廢熱的型態存在並消散

於自然界，特別是250°C以下的工業廢熱。若能將前述廢熱有效轉換成電力，將具

有龐大的潛在價值。而將固態熱電系統應用於工業廢熱回收方面，目前是以日本

為世界領先地位，也已經有部分產業製程導入固態熱電系統，例如日本松下

（Panasonic）公司在京都市左京區的焚化廠建立了246 瓦垃圾燃燒廢熱發電示範系

統，取得了良好的實際效果（圖10）；而日本 NEDO 與 KELK 公司、JFE 鋼鐵公司

和北海道大學共同參與發展鋼胚連鑄製程的廢熱回收熱電發電技術，實際系統發

電量已達10千瓦（圖11），後續將朝100千瓦發電系統發展。

～80～

圖 10 日本京都垃圾焚化廠試用熱電發電系統（資料來源：網際網路資訊）

圖 11 JFE 鋼鐵公司建置 10 千瓦熱電發電系統（資料來源：網際網路資訊）

目前國際間最大的熱電發電系統，為美國 Alphabet Energy 所提出的產品。該

公司發表一台最大發電量25 千瓦熱電發電系統，此系統與一台1,000 千瓦發電量的

柴油發電機整合，型號稱為 E1（外觀如圖12所示）整座機組每年可節省52,500升

的柴油使用量。目前該公司採用的銷售模式是統包的方式，實地建置發電機組，

主要是希望解決顧客的兩大疑慮： 尚未驗證的技術疑慮； 設備維護。此熱電

～81～

發電系統是利用許多卡匣式的次系統所組成（如圖 13 所示），其優點在於可隨系

統容量去設計搭配適用的數量，並可快速組裝與方便維護，未來也可將此次系統

運用在不同的煙氣排放系統之廢熱回收，如：工廠的排放廢氣，運輸載具上及更

大型的柴油發電機上。

圖 12 Alphabet energy 公司的熱電發電系統（資料來源：網際網路資訊）

圖 13 Alphabet energy 公司的熱電系統配置示意圖（資料來源：網際網路資訊）

我國熱電系統應用起步較慢，近幾年來才開始有較大的工業現場驗證實績。

國內的熱電發電示範系統先驅為經濟部技術處所支持，由工研院與鋼鐵公司、石

化公司與水泥公司合作驗證的加熱爐、排煙管及水泥旋窯等百瓦級廢熱回收發電

系統；後續在經濟部能源局支持下，工研院於國內橡膠公司現場，以鍋爐蒸汽冷

～82～

凝水為熱源，於 103年完成最大發電量 1千瓦之系統（圖 14），為國內首座達千瓦

級之熱電系統實績，並於104年完成最大發電量5.03千瓦系統。此兩套系統皆透過

最大功率追蹤與電力轉換器以穩定輸出電力，另外該 5 千瓦系統也搭配併網控制

器，測試產出之電力輸配到電網的效果（圖 15）。而由於更高的發電量更符合實

際的廢熱力潛力和廠商需求，因此工研院後續將會持續擴大發電規模，以提高產

業導入的意願和機會。

圖 14 工研院在 103 年於橡膠公司現場

建置之 1 千瓦熱電發電示範系統

圖 15 三相併網型電力監測與轉換器

四、產業應用挑戰與機會

成本、穩定性、保養維護需求等，是技術可否大規模產業化的主要衡量項目。

表1簡示熱電發電技術的優缺點、機會與挑戰，其中幾個重點包括：

成本：依照研發單位以及國外業界相關資料，目前熱電發電系統可實現成本

（在最大發電量之下）約在 12~30 萬元/千瓦之間；而在廠商未公開的資訊中，

目標多設定在 3~5 萬元/千瓦（且壽命大於 10 萬小時以上）。從商業觀點來

看，兩者間巨大的差異主要在於建置規模。由於目前各國產業或研發單位僅

剛開始進行示範驗證或初期商業活動，在沒有足夠需求之下，熱電核心元件

（材料與模組）無法呈現出量產經濟規模，成本自然偏高。

效率：雖然廢熱可視為免費，但熱電轉換效率偏低仍會影響使用意願，意即

其熱能有效利用率較低，僅能將少部分廢熱轉為電力，而多數則被冷端擷取

成為更低階的廢熱，和其他技術例如效率較高的有機朗肯循環（Organic Rankine

Cycle, ORC）或單純熱轉熱（例如節煤器）的回收技術，容易遭受能源利用率

不彰的質疑。事實上這樣的想法會與成本間取得平衡，也就是最終廠商仍會

～83～

以每度電成本為何作為主要衡量標準，但若能將每度電成本降低、同時從一

定量的熱源轉換出更多的電力，接受度自然會越高。因此提升核心的發電效

率，一直都會是熱電技術發展的重點。

實證：節能技術實施的對象包括新設與既有設備，特別是針對既有設備時，

如何順利整合以發揮效益，需過驗證才能確認。熱電技術對產業而言仍相當

陌生，後續的實證作業是技術推展相當重要的一環，以便釐清可能的技術疑慮。

表 1 熱電發電技術評比

優點 缺點

‧佔地空間小，滲透容易

‧無動件，結構簡單，保養成本低

‧性能穩定，並容易預測輸出電力

‧低成本潛力(大量生產)

‧發電效率低使熱利用率較低

‧目前成本高

機會 挑戰

‧廢熱源種類與條件多，且空間限制不

一，熱電系統規模與設計彈性大，較

其他廢熱發電技術容易滲透，較容易

普及使用

‧熱電材料與模組量產後成本低，待需

求興起時有機會創造高性價比

‧熱電材料性能仍有提升空間和改良可

行性，有機會大幅降低單位發電成本

‧能源價格起伏，產業投入意願容易改

變，延遲大規模市場化進度

‧傳統冷媒驅動之低溫發電技術成熟，

效率較高且目前成本顯著較低，熱電

技術欲進入相同發電規模市場挑戰高。

‧由於實證較少，技術欲滲透到既有設

備並整合有一定難度，需克服技術與

人員觀念問題。

五、結論

廢熱在工業活動之下必然存在，因此也可視為是一種『熱能礦源』，只由於

過去國際社會的能源問題不甚緊迫，故此『熱能礦源』並不受到特別重視。然而

我國無法擺脫對於進口能源的依賴，也因此無可避免會受制國際局勢，影響能源

取得機會和成本；加上政治因素，電力供應問題將是我國經濟發展過程中必須嚴

肅面對的關鍵課題。在可見的未來當中，善用廢熱、降低廢熱排放量，並產生電

力以滿足設備所需，將會是燃燒設備節能技術發展的重要方向之一。固態熱電技

術以其容易使用、量產低成本和保養容易等特性，有機會在當中扮演重要的角色。

目前應先從系統開發層面開始驗證技術可行性，未來再透過對於材料與模組性能

的改良以進一步提升效能，始可降低固態熱電技術商業門檻，充分地在工業廢熱

回收上產生具影響力之經濟效益。

～84～

六、參考文獻

[1] H. J. Goldsmid, D. M. Rowe and B. Raton, in CRC Handbook of Thermoelectrics, Chap.

2（1995）.

[2] M. Rull-Bravo, A. Moure, J. F. Fernández and M. Martín-González, "Skutterudites as

thermoelectric materials: revisited," RSC Advances, 5（2015） 41653-41667.

[3] S. Fan, J. Zhao, J. Guo, Q. Yan, J. Ma, and H. H. Hng," p-type Bi0.4Sb1.6Te3

nanocomposites with enhanced figure of merit," Applied Physics Letters, 96 （2010）

182104-1-182104-3

[4] W. Xie, J. He, H. J. Kang, X. F. Tang, S. Zhu, M. Laver, S. Wang, John R. D. Copley, C.

M. Brown, Q. Zhang, and T. M. Tritt," Identifying the Specific Nanostructures

Responsible for the High Thermoelectric Performance of （Bi,Sb）2Te3

Nanocomposites," Nano Letters, 10 （2010） 3283-3289.

[5] W. Xie, X. Tang, Y. Yan, Q. Zhang, and T. M. Tritt," High thermoelectric performance

BiSbTe alloy with unique low-dimensional structure," Journal of Applied Physics, 105

（2009） 113713-1-113713-8.

[6] S Bathula, M. Jayasimhadri, N. Singh, A. K. Srivastava, J. Pulikkotil, A. Dhar and R. C.

Budhani," Enhanced thermoelectric figure-of-merit in spark plasma sintered

nanostructured n-type SiGe alloys," Applied Physics Letters, 101 （2012）

213902-1-213902-5.

[7] R. Basu, S. Bhattacharya, R. Bhatt, M. Roy, S. Ahmad, A. Singh, M. Navaneethan, Y.

Hayakawa, D. K. Aswal and S. K. Gupta," Improved thermoelectric performance of hot

pressed nanostructured n-type SiGe bulk alloys," Journal of Materials Chemistry A, 2

（2014） 6922-6930.

～85～

亞熱帶溫室先進節能降溫技術

徐英綺／工研院中分院

摘要

熱，是亞熱帶地區溫室最關鍵且最具挑戰性的問題之一，衍生出通風或空調

降溫設施之設置成本及能源成本問題，且須兼顧完善的植物生長環境品質，同時

需減少溫室培育成本及降低空調使用量，因此本研究團隊提出自然通風效益優化

技術及局部空調降溫技術，採用節能自然通風幫助溫室降溫，結合溫室現場氣候

量測資料庫及數值模擬分析開發自然氣流引入降溫技術，將溫室通風效率最大化，

搭配局部空調技術，以微環境技術將冷氣控制在植物生長區域中，使得冷氣空調

使用量降至最低，大幅降低空調負擔。節能溫室技術包括，針對溫室所在位置進

行氣候觀測，了解當地氣候特性與風場條件，以設計最適化之溫室自然通風及降

溫策略。本團隊所開發提升溫室高效能通風及局部空調方式，已實際實施於工研

院中興院區之溫室，並藉由實驗量測驗證其通風效率提升與實際降溫之成果。

一、前言

高緯度國家為了在冬季低溫的環境下種植作物，因此採用溫室將熱能保留在

室內，將溫室內溫度維持在作物能繼續生長的條件下，但在熱帶及亞熱帶國家所

面臨的是溫度過高的課題，亞熱帶國家的夏季高溫會使得作物的生長受到影響，

因此使用溫室隔絕外部高溫環境，並且以側天窗、遮陰網、噴霧灑水、空調等方

式進行降溫[1]，來達到作物所需的生長溫度，同時降低病蟲害的威脅。亞熱帶國

家之溫室除了提供適合溫度之生長環境外還有以下優點[2]：一、亞熱帶國家作物

的病蟲害容易蔓延與滋生，因此將作物種植於溫室，隔絕外界病源可減少農藥與

殺菌劑之使用，以有機的方式栽培作物。二、生長週期有季節性的作物，也可以

利用溫室營造人工氣候，讓作物於人造溫室內所調控的四季生長，使農作物能在

控制的時間內收成，調整產量與平衡經濟價格，以提高農產品獲利。三、特定種

類之高經濟作物，必須在特定的低溫環境生長，例如：草莓、菇蕈、蘭花等，當

自然環境無法提供此生存環境時，也必須仰賴溫室環控技術進行栽培。

溫室除了建置成本高以外，為了提供穩定的生長環境，常採取空調來進行溫

度調控，因為空調降溫的效果最好，且降溫量易於控制，因此為所有降溫策略中

最為廣泛使用的一種。但空調降溫附帶的是高成本、高耗能等缺點[3]，為了使國

內的溫室作物能夠更具有國際競爭力，降低溫室生產成本為必然的趨勢，因此降

～86～

低空調負擔為其主要目標。

為解決亞熱帶溫室高溫與耗能等問題，本團隊提出溫室建置前環境評估，開

發高效能側天窗自然通風及局部空調等節能策略進行溫室降溫。由於目前溫室設

計並未充分考量當地的氣候環境與條件，因此便無法利用在地的自然資源，以節

能方式來達到溫室降溫，因此建立溫室所在地的環境氣候模型相當重要。環境氣

候模型能夠分析此環境建立溫室之優勢與劣勢，以及未來所需採用的節能環控方

法，來善用其自然優勢條件，並針對劣勢問題進行克服，避免不必要之投資與錯

誤設計方式。藉由了解當地的季風狀況，以此評估有最大通風效率的溫室側窗開

啟方位，由於目前的溫室側窗與天窗設計並未充分進行流體力學相關學理分析，

使得溫室的自然通風效率仍有很大的改善空間，因此本研究根據學理提出溫室高

效能通風設計，並且以數值模擬進行初步驗證，再於工研院溫室進行實場量測驗

證其通風及降溫成效。

二、氣候模型

以往溫室建置並未充分考量戶外環境，也並未以利用戶外環境為方法，因此

溫室降溫必須仰賴額外降溫設施，因此造成目前溫室高耗能與高成本，若能運用

自然資源來協助溫室降溫，則能減少溫室的耗能，為了有效利用自然資源，必須

對於當地自然環境進行了長期觀測與記錄，才能得知一年四季氣候條件的變化，

並且加以利用。

在建立氣候模型上，本技術採用環境係數來呈現一年四季下，影響作物生長

之重要環境因子（溫度、濕度、日照強度）的變化，方便溫室的設計與規劃。並

且針對季風的風速與風向進行探討，以了解溫室側窗開啟方位，配合自然外在氣

流特性提高溫室的通風量，利用季風所帶來的自然通風來帶動溫室空氣循環與降溫。

環境係數

為了瞭解溫室所在地的氣候條件，我們以新竹工研院中興院區 25 館溫室外

進行長時間氣候觀測，量測溫度、濕度、照度等環境因子[4]。為了要有效的表

示各環境因子與作物最適生長環境間的關係，且不同環境因子之間能夠以相同

的單位互相比較，因此發展無因次環境係數來表示，其無因次環境係數計算方

式如下：

環境係數 = log 量測值植栽最適環境

以無因次環境係數表示的優點為，由於作物在不同的生長期會有不同的生

長需求，以草莓為例：草莓 7~11 月為幼苗生長期所需的溫度為 20~30 ℃，12 月

～87～

為花芽分化其所需溫度為 5~15℃，於果實成長期若能長時間維持 10℃果實便會

不斷成長，但溫度一旦偏高果實便會成熟，便必須採收[5]。以無因次環境係數

分析，可針對不同階段植栽最適環境需求來做調整，根據本團隊於中興院區 25

館外長期觀測當地氣候條件得到的資訊，若以溫室種植草莓為標的，其各環境

因子之環境係數趨勢如圖 1，由於草莓對於溫度此環境因子相當敏感，因此將量

測溫度最高溫代入量測值，計算最高溫度係數，與利用量測之最低溫度來換算

最低溫度係數，將此係數一併列入比較，由圖中可看出從在 11~2 月之間高溫溫

度係數高達 0.4 以上，代表環境溫度超出植栽最適溫度 2.5 倍，再可根據溫室大

小估算溫室建置冷氣設備所需噸數，讓溫室的建置設備能夠最符合經濟效益。

日照太強也會使草莓產生日燒，若在環境係數內植栽最適照度代入草莓日照上

限值，便可得知在 7 月與 9月超過草莓生長所能負荷程度，最大照度係數為 0.13，

由此可知在遮陰網之消光率需達 15%。

經過環境長時間量測與環境係數的分析，可以因應作物在不同生長時期的

需求，預先在溫室建置前完成設計，預先估計所需的耗能，並且以量化指標幫

助溫室建置評估，此氣候量測資訊也能為溫室設計，提供最節省能源的營運方式。

圖 1 全年各月份環境係數關係圖

風場特性分析

於工研院中興院區 25 館室外進行風速測量結果如圖 2，本風速量測時間間

隔為 5 分鐘，連續量測 9 個月，由此分析圖可以看出當地長時間下來風速在 1~2

m/s之間，風速相當的快，可不須加裝風扇，用自然通風已有良好的通風效果。

～88～

圖 2 溫室周圍風速量測資料

將不同月份風向分佈進行統計分析，結果如圖 3，由圖中可得知在各月份之

中東北風是主要的風向，若分析各風速級距與風向之關係，其關係圖以玫瑰圖

呈現如圖 4，由風場特性玫瑰圖可清楚看出，最大風速級距為東北方向。由此可

知溫室設計若能將側窗方向往東北方向與西南方向開啟，在風流經溫室周圍時，

可有最佳氣流引進效果，可引進較多之戶外空氣，將會有最大自然通風效率。

圖 3 季節風向分佈圖

～89～

圖 4 溫室戶外風速與風向玫瑰圖

三、通風效率優化

由於熱空氣密度較低，因此浮力效應會將熱空氣累積於溫室屋頂，加上屋頂

結構吸收輻射熱，造成屋頂溫度可能高達50~60℃，當屋頂累積的熱無法移除，便

會慢慢傳導至植物生長區，造成植栽區溫度上升[6]，若能有效改善屋頂熱堆積的

現象，將能夠有效減少空調的使用。移除屋頂熱堆積最節能的方式便是採用自然

通風，因此溫室通常具備側窗與天窗以利對流的形成，但傳統溫室設計將側窗開

至於溫室底部，利用側窗流入之冷空氣與累積於天窗之熱空氣間的溫差，來增強

對流效應。但實際探訪台灣的溫室，發現此設計下的通風效果仍無法解決溫室熱

堆積的問題，其原因為此設計的通風效率不彰。根據流體力學為改善通風效率的

方法有兩種： 提高進風量， 提高風速，由學理基礎出發本團隊提出在現有下

層側窗之上加設上層側窗，其原因為側窗面積提高可提高進風量，且位置較高之

側窗的進風風速，較位置較底側窗風速高，有利於提高通風效率。

本文針對此上層側窗設計之模擬結果，與實際實施結果其通風效率之比較分

別詳述如下。

數值模擬結果

利用數值模擬估算不同高度側窗與傳統設計之間的差異，其結果如表

1。模擬溫室內的溫度變化，在相同環境條件下若上下側窗同時開啟，由上

～90～

層側窗進入的冷空氣向天窗移動速度高，因此天窗熱空氣排出速度與排出

量較傳統設計高，其原因為由下層進入的冷空氣會流至溫室底部，由於風速

相對較低，因此很快便削弱，因此與溫室上層的對流效率變差。因此說明在

傳統只有下層側窗的設計下，並未真正的將通風效益最佳化，因此必須增加

額外的動力來移除熱。

表 1 不同側窗位置模擬結果比較表

針對一溫室其天窗與側窗間的面積比例關係，才能有發揮最佳的通風效果，

這是溫室自然通風設計中非常關鍵的一環，因此本團隊利用溫室之地板面積對

於天窗與側窗面積之比例來進行運算，以此找出不同側窗與天窗開啟面積下，

對於溫室通風效果之影響。

本團隊以數值模擬的方式，模擬不同天窗對地板面積比對於溫室平均溫度

與溫室內平均速度，其結果如表 2。在僅開啟天窗的情況下，改變天窗開口面

積，天窗開啟面積與地板面積比率為 0.18 及 0.5，溫室內平均溫度約為 35℃至 36

℃左右，顯示若僅打開天窗，即使天窗開啟面積比增加 2.78 倍，溫度僅下降

2.8%，降溫效果有限。若在天窗開啟的狀況下同時開啟側窗，其空氣對流明顯

增強，在天窗開啟面積比為 0.625 時同時開啟側窗，溫室內平均溫度約為 33.6

℃，與僅開啟天窗其天窗開啟面積比為 0.5 的情況相比，天窗開啟面積比僅增加

1.25 倍，即可達到降溫 5%，根據模擬結果顯示，天窗開啟率提高對於降溫有幫

助，但是效益並不明顯，若側窗及天窗同時開，在接近的天窗開啟面積下，降

溫效果顯著，顯示此情況的通風效能最大。

～91～

表 2 不同天窗與地板面積比之模擬結果

溫室驗證結果

在工研院中興院區 25 館溫室實施不同高度之側窗設計，而一般溫室設計只

有下層側窗（如表 3 上層照片所示），由於通風效果不彰，因此透過模擬發現加

設上層側窗有助於通風效率的提升，因此將原有溫室內進行改造，於離地 210 cm

處加上上層側窗（如表 3 下層照片所示）。針對 25 館進行實地量測結果如表 4，

上層側窗實施後其天窗對側窗比例提高兩倍，以風速計量測側窗風速並計算通

風量，上層側窗通風量為下層側窗通風量之 3.4 倍，整體總通風量提高 3 倍。

～92～

表 3 側窗改善前後溫室實景

表 4 工研院中興院區 25 館側窗改善比較表

～93～

在整體通風量提高 3 倍的情況下，為了解通風效益提高對於溫室內溫度的影

響，因此於溫室內與外進行長期溫度量測，並以此進行評估。但溫室改善前後

各屬於不同的月分，每天的溫度也有所差異，因此為客觀比較，以溫室室內與

室外溫度差來進行比較，溫差計算方式為：溫室內溫度減溫室外溫度，其量測

結果如圖 5。圖中溫差大的時間點位於每天的中午，溫差小的時間點位於晚間，

因此分別計算每天最大溫差之平均，與每天最小溫差之平均，定義此為溫度變

化的範圍。圖 5（a）為尚未進行改善前之室內與室外之溫度差，每日最高溫差

平均值為 5.69℃，在量測期間最高溫差高達 16.58℃，如此大的溫差對於空調降

溫是非常大的負擔。在圖 5（b）為完成上層側窗架設，在上下層側窗開啟下之

溫差量測結果，每日最高溫差平均為 3.94 ℃，與未進行改善相比降溫 30%，且

在上下層側窗開啟時位於 7 月，其月均溫為 28.98 ℃，相較未裝設上層側窗時六

月之月均溫 27.11℃，溫度提高 1.9℃，在戶外溫度提高的情況下溫室內的溫度是

提高的，但在這樣的情況下上層側窗能夠帶來 30%的降溫，由此可看出增加上

層側窗對於通風效果的提升是非常顯著的。

針對溫室降溫，本團隊開發除了環境評估與提高通風效率外，另有完善的

降溫策略，例如：節能膜、局部空調與地埋管等節能設施，皆以節能的方式改

善溫室熱堆積的問題，能夠更有效的降低空調的使用量，達成節能溫室的目標。

圖 5 溫室內外溫差圖（a）六月未進行側窗改善工程溫差結果；

（b）七月已完成上層側窗改善工程溫差結果

～94～

四、局部空調

亞熱帶溫室中，因極端氣候導致夏季高溫逐年升高，透過自然通風降溫及遮

蔭設施已無法將溫室內的溫度控制在植物生長的條件範圍內，此時必須仰賴空調

方法來進行降溫，大量的空調負擔也造成沉重的能源成本，因此本技術團隊開發

局部空調技術，降低非作物生長區域冷氣的浪費，以微環境技術將空調冷氣集中

在植物生長區域，減少冷氣的逸散，來達到冷氣成本的降低。並達成符合植物生

長所需之微環境，減少能源成本，應用局部空調技術與節能膜時，夏季時溫室內

的溫度可比戶外溫度平均降低10℃。圖6為溫室局部空調技術及氣流場驗證結果，

需對局部空調的風場進行二維暫態量測，驗證風場流線方向限制於植栽區，以往

單點量測之風速計並未能滿足此量測需求，而粒子影像測速儀具有量測二維暫態

風場之優勢，且可進行大範圍量測，可對局部空調之流場進行分析，因此採用粒

子影像測速儀進行局部空調風場之驗證。於工研院中興院區 25 館溫室現場量測，

藉由流場中粒子的流動清楚看出氣流運動之情形，此即可代表空調風場流動之方

向。由粒子影像測速儀風場量測時序圖中各圖中箭頭方向代表各點之風向，箭頭

的顏色代表風速的大小，由分析結果可看出局部空調之流場沿著棚架邊緣移動，

並未直接向外發散之情形，因此得以驗證本局部空調可達到限制空調於植栽區之

效果。

圖 6 溫室局部空調技術與氣流流場測試

五、結論

為改善國內溫室耗能的現況，以及降低溫室農產之生產成本，提高農產品之

國際競爭力，溫室技術開發以氣候模型、增強通風效率與局部空調等方法為主，

有效利用自然資源來幫助溫室降溫，減少對空調的依賴與能源成本。

利用長期氣候觀測瞭解溫室預定地的氣候狀況，根據當地的氣候條件，評估

各月份的環境因子是否符合溫室預期栽種植栽之最適化環境，由此可預先評估建

置所需的設備，以及對溫室運轉的耗能狀況作出估算。並且根據了解當地的季風

～95～

風向與風速，使溫室的側窗方位正對季風方向，能夠有效利用季風來提高溫室通

風效率。

通風效能優化技術，利用數值模擬計算不同側窗高度，對於溫室內通風效益

的影響，經過模擬分析得出在天窗開啟同樣面積的狀況下，在既有下層側窗上加

上上層側窗，其通風效果優於僅有下層側窗的狀況。模擬不同天窗開啟面積通風

效益的部分，在固定相同的溫室底面積下，比較不同的天窗開啟大小對於溫室內

溫度的影響。由模擬結果得出僅開啟天窗，其開啟率提高對於降溫有幫助，但是

效益並不明顯，若側窗及天窗同時開，在接近的天窗與側窗開啟率下，降溫效果

顯著，顯示此情況的通風效能最大。

本團隊於工研院中興院區 25 館溫室，實際實施上層側窗之改善工程，發現通

風量提升3倍，並且室內室外平均溫差下降30%，且在實施上下層側窗開啟時的戶

外平均溫度，較未改善時之平均溫度高出1.9 ℃，在戶外溫度較高造成溫室內所累

積熱量較多的狀況，仍有平均溫差下降30%的表現，證實本技術所提出的上層側窗

改善方案確實能夠提升溫室內的對流效率，將屋頂堆積的廢熱排除，減少室內熱

堆積問題，幫助溫室降溫並減少溫室的耗能。

因應極端氣候的考驗，通風降溫已無法解決亞熱帶溫室所遭遇的高溫問題，

開發局部空調技術，以微環境技術將空調冷氣集中在植物生長區域，大幅降低空

調的使用量，並且透過粒子影像測試驗證局部空調氣流只沿著植物表面流動，大

幅降低空調冷氣的逸散，形成適合作物生長的環境條件。

本團隊開發之溫室節能策略，以學理出發並且以降低耗能為核心價值，並且

能因應不同的需求與氣候特性，實施不同的節能策略。此技術能夠大幅度減少溫

室的熱堆積，減少溫室對於空調的依賴；此技術不只可推廣於溫室，更可以廣泛

用於節能綠建築，以流場設計來幫助提升通風效率，並且以最低空調使用量來達

到目標溫度，為建築環控降溫提供一項節能的新選擇。

六、參考文獻

[ 1 ] 方煒，2001，設施栽培之降溫方法，農業自動化叢書，11：21-31。

[ 2 ] R. Albajes, M. Lodovica Gullino, J. C. van Lenteren, Y. Elad."Integrated Pest and

Disease Management in Greenhouse Crops",Developments in Plant Pathology Volume

14, 1999.

[ 3 ] 方煒，2000，溫室建築的一般需求與臺灣適用的溫室系統設計，12-15。

[ 4 ] 張祖亮，2001，設施栽培環境監測與控制。設施栽培自動化專輯，1 - 20 。

[ 5 ] Hong Lia, TingxianLic, Robert J. Gordond, Samuel K. Asiedua andKelin Hub."

～96～

Strawberry plant fruiting efficiency and its correlation with solar irradiance, temperature

and reflectance water index variation",Environmental and Experimental Botany,Volume

68, Issue 2, April 2010, Pages 165-174.

[ 6 ] T. Bartzanas, T. Boulard and C. Kittas. "Numerical simulation of the airflow

andtemperature distribution in a tunnel greenhouseequipped with insect-proof screen in

theopenings",Computers and Electronics in Agriculture, 34, 2002, 207-221.

～97～

發電鍋爐大量換管之規劃與執行─

低溫再熱器水平管排全面換管案例分享

顧宏基

一、摘要

鍋爐爐管經過長期運轉後，因高溫潛變、腐蝕、疲勞以及侵蝕等種種問題，

造成爐管材質受損老化而破壞導致破管發生。大型發電鍋爐若運轉中發生破管情

事，必須停機冷爐換管，從停機至恢復運轉最少三天，不但造成發電損失且影響

電力系統供電安全，因而必須做好避免鍋爐運轉中破管之防範對策，一般做法係

利用鍋爐歲修期間施以爐管非破壞檢測並替換新管，通常歲修執行換管時，多半

集中在局部範圍，且數量也不多，因此爐管更換過程比較沒有困難，然而如果因

某些原因，必須將整個區域的爐管全面換新管時，因數量龐大且受限於現場環境

以及工期所限制，則此換管工程將非易事，若使與新建鍋爐的裝機工程相較其過

程更為艱辛，危險性也更高，因此這類大量換管工作必須事先做好工作規劃，並

設計工法，以確保工作安全及品質及有限工期內完成。

本文即以某電廠3號機鍋爐低溫再熱器（最上層，第3BANK）因全面結渣導致

全區域的爐管被飛灰沖蝕而薄化現象，為了機組運轉安全執行全部更換該區域爐

管為之規畫內容及實際施工過程經驗，提供業界先進分享。

二、背景

某電廠3號機鍋爐製造廠家為美國Foster Wheeler，鍋爐型式為自然循環、水冷

牆、平衡通風、再熱式，額定蒸汽產生容量為1,830噸／小時（MCR）。鍋爐再熱

器的功用則是接收來自高壓汽機做完功後所排出之低壓、低溫蒸汽，再給予升溫

以提高蒸汽品質及熱焓後，送進中壓汽機繼續作功。再熱器依其在鍋爐的位置與

排列型式，則可再區分為低溫再熱器與高溫再熱器。低溫再熱器位於鍋爐高程約

49.73M～67.52M處，為水平管排，共有118排。每排低溫再熱器由3個Bank組成，

每個 Bank 均由6支爐管迴彎而成。當低溫再熱器爐管上升至高程約67.52M 處，則

轉為垂直管排（參考圖1），且每2排水平管排合併成1排垂直管排，故垂直管排共

有59排，每排12支爐管，低溫再熱器管排樣式如圖2所示，其設計資料如下：

低溫再熱器額定進口壓力：3.530Kpa

低溫再熱器額定進口溫度：326℃

～98～

高溫再熱器額定出口壓力：3.344Kpa

高溫再熱器額定出口溫度：542℃

低溫再熱器爐管材質：

Bank 1（底層）：2.75"OD×0.18"T A-178C

Bank 2（中層）：2.75"OD×0.18"T A-178C

Bank 3（上層）：2.50"OD×0.18"T A-213T11

2.50"OD×0.18"T A-213T2

2.50"OD×0.18"T A-213T22

圖 1 #3 號鍋爐低溫再熱器位置圖

該部機於民國 102年 6月間曾發生低溫再熱器破管停機事故，破管原因為因低

溫再熱器水平管排發生大面積結渣，約有90%之燃氣通道被灰渣堵塞，不僅造成燃

氣流速增加，也產生燃氣偏流現象，形成如高速噴射之切割氣流向四周噴射，使

得許多爐管因此被飛灰吹蝕而減薄，最終導致破管（參考圖2～圖5）。

～99～

圖 2 低溫再熱器爐管燃氣通道結渣情形 圖 3 低溫再熱器爐管灰蝕情形

圖 4 低溫再熱器爐管破管情形 圖 5 低溫再熱器爐管檢修情形

由於低溫再熱器水平管排密集，管排與管排間之空間非常狹小，且底部爐管

很深，人員無法進入檢查及修復，搶修時期僅能將目視部分受損較嚴重管排切管

吊升修復，其餘管排只能以治標方式，在將防蝕板、管排固定耳切除，管排逐一

撐開後進行目視檢查及管厚量測，爐管吹蝕嚴重部分僅暫時採用焊補修復處理，

本次3號機搶修方式僅為權宜措施，爐管無法充分完全修復，因此再次發生破管機

率仍高，在1個月後低溫再熱器即又再度發破管事故，因此治本之道唯有將低溫再

熱器第3 Bank 爐管全面換管，乃著手規劃利用大修工期全面更換此區域爐管。

三、換管施工過程

將已商轉中的鍋爐切除舊爐管再全部更換爐管猶如「穿著衣服改衣服」，其

困難度與危險性遠較新建一座鍋爐還高，每個環節之銜接必須精準到位，故必須

妥適規劃整體改善工作流程，以縮短工期，降低停止發電之損失。為因應該部機

於104年度歲修排程，整體改善案於103年初即開始進行規劃、設計，期間長達1年

以上。相關規劃工作如下：

～100～

前置作業

為加速現場配管、安裝時間，以減少歲修工期，乃採取整個管排組（Panel）

進出爐內的方式，即每排之舊管排組整排依序切除吊出後，再將新管排組每組依

序吊入爐內安裝之方式（共118組），因此新管排組必須先行於爐外將新管排組預

製組裝完成，且預製之新管排尺寸必須精準，以配合爐內舊管位置。前置作業工

作相當重要，攸關整體工作換管工作進度，因此必須謹慎確實。相關步驟如下：

爐管管排幾何樣式與尺寸調查

其目的在於確認管排位置、管排尺寸，以便估算所需管材數量並設計施

工工法以便進行仿製管排。首先根據鍋爐原廠廠家所提供之低溫再熱器圖面

做逐一之確認，並根據標示尺寸核算所需爐管管材。由於原廠提供之圖面並

不詳實，許多關鍵性節點並未標出，因此遭遇許多困難，解決方法為利用其

他相同機組歲修時，先進入爐內現場實際丈量、紀錄尺寸，無法量測或遺漏

處，則利用圖面推估，此部分耗費相當多的時間精算、調查。經由圖面調查

後，低溫再熱器管排計有4種樣式如下表：

圖號 數量

M-875-27 57 排

M-875-28 2 排

M-875-29 57 排

M-875-30 2 排

圖 6 圖號 M-875-29 管排尺寸圖 圖 7 圖號 M-875-27 管排尺寸圖

爐管管材數量估算

在全部爐管樣式、尺寸、數量核算後，接著為估算所需爐管數量。由於

有許多彎管，因此估算時須預留彎管裕度以及彎管或製作失敗之數量，以免

發生爐管管材不足之憾事。管材數量工算包括下列事項：

～101～

各式直管、彎管數量統計調查。

爐管配件統計調查。管排上面許多管件例如固定耳、間隔塊、管排固定

夾..等等，此類配件數量亦須逐一確認，以便廠商估算用料與成本。

各式保護片數量統計調查。保護片是用來保護爐管不被飛灰沖蝕或吹灰

器所吹蝕。因此在管排容易遭受灰蝕與吹蝕的位置均需貼和保護片，在

管排預製時，這些保護片也必須一併安裝好。經過仔細核算後，估算所

需爐管（SA213-T22）共需2,800支，事後經實際核算，實際使用約2,400支。

圖 8 爐管管材預估（例） 圖 9 爐管彎管處尺寸設計圖

3.管排預置施工圖面設計、繪製

管排預製前，須有設計圖面據以施工，例如管材裁切長度、彎管彎製加

工、焊道位置設計、固定夾之設計…等等工法，並繪製成圖面供現場施工。

4.施工說明細則編寫及發包作業

當爐管管件、配件等資料齊全後，開始繕寫施工說明書，準備辦理公開

招標發包工作事宜，所有管材、配件均由承攬商負責帶料，由於爐管管材量

大，故至少必須提前4個月完成開標作業，以預留廠商訂購爐管時間。現場施

工期限，爐外管排預製預估約需 60個工作天，爐內施工期約需 42天（低溫再

熱器部分）。

爐管管排預製

爐管管排預製提前於大修前2個月開工，以便進行118排管排組之彎管、焊接、

組裝等工作，臨時預製場則選定於該電廠16號倉室內進行，主要施工步驟分為：

爐管裁切

依管排設計圖所需之直管彎管尺寸、數量，將爐管材裁切為所需之各式

直管長度。

～102～

爐管彎管加工

使用彎管機械將裁切後之爐管以模具及油壓機械等方式冷彎成型所需之

爐管彎管形狀。

圖 10/11 預製現場以彎管機彎製爐管

爐管校核

為確保管排預製的精確度，故

每一支冷彎成型的爐管，必須仔細

核測其尺寸與角度。工作團隊設計

適用各類彎管尺寸的模板圖，只要

將彎好的爐管置於模板上即可快速

核測其長度、彎管角度是否正確。

彎管退火

爐管經由冷彎加工成型後，會產生極大的應力，並使爐管表面產生很高

的硬度。這些殘留應力會導致爐管疲勞、潛變等問題對於日後鍋爐運轉有潛

在破管之風險，故必須將這些殘留應力予以消除。應力消除之方式採委外廠

商使用爐內退火方式處理，退火溫度依據 EPRI 建議為676℃～773℃。本次退

火溫度實際為690℃持溫30分鐘，退火曲線如圖13、14。

圖 13/14 彎管退火應力消除曲線

圖 12 以模板圖核測彎管尺寸

～103～

由於彎管在經過高溫退火處理過程中，會再度產生變形而偏離原來尺寸

與形狀，因此必須設法加以防止，所以工作團隊設計許多各式的夾具，將這

些彎管加以固定，以確保經過退火後仍維持原來的形狀。

圖 15/16 各式夾具以固定彎管

管排銲接組裝及固定

低溫再熱器管排共有118排，每個管排是由許多直管以及各式彎管所焊接組

裝而成一個管排組。管排預製最後的步驟為將這些管件焊接並以固定夾、間隔

塊予以固定。為了確保每一個管排組尺寸、樣式能精準一致，以免在爐內安裝時

產生偏差，因此我們設計3組「管排固定模具」工作台，只要將事先預製好的爐

管，依一定位製擺放好，即可以快速將爐管位製方向定位好，加速管排製作。

圖 17 設計「管排固定模具」工作台 圖 18 「管排固定模具」工作台

圖 19/20 現場管排焊製情形

～104～

其他管件、保護片貼焊

管排焊接完成後，必須一併將各式管件例如間隔塊、固定滑塊、保護片

等等同時焊接好，否則等管排在爐內組裝完成後，再安裝這些管件、保護片

等，將更加困難。

圖 21 焊接爐管固定滑塊 圖 22 焊接爐管間隔塊

品管措施

管排預製不容許有任何失誤，否則將有很大的後遺症，為了管控管排預

製的品質，確保管排預製成功，因此必須實施多道的品管措施，進行管排各

項檢驗。相關品管措施如下：

管材進廠檢驗：管材材質檢驗為最基本之檢驗，新購買進廠之管材需經

過檢驗合格後才能進一步使用。管材檢驗項目包含有爐管表面目視檢視、

尺寸、厚度、硬度核測，此外也抽測爐管送金屬工業中心化驗其元素成

分是否符合 SA213-T22 所規定之元素成分。

焊道射線照相（ -ray）檢測：焊道射線照相檢測目的在於檢測焊道之焊

接品質是否合格、正常。焊道內部瑕疵包括氣孔、夾渣、裂縫、銲蝕、

熔合不良及熔入不足等等，這些焊道瑕疵日後將會對爐管運轉有不良的

影響，增加破管的風險，因此必須逐一檢查焊道，如有缺陷必須加以鏟

修重新焊接。低溫再熱器共有 118 排，每個管排組依各管排樣式不同，

約有 60 道左右的焊道，全部共有 6,903 道個焊道，為了管製這些焊道品

質，因此對於每個管排及其焊道給予編號，並製成管製表，以確實管控

焊道品質。

～105～

圖 23/24 管排焊道管制表

彎管硬度檢測：爐管經冷彎加工成形後會產生極大的應力，造成表面硬度

極高，因此必須經由應力消除

退火程序後，硬度才可回復於

正常範圍內。應力消除退火是

否達成效果，可藉由測量其表

面硬度來得知。依 ASME 規定

SA213-T22其表面硬度不得高於

163HB 或 85HRB，經由檢驗這

些彎管表面硬度，其值介於

130HB～160HB間，達到預期應

力消除之效果。

圖 26 彎管變形量核測管制表

圖 25 彎管檢測表面硬度圖

～106～

彎管減薄率檢測：爐管彎管後，將產生變形或變薄現象，造成強度變差，

因此規範彎管變形率之限制如下表：

變形率 R/D（曲率半徑/管外徑）

% 1.5 1.5 2 3 5 以上

16 14 12 8 6

t 20 18 16 14 12

D 10 7 5 3 2

固定滑塊位置核測：低溫再熱器 Bank 1 管排是由 6 支爐管經由 4 道迴彎

所彎製而成，管排總高度約 3M，要將如此龐大的管排固定於爐內，所使

用的是位於每道迴彎最底部的固定滑塊，以固並支撐管排在位於前汽牆、

中央分隔牆處的固定座上面，因此底層迴彎處之彎管與固定耳的相對位

置便相當重要，如果固定滑塊沒有精確的焊接於正確位置，不但會造成

管排回裝於爐內後高低位置不一，而且會造成與上、下相連接的爐管距

離不足而無法焊接，因此這部分的檢核相當重要。

圖 27 固定滑塊與迴彎管相對位置標準

施工動線設計、規劃

低溫再熱器水平管排Bank 1高層位於鍋爐房8.5樓～9樓間，要將爐內大批的舊

管切除運出爐外，以及再將大批的新管排運抵爐內安裝是一大挑戰，如何讓運輸

過程中可以安全、順利進行以及不影響工作進度，將考驗施工人員的智慧與經驗。

低溫再熱器位於爐後位置（鍋爐房西側），經勘察鍋爐房 9 樓空間與地面現場位

置，決定施工動線為從鍋爐9樓南側進出爐管，再經由鍋爐房西側8樓凸出之樓頂，

最後利用 160噸重型吊車運送往來 8樓屋頂至地面之間的管排。為完成此動線的目

的，需要配合增加相關工作如下：

～107～

圖 28 管排吊運線路圖

～108～

鍋爐 9 樓汽牆管切管開孔

管排的總寬度約6.3M，高度約3M，因此於9樓吹灰器 IK-19、IK-31上方約

31公分處，切除39支側汽牆管，寬度約有3.8M，以供管排進出。

鍋爐房 9 樓圍築牆開孔

管排運輸必須穿越鍋爐房圍築牆，因此將圍築牆浪板拆除約2.7M 寬度以

供管排進出。

圖 29 鍋爐 9 樓處汽牆切管開口 圖 30 鍋爐房 9 樓西側圍築牆開口

鍋爐房 9 樓臨時平台搭設

原本鍋爐房 9 樓平台僅供裝置吹灰器及人員走動使用，空間不敷工作使

用，必須搭設臨時平台，以便建立鍋爐房9樓通往西側8樓樓頂之通道，鋪設

面積約20M2。

相關台車、吊車機具安裝

每一個管排組重量約 1.3 噸，因此管排的運輸必需藉助吊車等機具才能順

利完成，以節省時間、人力。為將管排從爐內運至爐外，或從爐外運至爐內，

我們於鍋爐爐頂管開孔，安裝 2 台各 2 噸的吊車以吊運管排；另於鍋爐房西側

凸出8樓屋頂搭設1台2噸的吊車，以利9樓爐外至8樓屋頂間吊運管排使用。另

外也利用吹灰器當支架，於上方安裝移動滑車，使管排之運輸更為省時、便捷。

圖 31 臨時搭設之工作平台 圖 32 位於爐頂管架設 2 台吊車

～109～

施工經過

舊管排拆除吊移

2 月 26 日開始進行舊管排切

出、吊出爐外工作，管排切除後，

待管排切除一定數量後，一部分人

力馬上於爐內進行原爐管焊口車修

工作，為防止異物掉入，焊口車修

完畢立即將焊口包覆。全部管排拆

除工作約5個工作天即完成。

圖 34/35 切管與焊口整理

圖 36/37 舊管排吊出情形

圖 38/39 舊管排由爐內吊出情形

圖 33 架設於 IK-29、IK-31 上方之滑車

～110～

圖 40/41 舊管排吊出鍋爐房外情形

新管排吊入安裝與焊接

依相同動線，將新管排依序吊入爐內。低溫再熱器管排有 118 排，共有 4

種型式（分別註以27、28、29、30號數），由於機組久遠，圖面欠缺，因此這

4種型式的管排相對位置在爐管預製前，就必須詳查清楚，這部分是以人力的

方式，利用前部機大修間時進入爐內調查記錄，管排吊入爐內時，必須確實

依據其相對位置安裝，否則會造成錯誤。當管排吊入爐內後，一部分人力即

開始合管、配管以及進行焊接工作，隨著管排安裝數量越多，配管焊接的工

也越來越來困難，全部管排約 14 個工作天即可全部吊入爐內並完成安裝定位

工作，接下來的焊接工作所需耗費的時間，則將費時較長的時間。

圖 42 低溫再熱器水平管排各樣式位置圖

～111～

圖 43/44 吊入鍋爐房

圖 45/46 新管排準備吊入爐內安裝情形

品管檢測

爐內管排焊道數量共有1,416口（118排，每排12支），這些焊道也必須施

以射線照相檢測判片，同樣的也必須製作管制表管制，以確定焊道正常合格。

圖 47 新管排安裝焊接完成圖 圖 48 新管排固定滑塊固定情形

四、效益分析：

本次3號機低溫再熱器大量換管工作，從管排預製到爐管安裝完成，全部

由該電廠鍋爐組自行規劃設計以及施工執行，工作量之大與困難度均超過以

～112～

往紀錄，雖然投入相當大的人力、物力，也花費不少的時間與金錢但卻獲致

不少可觀的效益：

減少爐管破管機會與次數

本次更換低溫再熱器管排，由拆除的舊管排中發現有數個管排管已有

灰蝕相當嚴重的現象，且最薄著處已低於 1mm 的厚度（依 ASME 規定計

算，最小厚度需 1.4mm以上*），其位置均位於水平管排最下層位置，檢查

不易，不僅大修時難以察覺，且施工也非常困難，若不立即進行處理，估

計在近期內此區域發生破管的機會相當高。

圖 49/50 舊管飛灰沖蝕嚴重情形

若依最保守估算，本次大量換管估算可減少 2 次破管事件，如以每次

破管停機檢修時間 3 天計算，共可減少 6 天的發電損失，其減少之發電量若

以 104 年度國內燃重油與燃天燃氣平均發電替代，依替代發電成本 2.655 元/

度與燃煤發成本 1.13 元/度計算，減少發電成本如下：

550,000×（2.655-1.13）×6×24=1.2 億元

節省可觀的管排購買費用

本次大量換管所有管排均為國內自行製造，依發包金額計算，每只管排

組自行製作成本估算約為 45 萬元，若改由直接向國外原廠採購管排組，加計

稅率與運費估算，每排至少需花費 100萬元，因此 118排管排共可節省維護經

費至少6,490萬元。

工期掌控得宜，提早完工 3 天

依原工作排定計畫，低溫再熱器管排更換工作需耗時 42 個工作天，在設

計完善的施工方法下，以及日以繼夜的趕工，使本工作提前3天完成，可減少

替代發電成本為：

550,000×（2.655-1.13）×3×24=0.6億元

綜上所述，本工程至少2.449億元之實質效益。

～113～

五、結語

爐管大量換管為相當艱鉅的工程，其困難度與危險性遠高於建廠時候的爐管

安裝工程，從估料、進料、預製、舊管拆管與新管安裝，每一施工環節與步驟均

環環相扣，端賴於事前詳實勘查、精算與設計才能妥適掌握，而在施工過程中，

品質的管控、工期的掌控以及工安的監控更是三控缺一不可，因此也對工作承辦

人員與現場工作人員造成極大的工作壓力與負荷，然而，縱然有極大的困難，經

由施工團隊的合作與努力，我們仍然將這些問題逐一克服，尤其面對公司營運成

本的壓力，為了盡早完工提早併聯發電，更採取輪班施作，在工期與品質、工安

互為制肘的情形下得以互相兼顧，工作團隊的努力成果豐碩。

本次3號機低溫再熱器大量換管可以如期並提早完工，最主要關鍵是有賴於事

先完善、縝密的規劃每一細節，使得施工過程得以順利進行，其次為工作團隊的

團結合作精神，面對高難度且危險性的工作，也能努力思考方法以解決種種問題，

展現精湛的技術能力，尤其該機組機齡已超過 20 年，早期鍋爐廠家之圖面資料未

電腦化，加以年代久遠，爐管管排資料殘缺不全，部分圖面又缺乏詳細尺寸與數

據（例如彎頭角度與尺寸），對管排之預製工作是一大挑戰，然而借助工作團隊

豐富的經驗與智慧，終於完成爐管管排的預製，本次大量換管工作對本廠技術經

驗的提升與傳承有良多的貢獻與正面的意義。

*註：爐管最小厚度計算：

依據 ASME B&PV Code，爐管最小厚度計算：

Wmin = PD2S+P + 0.005D + e

P：design pressure, psi

D：outside tube diameter, in

S：B&PV allowable stress

e：rolling allowance, zero for welded construction.

RH inlet Pressure：3.53Mpa（512 psig）

For SA-213 T11 S=14,400 psig （427 ℃）

D：2.5” × 0.18”MWT

Wmin = 512×2.52×14400+512 + 0.005×2.5

=0.05617”

=1.427mm

～114～

台灣省鍋爐協會 出版書刊一覽表

書 名 定價（元）

甲級鍋爐操作人員安全衛生教育訓練教材 800

乙級鍋爐操作人員安全衛生教育訓練教材 600

小型鍋爐操作人員特殊作業訓練教材 250

第一種壓力容器操作人員訓練教材 300

高壓氣體特定設備操作人員安全衛生教育訓練教材 500

固定式起重機操作人員訓練教材 320

荷重在一公噸以上之堆高機操作人員訓練教材 240

安全閥檢測及設備壓力試驗訓練教材 400

熱媒鍋爐 400

鍋爐知識 每期 200

郵政劃撥 0028277-1 戶名：台灣省鍋爐協會