受保護的內容: 煤炭有幾種？可以洗乾淨嗎？——乾淨的煤？(一)前處理篇

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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• 文/廖英凱

本次的系列文章中，我們討論了燃煤發電的三個重要的階段，包含前處理、燃燒過程和燃燒後處理。在本文中，就讓我們來認識設置於北台灣，擁有最新超超臨界技術的林口電廠的過去、現在、以及未來吧。

回首來時路：蓋建築前先蓋電廠是常識吧？

1960 年代，伴隨台灣工業起飛的用電需求攀升，台灣電力公司在台北縣林口鄉（現為新北市林口區）下福里的海邊興建了林口發電廠，廠內設置了兩座裝置容量各為 300 MW 的燃煤與燃油機組，為當時單一機組裝置容量最大的發電機組。1970 年代，能源危機使原油價格飆漲且供應不穩，林口電廠將燃油機組改建為燃煤機組以降低發電成本並提升能源穩定。由於燃煤機組不適用於尖峰時期的電力負載調度，1998 年，林口電廠另增設了兩座裝置容量各 150 MW 的天然氣／輕油雙燃料氣渦輪發電機。至 2011 年間，林口電廠可提供 900 MW 的電力，約為當時台電總裝置容量的 2%。

由於機組使用年限已逾 40 年，2005 年起林口電廠「先建後拆」的方式，於廠區空地開始規劃興建兩座裝置容量各 800 MW 的超超臨界燃煤機組；並於 2011 年將林口電廠的既有四部機組開始除役； 2016 年與 2017 年，新的兩部機組開始商轉供電。同時，於原機組拆遷後的空地興建第三座 800 MW 超超臨界燃煤機組，預計於 2019年商轉供電。屆時林口電廠將可提供 2400 MW 的裝置容量（註：中火燃煤為 5780 MW；大潭燃氣為 4984.2 MW）。

這煤很純，不來一點嗎（？）

煤炭的使用歷史悠久，自人類進入工業化時代，煤炭與工業的發展、與近代文明的進展高度相關。由於礦藏分佈世界各地且儲存容易，而使煤炭價格低廉且供應穩定，特別適合大型工業與發電業使用，在全世界的能源消費中，大約佔了 28%^1,2，僅次於石油的消費。在台灣的情境中，台電所屬的燃煤電廠，每年也約消耗了 3000萬公噸的煤炭。

雖然煤炭的主要成分是碳，但仍含有氫硫氧氮等元素，這是由於煤炭是古代植物的化石，經由長時間的生物與地質作用碳化而成。不同地區的煤礦碳化程度不同，依碳化程度由低至高，常分類為為泥煤、褐煤、亞煙煤（次煙煤）、煙煤（生煤）與無煙煤。由於碳化程度越低，雜質也越高，而容易在燃燒後產生氣體污染。例如，煙煤的碳含量大約是在 69% 至 89% 之間³；而無煙煤的碳含量則提高為 86% 至 98% 之間，其餘的雜質則為水、空氣、氫、硫、氮等物質組成。這些雜質導致煙煤的燃燒，比起無煙煤會產生更多的煙、氣體污染，且熱效率也較低。不過值得一提的是，含碳量略低於煙煤的亞煙煤，雖熱值較低，但因硫份也較低而較少污染。

因此，近幾年有部分地方縣市政府，試圖制定禁燒生煤條例或停止核發「生煤許可」，就是希望能避免燃燒雜質較高的煙煤，而加劇空氣污染的程度。只是由於越高品質的煤炭成本也會隨之提高，產量也較少，實務上燃煤電廠仍多使用亞煙煤與煙煤作為燃料，而高品質的無煙煤則較常見於家用燃料或暖氣，應用在無法裝設過濾與環保設施，且與人類生活更為接近的使用方式。

一約既定，山海難阻

由於煤炭需全部仰賴進口，煤炭的供需除須兼顧供給穩定與經濟效益以外，進口煤炭也應考量煤炭的成份以降低污染或提升效率。台電目前進口煤炭的國際合約，主要為印尼與澳洲，占總進口量的八成以上，其餘少部分則進口自俄羅斯、美國與哥倫比亞等。採購的種類則為亞煙煤與煙煤，並針對煤炭的熱值、水份、灰份與硫份訂定品質標準。

以主要進口國印尼和澳洲為例，印尼煤的熱值較澳洲煤低，代表電廠燃燒印尼煤的的發電效率較低，但澳洲煤的灰份與硫份卻比印尼煤高，使燃燒廢氣的污染較為嚴重，因此實務上當煤炭送進煤倉存放後，還會根據不同產地、批次的成分差異，以適當的比例混用入鍋爐燃燒，以同時達到燃燒效率與污染控制。

仰賴海運進口的煤炭，也需要有港口疏運的配合。雖然自 2015 年起，林口電廠已設置了專屬的卸煤碼頭接收來自各產煤國的煤炭。但如果行經林口電廠附近，會發現仍有部分閒置的鐵軌與鐵路設備。這條已停用的「桃林鐵路」，是 1968 年，為搭配林口電廠新建而設立的專屬運煤鐵路，連接林口電廠與桃園火車站以銜接西部縱貫鐵路，而能載運來自台中港的煤炭，至 2012 年底鐵路停用為止，提供了每年 160 萬噸，3000 車次的 40 餘年運煤歷史。

2012 年底桃林鐵路停用後，林口電廠並未停止營運，而是改以台北港接收煤炭後，再以濱海公路的卡車運輸進廠。然而火車每車次運量約 500 噸，但卡車僅有 23 噸。使公路運輸期間，每天須從台北港轉運 200-250 車次的卡車，才能滿足一台新機組每日 4600-5750 噸的燃料需求。對於規劃中最終將有三部機組，預計每年最高可至 630 萬噸的用煤量來說，公路運輸除交通上完全無法負荷以外，也會增加煤塵溢散的空汙問題與運輸轉運的能源消耗。因此，專屬的卸煤碼頭與密閉式的輸送系統，正可以確保輸送的穩定、效率與避免污染。

• 延伸閱讀：煤炭有幾種？可以洗乾淨嗎？──煤的旅程（一）前處理篇

台灣還需要林口電廠嗎？

儘管污染防制與管理的技術與思維可以不斷精進與投入，但相較起眾多發電方式，燃煤電廠對於環境的影響仍相對較大。對於燃煤電廠新建或營運的顧慮，在可預期的未來也必然存在，然而所有的工程開發本為權衡輕重後的選擇。因此，有必要來簡略盤點對於當代台灣，我們還有哪些需要林口電廠的理由。

回到燃煤發電的本質，若未來沒有更為嚴苛的碳稅等政策工具的制定，則燃煤電廠仍因燃料取得容易，而擁有價格低廉與較天然氣相對穩定的誘因。從燃料的運送與儲存角度來看，煤相比起石油、天然氣、核燃料來得更容易儲存及運送，林口電廠目前規劃的煤倉，就能提供電廠 30 天以上的安全存量，相比起天然氣安全存量在 2019 年僅有 7 天，預計至 2027 年才提升至 14 天。此外煤炭也沒有天然氣供應鏈中的外洩問題⁴。因此，雖然燃煤欠缺負載調度的能力，但其低廉與穩定的特性，對於在選擇基載發電廠時，燃煤絕對具有相當大的誘因。

若回到台灣各區電力供需的狀況來看。長期以來北區均處於供不應求，而須仰賴中區的電力調度至北區。預估在 2025 年時，北區的電力需求為 14-15 GW（註：1 GW = 1000 MW），約為全台的 40%，而電力供給僅能提供 34% – 35%，而有約 5% 的電力缺口需從中南區調度。林口電廠 2.4 GW 的裝置容量，則可提供了 16% 的北區用電需求，在供需不平衡的狀況下，更顯其價值。

再以各區的電廠發電形式來考量 2025 年的情境，北區的燃煤電廠，屆時有花蓮和平電廠（1.3 GW）與林口電廠（2.4 GW）共計 3.7 GW 的裝置容量；中區的燃煤電廠則為台中電廠的燃煤機組（扣除4部機轉為備用機組之容量後，全廠縮減為 3.3 GW）與麥寮電廠（1.8 GW）共計 5.1 GW 的裝置容量；而南區的燃煤電廠則為興達電廠的燃煤機組（ 2.1 GW）與大林電廠的燃煤機組（1.6 GW）共計 3.7 GW 的裝置容量。北中南三區的燃煤發電裝置容量比為 3:4:3 尚稱分配均勻，也意味者三分區的電力結構中，都仍保有相對低廉穩定的燃煤作為基載電力。

從電力調度傳輸的風險和能量耗損來看，長途電力調度有主幹電網、變電所故障的風險，故需投資額外線路或設備以降低風險；長途電力傳輸也會有 4.5% – 4.6% 的線路耗損。因此，若有鄰近於重要工業區與人口密集區的大型電廠，則可以減少電力傳輸與電壓所造成的能量消耗。

最後考慮未來太陽光電與風力發電占比大幅提高的情境，在此情境中電力系統應有更高度的調度靈活性，而需大量仰賴燃氣機組與電池調度，但國際能源署在「World Energy Outlook 2018」的執行摘要中，亦指出傳統電廠仍是保持電力系統靈活性的主力，並應搭配新的電網互聯、儲電和需量反應技術做為支持，以確保電力系統的穩定⁵。

綜上所述，對於當代台灣的電力結構、區域發展與經濟考量，林口電廠等燃煤發電，確實有值得存在的理由，但也需要對污染防治持續性地投入與關注。

• 延伸閱讀：
  煤炭有幾種？可以洗乾淨嗎？──煤的旅程（一）前處理篇
  超超臨界是什麼？如何增加火力發電的效率？──煤的旅程（二）燃燒過程篇
  火力發電的廢氣如何處理？一套不夠裝兩套就好了嗎？ ——煤的旅程（三）燃燒後處理篇

從此只有眼前路，煤有身後身

儘管燃燒廢氣中的重金屬、硫化物與微粒等污染，可仰賴環保技術的投入而能有效抑制。但在對空汙品質越發重視與擔憂的社會來說，燃煤的空汙狀況，仍是其先天的劣勢。更重要的，是使用煤炭等化石燃料過程中產生的二氧化碳，與其導致的氣候變遷、極端天氣，更是全體人類在未來數年亟需解決的難題。

從國際趨勢來看，國際能源署在「World Energy Outlook 2018」中，利用不同時期發電技術成本與電力系統價值的變化的估計，認為「幾乎在所有地方」太陽光電雖難以在沒有政策支持的情況下取代既存的燃煤電廠，但已比新建燃煤電廠更有競爭優勢。

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在 2018 年 10 月的「IPCC全球升溫 1.5ºC特別報告（SR15）」中指出，若要維持地球環境的適居性， 2030 年時的二氧化碳排放量需比 2010 年時減少 45%，並在 2050 年時實現零碳排。對於煤炭的使用，則應在 2050 年時降至所有一次能源的 1% – 7 %，且大部分燃煤，應搭配碳捕捉與封存（CCS）技術使用，以實現零碳排放⁶。為能有效減少二氧化碳排放，對於部分積極面對氣候變遷提出減碳作為的歐洲國家，如法國預計在 2021 年；英國與義大利預計在 2025 年；荷蘭、丹麥與葡萄牙則預計在 2030 年，即關閉所有燃煤電廠⁷。

回顧台灣的情境，2018 年中華民國全國性公民投票第八案「您是否同意：確立「停止新建、擴建任何燃煤發電廠或發電機組（包括深澳電廠擴建）」之能源政策？」，公投結果以 38.46% 的「有效同意票數對投票權人數百分比」通過。有投票的人數中，有  76.41% 的投票者支持此項公投。在科學研究結果、國際趨勢與國內民意展現相互吻合的情況下，燃煤電廠在台灣幾無新建或擴建的機會。不過，台灣大概也難以如歐盟諸國，有相對優勢的環境或豐沛的資源能積極放棄燃煤發電。但燃煤電廠若能憑藉其低廉成本，投入更多資源強化煤炭的採購過程與標準制定；更節能與減污的運輸與儲存設施；提升燃燒效率的燃料加工與鍋爐技術；以及燃燒過程對廢氣品質的持續監測；燃燒後的集塵等環保技術。既存的燃煤電廠，仍可以保有其競爭優勢，又能盡可能減少對環境的衝擊。

在可預期的未來，面對氣候變遷帶來的衝擊，台灣要再興建下一座燃煤電廠自有其高難度。若既有的燃煤機組沒有延役或或提早退役的的計畫，則尚有一機組興建中、且各項技術新穎的林口電廠，將以末代燃煤電廠之姿，佇立於國門，持續肩負降低發電成本與支持電力穩定的重責大任。

延伸閱讀

• 煤炭有幾種？可以洗乾淨嗎？──煤的旅程（一）前處理篇
• 超超臨界是什麼？如何增加火力發電的效率？──煤的旅程（二）燃燒過程篇
• 火力發電的廢氣如何處理？一套不夠裝兩套就好了嗎？ ——煤的旅程（三）燃燒後處理篇
• 供應鏈中的甲烷外洩，抵銷了天然氣的減碳效益

參考資料

1. 1. BP-Statistical Review of World Energy
   2. International Energy Agency-Data & Publications-Coal Information 2018
   3. Indiana Center for Coal Technology Research-COAL CHARACTERISTICS 2008
   4. 泛科學：供應鏈中的甲烷外洩，抵銷了天然氣的減碳效益
   5. International Energy Agency-World Energy Outlook-Executive Summary 2018
   6. Intergovernmental Panel on Climate Change-Global Warming of 1.5 °C
   7. CarbonBrief-The EU got less electricity from coal than renewables in 2017
   8. Sandbag-The European Power Sector in 2017

本文由台灣電力公司委託/廣告，泛科學企劃執行

• 文／陳柏宇

上一篇我們討論了使用煤炭的前置處理，歡迎來到第二道程序「燃燒過程」。燃燒的過程，怎麼變「乾淨」？

讓煤在燃燒過程中比較「乾淨」的方法，有三個主要的方向：

1. 讓煤或固體燃料燃燒得更完全。
2. 提高能源轉換效率、讓生產單位電力所使用的燃料減少。
3. 完全改變原本的燃燒方法。

粉煤機讓煤變小，比較好混

第一個讓燃燒過程更「乾淨」的方法，增加燃煤燃燒效率。

可以開始想像一下國中理化或是國小自然教的內容：當反應面積增大的時候，反應可以比較完全。因此在燃燒前，我們會將煤炭送進粉煤機變成粉煤（pulverized coal ），除了燃燒效率提升外，黑煙或是廢氣的產生也可以減少許多。如前文提到的，不同煤種會有不同燃燒特性，也是在這個階段進行「配煤」，搭配出最適合的比例。

新技術流體化床讓固體變流體，燃燒更完全

上頭講到的讓粉煤進入鍋爐內燃燒，燃燒可以比較完全沒錯。但大家應該知道粉塵這種東西易燃易爆炸，會導致鍋爐裡的溫度非常高，長期下來對於鍋爐影響甚鉅，爐壁甚至會有結渣問題，氮氧化物也會偏高，真的很麻煩。

因此，讓我們用完全不一樣的流體化床（fluidized bed）概念取代傳統像燒金紙那樣通通丟進一個桶子裡開始燒的運作方式，在  1970 年代左右，流體化床（fluidized bed）的應用逐漸成形。

流體化一詞是用來描述固體與流體接觸時的一種運動狀態。將固體放在有氣孔的容器中，當有氣體透過孔洞噴吹快速進入容器中、速度逐漸加快時，固體顆粒將會開始懸浮、分離，並且可以自由的運動或轉動（可以想像成吹麵粉裡的乒乓球），這時這些固體的性質開始接近濃稠的液體。繼續講原理可能還要一萬字，所以就先在這裡打住囉。

這樣一來有甚麼好處呢？

相比傳統鍋爐（固定式），流體化床的固體顆粒可以均勻分布於爐內、氣體與固體間的熱質傳較高、一次燃燒的總物量相對較大、操作溫度不高比較穩定等等。破碎後的煤中加入生質物料、甚至是破碎廢棄物混燒等，流體化床都相對會是個比較好的選擇。

除了燃燒效率之外，流體化床對於污染也有幫助。例如對於高含量硫份的物質，例如前兩年都吵很兇的生煤、石油焦，可以在燃燒時就先加入石灰石，讓他們一起激情翻騰燃燒，大幅減少硫氧化物的排放量。另外，流體化床爐溫較傳統的燃燒爐低，製造出的氮氧化物的濃度也就相對較低。

目前這樣的爐體在台灣並不多，除了永豐紙業、以及台汽電外，還有台塑真的拿來燒石油焦。國際間規模也因為爐體設計上的問題，使流化床鍋爐的功率（目前最大 460 MW）仍略小於傳統鍋爐（600 MW以上）。未來如果往循環經濟的方向前進，這是必須進步的技術。

提升發電效率：「超超臨界」到底是甚麼？

大家現在對於「超超臨界」這個名詞大概不陌生，但要知道超超臨界是甚麼，我們需要先來簡單了解一下火力發電的運行，整個過程可不只是燒煤而已喔。簡單來說就是蒸汽機的原理：用煤火燒水變成水蒸汽，透過水蒸汽的高壓推動渦輪機再帶動發電機，出力完畢的水蒸汽冷凝後再加熱進入新的循環。

細節版在這裡：
1. 工作流體（多數為水）先被壓縮，在壓力下成為高壓流體，溫度也跟著上升。

2. 高壓流體來到鍋爐進行加熱，高壓流體吸收了外部熱源成為過熱蒸汽。

3. 過熱蒸汽膨脹後，推動渦輪機發電；蒸汽的溫度和壓力降低，成為濕蒸汽。

4. 濕蒸汽然後進入冷凝器，被冷凝成為飽和液體，並重覆回到第一步驟。

恭喜你，已經看完了工學院都知道的「郎肯循環」（Rankine Cycle）。那超超臨界到底是甚麼啦？先來看一張圖，這是水的三相圖，就是水有三態，固態、液態和汽態的意思。

以上為一般的循環，而如果把水加壓加壓再加壓 （250 bar 以上）、加溫加溫再加溫（600℃ 以上），它就會突破我們稱之為臨界點的境界（上圖的粉紅色點點）。從此時起，變成具有液態、汽態特性的流體。然後把上面講的郎肯循環拿來解釋一下，如下圖。

左邊是原來亞臨界樣子，右邊是超臨界的樣子，因為上邊界明顯上移，中間圍起來的部分變多了，而中間的範圍其實就發電機轉換出電能的部分；所以超超臨界重點就在於在循環中提高輸出的效率。根據台電月刊提供的數據，主蒸汽壓力每提高 1 MPa，機組的熱效率可提升 0.13 ∼ 0.15 ％；主蒸汽溫度每提高攝氏 10 度，機組的熱效率可提升 0.25 ∼ 0.30 ％。效率更高、生產單位電力所使用的用煤量較少，也是減少污染重要方法。

這就是國際間目前講求的高效低排放（HELE）燃燒技術，概念上大概一百年前就存在了，只是礙於材料技術的發展，大約 70 年前才出現第一座超臨界機組（規模不大）；大約十年前，才有第一座超超臨界。超超臨界機組整體發電效率比起亞臨界多上 6~10 %，整體的發電成本也相對減少。國際上，近幾年火力電廠的機組翻新，之前熱議的深澳電廠，也都採用這種方法。

而以目前的林口發電廠為例，該廠舊機組於 2014 年除役，1、2 號機改以超超臨界機組運轉，與其過往亞臨界機組相較，發電效率由 38% 提升為 45%，亦即在發電量相同的情況下，每年可減少 20％ 排放，遠低於法規標準值(如下表)，這也是為甚麼會有排放水準接近燃氣的說法出現。

從上圖來看，已經更新的林口電廠相較於台中或是興達電廠的排放有相當的區別，與燃氣電廠的標準也相當接近。另外，不僅止於發電效率高以及低排放量，因為工作流體的單相特性，鍋爐在飼水部分可以快速的做調節。也因此，升降載比傳統鍋爐也可以更加快速，打破了我們對於煤電的「基載」想像，或是配合空氣污染做及時的降載調節。

至此，我們還算順利的結束了第二道關卡「燃燒」。除了上面介紹較為成熟應用的技術以外，仍有許多讓燃煤更有效率的技術正在發展中，在未來幾年能源市場仍由煤炭主導的情況下，希望能讓燃煤發電朝更環保並保有競爭力的方向進展。

但是還沒結束喔，如果燃燒完後就直接排出，造成的污染還是很可怕。所以目前有哪些技術在處理燃燒後的廢氣呢？讓我們準備一起邁向下一關：燃燒後處理（post-combustion）啦。

參考資料：

1. Power Technology：Lean and clean: why modern coal-fired power plants are better by design
2. 蔡孟原（2010年6月)。循環式流體化床鍋爐。科學發展月刊，450期，pp.26-32。

本文由台灣電力公司委託/廣告，泛科學企劃執行