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淺談工業廢熱回收

2019-10-21

吳世國 資深研究員

工業技術研究院 綠能與環境研究所


我國能源極度仰賴進口,根據中華民國105年能源統計手冊[1]指出,我國105年進口能源依存度高達97.64%。雖然目前再生能源(尤其是太陽光電與風能)的比例逐步上升,但所佔比例仍是有限。除持續進行能源開源的動作外,能源節流的手段自是必不可少。透過檢視全國能源消費結構發現,能源及工業部門耗能佔43.60%,接近全國耗能的一半。其中,約40%能源使用於製冷與加熱等相關應用。目前的狀況是,大約有20%~50%能源以廢熱形式排放於環境中。綜上所述,工業廢熱回收是必須要努力執行的方向。而為了提高廢熱回收的誘因,政府針對能源大用戶提供了補助辦法。『廢熱與廢冷回收技術示範應用專案補助要點』[2]最主要的內容有二:(1)補助對象為契約用電容量超過一百瓩,且依法設立登記之法人;(2)補助金額不得逾設備購置成本之三分之一,並以新臺幣五百萬元為上限。

圖1、熱交換溫度差對熱交換面積的影響 (資料來源:Waste Heat Recovery, DOE, 2008.03)

 

有了為何要做工業廢熱回收的理由後,接下來要問的問題是工業廢熱有哪些?該怎麼回收?回收後又要用到哪裡去?首先談到工業廢熱的來源,原則上可以分成兩大類:(1)各種工業熱能設施(鍋爐、高爐、窯…)的煙道排放氣體;(2)各種高溫製程的熱逸散。通常來說,會在上述廢熱來源處加裝廢熱回收裝置來處理廢熱。假若說廢熱氣或廢熱水可以直接通過需要用熱的製程,廠商自然會直接將此熱源導入,嚴格來說不能算是廢熱。不過因為廢熱很大的來源是煙道排放氣體,不適合直接導入製程,因此通常會使用熱交換器來將熱量轉移。工業用的熱交換器主要是利用流體的對流熱傳來傳遞熱量,所以熱交換面積及溫度差是影響熱回收的重要參數。圖1[3]是熱交換溫度差對熱交換面積的影響。橫坐標是溫度差,而縱座標是熱交換面積。由圖中可明顯看出,當溫度差低於200℃以下時,所需要的熱交換面積急遽上升。這代表著材料的成本大幅增加,佔用的空間也大幅增加,經濟效益是不佳的。另一方面,前面已經提到廢熱的來源常是煙道排放氣體,常有硫氧化物或氮氧化物排放。當溫度過低時,倘若有水氣凝結,此時極易產生酸蝕現象,進而讓熱回收業者也不願意回收低於130℃以下的廢熱。然而根據我國103年9月的能源報導資料顯示,我國200℃以下的廢熱佔了64%,250℃以下的廢熱更是佔了全部廢熱的四分之三(請參考圖2)。

圖2、我國廢熱溫度分布(資料來源:103年9月能源報導)

 

中低溫廢熱回收效益低,卻偏偏佔了廢熱的大宗。如此棘手的問題是否有解決的可能?在思考這個問題前,先來盤點一下目前常用來回收廢熱的熱交換器。

  1. 除溼轉輪式全熱交換器─可同時回收潛熱與顯熱,但有傳動設備,需額外消耗動力。
  2. 殼管式熱交換器─價格便宜,但換熱效率較差。
  3. 板式熱交換器─體積小,換熱效率較殼管式佳。
  4. 鰭管式熱交換器─換熱效率較佳,常用於氣對氣熱交換。
  5. 熱管熱交換器─換熱效率佳,且可避免冷熱流體混合,避免可能之污染。

如果要回收的是廢熱氣,板式熱交換器、鰭管式熱交換器和熱管熱交換器會是較好的選擇。筆者服務的團隊,近年來有一個發想,結合鰭管式熱交換器和傳統熱管熱交換器的優點,成為新型態的熱管熱交換器,如圖3所示。此熱交換器是由數個單體(如圖4所示)組合而成。其與傳統工業用熱管熱交換器最大的差別在於其單位體積熱傳量高達傳統的兩倍以上,這代表著空間只需不到一半,對現有未加裝或欲換裝廢熱回收熱交換器的工廠是相當具有吸引力的。

圖3、工研院新型態熱管熱交換器總成

 

圖4、工研院熱管熱交換器單體

 

此外,對於回收低溫廢熱可能造成的露點腐蝕問題,坊間常用的解決方案是使用不鏽鋼材質或是在熱交換器表面噴塗鐵氟龍或陶瓷鍍層。如果應用溫度不高(例如低於120℃),高分子塗層亦是可以考慮的方式。雖然這些方法都可以達到抗腐蝕效果,不過這些材質或塗層的熱傳導係數都較低,將會削減熱傳的表現。此方面的良好解決方案還有努力的空間。

最後談到收回來的熱到底要用在哪裡?這其實是最重要的問題。任何一個要進行廢熱回收的業者與案主一開始就要想想這個問題。一般而言,為了避免能量轉換所造成無可避免的損失,廢熱最好是能現地現用。最佳的用法就是將廢熱回收到需熱裝置,而通常就是用來預熱進氣或飼水。倘若沒有熱氣或熱水的需求,或者是廢熱量大於需求,此時就會考慮將廢熱用來製冷或發電。現場若有空調製冷需求,吸收式製冷會是一個考慮的方向。至於廢熱發電,目前較常見的有熱電(Thermoelectric Generator,TEG)發電與有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle,ORC)發電,不過發電效率都還有大幅改善的空間,期待未來有人可以提出更好的想法。

 

參考文獻

[1] 中華民國105年能源統計手冊
[2] Waste Heat Recovery, Technology and Opportunities in U.S. Industry 
[3] 能源報導103年9月號