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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

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2018/11/16 ・3285字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 546 ・八年級
  • 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」?

燃燒的過程,怎麼變「乾淨」?圖/pixabay

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。

說到流體化,目前最能體現這項技術的大概只有貓星人了!Image credits: guremike

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。

水的三相圖。(圖:泛科學重製)

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。

左圖為普通機組的郎肯循環,右圖為與超臨界機組郎肯循環示意圖。(圖:泛科學重製)

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。

台灣各燃煤機組氮氧化物106年平均排放濃度圖。(資料來源:台灣電力公司)
台灣各燃煤機組氮氧化物106年平均排放濃度圖。(資料來源:台灣電力公司)
106年林口電廠排放現況。(資料來源:台灣電力公司)

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。

林口發電舊機組於 2014 年除役,1、2 號機改以超超臨界機組運轉,發電效率由 38% 提升為 45%。圖/Wikimedia

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

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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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