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廢熱回收及先進燃燒器科技節省能源

國科會 國際合作簡訊網
・2012/05/21 ・1989字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 563 ・九年級
工廠排放的廢熱,未來可借力新研發的燃燒器科技,節省整體能源使用。(圖片來源:Stefan Gara@Flickr,根據創用CC-By 2.0條款使用)

2011 年先進整合能源節能解決方案研討會的參與者,都自正在發展中的最新廢熱回收及鍋爐效能改善新科技介紹中獲益不少。來自加拿大自然資源部的潔淨能源署(CanmetENERGY)的渥太華及 Varennes 研究中心代表,及康戴克斯廢熱回收系統公司(ConDex Systems)的維奇(Cameron Veitch),討論了使用先進科技可能節省的能源費用。

科學家戈戈萊克(Peter Gogolek) 解釋,目前正在潔淨能源署發展中的工業鍋爐廢熱回收新科技,可以保證節省大量能源費用並減少二氧化碳釋出量。案例研究發現, 整體回收燃燒器—最簡單的燃燒器科技—可以經由回收及捕捉漏失廢熱等方式,節省公司 40% 能源費用。經由自我回收燃燒器和改進輻射管線,還能達到節省大量燃料的目的。

戈戈萊克也討論了碳捕捉的科技,包括商業用低氮氧化物(commercial Low-NOx)及蓄熱式燃燒器(regenerative burners)。蓄熱式燃燒器有較高的熱量流通,最高的熱負載量及最小二氧化碳-氧氣與空氣間的差異。戈戈萊克簡介了他的發現,並指出「熱回收燃燒器能保存較多經過處理的熱,並能改變燃燒模式,導致能源及費用的大量節省。更進一步說,蓄熱式燃燒器提供最大的節能效能,平均 3 年即可回收成本」。

資深研究科學家暨小組召集人克里門斯(Bruce Clements)表示「增加大型氫和水份流失系統的壓力或部份壓力,會對熱轉移,燃燒和空氣污染控制等方面產生正面的效果」。系統加壓會增加冷凝液溫度,使流程整合冷凝式熱交換器更易運作。使得熱和質量轉換率獲得改進,也意味著較小且有效率的反應器及小體積設備亦可使用。

測試顯示,加壓後的鉛室反應可以減少污染物質如氮氧化物的濃度。使用結合冷凝器及洗滌系統可以進一步控制污染。克里門斯也比較了乾、濕鍋爐科技,並描述了鋼鐵工業界氧氣高爐的功能。氧氣高爐可以產生合成氣體及濃縮的二氧化碳流。

研究工程師吉迪斯(Phil Geddis)表示,「拜正在發展中的熱回收科技之賜,低度廢熱提供節能一個絕佳的機會」。例如,就水泥工業而言,漏失的氣體占總能源損失的 30%。在不同的廢熱中,由加熱後冷卻液產生的輕度且高量的廢熱,是熱回收的主要目標。

吉迪斯復指出,煙道氣(flue gas)是乾氣及潛熱漏失的混合,在某些鍋爐中,量會很高。像硬結爐(induration furnaces),其熱效率為 35%。不同的燃料,由於水份及氫含量的不同,熱回收也會產生不同的結果。

吉迪斯提出一些有關煙道氣的顧慮,包括材料腐蝕,水蒸氣凝結點增高,煙道氣煙塵浮力要求,及安裝成本等。

康戴克斯廢熱回收系統公司的維奇也就自廢氣中廢熱回收的主題發表了意見。他表示,目前只回收高溫廢熱。他指出「廢熱回收可以提供最大可能的能量獲取」。

維奇解釋,冷凝省煤器不僅可以回收能源為製程水加溫,同時還可將水回收為鍋爐加熱或做為製程水。ConDex 的冷凝省煤器可以將鍋爐廢氣冷卻至進水溫度的幾度之內,並可將鍋爐效能從 93% 增至 99%。維奇指出,使用冷凝式省煤器,一個一年 365 天,每天 24 小時運作的鍋爐,可以減少二氧化碳排放量約 466 公噸。

安裝在安大略省多倫多 Emery Oleochemicals 公司的 ConDex 冷凝省煤器,每年回收的能源量為 3.15 MMBtu/小時。而安裝在 Oxy Vinyls Canada 的冷凝器,目前每年的能源回收量為 6.5 MMBtu/小時,節省的費用估計達 50 萬加元。

克里門斯表示,「聯邦政府 2011 年預算案推出稅務獎勵措施後,安裝廢熱回收系統一事變得簡單多了」。廢熱回收取決於許多不同因素,包括廢熱量,品質,及廢熱組成成份,回收最低溫度,熱流傳輸性,及經濟規模等。目前廢熱回收選擇及科技包括熱切換器–熱回收器,回熱器,廢熱鍋爐—為低溫廢熱設計的預熱及加溫系統。

廢熱回收的另一項選擇為使用以熱電,熱離子,壓電式,及熱光電為主的電流直接轉換設計發電系統,這些方式目前都還在示範階段。廢熱回收還可經由機械方式達成,如傳統蒸氣朗肯循環(Rankine cycle),有機朗肯循環(organic Rankine cycle),及卡利納循環(Kalina cycle)。這些科技目前都在工業設施中使用。

加拿大自然資源部的潔淨能源署 Varennes 研究中心的研究員畢達德(Serge Bedard)表示,「計算廢熱回收帶來的節省是一項複雜的工作,特別是對那些安裝複雜電力系統及汽電共生工廠而言。在某種情況及配有熱源儲槽的情形下,決定哪一種廢熱回收科技最合適,非常具有挑戰性。」畢達德指出,「流程整合(Process integration)可以應付這種挑戰,因為這種方法從全球的角度來審視流程並分析交互作用,並有潛力為公司每年節省 35% 能源費的可能」。畢達德亦提到了汽電共生系統,認為這種廠最能受益於流程整合研究。他指出,蒸氣或瓦斯,或兩者合併的渦輪機,及往復式發動機,都是為此目的常見的科技,其中尤以後壓蒸氣渦輪機(back-pressure steam turbines)最具效率。

很明顯的,廢熱回收為節省能源費用及減少溫室氣體排放量提供了一個絕佳的機會,特別是在新科技衍生的時刻。改善鍋爐效能,及整合流程,對工業設施提高能源效率來講,同樣重要。

作者:駐加拿大台北經濟文化代表處科技組
資料來源:加拿大自然資源部 [2012-01-30]

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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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