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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

  • 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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