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ORC,好裝備,從此廢熱不浪費

2014/09/05 經濟部能源局 點閱人次: 1138

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▎撰文/曾君儒 ▎圖片、資料提供/工研院綠能所動能與溫差發電技術研究室、東培工業股份有限公司、台灣化學纖維股份有限公司

國內工業的製程中,充滿不同溫度的分散式熱源,這些熱源溫度若低於200 度,往往被視為沒有價值的廢熱,常會伴隨著工廠廢熱水、廢熱氣排放出去。

事實上,這些廢熱的總能量十分龐大,若能將這些能量回收再利用呢?

溫差之間,無限可能

早在民國95 年,工研院就開始研發相關的技術,「最初是由海洋能溫差發電領域著手,」工研院綠能所博士張家銘表示,「海洋能溫差發電,是以表層海水與深層海水之間不同的溫度差異來進行發電,當時我們先從相差攝氏20 度的條件來嘗試。」在這個基礎上,工研院開發出了500W 海洋溫差發電實驗機組, 正式啟動低階溫差發電技術的研發工作;97 年更擴大為5 瓩(kW)的規模,系統運轉也漸趨穩定,隔年更進一步與台肥公司花蓮廠合作,嘗試挑戰攝氏10 度的溫差,建立了全國首座海洋溫差發電示範電廠,而其核心技術,就是有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle, ORC)系統。

自此工研院正式投入ORC 技術的開發工作,初期主要參考日本佐賀大學的相關經驗,他們特別邀請佐賀大學過去曾參與2000 年印度1 百萬瓦(MW)浮動式海洋溫差發電示範電廠的池上康之教授,來為這項前瞻技術擔任顧問。研發團隊於民國99 年開始導入ORC 技術到工業領域的應用範圍,100年時分別開發適用於攝氏80 至150 度的ORC 機組,「溫度更高、差異就越大,所能產生的電能也就不同, 這些機組的熱能轉換發電量可達10 至50瓩。」張家銘表示,直到這個時候研發團隊才正式向能源局申請計畫補助。

現階段國內ORC 低溫熱源發電是屬於較前瞻性的技術,研發團隊在開發過程中也參考了美國UTC公司的280 瓩ORC 機組、Electra Therm 公司的50 瓩ORC 機組;不過工研院的技術相對簡單,也較符合國內的產業需求,值得一提的是,ORC 機組在國內的自製供應率可達百分之百,後續的運轉、維修等,都不必假他人之手,該技術的發展環境,整體而言頗具優勢。

ORC的心臟─膨脹機

ORC 系統內部工作流體主要以冷媒為主,冷媒的沸點很低,因此低溫餘熱就可以將冷媒汽化、產生高壓,進而推動膨脹機轉動。看到前面的流程圖,我們發現將溫差變電能的關鍵,就在膨脹機轉動時,帶動發電機產生電力,那是不是只要每家工廠都配一套有膨脹機的機組就可以直接溫差轉發電呢?

「這樣想就太簡單了,其實膨脹機的技術是最複雜的。」張家銘解釋,前置作業需要有專人前往工廠勘查,觀察廠房運轉時的各種狀況,再反推回去分析計算、設計該機組需要的設計圖與零件,後續還要搭配繁複的測試,才能讓這套系統真正發揮作用,而不同的發電容量有以下幾種膨脹機可供選用:渦卷(5 至10 瓩)、螺桿(10 至250 瓩)及渦輪(250 瓩以上)等,中間若是一個不小心,部分設計不甚符合機器需求,後續餘熱發電的效益就會相對低落。

也因為ORC 系統能將低溫熱能轉換成電能,其應用範圍就非常廣泛,例如:工業餘熱、地熱、太陽熱能、生質能等低溫熱源,而ORC 系統的發電容量從數瓩到百萬瓦等都能夠開發,對於不同的熱能回收環境相容性相當高。

示範電廠,技術里程碑

工研院開始運用ORC 技術協助業界進行低溫廢熱發電應用,在102 年分別與東培工業股份有限公司(機械業)及台灣化學纖維股份有限公司(化工業)合作,預計於今(103)年底完成20 瓩淬火油廢熱發電示範電廠及200 瓩熱水型廢熱發電示範電廠的建置。

20瓩淬火油廢熱發電示範電廠

東培是國內軸承開發的主要公司,在軸承開發製程中,部分製程廢熱使淬火油溫度升高,過去是採用導入冷卻水塔,以冷水與淬火油間接熱交換的方式將淬火油的溫度降低,以確保製程之品質。而工研院針對該工廠的屬性,在不影響製程的前提下,同樣以間接取熱的方式,將淬火油的廢熱傳送至ORC 系統,並結合原先已建置的冷卻水系統,進行ORC 發電,發電容量約為20 瓩。東培技術副總經理俞惟貴表示,當初初總經理陳文傑先生得知ORC 為目前低溫餘熱 /廢熱發電系統中,技術成熟且最經濟實惠的方案,產品具備發電效率高、運轉可靠度佳、機組維修少及產品經濟期間長(≧ 20 年)等特性,用戶端可收節能減碳、環保和經濟效益等多重功效,便開始籌劃引進ORC 技術。俞惟貴說,東培是一間長時間致力於節能減廢的綠色企業,持續引進及開發環保相關科技,目前正積極的推廣ISO50001 能源管理系統認證,期望藉由ORC 廢熱發電系統的建置,將軸承熱處理淬火製程所產生的廢熱用來發電,除提升能源效率外,也可降低成本並減少溫室氣體排放。

ORC 機組已於今年6 月開發組立完成,目前置於工研院內長時間試運轉及調機,預計8 月底會配入東培中壢廠,並於10 月底正式運轉,預期可帶來160 仟度/年的發電量,每年減碳102 公噸,樹立東培注重社會公益及綠色環保的正面形象。

200瓩熱水型廢熱發電示範電廠

台化為國內重要的化工廠商,製程中產生的廢熱能十分龐大,工研院針對台化化工二部苯乙烯三廠(SM3 廠),製程中產生的200 噸攝氏82 度的熱水進行廢熱回收發電。目前台化SM3 廠對此熱水的處理方式為直接回注至冷卻水塔進行冷卻與水的回收,但熱水溫度太高,回注至冷卻水塔時會造成一定程度的蒸發量,使水資源流失。若完成ORC示範電廠的建置,除增加近200 瓩的發電量,亦能降低水資源的蒸發損失,達到節能與節水的雙重效益。

SM3廠長林金添表示,台塑集團非常重視節能減碳的工作,還成立節能小組長時間關注這項議題。因此,經工研院介紹,廠內檢討評估後,預計ORC可應用於回收熱水廢熱進行發電;而後當SM3廠提出系統建設案時,即獲得總經理大力支持,希望能透過該技術改善台化的廢熱問題。目前SM3廠的機組正在進行最後階段的機械檢查,預計9月份進駐廠內安裝,待管線、電力系統等連結完成後,10月底會正式運轉與測試,預估發電量可達1600仟度/年,每年減碳1021公噸。

「節能的工作,能省一度是一度,絕對不能因為量少而不去做。」林金添認為,能源跟生活息息相關,企業就應該站在節能工作的最前線,樹立典範。此案為國內首次應用於化工廠之熱水廢熱回收進行發電,現階段其他工廠、甚至同業,都十分關心SM3 廠的機組運轉成效,若能順利達標,勢必會在產業界引領新一波的風潮。

這2 個示範電廠的建立,除了展現成熟的國產化ORC 技術,也將是國內低階熱能溫差發電技術開發的重要里程碑,預期將可加速國內廢熱發電的相關產業成長。

熱,一點都不要浪費

我國的ORC 技術自95 年起,歷經瓩級海洋溫差發電、10 瓩級蒸汽廢熱發電、50 瓩級工業廢熱發電以及60 瓩清水地熱發電,檢視著這段還不算長 的歷程,之後將會有著什麼樣的展開呢?

張家銘表示,近幾年來,中低溫熱能回收發電議題於世界各國均受到極大的重視,部分國家更規定工業能源耗損大廠需執行廢熱回收,其產生的廢熱發電市場極為龐大,各先進國紛紛投入ORC 技術的研究與開發,面對世界各大廠的技術競爭,如何強化我國自有技術的能量與產品效能之提升,勢必成為主要的議題。

雖然目前國內的低溫餘熱還是會以大工業用戶為主,例如中鋼或台塑集團;還有許多溫泉業者,在溫泉水剛冒出到冷卻的降溫過程,也是低溫餘熱可應用的範圍,他們都是低溫餘熱發電的潛力戶。

為持續深耕並開拓國內ORC 產業,工研院將配合能源局規劃,朝向300 至500 瓩的目標邁進,並致力於ORC 系統性能的提升,強化節能效益。張家銘表示,工研院將致力以創新的技術,取回更多不應該被浪費的熱源,並扶植國內相關業者,建構堅實的技術能量,培養出能與國際大廠相匹敵的競爭力。


關鍵字:廢熱,溫差發電,ORC,低溫餘熱

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