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純氧在節能上的運用

2007/01/05 經濟部能源局 點閱人次: 315

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■撰文:翁鳳英

正值盛夏。一位潛水夫跳入水中,他背上背了一個氧氣筒,裡頭裝了用200bar壓縮成的12公升的氧氣,相當於在水面上2,400公升的氧氣,足以讓潛水夫在水中停留18分鐘之久。氧氣是人體賴以維生的氣體,紅血球帶著氧氣在肺部表面和白血球進行氣體交換,使人們的細胞能持續生存,因為人只要在數分鐘內缺氧,就會死亡。

其實氧氣不只對人體重要,它也是工業上重要的助燃元素之一,像是發電廠燃燒煤、瓦斯或其他原料都需要用到它。另外,沒有了氧氣,交通工具如汽車、飛機和船舶也無法啟動行進。本文討論純氧在節能上的運用,以純氧在煉鋼與製造U型潛艇的運用為例,希望能為各界提供參採。

純氧煉鋼

一般人可能不知道,從空氣中抽離氮氣和其他痕量氣體(例如二氧化碳、甲烷和臭氧)後,所得的純氧可以加速燃燒速度。布萊梅港口的Reiner Brach鋼鐵廠,專門生產的產品範疇極廣,從推高機、精密的外科手術醫學器材等到簡單日常生活用到的刀叉都有。

從該公司的展示室可以看到純氧如何加速燃燒。在將一錠一錠的鋼條軋製成薄鋼板時,需要從原先的300度至500度之間,持續加溫數個小時到攝氏1,200~1400度。在這個工廠裡,共有12座煉鋼爐,所採用的助燃氣體都不是一般的空氣,而是純氧。一般空氣的助燃點最高可達攝氏1,800度,而純氧可至攝氏2,800度。

德國販售諸如乙炔、氬氣和純氧的公司,較著名的有Firma Linde。若是使用瓦斯為燃料,配以純氧,則理想的燃燒比例為1:2,也就是說若為100立方公尺的瓦斯燃燒,則需要200立方公尺的純氧,方能達到理想的燃燒結果,否則就需要注入1,000立方公尺的空氣。以此技術為原則,Rainer Brach的煉鋼爐,每小時可節省注入800立方公尺的空氣。

使用純氧的優點在於:只使用純氧來進行燃燒,可以省去氮氣。如此一來,節省的能源達50%,而廢氣的排放量也減少7成。工廠不需要花費處理廢氣的成本,只要小型的廢氣設備即能運作,這不僅節省設備成本也省下維修成本。在燃燒的程序裡,可以迅速地加熱至理想的溫度,提高每個煉鋼爐的熔煉量和產量。

純氧發揮節能功效

在北歐的瑞典,此類技術已在1980年代建立完成,主要的技術開發目地在於節省更多的燃燒原料,在北歐國家裡,最常使用的氣體是較貴的丙烷。現在德國煉鋼廠一般用天然瓦斯和一般空氣來加熱,目前看起來,包括廢氣的處理費用還可以負擔得起,但隨著能源價格日漸上揚,德國煉鋼大廠Thyssen-Krupp對於使用純氧來助燃的想法已有了改變。

對於技術設備的更新而言,因為要視煉鋼爐的大小規模而定,而很難加以正確判斷。若煉鋼爐不需要持續運作,則可能每個煉鋼爐需要投資100,000~150,000歐元之間。若是以一個大煉鋼爐而言,每小時可生產300~400噸的鋼條,則所要花費的投資成本為200萬歐元至1,000萬歐元之間。

設備更新需要時間,而對於如Thyssen-Krupp的煉鋼大廠而言,現在正值鋼鐵市場蓬勃發展的時期,若要停止生產數個星期,只為更新設備,實為困難。但在布萊梅的Rainer Brach卻有先見之明,早在1994年即以引入純氧燃燒的煉鋼程序,相對於現在能源費用高昂,當時的作法是對的。

論起能源的成本效益,採用純氧是可行的。而將來一定會有更多煉鋼廠採用純氧來進行燃燒。雖然純氧可以為人類省下很多的能源,但在使用它時也要特別小心,當它與磷、鎂或鐵粉接觸時,會引起燃燒;若遇到氫氣時,則也會引起爆炸。

純氧結合氫燃料電池在軍事上的運用實例

幸好這種燃燒和爆炸並不時常發生,原因之一是氧氣在空氣中的含量並不多,一般空氣的氧含量只有21%,其他78%主要由氮氣及水汽等氣體組成。這樣的比例,保護了空氣中許多的物質不致於起火燃燒。燃料電池可在室溫下運作,這種在電池裡進行的所謂的冷燃燒主要依靠氫氣和純氧。

這種燃料電池,近年來已在技術上有所創新,能夠驅動U型潛艇(U-Boot)。U型潛艇由德國聯邦海軍駕駛,它常停駐在北部基爾港(Kiel),由德國軍事工廠Howaldtswerke建造。全球國家如希臘、義大利、葡萄牙和南韓都擁有這類潛艇。該潛艇重要的結構之一,即為其氫燃料電池,其建造技術屬於Thyssen Krupp鋼鐵廠。2006年6月時,德國軍事工廠為希臘打造的U型潛艇進行下水測試,它的工程師Hans Pommer表示,該潛艇具改良後的氫燃料電池配備。

這艘U型潛艇是高13公尺、長65公尺的黑色龐然大物,它具有2個柴油馬達和1個氫氣燃料電池。相對於具柴油馬達和鉛電池的傳統潛艇,U型潛艇有許多優點。傳統潛艇因構造的需要,必須常常浮出水面補充氧氣,或至少將煙囪伸出水面,在軍事策略運用上,這是極危險的。

而U型潛艇的氫燃料電池可以直接從水中補充並儲存氫氣,同時也具有可儲存液態氧的設備,足夠潛艇行進時所需的能源。

U型潛艇裡的氫燃料電池因實際的需要,而獲得很大的技術突破。這類電池必須要比其他燃料電池相對輕巧。另方面,因為有純氧在其中,因此必須完全排除氮氣,才能避免渣料的產生。另一項必須要注意的是,該電池中的金屬隔熱板,必須鍍金,才能避免電池內的電阻,而增加反應效率。

較理想的狀況是,能具備較多個燃料電池,以避免單一電池電流過強,同時又能保持高伏特,使燃料電池內的效應盡量保持相同。也就是說,藉安裝較多個的燃料電池,能保持在低電流和高電流之間運作,達到最佳的效能。

U型潛艇在緩慢進行時,燃料電池能達到超過60%效率。若為高速前進,則效率降為約50%。然而,此類的U型潛艇除了燃料電池組外,仍配有1個或2個傳統的柴油馬達。

在外在空氣不那麼重要關鍵時,藉用柴油和一般空氣的電池當然比較使用氫和純氧的燃料電池便宜;對於U型潛艇而言,軍事上的機動需求為優先考量。換句話說,能夠結合兩者優點的氫燃料電池為最佳選擇。

結合了柴油和氫燃料電池的U型潛艇,是軍事上的理想潛艇,一般雷達很難偵測到它的位置,原因是它船身推進器噪音小;所配備的氫燃料電池很安靜,不產生廢氣,也不散熱,敵方也很難藉電池在水中所散發的熱量,而找到U型潛艇的位置。因此,與使用柴油引擎的其他潛水軍艦比較起來,U型潛艇當然就具備了不需要外在空氣並能長時間潛水的優點。

新有「氧」運用

由此可知,人類沒有氧氣無法存活,而對某些設備而言,純氧也是必備的氣體。而現在科學家要做到的是,使純氧的運用能更加廣泛,並改善純氧的品質。除了將純氧運用在軍事U型潛艇外,希望將來也能在煉鋼廠裡,以較合理的成本,加入純氧來煉鋼,以達到節能的目地。(作者為本刊駐德國特約記者╱讀者可上網www.wdr5.de的Leonardo-Wissenschaft und mehr查詢相關資訊)

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