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中華民國燃燒學會The Combustion Institute of ROC
中華民國九十五年十一月
Vol 15 No 4
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 1
燃 燒 季 刊 Combustion Quarterly
第十五卷 第四期 中華民國九十五年十一月出版
Vol 15 No 4 Nov 2006
目 錄
CONTENTS
編輯札記 2 吳友平
使用超音波乳化技術製備多重相乳化燃油3 林成原 陳立緯
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究 10
陳美燕徐恆文羅敏謙沈政憲楊淑華
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器 25
羅文斌吳國光鄭景亮
壓力式氣化爐的控制系統實務 34 鄒春明
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度對熱效率與一氧化
碳排放影響之研究 48
李以霠吳國光鄭景亮羅文斌焦鴻文黃一德
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 2
編輯札記
此次剛由林成原院長交付編輯本期燃燒季刊的工作真的有些惶
恐但是倒也希望能為燃燒學會貢獻點心力
這一期的共有五篇文章有國立臺灣海洋大學輪機工程學系林成
原院長的「使用超音波乳化技術製備多重相乳化燃油」工業技術研
究院能源與環境研究所陳美燕徐恆文羅敏謙沈政憲及楊淑華等
五位的「挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究」羅文斌吳
國光及鄭景亮等三位的「高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯
熱水器」鄒春明的「壓力式氣化爐的控制系統實務」及李以霠吳
國光鄭景亮羅文斌焦鴻文及黃一德等六位的「家用瓦斯爐一次
空氣空燃比與加熱高度對熱效率與一氧化碳排放影響之研究」這裡
要特別感謝工業技術研究院能源與環境研究所對這一期季刊的貢
獻也期盼各位學會的夥伴們能踴躍的提供稿件並支持本燃燒學會
的成長
吳友平
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 3
使用超音波乳化技術製備多重相乳化燃油 Preparation of Multi-phase Fuel Emulsions by Using
Ultrasonic Emulsification Technique 林成原1 陳立緯2
Cherng-Yuan Lin Li-Wei Chen 國立臺灣海洋大學輪機工程學系
Department of Marine Engineering National Taiwan Ocean University Keelung 20224 Taiwan
摘要
乳化技術被視為可能改善引擎排氣污染之一種技術超音波乳化法在醫學
食品生物科技等方面應用廣泛本文研究以超音波震盪槽製備乳化燃油之技
術並探討超音波操作條件對於形成二重相（WO 型OW 型）乳化燃油及三
重相（OWO 型）乳化燃油的影響研究結果顯示使用超音波乳化法可以製備
乳化特性良好內部相粒徑均勻細緻乳化物安定性佳的乳化燃油在超音波的
操作條件方面高溫度低壓力高震盪頻率高輸出功率都有助於形成氣穴現
象而產生內部相均勻細緻的乳化燃油但過高的乳化油溫度同時會促進油與
水二相的分離速率而降低乳化燃油的乳化安定性 關鍵詞多重相乳化油超音波乳化法乳化安定性
Abstract Emulsification technique has been considered one of possible approaches to
reduce enginersquos emission pollution The technique of ultrasonic emulsification is employed in the fields of medicine food and biotechnology etc Ultrasonically oscillating techniques to prepare diesel emulsions were investigated in this study The effects of operating factors of an ultrasonical vibrator on the formation of water- in- oil (WO) oil- in- water (OW) two- phase emulsions and oil- in water- in- oil (OWO) three- phase emulsions were considered as well The results show that the ultrasonical emulsification technique is able to produce diesel emulsions with uniformly fine liquid droplet distribution superior emulsion stability and low viscosity etc In addition operating conditions of higher emulsion temperature lower pressure higher oscillating frequency and higher power output are beneficial to 1 國立臺灣海洋大學輪機工程系教授emailLin7108mailntouedutw 2 中華汽車海外開發課email reverems54hinetnet
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 4
produce cavition phenomenon which leads to form fine diesel emulsions with well-dispersed tiny droplets However excess emulsion temperature could enhance separation of water and oil phases at the meantimes The emulsion stability would therefore be reduced Key Words multi-phase emulsion ultrasonic emulsification emulsion stability
一前言
乳化燃油的使用被認為可以有效提昇引擎燃燒效能及改善 NOx黑煙等排
氣污染乳化燃油一般是由水和油所組合而成二者的沸點溫度和蒸發溫度都不
相同而水的沸點比柴油的沸點低因此在油的包覆下水當溫度達到沸點時
就會汽化而將包覆在外面的油層炸開油滴會碎化形成更多更細小的油滴顆
粒進而增加燃油的面容比使其和空氣的混合更均勻接觸的表面積也會增加
促使燃燒速率上升及燃燒反應較完全但由於燃油乳化還有許多技術上的問題
至今仍無法普遍的商業化應用因此尋找適當的乳化方法以謀求改善是研究的重
點之一 超音波乳化法是可快速製備均勻粒徑微粒的方法之一[1-2]超音波乳化法經
常被使用於食品生物化學及製藥方面[3-6]超音波乳化技術於 1927 年首度由
Wood and Loomis 發表[7]此後許多研究使用不同的超音波設備來製備乳化物
[8]但尚未發現使用超音波製備三重相乳化燃油的文獻本文探討以超音波震
盪的方法製備 WO 型OW 型二重相及 OWO 型三重相乳化燃油並分析影響
乳化特性的操作因素
二乳化物的製備方法
製備乳化物大致可分為凝集法和分散法凝集法是集合分子分散的液體成適
當大小而得乳化分散粒子的方法工業上鮮少使用一般以分散法來製備乳化
物主要是以強力機械攪拌的方法把分散相界面破壞由大塊液體逐漸分裂成細
小液體顆粒而得乳化分散物但即使使用強大的機械力攪拌在機械攪拌停止
後分散粒子仍會快速的聚合而使兩相再分開因此需使用適當的乳化劑使
熱力學不穩定狀態的乳化物安定適當的乳化劑能降低油水界面間的表面張力
減少界面自由能的增加量而使兩相穩定結合延長分離的時間因此若兩種液
體的界面張力很小時僅需少許的外力即可完全乳化 超音波乳化法是另一種應用較為廣泛的機械式乳化法食品工業及製藥方面
應用廣泛使用超音波法製備乳化物可得到內部相平均粒徑較為細小均勻的乳化
物且可設計為連續製備的操作模式在經濟考量上遠比傳統的機械攪拌法佳
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 5
目前形成乳化物的方法除上述機械形式的方法外另外以多孔材料成型之乳
化物也越來越受重視此種新的乳化科技可更簡單且確實的製備高品質乳化物
其製備之乳化物的分散相粒徑可根據使用的多孔薄膜材料而變化且粒徑更為均
勻另外也較不受分散相或連續相之黏度的影響可用於製備高品質之乳化物
[9]
三 多重相乳化物之製備
多重相乳化物為 Seifriz 於 1925 年[10]在 OW 型乳化物的相轉換過程中觀察
到的其構造為分散相的界面將分散相內部及外部連續相分開若為 OWO（oil-in-water-in-oil）型乳化物即為水滴界面將外部油相及分散相內部的小顆
粒油滴分開利用此類型的乳化物會因為兩相溶液性質的不同使被包覆物質
以擴散滲透等方式釋放出來若經適當的控制即可預定其釋放速率多重相乳
化技術最初是因為其良好的包覆能力而利用於控制藥物的釋放以利人體階段
性吸收於 1968 年即應用於固定胰島素改善腸壁的吸收[11]另外在化妝品的
製造上可改善其有效成分的油膩感並可遮蔽其所產生的不良味道而食品的製
造上也可用於包覆其風味成份[12] 製作多重相乳化物主要有轉相法二階段乳化法機械攪拌法等三種方法
其中以二階段乳化法最常使用此方法是先在第一階段時製作二重相乳化物在
第二階段時再進一步形成三重相乳化物以 OWO 型乳化物為例先以親水性
乳化劑形成 OW 型乳化物而第二階段時將第一階段製作完成的 OW 型乳化
物以同樣的方式加入含有親油性乳化劑的油中加以攪拌即可形成 OWO 型三
重相乳化物[13]於第一階段的製備過程中可提高均質機的轉速及攪拌時間此
作法有助於生成更微小的油滴顆粒使乳化物的安定性增加但在第二階段的攪
拌過程中若均質機的轉速太高則會增加水滴顆粒破裂的機會因此均質機的攪
拌速度及時間對乳化物的品質有直接的影響而轉相法是利用分散相的溶液比例
達到某一程度時會使連續相的溶液發生相轉換形成多重相乳化物
Matsumoto[14]以轉相法製備時先形成 WO 二重相乳化物再持續加水至油相
中當含水量超過總量的 70時連續相的油會被水取代而開始形成 WOW多重相乳化物但此法會增加乳化物的黏稠性不適合用於乳化燃油的製備機
械攪拌法則是以親水性乳化劑加入水相親油性乳化劑加入油相兩者再用均質
機加以混合攪拌即可形成三重相乳化物[15]但以此法製備之三重相乳化物
其內部相含有比二階段法製備之乳化物更多的二重相結構因此本實驗以二階段
法製備多重相乳化燃油
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四超音波乳化技術
超音波為聲音強度高於人耳所能聽見的頻率即大於 20 kHz 以上之音頻皆
可稱為超音波其使用範圍相當廣泛從醫學工業到食品加工上甚至是一般
家中的珠寶清洗機及洗衣機等等民生用途都可見到超音波的應用超音波是一種
機械性的震盪波必須經由介質來傳遞其強度是以每秒鐘通過單位面積的能量
計算一般以 watt cm2 表示超音波的種類大致上可分為兩種一種是低強度
超音波其頻率介於 01 到 20 MHz一般用於非破壞性檢測對生物組織之生
理結構無損害常作為醫學診斷用或超音波探測器等診斷用的超音波具有如光
波一樣的特性經過不同界面時會有反射和折射的現象造成接收訊號之波長的
疏密變化而達到探測診斷的目的另一種稱為高強度超音波其頻率約為 100 kHz 以下其具有破壞細胞及生物組織的能力可應用於清洗乳化降解聚合
物等方面[16] 超音波過程可以稱為是一種液體爆破的現象它是由非常劇烈的聲音頻率提
供強烈的化學和物理反應使液體充分攪拌我們稱此種現象為氣穴現象
（cavitations）其為液體中無數微小的氣泡不斷的產生及崩潰所造成的因為超
音波為疏密波會使液體發生過壓與負壓過壓造成液體分子被壓縮負壓則使
液體分子膨脹當壓力大於靜水壓力時液體分子會被扭曲分散而形成空洞此
時周圍的水分子會來彌補此空洞當它們全都到達此空洞中心時會相互碰撞產生
相當大的力量造成水分子回彈而形成震動波因而釋放出能量並轉移至溶液
中形成機械攪拌效應而達到乳化作用的目的另外其在壓縮過程也產生熱
液體中空洞被壓縮而產生內爆崩塌之速度遠大於其熱能傳出此空洞的速度導致
周圍的冷液體會快速的將此熾熱的空洞冷卻而此現象產生與結束的時間不超過
百萬分之一秒但此現象使空洞可產生高達數百個大氣壓力及數千度的高溫其
冷卻率更快達數億度每秒此為超音波過程中產生的熱點效應（hot spot）[17-18] 機械形式的乳化包括均質攪拌噴射法電分散法超音波等乳化法均質
攪拌法是利用攪拌頭的高速轉動使流體快速擾動但會有空氣進入液體的缺點
而且內部相顆粒較大而不均勻噴射法是利用高壓將液體從細孔中噴出至另一液
相而形成乳化物因為是經過高壓擠出的過程所以其內部相顆粒不會呈現出良好
的球型電分散法則是內部分散相液體滴入外部連續相液體時施加一高壓電場
因電壓升高會產生類似噴霧氣的效果但會有內部相顆粒不為球形而有拖尾
（tailing effect）的情形而且欲製備的內部相粒滴越小需施加的電壓越高有安
全的顧慮而超音波法則是被認為可快速製備粒徑均勻微粒且效率高的方法之一
[18-19]
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五 影響超音波特性之因子
超音波應用於商業化產品已相當廣泛不論在機械工業電器工程食品工
業甚至醫學等等方面都可見其產品一般說來會影響超音波產品性質的不外乎其
震盪頻率輸出功率震盪源的設計及外在介質的溫度pH 值黏性比熱
原料種類等因素Gaddam and Cheung [20]的實驗指出增加超音波震盪的處理
壓力會使所產生氣穴現象（cavitations）的發生機會減少因此不易形成內部相
粒徑均勻細緻的乳化油若增加超音波處理時的溫度則會使溶液的黏度及表面
張力減少進而增加氣穴現象（cavitations）發生的機會因此超音波震盪所產
生的氣穴現象（cavitations）在高溫低壓可產生最大的效率而形成結構細緻的
乳化油但過高的乳化油溫度會加速油水分離現象而降低乳化安定性另外
超音波震盪頻率的大小會影響空洞現象發生的難易因為空洞現象是由於超音波
過程中形成的微小氣泡被疏密波產生的負壓及過壓扭曲分散在震動中快速破裂
而釋放出能量此過程需要一段時間使氣泡成長及破裂而超音波的疏密波長會
隨頻率的增高而變短因此頻率太高會減少此作用的反應時間造成其釋放的能
量減少[21]因此影響乳化油的內部相的均勻分佈輸出功率方面一般超音波
強度是指震盪子單位面積的輸出功率（watt cm2）因此功率越大表示會有更大
的能量釋放到溶液中雖然有助於乳化油的快速形成但這也將造成整個系統的
溫度上升對於大多數的溶液而言雖然溫度的增高有助於提昇反應速率[22]但會增加系統處理的變數因此適當的震盪時間或導入冷卻系統對於製備優良的
乳化油是必要考慮的條件
六結論
超音波指音頻大於 20 kHz 的一種機械性震盪波藉由劇烈的聲音頻率而產
生液體爆破現象造成液體之間充分攪拌促進物理及化學反應 本研究探討使用超音波乳化技術製備二重相及三重相乳化燃油影響乳化油
性質的超音波操作條件很多高溫低壓的條件下有助於氣穴現象的形成而產
生內部相均勻細緻的乳化油超音波震盪頻率過高會造成釋放能量減少而影響
油水乳化油的均勻分佈超音波輸出功率愈大乳化油形成較快速但因此所
造成過高的乳化油溫度會降低乳化安定性
參考文獻
1 Hsu BRS HC Chen SH Fu YY Huang and HS Huang The Use of Field Effect to Generate Calcium Alginate Microspheres and its Application in Cell Transplantation J
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 8
Formos Med Assoc 93(3)240-245 1994 2 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997 3 吳哲仁超音波過氧化氫處理法分解水中鄰氯酚國立交通大學碩士論文1995
4 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學碩士論文1997
5 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry 7125-133 1998
6 Sajas J F Zayas Y F Gorbatov W M and Gorbatov V M Use of ultrasonics in meat technology I Fleischwirtschaft Vol 58 pp 1009-1012 1978a
7 Wood RW AL Loomis Phil Mag 4 4171927
8 Abismail B Canselier JP Wilhelm AM Delmas H and Gourdon C Emulsification by ultrasound drop size distribution and stability Ultrasonic Sonochemistry 6 75-83 1999
9 Simon M Membrane emulsification ndash a literature review Journal of Membrane Science Vol 169 pp 107-117 2000
10 Seifriz W Studies in emulsion J Phys Chem Vol 29 p738 1925 11 Engel R H Riggi S J and Fahrenbach M J Insulin Intestinal absorption as
water-in-oil-in-water emulsions Nature (London) Vol219 pp 856 1968 12 Yazan Y Seiller M Arslan K Formulation and evaluation of a multiple emulsion
containing glycolic acid DCI January 1997 13 Matsumoto S and Kang W W Formation and applications of multiple emulsions J
Disper Sci Technol 1989 14 Matsumoto S WOW-type multiple emulsion with a view to possible food applications
J Texture Studies Vol17 p 141 1986 15 戴文飛卵磷脂對多重相乳化物形成率及安定性的影響國立台灣海洋大學水產食
品科學系碩士論文1996
16 Central Soya Co Inchttpwwwcentralsoyacom
17 Lantz R A Szuhaj B F Industrial methods of analysis in ldquolecithin source manufacture and usesrdquo The American Oil Chemistsrsquo Society Champaign Illinois pp162-173 1989
18 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry Vol7 pp125-133 1998
19 Ultrasonic Industry Association httpwwwultrasonicsorg
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 9
20 Gaddam K M Cheung H M Effect of pressure temperature and PH on the sonochemical destruction of 1 1 1- trichloroethane in dilute aqueous solution Ultrasonic Sonochemistry Vol 8 pp 103-109 2001
21 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學水產食品科學系碩士論文1997 22 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 10
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究
The Gasification Performance Model Research for Coal Gasification Combustion in Entrained Bed Gasifier
陳美燕 1徐恆文 2羅敏謙 3沈政憲 4楊淑華 5 Mei-Yen Chen1Heng-Wen Hsu2Min-Chain Lo3Cheng-Hsien Shen4Shau-Hwa
Yang5 工業技術研究院能源與環境研究所
Energy and Environment Research LaboratoriesIndustrial Technology Research InstituteHsinchu 310 Taiwan
摘要 工研院能環所於 91 年能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研
究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計畫藉由
國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統93～94年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與工程設計
能力等本研究係利用已建置之實驗系統收集大量實驗數據以實驗設計的方
式進行實驗再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與
氣化性能預測的回歸模型作為挾帶床煤炭氣化爐操作與設計之參考 關鍵詞氣化性能碳轉化率冷氣化效率模型
Abstract This project began from 2002 and constructed a 2 ton-coalday pressurized
gasify pilot system at 2004 This study collects experimental datas from this pilot system and reasearching the gasification performance prediction models by the design of experimental method This research results will be reference for the design and operation in entrained bed gasifier Keywords gasification performancecarbon conversion efficiencycold gas efficiencymodel 1 工研院能環所研究員myitriorgtw 2 工研院能環所研究員主任hsuhwitriorgtw 3 工研院能環所研究員lominchainitriorgtw 4 工研院能環所研究員CHShenitriorgtw 5 工研院全面品質辦公室管理師SHYangitriorgtw
一前言
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 11
淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 12
分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 13
煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 15
表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
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大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
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表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
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圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
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圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
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十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
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圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
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示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
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Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
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Ther
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cien
cy (
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60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
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CO
em
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(ppm
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4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
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徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
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託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
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標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
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應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
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Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 1
燃 燒 季 刊 Combustion Quarterly
第十五卷 第四期 中華民國九十五年十一月出版
Vol 15 No 4 Nov 2006
目 錄
CONTENTS
編輯札記 2 吳友平
使用超音波乳化技術製備多重相乳化燃油3 林成原 陳立緯
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究 10
陳美燕徐恆文羅敏謙沈政憲楊淑華
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器 25
羅文斌吳國光鄭景亮
壓力式氣化爐的控制系統實務 34 鄒春明
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度對熱效率與一氧化
碳排放影響之研究 48
李以霠吳國光鄭景亮羅文斌焦鴻文黃一德
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 2
編輯札記
此次剛由林成原院長交付編輯本期燃燒季刊的工作真的有些惶
恐但是倒也希望能為燃燒學會貢獻點心力
這一期的共有五篇文章有國立臺灣海洋大學輪機工程學系林成
原院長的「使用超音波乳化技術製備多重相乳化燃油」工業技術研
究院能源與環境研究所陳美燕徐恆文羅敏謙沈政憲及楊淑華等
五位的「挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究」羅文斌吳
國光及鄭景亮等三位的「高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯
熱水器」鄒春明的「壓力式氣化爐的控制系統實務」及李以霠吳
國光鄭景亮羅文斌焦鴻文及黃一德等六位的「家用瓦斯爐一次
空氣空燃比與加熱高度對熱效率與一氧化碳排放影響之研究」這裡
要特別感謝工業技術研究院能源與環境研究所對這一期季刊的貢
獻也期盼各位學會的夥伴們能踴躍的提供稿件並支持本燃燒學會
的成長
吳友平
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 3
使用超音波乳化技術製備多重相乳化燃油 Preparation of Multi-phase Fuel Emulsions by Using
Ultrasonic Emulsification Technique 林成原1 陳立緯2
Cherng-Yuan Lin Li-Wei Chen 國立臺灣海洋大學輪機工程學系
Department of Marine Engineering National Taiwan Ocean University Keelung 20224 Taiwan
摘要
乳化技術被視為可能改善引擎排氣污染之一種技術超音波乳化法在醫學
食品生物科技等方面應用廣泛本文研究以超音波震盪槽製備乳化燃油之技
術並探討超音波操作條件對於形成二重相（WO 型OW 型）乳化燃油及三
重相（OWO 型）乳化燃油的影響研究結果顯示使用超音波乳化法可以製備
乳化特性良好內部相粒徑均勻細緻乳化物安定性佳的乳化燃油在超音波的
操作條件方面高溫度低壓力高震盪頻率高輸出功率都有助於形成氣穴現
象而產生內部相均勻細緻的乳化燃油但過高的乳化油溫度同時會促進油與
水二相的分離速率而降低乳化燃油的乳化安定性 關鍵詞多重相乳化油超音波乳化法乳化安定性
Abstract Emulsification technique has been considered one of possible approaches to
reduce enginersquos emission pollution The technique of ultrasonic emulsification is employed in the fields of medicine food and biotechnology etc Ultrasonically oscillating techniques to prepare diesel emulsions were investigated in this study The effects of operating factors of an ultrasonical vibrator on the formation of water- in- oil (WO) oil- in- water (OW) two- phase emulsions and oil- in water- in- oil (OWO) three- phase emulsions were considered as well The results show that the ultrasonical emulsification technique is able to produce diesel emulsions with uniformly fine liquid droplet distribution superior emulsion stability and low viscosity etc In addition operating conditions of higher emulsion temperature lower pressure higher oscillating frequency and higher power output are beneficial to 1 國立臺灣海洋大學輪機工程系教授emailLin7108mailntouedutw 2 中華汽車海外開發課email reverems54hinetnet
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 4
produce cavition phenomenon which leads to form fine diesel emulsions with well-dispersed tiny droplets However excess emulsion temperature could enhance separation of water and oil phases at the meantimes The emulsion stability would therefore be reduced Key Words multi-phase emulsion ultrasonic emulsification emulsion stability
一前言
乳化燃油的使用被認為可以有效提昇引擎燃燒效能及改善 NOx黑煙等排
氣污染乳化燃油一般是由水和油所組合而成二者的沸點溫度和蒸發溫度都不
相同而水的沸點比柴油的沸點低因此在油的包覆下水當溫度達到沸點時
就會汽化而將包覆在外面的油層炸開油滴會碎化形成更多更細小的油滴顆
粒進而增加燃油的面容比使其和空氣的混合更均勻接觸的表面積也會增加
促使燃燒速率上升及燃燒反應較完全但由於燃油乳化還有許多技術上的問題
至今仍無法普遍的商業化應用因此尋找適當的乳化方法以謀求改善是研究的重
點之一 超音波乳化法是可快速製備均勻粒徑微粒的方法之一[1-2]超音波乳化法經
常被使用於食品生物化學及製藥方面[3-6]超音波乳化技術於 1927 年首度由
Wood and Loomis 發表[7]此後許多研究使用不同的超音波設備來製備乳化物
[8]但尚未發現使用超音波製備三重相乳化燃油的文獻本文探討以超音波震
盪的方法製備 WO 型OW 型二重相及 OWO 型三重相乳化燃油並分析影響
乳化特性的操作因素
二乳化物的製備方法
製備乳化物大致可分為凝集法和分散法凝集法是集合分子分散的液體成適
當大小而得乳化分散粒子的方法工業上鮮少使用一般以分散法來製備乳化
物主要是以強力機械攪拌的方法把分散相界面破壞由大塊液體逐漸分裂成細
小液體顆粒而得乳化分散物但即使使用強大的機械力攪拌在機械攪拌停止
後分散粒子仍會快速的聚合而使兩相再分開因此需使用適當的乳化劑使
熱力學不穩定狀態的乳化物安定適當的乳化劑能降低油水界面間的表面張力
減少界面自由能的增加量而使兩相穩定結合延長分離的時間因此若兩種液
體的界面張力很小時僅需少許的外力即可完全乳化 超音波乳化法是另一種應用較為廣泛的機械式乳化法食品工業及製藥方面
應用廣泛使用超音波法製備乳化物可得到內部相平均粒徑較為細小均勻的乳化
物且可設計為連續製備的操作模式在經濟考量上遠比傳統的機械攪拌法佳
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 5
目前形成乳化物的方法除上述機械形式的方法外另外以多孔材料成型之乳
化物也越來越受重視此種新的乳化科技可更簡單且確實的製備高品質乳化物
其製備之乳化物的分散相粒徑可根據使用的多孔薄膜材料而變化且粒徑更為均
勻另外也較不受分散相或連續相之黏度的影響可用於製備高品質之乳化物
[9]
三 多重相乳化物之製備
多重相乳化物為 Seifriz 於 1925 年[10]在 OW 型乳化物的相轉換過程中觀察
到的其構造為分散相的界面將分散相內部及外部連續相分開若為 OWO（oil-in-water-in-oil）型乳化物即為水滴界面將外部油相及分散相內部的小顆
粒油滴分開利用此類型的乳化物會因為兩相溶液性質的不同使被包覆物質
以擴散滲透等方式釋放出來若經適當的控制即可預定其釋放速率多重相乳
化技術最初是因為其良好的包覆能力而利用於控制藥物的釋放以利人體階段
性吸收於 1968 年即應用於固定胰島素改善腸壁的吸收[11]另外在化妝品的
製造上可改善其有效成分的油膩感並可遮蔽其所產生的不良味道而食品的製
造上也可用於包覆其風味成份[12] 製作多重相乳化物主要有轉相法二階段乳化法機械攪拌法等三種方法
其中以二階段乳化法最常使用此方法是先在第一階段時製作二重相乳化物在
第二階段時再進一步形成三重相乳化物以 OWO 型乳化物為例先以親水性
乳化劑形成 OW 型乳化物而第二階段時將第一階段製作完成的 OW 型乳化
物以同樣的方式加入含有親油性乳化劑的油中加以攪拌即可形成 OWO 型三
重相乳化物[13]於第一階段的製備過程中可提高均質機的轉速及攪拌時間此
作法有助於生成更微小的油滴顆粒使乳化物的安定性增加但在第二階段的攪
拌過程中若均質機的轉速太高則會增加水滴顆粒破裂的機會因此均質機的攪
拌速度及時間對乳化物的品質有直接的影響而轉相法是利用分散相的溶液比例
達到某一程度時會使連續相的溶液發生相轉換形成多重相乳化物
Matsumoto[14]以轉相法製備時先形成 WO 二重相乳化物再持續加水至油相
中當含水量超過總量的 70時連續相的油會被水取代而開始形成 WOW多重相乳化物但此法會增加乳化物的黏稠性不適合用於乳化燃油的製備機
械攪拌法則是以親水性乳化劑加入水相親油性乳化劑加入油相兩者再用均質
機加以混合攪拌即可形成三重相乳化物[15]但以此法製備之三重相乳化物
其內部相含有比二階段法製備之乳化物更多的二重相結構因此本實驗以二階段
法製備多重相乳化燃油
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 6
四超音波乳化技術
超音波為聲音強度高於人耳所能聽見的頻率即大於 20 kHz 以上之音頻皆
可稱為超音波其使用範圍相當廣泛從醫學工業到食品加工上甚至是一般
家中的珠寶清洗機及洗衣機等等民生用途都可見到超音波的應用超音波是一種
機械性的震盪波必須經由介質來傳遞其強度是以每秒鐘通過單位面積的能量
計算一般以 watt cm2 表示超音波的種類大致上可分為兩種一種是低強度
超音波其頻率介於 01 到 20 MHz一般用於非破壞性檢測對生物組織之生
理結構無損害常作為醫學診斷用或超音波探測器等診斷用的超音波具有如光
波一樣的特性經過不同界面時會有反射和折射的現象造成接收訊號之波長的
疏密變化而達到探測診斷的目的另一種稱為高強度超音波其頻率約為 100 kHz 以下其具有破壞細胞及生物組織的能力可應用於清洗乳化降解聚合
物等方面[16] 超音波過程可以稱為是一種液體爆破的現象它是由非常劇烈的聲音頻率提
供強烈的化學和物理反應使液體充分攪拌我們稱此種現象為氣穴現象
（cavitations）其為液體中無數微小的氣泡不斷的產生及崩潰所造成的因為超
音波為疏密波會使液體發生過壓與負壓過壓造成液體分子被壓縮負壓則使
液體分子膨脹當壓力大於靜水壓力時液體分子會被扭曲分散而形成空洞此
時周圍的水分子會來彌補此空洞當它們全都到達此空洞中心時會相互碰撞產生
相當大的力量造成水分子回彈而形成震動波因而釋放出能量並轉移至溶液
中形成機械攪拌效應而達到乳化作用的目的另外其在壓縮過程也產生熱
液體中空洞被壓縮而產生內爆崩塌之速度遠大於其熱能傳出此空洞的速度導致
周圍的冷液體會快速的將此熾熱的空洞冷卻而此現象產生與結束的時間不超過
百萬分之一秒但此現象使空洞可產生高達數百個大氣壓力及數千度的高溫其
冷卻率更快達數億度每秒此為超音波過程中產生的熱點效應（hot spot）[17-18] 機械形式的乳化包括均質攪拌噴射法電分散法超音波等乳化法均質
攪拌法是利用攪拌頭的高速轉動使流體快速擾動但會有空氣進入液體的缺點
而且內部相顆粒較大而不均勻噴射法是利用高壓將液體從細孔中噴出至另一液
相而形成乳化物因為是經過高壓擠出的過程所以其內部相顆粒不會呈現出良好
的球型電分散法則是內部分散相液體滴入外部連續相液體時施加一高壓電場
因電壓升高會產生類似噴霧氣的效果但會有內部相顆粒不為球形而有拖尾
（tailing effect）的情形而且欲製備的內部相粒滴越小需施加的電壓越高有安
全的顧慮而超音波法則是被認為可快速製備粒徑均勻微粒且效率高的方法之一
[18-19]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 7
五 影響超音波特性之因子
超音波應用於商業化產品已相當廣泛不論在機械工業電器工程食品工
業甚至醫學等等方面都可見其產品一般說來會影響超音波產品性質的不外乎其
震盪頻率輸出功率震盪源的設計及外在介質的溫度pH 值黏性比熱
原料種類等因素Gaddam and Cheung [20]的實驗指出增加超音波震盪的處理
壓力會使所產生氣穴現象（cavitations）的發生機會減少因此不易形成內部相
粒徑均勻細緻的乳化油若增加超音波處理時的溫度則會使溶液的黏度及表面
張力減少進而增加氣穴現象（cavitations）發生的機會因此超音波震盪所產
生的氣穴現象（cavitations）在高溫低壓可產生最大的效率而形成結構細緻的
乳化油但過高的乳化油溫度會加速油水分離現象而降低乳化安定性另外
超音波震盪頻率的大小會影響空洞現象發生的難易因為空洞現象是由於超音波
過程中形成的微小氣泡被疏密波產生的負壓及過壓扭曲分散在震動中快速破裂
而釋放出能量此過程需要一段時間使氣泡成長及破裂而超音波的疏密波長會
隨頻率的增高而變短因此頻率太高會減少此作用的反應時間造成其釋放的能
量減少[21]因此影響乳化油的內部相的均勻分佈輸出功率方面一般超音波
強度是指震盪子單位面積的輸出功率（watt cm2）因此功率越大表示會有更大
的能量釋放到溶液中雖然有助於乳化油的快速形成但這也將造成整個系統的
溫度上升對於大多數的溶液而言雖然溫度的增高有助於提昇反應速率[22]但會增加系統處理的變數因此適當的震盪時間或導入冷卻系統對於製備優良的
乳化油是必要考慮的條件
六結論
超音波指音頻大於 20 kHz 的一種機械性震盪波藉由劇烈的聲音頻率而產
生液體爆破現象造成液體之間充分攪拌促進物理及化學反應 本研究探討使用超音波乳化技術製備二重相及三重相乳化燃油影響乳化油
性質的超音波操作條件很多高溫低壓的條件下有助於氣穴現象的形成而產
生內部相均勻細緻的乳化油超音波震盪頻率過高會造成釋放能量減少而影響
油水乳化油的均勻分佈超音波輸出功率愈大乳化油形成較快速但因此所
造成過高的乳化油溫度會降低乳化安定性
參考文獻
1 Hsu BRS HC Chen SH Fu YY Huang and HS Huang The Use of Field Effect to Generate Calcium Alginate Microspheres and its Application in Cell Transplantation J
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 8
Formos Med Assoc 93(3)240-245 1994 2 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997 3 吳哲仁超音波過氧化氫處理法分解水中鄰氯酚國立交通大學碩士論文1995
4 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學碩士論文1997
5 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry 7125-133 1998
6 Sajas J F Zayas Y F Gorbatov W M and Gorbatov V M Use of ultrasonics in meat technology I Fleischwirtschaft Vol 58 pp 1009-1012 1978a
7 Wood RW AL Loomis Phil Mag 4 4171927
8 Abismail B Canselier JP Wilhelm AM Delmas H and Gourdon C Emulsification by ultrasound drop size distribution and stability Ultrasonic Sonochemistry 6 75-83 1999
9 Simon M Membrane emulsification ndash a literature review Journal of Membrane Science Vol 169 pp 107-117 2000
10 Seifriz W Studies in emulsion J Phys Chem Vol 29 p738 1925 11 Engel R H Riggi S J and Fahrenbach M J Insulin Intestinal absorption as
water-in-oil-in-water emulsions Nature (London) Vol219 pp 856 1968 12 Yazan Y Seiller M Arslan K Formulation and evaluation of a multiple emulsion
containing glycolic acid DCI January 1997 13 Matsumoto S and Kang W W Formation and applications of multiple emulsions J
Disper Sci Technol 1989 14 Matsumoto S WOW-type multiple emulsion with a view to possible food applications
J Texture Studies Vol17 p 141 1986 15 戴文飛卵磷脂對多重相乳化物形成率及安定性的影響國立台灣海洋大學水產食
品科學系碩士論文1996
16 Central Soya Co Inchttpwwwcentralsoyacom
17 Lantz R A Szuhaj B F Industrial methods of analysis in ldquolecithin source manufacture and usesrdquo The American Oil Chemistsrsquo Society Champaign Illinois pp162-173 1989
18 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry Vol7 pp125-133 1998
19 Ultrasonic Industry Association httpwwwultrasonicsorg
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 9
20 Gaddam K M Cheung H M Effect of pressure temperature and PH on the sonochemical destruction of 1 1 1- trichloroethane in dilute aqueous solution Ultrasonic Sonochemistry Vol 8 pp 103-109 2001
21 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學水產食品科學系碩士論文1997 22 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 10
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究
The Gasification Performance Model Research for Coal Gasification Combustion in Entrained Bed Gasifier
陳美燕 1徐恆文 2羅敏謙 3沈政憲 4楊淑華 5 Mei-Yen Chen1Heng-Wen Hsu2Min-Chain Lo3Cheng-Hsien Shen4Shau-Hwa
Yang5 工業技術研究院能源與環境研究所
Energy and Environment Research LaboratoriesIndustrial Technology Research InstituteHsinchu 310 Taiwan
摘要 工研院能環所於 91 年能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研
究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計畫藉由
國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統93～94年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與工程設計
能力等本研究係利用已建置之實驗系統收集大量實驗數據以實驗設計的方
式進行實驗再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與
氣化性能預測的回歸模型作為挾帶床煤炭氣化爐操作與設計之參考 關鍵詞氣化性能碳轉化率冷氣化效率模型
Abstract This project began from 2002 and constructed a 2 ton-coalday pressurized
gasify pilot system at 2004 This study collects experimental datas from this pilot system and reasearching the gasification performance prediction models by the design of experimental method This research results will be reference for the design and operation in entrained bed gasifier Keywords gasification performancecarbon conversion efficiencycold gas efficiencymodel 1 工研院能環所研究員myitriorgtw 2 工研院能環所研究員主任hsuhwitriorgtw 3 工研院能環所研究員lominchainitriorgtw 4 工研院能環所研究員CHShenitriorgtw 5 工研院全面品質辦公室管理師SHYangitriorgtw
一前言
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 11
淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 12
分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 13
煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 15
表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 16
大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 17
表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 18
圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 19
圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 21
表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 22
圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 23
圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 24
性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 26
不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
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能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 2
編輯札記
此次剛由林成原院長交付編輯本期燃燒季刊的工作真的有些惶
恐但是倒也希望能為燃燒學會貢獻點心力
這一期的共有五篇文章有國立臺灣海洋大學輪機工程學系林成
原院長的「使用超音波乳化技術製備多重相乳化燃油」工業技術研
究院能源與環境研究所陳美燕徐恆文羅敏謙沈政憲及楊淑華等
五位的「挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究」羅文斌吳
國光及鄭景亮等三位的「高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯
熱水器」鄒春明的「壓力式氣化爐的控制系統實務」及李以霠吳
國光鄭景亮羅文斌焦鴻文及黃一德等六位的「家用瓦斯爐一次
空氣空燃比與加熱高度對熱效率與一氧化碳排放影響之研究」這裡
要特別感謝工業技術研究院能源與環境研究所對這一期季刊的貢
獻也期盼各位學會的夥伴們能踴躍的提供稿件並支持本燃燒學會
的成長
吳友平
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使用超音波乳化技術製備多重相乳化燃油 Preparation of Multi-phase Fuel Emulsions by Using
Ultrasonic Emulsification Technique 林成原1 陳立緯2
Cherng-Yuan Lin Li-Wei Chen 國立臺灣海洋大學輪機工程學系
Department of Marine Engineering National Taiwan Ocean University Keelung 20224 Taiwan
摘要
乳化技術被視為可能改善引擎排氣污染之一種技術超音波乳化法在醫學
食品生物科技等方面應用廣泛本文研究以超音波震盪槽製備乳化燃油之技
術並探討超音波操作條件對於形成二重相（WO 型OW 型）乳化燃油及三
重相（OWO 型）乳化燃油的影響研究結果顯示使用超音波乳化法可以製備
乳化特性良好內部相粒徑均勻細緻乳化物安定性佳的乳化燃油在超音波的
操作條件方面高溫度低壓力高震盪頻率高輸出功率都有助於形成氣穴現
象而產生內部相均勻細緻的乳化燃油但過高的乳化油溫度同時會促進油與
水二相的分離速率而降低乳化燃油的乳化安定性 關鍵詞多重相乳化油超音波乳化法乳化安定性
Abstract Emulsification technique has been considered one of possible approaches to
reduce enginersquos emission pollution The technique of ultrasonic emulsification is employed in the fields of medicine food and biotechnology etc Ultrasonically oscillating techniques to prepare diesel emulsions were investigated in this study The effects of operating factors of an ultrasonical vibrator on the formation of water- in- oil (WO) oil- in- water (OW) two- phase emulsions and oil- in water- in- oil (OWO) three- phase emulsions were considered as well The results show that the ultrasonical emulsification technique is able to produce diesel emulsions with uniformly fine liquid droplet distribution superior emulsion stability and low viscosity etc In addition operating conditions of higher emulsion temperature lower pressure higher oscillating frequency and higher power output are beneficial to 1 國立臺灣海洋大學輪機工程系教授emailLin7108mailntouedutw 2 中華汽車海外開發課email reverems54hinetnet
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produce cavition phenomenon which leads to form fine diesel emulsions with well-dispersed tiny droplets However excess emulsion temperature could enhance separation of water and oil phases at the meantimes The emulsion stability would therefore be reduced Key Words multi-phase emulsion ultrasonic emulsification emulsion stability
一前言
乳化燃油的使用被認為可以有效提昇引擎燃燒效能及改善 NOx黑煙等排
氣污染乳化燃油一般是由水和油所組合而成二者的沸點溫度和蒸發溫度都不
相同而水的沸點比柴油的沸點低因此在油的包覆下水當溫度達到沸點時
就會汽化而將包覆在外面的油層炸開油滴會碎化形成更多更細小的油滴顆
粒進而增加燃油的面容比使其和空氣的混合更均勻接觸的表面積也會增加
促使燃燒速率上升及燃燒反應較完全但由於燃油乳化還有許多技術上的問題
至今仍無法普遍的商業化應用因此尋找適當的乳化方法以謀求改善是研究的重
點之一 超音波乳化法是可快速製備均勻粒徑微粒的方法之一[1-2]超音波乳化法經
常被使用於食品生物化學及製藥方面[3-6]超音波乳化技術於 1927 年首度由
Wood and Loomis 發表[7]此後許多研究使用不同的超音波設備來製備乳化物
[8]但尚未發現使用超音波製備三重相乳化燃油的文獻本文探討以超音波震
盪的方法製備 WO 型OW 型二重相及 OWO 型三重相乳化燃油並分析影響
乳化特性的操作因素
二乳化物的製備方法
製備乳化物大致可分為凝集法和分散法凝集法是集合分子分散的液體成適
當大小而得乳化分散粒子的方法工業上鮮少使用一般以分散法來製備乳化
物主要是以強力機械攪拌的方法把分散相界面破壞由大塊液體逐漸分裂成細
小液體顆粒而得乳化分散物但即使使用強大的機械力攪拌在機械攪拌停止
後分散粒子仍會快速的聚合而使兩相再分開因此需使用適當的乳化劑使
熱力學不穩定狀態的乳化物安定適當的乳化劑能降低油水界面間的表面張力
減少界面自由能的增加量而使兩相穩定結合延長分離的時間因此若兩種液
體的界面張力很小時僅需少許的外力即可完全乳化 超音波乳化法是另一種應用較為廣泛的機械式乳化法食品工業及製藥方面
應用廣泛使用超音波法製備乳化物可得到內部相平均粒徑較為細小均勻的乳化
物且可設計為連續製備的操作模式在經濟考量上遠比傳統的機械攪拌法佳
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 5
目前形成乳化物的方法除上述機械形式的方法外另外以多孔材料成型之乳
化物也越來越受重視此種新的乳化科技可更簡單且確實的製備高品質乳化物
其製備之乳化物的分散相粒徑可根據使用的多孔薄膜材料而變化且粒徑更為均
勻另外也較不受分散相或連續相之黏度的影響可用於製備高品質之乳化物
[9]
三 多重相乳化物之製備
多重相乳化物為 Seifriz 於 1925 年[10]在 OW 型乳化物的相轉換過程中觀察
到的其構造為分散相的界面將分散相內部及外部連續相分開若為 OWO（oil-in-water-in-oil）型乳化物即為水滴界面將外部油相及分散相內部的小顆
粒油滴分開利用此類型的乳化物會因為兩相溶液性質的不同使被包覆物質
以擴散滲透等方式釋放出來若經適當的控制即可預定其釋放速率多重相乳
化技術最初是因為其良好的包覆能力而利用於控制藥物的釋放以利人體階段
性吸收於 1968 年即應用於固定胰島素改善腸壁的吸收[11]另外在化妝品的
製造上可改善其有效成分的油膩感並可遮蔽其所產生的不良味道而食品的製
造上也可用於包覆其風味成份[12] 製作多重相乳化物主要有轉相法二階段乳化法機械攪拌法等三種方法
其中以二階段乳化法最常使用此方法是先在第一階段時製作二重相乳化物在
第二階段時再進一步形成三重相乳化物以 OWO 型乳化物為例先以親水性
乳化劑形成 OW 型乳化物而第二階段時將第一階段製作完成的 OW 型乳化
物以同樣的方式加入含有親油性乳化劑的油中加以攪拌即可形成 OWO 型三
重相乳化物[13]於第一階段的製備過程中可提高均質機的轉速及攪拌時間此
作法有助於生成更微小的油滴顆粒使乳化物的安定性增加但在第二階段的攪
拌過程中若均質機的轉速太高則會增加水滴顆粒破裂的機會因此均質機的攪
拌速度及時間對乳化物的品質有直接的影響而轉相法是利用分散相的溶液比例
達到某一程度時會使連續相的溶液發生相轉換形成多重相乳化物
Matsumoto[14]以轉相法製備時先形成 WO 二重相乳化物再持續加水至油相
中當含水量超過總量的 70時連續相的油會被水取代而開始形成 WOW多重相乳化物但此法會增加乳化物的黏稠性不適合用於乳化燃油的製備機
械攪拌法則是以親水性乳化劑加入水相親油性乳化劑加入油相兩者再用均質
機加以混合攪拌即可形成三重相乳化物[15]但以此法製備之三重相乳化物
其內部相含有比二階段法製備之乳化物更多的二重相結構因此本實驗以二階段
法製備多重相乳化燃油
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四超音波乳化技術
超音波為聲音強度高於人耳所能聽見的頻率即大於 20 kHz 以上之音頻皆
可稱為超音波其使用範圍相當廣泛從醫學工業到食品加工上甚至是一般
家中的珠寶清洗機及洗衣機等等民生用途都可見到超音波的應用超音波是一種
機械性的震盪波必須經由介質來傳遞其強度是以每秒鐘通過單位面積的能量
計算一般以 watt cm2 表示超音波的種類大致上可分為兩種一種是低強度
超音波其頻率介於 01 到 20 MHz一般用於非破壞性檢測對生物組織之生
理結構無損害常作為醫學診斷用或超音波探測器等診斷用的超音波具有如光
波一樣的特性經過不同界面時會有反射和折射的現象造成接收訊號之波長的
疏密變化而達到探測診斷的目的另一種稱為高強度超音波其頻率約為 100 kHz 以下其具有破壞細胞及生物組織的能力可應用於清洗乳化降解聚合
物等方面[16] 超音波過程可以稱為是一種液體爆破的現象它是由非常劇烈的聲音頻率提
供強烈的化學和物理反應使液體充分攪拌我們稱此種現象為氣穴現象
（cavitations）其為液體中無數微小的氣泡不斷的產生及崩潰所造成的因為超
音波為疏密波會使液體發生過壓與負壓過壓造成液體分子被壓縮負壓則使
液體分子膨脹當壓力大於靜水壓力時液體分子會被扭曲分散而形成空洞此
時周圍的水分子會來彌補此空洞當它們全都到達此空洞中心時會相互碰撞產生
相當大的力量造成水分子回彈而形成震動波因而釋放出能量並轉移至溶液
中形成機械攪拌效應而達到乳化作用的目的另外其在壓縮過程也產生熱
液體中空洞被壓縮而產生內爆崩塌之速度遠大於其熱能傳出此空洞的速度導致
周圍的冷液體會快速的將此熾熱的空洞冷卻而此現象產生與結束的時間不超過
百萬分之一秒但此現象使空洞可產生高達數百個大氣壓力及數千度的高溫其
冷卻率更快達數億度每秒此為超音波過程中產生的熱點效應（hot spot）[17-18] 機械形式的乳化包括均質攪拌噴射法電分散法超音波等乳化法均質
攪拌法是利用攪拌頭的高速轉動使流體快速擾動但會有空氣進入液體的缺點
而且內部相顆粒較大而不均勻噴射法是利用高壓將液體從細孔中噴出至另一液
相而形成乳化物因為是經過高壓擠出的過程所以其內部相顆粒不會呈現出良好
的球型電分散法則是內部分散相液體滴入外部連續相液體時施加一高壓電場
因電壓升高會產生類似噴霧氣的效果但會有內部相顆粒不為球形而有拖尾
（tailing effect）的情形而且欲製備的內部相粒滴越小需施加的電壓越高有安
全的顧慮而超音波法則是被認為可快速製備粒徑均勻微粒且效率高的方法之一
[18-19]
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五 影響超音波特性之因子
超音波應用於商業化產品已相當廣泛不論在機械工業電器工程食品工
業甚至醫學等等方面都可見其產品一般說來會影響超音波產品性質的不外乎其
震盪頻率輸出功率震盪源的設計及外在介質的溫度pH 值黏性比熱
原料種類等因素Gaddam and Cheung [20]的實驗指出增加超音波震盪的處理
壓力會使所產生氣穴現象（cavitations）的發生機會減少因此不易形成內部相
粒徑均勻細緻的乳化油若增加超音波處理時的溫度則會使溶液的黏度及表面
張力減少進而增加氣穴現象（cavitations）發生的機會因此超音波震盪所產
生的氣穴現象（cavitations）在高溫低壓可產生最大的效率而形成結構細緻的
乳化油但過高的乳化油溫度會加速油水分離現象而降低乳化安定性另外
超音波震盪頻率的大小會影響空洞現象發生的難易因為空洞現象是由於超音波
過程中形成的微小氣泡被疏密波產生的負壓及過壓扭曲分散在震動中快速破裂
而釋放出能量此過程需要一段時間使氣泡成長及破裂而超音波的疏密波長會
隨頻率的增高而變短因此頻率太高會減少此作用的反應時間造成其釋放的能
量減少[21]因此影響乳化油的內部相的均勻分佈輸出功率方面一般超音波
強度是指震盪子單位面積的輸出功率（watt cm2）因此功率越大表示會有更大
的能量釋放到溶液中雖然有助於乳化油的快速形成但這也將造成整個系統的
溫度上升對於大多數的溶液而言雖然溫度的增高有助於提昇反應速率[22]但會增加系統處理的變數因此適當的震盪時間或導入冷卻系統對於製備優良的
乳化油是必要考慮的條件
六結論
超音波指音頻大於 20 kHz 的一種機械性震盪波藉由劇烈的聲音頻率而產
生液體爆破現象造成液體之間充分攪拌促進物理及化學反應 本研究探討使用超音波乳化技術製備二重相及三重相乳化燃油影響乳化油
性質的超音波操作條件很多高溫低壓的條件下有助於氣穴現象的形成而產
生內部相均勻細緻的乳化油超音波震盪頻率過高會造成釋放能量減少而影響
油水乳化油的均勻分佈超音波輸出功率愈大乳化油形成較快速但因此所
造成過高的乳化油溫度會降低乳化安定性
參考文獻
1 Hsu BRS HC Chen SH Fu YY Huang and HS Huang The Use of Field Effect to Generate Calcium Alginate Microspheres and its Application in Cell Transplantation J
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 8
Formos Med Assoc 93(3)240-245 1994 2 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997 3 吳哲仁超音波過氧化氫處理法分解水中鄰氯酚國立交通大學碩士論文1995
4 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學碩士論文1997
5 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry 7125-133 1998
6 Sajas J F Zayas Y F Gorbatov W M and Gorbatov V M Use of ultrasonics in meat technology I Fleischwirtschaft Vol 58 pp 1009-1012 1978a
7 Wood RW AL Loomis Phil Mag 4 4171927
8 Abismail B Canselier JP Wilhelm AM Delmas H and Gourdon C Emulsification by ultrasound drop size distribution and stability Ultrasonic Sonochemistry 6 75-83 1999
9 Simon M Membrane emulsification ndash a literature review Journal of Membrane Science Vol 169 pp 107-117 2000
10 Seifriz W Studies in emulsion J Phys Chem Vol 29 p738 1925 11 Engel R H Riggi S J and Fahrenbach M J Insulin Intestinal absorption as
water-in-oil-in-water emulsions Nature (London) Vol219 pp 856 1968 12 Yazan Y Seiller M Arslan K Formulation and evaluation of a multiple emulsion
containing glycolic acid DCI January 1997 13 Matsumoto S and Kang W W Formation and applications of multiple emulsions J
Disper Sci Technol 1989 14 Matsumoto S WOW-type multiple emulsion with a view to possible food applications
J Texture Studies Vol17 p 141 1986 15 戴文飛卵磷脂對多重相乳化物形成率及安定性的影響國立台灣海洋大學水產食
品科學系碩士論文1996
16 Central Soya Co Inchttpwwwcentralsoyacom
17 Lantz R A Szuhaj B F Industrial methods of analysis in ldquolecithin source manufacture and usesrdquo The American Oil Chemistsrsquo Society Champaign Illinois pp162-173 1989
18 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry Vol7 pp125-133 1998
19 Ultrasonic Industry Association httpwwwultrasonicsorg
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 9
20 Gaddam K M Cheung H M Effect of pressure temperature and PH on the sonochemical destruction of 1 1 1- trichloroethane in dilute aqueous solution Ultrasonic Sonochemistry Vol 8 pp 103-109 2001
21 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學水產食品科學系碩士論文1997 22 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 10
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究
The Gasification Performance Model Research for Coal Gasification Combustion in Entrained Bed Gasifier
陳美燕 1徐恆文 2羅敏謙 3沈政憲 4楊淑華 5 Mei-Yen Chen1Heng-Wen Hsu2Min-Chain Lo3Cheng-Hsien Shen4Shau-Hwa
Yang5 工業技術研究院能源與環境研究所
Energy and Environment Research LaboratoriesIndustrial Technology Research InstituteHsinchu 310 Taiwan
摘要 工研院能環所於 91 年能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研
究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計畫藉由
國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統93～94年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與工程設計
能力等本研究係利用已建置之實驗系統收集大量實驗數據以實驗設計的方
式進行實驗再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與
氣化性能預測的回歸模型作為挾帶床煤炭氣化爐操作與設計之參考 關鍵詞氣化性能碳轉化率冷氣化效率模型
Abstract This project began from 2002 and constructed a 2 ton-coalday pressurized
gasify pilot system at 2004 This study collects experimental datas from this pilot system and reasearching the gasification performance prediction models by the design of experimental method This research results will be reference for the design and operation in entrained bed gasifier Keywords gasification performancecarbon conversion efficiencycold gas efficiencymodel 1 工研院能環所研究員myitriorgtw 2 工研院能環所研究員主任hsuhwitriorgtw 3 工研院能環所研究員lominchainitriorgtw 4 工研院能環所研究員CHShenitriorgtw 5 工研院全面品質辦公室管理師SHYangitriorgtw
一前言
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 11
淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 12
分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 13
煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 15
表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
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大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
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表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
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圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
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圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
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十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
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55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
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(ppm
)
0
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3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
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35
40
45
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55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
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(ppm
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0
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4000
5000
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 3
使用超音波乳化技術製備多重相乳化燃油 Preparation of Multi-phase Fuel Emulsions by Using
Ultrasonic Emulsification Technique 林成原1 陳立緯2
Cherng-Yuan Lin Li-Wei Chen 國立臺灣海洋大學輪機工程學系
Department of Marine Engineering National Taiwan Ocean University Keelung 20224 Taiwan
摘要
乳化技術被視為可能改善引擎排氣污染之一種技術超音波乳化法在醫學
食品生物科技等方面應用廣泛本文研究以超音波震盪槽製備乳化燃油之技
術並探討超音波操作條件對於形成二重相（WO 型OW 型）乳化燃油及三
重相（OWO 型）乳化燃油的影響研究結果顯示使用超音波乳化法可以製備
乳化特性良好內部相粒徑均勻細緻乳化物安定性佳的乳化燃油在超音波的
操作條件方面高溫度低壓力高震盪頻率高輸出功率都有助於形成氣穴現
象而產生內部相均勻細緻的乳化燃油但過高的乳化油溫度同時會促進油與
水二相的分離速率而降低乳化燃油的乳化安定性 關鍵詞多重相乳化油超音波乳化法乳化安定性
Abstract Emulsification technique has been considered one of possible approaches to
reduce enginersquos emission pollution The technique of ultrasonic emulsification is employed in the fields of medicine food and biotechnology etc Ultrasonically oscillating techniques to prepare diesel emulsions were investigated in this study The effects of operating factors of an ultrasonical vibrator on the formation of water- in- oil (WO) oil- in- water (OW) two- phase emulsions and oil- in water- in- oil (OWO) three- phase emulsions were considered as well The results show that the ultrasonical emulsification technique is able to produce diesel emulsions with uniformly fine liquid droplet distribution superior emulsion stability and low viscosity etc In addition operating conditions of higher emulsion temperature lower pressure higher oscillating frequency and higher power output are beneficial to 1 國立臺灣海洋大學輪機工程系教授emailLin7108mailntouedutw 2 中華汽車海外開發課email reverems54hinetnet
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 4
produce cavition phenomenon which leads to form fine diesel emulsions with well-dispersed tiny droplets However excess emulsion temperature could enhance separation of water and oil phases at the meantimes The emulsion stability would therefore be reduced Key Words multi-phase emulsion ultrasonic emulsification emulsion stability
一前言
乳化燃油的使用被認為可以有效提昇引擎燃燒效能及改善 NOx黑煙等排
氣污染乳化燃油一般是由水和油所組合而成二者的沸點溫度和蒸發溫度都不
相同而水的沸點比柴油的沸點低因此在油的包覆下水當溫度達到沸點時
就會汽化而將包覆在外面的油層炸開油滴會碎化形成更多更細小的油滴顆
粒進而增加燃油的面容比使其和空氣的混合更均勻接觸的表面積也會增加
促使燃燒速率上升及燃燒反應較完全但由於燃油乳化還有許多技術上的問題
至今仍無法普遍的商業化應用因此尋找適當的乳化方法以謀求改善是研究的重
點之一 超音波乳化法是可快速製備均勻粒徑微粒的方法之一[1-2]超音波乳化法經
常被使用於食品生物化學及製藥方面[3-6]超音波乳化技術於 1927 年首度由
Wood and Loomis 發表[7]此後許多研究使用不同的超音波設備來製備乳化物
[8]但尚未發現使用超音波製備三重相乳化燃油的文獻本文探討以超音波震
盪的方法製備 WO 型OW 型二重相及 OWO 型三重相乳化燃油並分析影響
乳化特性的操作因素
二乳化物的製備方法
製備乳化物大致可分為凝集法和分散法凝集法是集合分子分散的液體成適
當大小而得乳化分散粒子的方法工業上鮮少使用一般以分散法來製備乳化
物主要是以強力機械攪拌的方法把分散相界面破壞由大塊液體逐漸分裂成細
小液體顆粒而得乳化分散物但即使使用強大的機械力攪拌在機械攪拌停止
後分散粒子仍會快速的聚合而使兩相再分開因此需使用適當的乳化劑使
熱力學不穩定狀態的乳化物安定適當的乳化劑能降低油水界面間的表面張力
減少界面自由能的增加量而使兩相穩定結合延長分離的時間因此若兩種液
體的界面張力很小時僅需少許的外力即可完全乳化 超音波乳化法是另一種應用較為廣泛的機械式乳化法食品工業及製藥方面
應用廣泛使用超音波法製備乳化物可得到內部相平均粒徑較為細小均勻的乳化
物且可設計為連續製備的操作模式在經濟考量上遠比傳統的機械攪拌法佳
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 5
目前形成乳化物的方法除上述機械形式的方法外另外以多孔材料成型之乳
化物也越來越受重視此種新的乳化科技可更簡單且確實的製備高品質乳化物
其製備之乳化物的分散相粒徑可根據使用的多孔薄膜材料而變化且粒徑更為均
勻另外也較不受分散相或連續相之黏度的影響可用於製備高品質之乳化物
[9]
三 多重相乳化物之製備
多重相乳化物為 Seifriz 於 1925 年[10]在 OW 型乳化物的相轉換過程中觀察
到的其構造為分散相的界面將分散相內部及外部連續相分開若為 OWO（oil-in-water-in-oil）型乳化物即為水滴界面將外部油相及分散相內部的小顆
粒油滴分開利用此類型的乳化物會因為兩相溶液性質的不同使被包覆物質
以擴散滲透等方式釋放出來若經適當的控制即可預定其釋放速率多重相乳
化技術最初是因為其良好的包覆能力而利用於控制藥物的釋放以利人體階段
性吸收於 1968 年即應用於固定胰島素改善腸壁的吸收[11]另外在化妝品的
製造上可改善其有效成分的油膩感並可遮蔽其所產生的不良味道而食品的製
造上也可用於包覆其風味成份[12] 製作多重相乳化物主要有轉相法二階段乳化法機械攪拌法等三種方法
其中以二階段乳化法最常使用此方法是先在第一階段時製作二重相乳化物在
第二階段時再進一步形成三重相乳化物以 OWO 型乳化物為例先以親水性
乳化劑形成 OW 型乳化物而第二階段時將第一階段製作完成的 OW 型乳化
物以同樣的方式加入含有親油性乳化劑的油中加以攪拌即可形成 OWO 型三
重相乳化物[13]於第一階段的製備過程中可提高均質機的轉速及攪拌時間此
作法有助於生成更微小的油滴顆粒使乳化物的安定性增加但在第二階段的攪
拌過程中若均質機的轉速太高則會增加水滴顆粒破裂的機會因此均質機的攪
拌速度及時間對乳化物的品質有直接的影響而轉相法是利用分散相的溶液比例
達到某一程度時會使連續相的溶液發生相轉換形成多重相乳化物
Matsumoto[14]以轉相法製備時先形成 WO 二重相乳化物再持續加水至油相
中當含水量超過總量的 70時連續相的油會被水取代而開始形成 WOW多重相乳化物但此法會增加乳化物的黏稠性不適合用於乳化燃油的製備機
械攪拌法則是以親水性乳化劑加入水相親油性乳化劑加入油相兩者再用均質
機加以混合攪拌即可形成三重相乳化物[15]但以此法製備之三重相乳化物
其內部相含有比二階段法製備之乳化物更多的二重相結構因此本實驗以二階段
法製備多重相乳化燃油
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 6
四超音波乳化技術
超音波為聲音強度高於人耳所能聽見的頻率即大於 20 kHz 以上之音頻皆
可稱為超音波其使用範圍相當廣泛從醫學工業到食品加工上甚至是一般
家中的珠寶清洗機及洗衣機等等民生用途都可見到超音波的應用超音波是一種
機械性的震盪波必須經由介質來傳遞其強度是以每秒鐘通過單位面積的能量
計算一般以 watt cm2 表示超音波的種類大致上可分為兩種一種是低強度
超音波其頻率介於 01 到 20 MHz一般用於非破壞性檢測對生物組織之生
理結構無損害常作為醫學診斷用或超音波探測器等診斷用的超音波具有如光
波一樣的特性經過不同界面時會有反射和折射的現象造成接收訊號之波長的
疏密變化而達到探測診斷的目的另一種稱為高強度超音波其頻率約為 100 kHz 以下其具有破壞細胞及生物組織的能力可應用於清洗乳化降解聚合
物等方面[16] 超音波過程可以稱為是一種液體爆破的現象它是由非常劇烈的聲音頻率提
供強烈的化學和物理反應使液體充分攪拌我們稱此種現象為氣穴現象
（cavitations）其為液體中無數微小的氣泡不斷的產生及崩潰所造成的因為超
音波為疏密波會使液體發生過壓與負壓過壓造成液體分子被壓縮負壓則使
液體分子膨脹當壓力大於靜水壓力時液體分子會被扭曲分散而形成空洞此
時周圍的水分子會來彌補此空洞當它們全都到達此空洞中心時會相互碰撞產生
相當大的力量造成水分子回彈而形成震動波因而釋放出能量並轉移至溶液
中形成機械攪拌效應而達到乳化作用的目的另外其在壓縮過程也產生熱
液體中空洞被壓縮而產生內爆崩塌之速度遠大於其熱能傳出此空洞的速度導致
周圍的冷液體會快速的將此熾熱的空洞冷卻而此現象產生與結束的時間不超過
百萬分之一秒但此現象使空洞可產生高達數百個大氣壓力及數千度的高溫其
冷卻率更快達數億度每秒此為超音波過程中產生的熱點效應（hot spot）[17-18] 機械形式的乳化包括均質攪拌噴射法電分散法超音波等乳化法均質
攪拌法是利用攪拌頭的高速轉動使流體快速擾動但會有空氣進入液體的缺點
而且內部相顆粒較大而不均勻噴射法是利用高壓將液體從細孔中噴出至另一液
相而形成乳化物因為是經過高壓擠出的過程所以其內部相顆粒不會呈現出良好
的球型電分散法則是內部分散相液體滴入外部連續相液體時施加一高壓電場
因電壓升高會產生類似噴霧氣的效果但會有內部相顆粒不為球形而有拖尾
（tailing effect）的情形而且欲製備的內部相粒滴越小需施加的電壓越高有安
全的顧慮而超音波法則是被認為可快速製備粒徑均勻微粒且效率高的方法之一
[18-19]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 7
五 影響超音波特性之因子
超音波應用於商業化產品已相當廣泛不論在機械工業電器工程食品工
業甚至醫學等等方面都可見其產品一般說來會影響超音波產品性質的不外乎其
震盪頻率輸出功率震盪源的設計及外在介質的溫度pH 值黏性比熱
原料種類等因素Gaddam and Cheung [20]的實驗指出增加超音波震盪的處理
壓力會使所產生氣穴現象（cavitations）的發生機會減少因此不易形成內部相
粒徑均勻細緻的乳化油若增加超音波處理時的溫度則會使溶液的黏度及表面
張力減少進而增加氣穴現象（cavitations）發生的機會因此超音波震盪所產
生的氣穴現象（cavitations）在高溫低壓可產生最大的效率而形成結構細緻的
乳化油但過高的乳化油溫度會加速油水分離現象而降低乳化安定性另外
超音波震盪頻率的大小會影響空洞現象發生的難易因為空洞現象是由於超音波
過程中形成的微小氣泡被疏密波產生的負壓及過壓扭曲分散在震動中快速破裂
而釋放出能量此過程需要一段時間使氣泡成長及破裂而超音波的疏密波長會
隨頻率的增高而變短因此頻率太高會減少此作用的反應時間造成其釋放的能
量減少[21]因此影響乳化油的內部相的均勻分佈輸出功率方面一般超音波
強度是指震盪子單位面積的輸出功率（watt cm2）因此功率越大表示會有更大
的能量釋放到溶液中雖然有助於乳化油的快速形成但這也將造成整個系統的
溫度上升對於大多數的溶液而言雖然溫度的增高有助於提昇反應速率[22]但會增加系統處理的變數因此適當的震盪時間或導入冷卻系統對於製備優良的
乳化油是必要考慮的條件
六結論
超音波指音頻大於 20 kHz 的一種機械性震盪波藉由劇烈的聲音頻率而產
生液體爆破現象造成液體之間充分攪拌促進物理及化學反應 本研究探討使用超音波乳化技術製備二重相及三重相乳化燃油影響乳化油
性質的超音波操作條件很多高溫低壓的條件下有助於氣穴現象的形成而產
生內部相均勻細緻的乳化油超音波震盪頻率過高會造成釋放能量減少而影響
油水乳化油的均勻分佈超音波輸出功率愈大乳化油形成較快速但因此所
造成過高的乳化油溫度會降低乳化安定性
參考文獻
1 Hsu BRS HC Chen SH Fu YY Huang and HS Huang The Use of Field Effect to Generate Calcium Alginate Microspheres and its Application in Cell Transplantation J
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 8
Formos Med Assoc 93(3)240-245 1994 2 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997 3 吳哲仁超音波過氧化氫處理法分解水中鄰氯酚國立交通大學碩士論文1995
4 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學碩士論文1997
5 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry 7125-133 1998
6 Sajas J F Zayas Y F Gorbatov W M and Gorbatov V M Use of ultrasonics in meat technology I Fleischwirtschaft Vol 58 pp 1009-1012 1978a
7 Wood RW AL Loomis Phil Mag 4 4171927
8 Abismail B Canselier JP Wilhelm AM Delmas H and Gourdon C Emulsification by ultrasound drop size distribution and stability Ultrasonic Sonochemistry 6 75-83 1999
9 Simon M Membrane emulsification ndash a literature review Journal of Membrane Science Vol 169 pp 107-117 2000
10 Seifriz W Studies in emulsion J Phys Chem Vol 29 p738 1925 11 Engel R H Riggi S J and Fahrenbach M J Insulin Intestinal absorption as
water-in-oil-in-water emulsions Nature (London) Vol219 pp 856 1968 12 Yazan Y Seiller M Arslan K Formulation and evaluation of a multiple emulsion
containing glycolic acid DCI January 1997 13 Matsumoto S and Kang W W Formation and applications of multiple emulsions J
Disper Sci Technol 1989 14 Matsumoto S WOW-type multiple emulsion with a view to possible food applications
J Texture Studies Vol17 p 141 1986 15 戴文飛卵磷脂對多重相乳化物形成率及安定性的影響國立台灣海洋大學水產食
品科學系碩士論文1996
16 Central Soya Co Inchttpwwwcentralsoyacom
17 Lantz R A Szuhaj B F Industrial methods of analysis in ldquolecithin source manufacture and usesrdquo The American Oil Chemistsrsquo Society Champaign Illinois pp162-173 1989
18 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry Vol7 pp125-133 1998
19 Ultrasonic Industry Association httpwwwultrasonicsorg
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 9
20 Gaddam K M Cheung H M Effect of pressure temperature and PH on the sonochemical destruction of 1 1 1- trichloroethane in dilute aqueous solution Ultrasonic Sonochemistry Vol 8 pp 103-109 2001
21 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學水產食品科學系碩士論文1997 22 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 10
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究
The Gasification Performance Model Research for Coal Gasification Combustion in Entrained Bed Gasifier
陳美燕 1徐恆文 2羅敏謙 3沈政憲 4楊淑華 5 Mei-Yen Chen1Heng-Wen Hsu2Min-Chain Lo3Cheng-Hsien Shen4Shau-Hwa
Yang5 工業技術研究院能源與環境研究所
Energy and Environment Research LaboratoriesIndustrial Technology Research InstituteHsinchu 310 Taiwan
摘要 工研院能環所於 91 年能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研
究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計畫藉由
國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統93～94年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與工程設計
能力等本研究係利用已建置之實驗系統收集大量實驗數據以實驗設計的方
式進行實驗再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與
氣化性能預測的回歸模型作為挾帶床煤炭氣化爐操作與設計之參考 關鍵詞氣化性能碳轉化率冷氣化效率模型
Abstract This project began from 2002 and constructed a 2 ton-coalday pressurized
gasify pilot system at 2004 This study collects experimental datas from this pilot system and reasearching the gasification performance prediction models by the design of experimental method This research results will be reference for the design and operation in entrained bed gasifier Keywords gasification performancecarbon conversion efficiencycold gas efficiencymodel 1 工研院能環所研究員myitriorgtw 2 工研院能環所研究員主任hsuhwitriorgtw 3 工研院能環所研究員lominchainitriorgtw 4 工研院能環所研究員CHShenitriorgtw 5 工研院全面品質辦公室管理師SHYangitriorgtw
一前言
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 11
淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 12
分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 13
煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 15
表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 16
大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 17
表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 18
圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 19
圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 21
表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 22
圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 23
圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 24
性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 26
不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 31
圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 32
表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
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report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
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標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 4
produce cavition phenomenon which leads to form fine diesel emulsions with well-dispersed tiny droplets However excess emulsion temperature could enhance separation of water and oil phases at the meantimes The emulsion stability would therefore be reduced Key Words multi-phase emulsion ultrasonic emulsification emulsion stability
一前言
乳化燃油的使用被認為可以有效提昇引擎燃燒效能及改善 NOx黑煙等排
氣污染乳化燃油一般是由水和油所組合而成二者的沸點溫度和蒸發溫度都不
相同而水的沸點比柴油的沸點低因此在油的包覆下水當溫度達到沸點時
就會汽化而將包覆在外面的油層炸開油滴會碎化形成更多更細小的油滴顆
粒進而增加燃油的面容比使其和空氣的混合更均勻接觸的表面積也會增加
促使燃燒速率上升及燃燒反應較完全但由於燃油乳化還有許多技術上的問題
至今仍無法普遍的商業化應用因此尋找適當的乳化方法以謀求改善是研究的重
點之一 超音波乳化法是可快速製備均勻粒徑微粒的方法之一[1-2]超音波乳化法經
常被使用於食品生物化學及製藥方面[3-6]超音波乳化技術於 1927 年首度由
Wood and Loomis 發表[7]此後許多研究使用不同的超音波設備來製備乳化物
[8]但尚未發現使用超音波製備三重相乳化燃油的文獻本文探討以超音波震
盪的方法製備 WO 型OW 型二重相及 OWO 型三重相乳化燃油並分析影響
乳化特性的操作因素
二乳化物的製備方法
製備乳化物大致可分為凝集法和分散法凝集法是集合分子分散的液體成適
當大小而得乳化分散粒子的方法工業上鮮少使用一般以分散法來製備乳化
物主要是以強力機械攪拌的方法把分散相界面破壞由大塊液體逐漸分裂成細
小液體顆粒而得乳化分散物但即使使用強大的機械力攪拌在機械攪拌停止
後分散粒子仍會快速的聚合而使兩相再分開因此需使用適當的乳化劑使
熱力學不穩定狀態的乳化物安定適當的乳化劑能降低油水界面間的表面張力
減少界面自由能的增加量而使兩相穩定結合延長分離的時間因此若兩種液
體的界面張力很小時僅需少許的外力即可完全乳化 超音波乳化法是另一種應用較為廣泛的機械式乳化法食品工業及製藥方面
應用廣泛使用超音波法製備乳化物可得到內部相平均粒徑較為細小均勻的乳化
物且可設計為連續製備的操作模式在經濟考量上遠比傳統的機械攪拌法佳
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 5
目前形成乳化物的方法除上述機械形式的方法外另外以多孔材料成型之乳
化物也越來越受重視此種新的乳化科技可更簡單且確實的製備高品質乳化物
其製備之乳化物的分散相粒徑可根據使用的多孔薄膜材料而變化且粒徑更為均
勻另外也較不受分散相或連續相之黏度的影響可用於製備高品質之乳化物
[9]
三 多重相乳化物之製備
多重相乳化物為 Seifriz 於 1925 年[10]在 OW 型乳化物的相轉換過程中觀察
到的其構造為分散相的界面將分散相內部及外部連續相分開若為 OWO（oil-in-water-in-oil）型乳化物即為水滴界面將外部油相及分散相內部的小顆
粒油滴分開利用此類型的乳化物會因為兩相溶液性質的不同使被包覆物質
以擴散滲透等方式釋放出來若經適當的控制即可預定其釋放速率多重相乳
化技術最初是因為其良好的包覆能力而利用於控制藥物的釋放以利人體階段
性吸收於 1968 年即應用於固定胰島素改善腸壁的吸收[11]另外在化妝品的
製造上可改善其有效成分的油膩感並可遮蔽其所產生的不良味道而食品的製
造上也可用於包覆其風味成份[12] 製作多重相乳化物主要有轉相法二階段乳化法機械攪拌法等三種方法
其中以二階段乳化法最常使用此方法是先在第一階段時製作二重相乳化物在
第二階段時再進一步形成三重相乳化物以 OWO 型乳化物為例先以親水性
乳化劑形成 OW 型乳化物而第二階段時將第一階段製作完成的 OW 型乳化
物以同樣的方式加入含有親油性乳化劑的油中加以攪拌即可形成 OWO 型三
重相乳化物[13]於第一階段的製備過程中可提高均質機的轉速及攪拌時間此
作法有助於生成更微小的油滴顆粒使乳化物的安定性增加但在第二階段的攪
拌過程中若均質機的轉速太高則會增加水滴顆粒破裂的機會因此均質機的攪
拌速度及時間對乳化物的品質有直接的影響而轉相法是利用分散相的溶液比例
達到某一程度時會使連續相的溶液發生相轉換形成多重相乳化物
Matsumoto[14]以轉相法製備時先形成 WO 二重相乳化物再持續加水至油相
中當含水量超過總量的 70時連續相的油會被水取代而開始形成 WOW多重相乳化物但此法會增加乳化物的黏稠性不適合用於乳化燃油的製備機
械攪拌法則是以親水性乳化劑加入水相親油性乳化劑加入油相兩者再用均質
機加以混合攪拌即可形成三重相乳化物[15]但以此法製備之三重相乳化物
其內部相含有比二階段法製備之乳化物更多的二重相結構因此本實驗以二階段
法製備多重相乳化燃油
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 6
四超音波乳化技術
超音波為聲音強度高於人耳所能聽見的頻率即大於 20 kHz 以上之音頻皆
可稱為超音波其使用範圍相當廣泛從醫學工業到食品加工上甚至是一般
家中的珠寶清洗機及洗衣機等等民生用途都可見到超音波的應用超音波是一種
機械性的震盪波必須經由介質來傳遞其強度是以每秒鐘通過單位面積的能量
計算一般以 watt cm2 表示超音波的種類大致上可分為兩種一種是低強度
超音波其頻率介於 01 到 20 MHz一般用於非破壞性檢測對生物組織之生
理結構無損害常作為醫學診斷用或超音波探測器等診斷用的超音波具有如光
波一樣的特性經過不同界面時會有反射和折射的現象造成接收訊號之波長的
疏密變化而達到探測診斷的目的另一種稱為高強度超音波其頻率約為 100 kHz 以下其具有破壞細胞及生物組織的能力可應用於清洗乳化降解聚合
物等方面[16] 超音波過程可以稱為是一種液體爆破的現象它是由非常劇烈的聲音頻率提
供強烈的化學和物理反應使液體充分攪拌我們稱此種現象為氣穴現象
（cavitations）其為液體中無數微小的氣泡不斷的產生及崩潰所造成的因為超
音波為疏密波會使液體發生過壓與負壓過壓造成液體分子被壓縮負壓則使
液體分子膨脹當壓力大於靜水壓力時液體分子會被扭曲分散而形成空洞此
時周圍的水分子會來彌補此空洞當它們全都到達此空洞中心時會相互碰撞產生
相當大的力量造成水分子回彈而形成震動波因而釋放出能量並轉移至溶液
中形成機械攪拌效應而達到乳化作用的目的另外其在壓縮過程也產生熱
液體中空洞被壓縮而產生內爆崩塌之速度遠大於其熱能傳出此空洞的速度導致
周圍的冷液體會快速的將此熾熱的空洞冷卻而此現象產生與結束的時間不超過
百萬分之一秒但此現象使空洞可產生高達數百個大氣壓力及數千度的高溫其
冷卻率更快達數億度每秒此為超音波過程中產生的熱點效應（hot spot）[17-18] 機械形式的乳化包括均質攪拌噴射法電分散法超音波等乳化法均質
攪拌法是利用攪拌頭的高速轉動使流體快速擾動但會有空氣進入液體的缺點
而且內部相顆粒較大而不均勻噴射法是利用高壓將液體從細孔中噴出至另一液
相而形成乳化物因為是經過高壓擠出的過程所以其內部相顆粒不會呈現出良好
的球型電分散法則是內部分散相液體滴入外部連續相液體時施加一高壓電場
因電壓升高會產生類似噴霧氣的效果但會有內部相顆粒不為球形而有拖尾
（tailing effect）的情形而且欲製備的內部相粒滴越小需施加的電壓越高有安
全的顧慮而超音波法則是被認為可快速製備粒徑均勻微粒且效率高的方法之一
[18-19]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 7
五 影響超音波特性之因子
超音波應用於商業化產品已相當廣泛不論在機械工業電器工程食品工
業甚至醫學等等方面都可見其產品一般說來會影響超音波產品性質的不外乎其
震盪頻率輸出功率震盪源的設計及外在介質的溫度pH 值黏性比熱
原料種類等因素Gaddam and Cheung [20]的實驗指出增加超音波震盪的處理
壓力會使所產生氣穴現象（cavitations）的發生機會減少因此不易形成內部相
粒徑均勻細緻的乳化油若增加超音波處理時的溫度則會使溶液的黏度及表面
張力減少進而增加氣穴現象（cavitations）發生的機會因此超音波震盪所產
生的氣穴現象（cavitations）在高溫低壓可產生最大的效率而形成結構細緻的
乳化油但過高的乳化油溫度會加速油水分離現象而降低乳化安定性另外
超音波震盪頻率的大小會影響空洞現象發生的難易因為空洞現象是由於超音波
過程中形成的微小氣泡被疏密波產生的負壓及過壓扭曲分散在震動中快速破裂
而釋放出能量此過程需要一段時間使氣泡成長及破裂而超音波的疏密波長會
隨頻率的增高而變短因此頻率太高會減少此作用的反應時間造成其釋放的能
量減少[21]因此影響乳化油的內部相的均勻分佈輸出功率方面一般超音波
強度是指震盪子單位面積的輸出功率（watt cm2）因此功率越大表示會有更大
的能量釋放到溶液中雖然有助於乳化油的快速形成但這也將造成整個系統的
溫度上升對於大多數的溶液而言雖然溫度的增高有助於提昇反應速率[22]但會增加系統處理的變數因此適當的震盪時間或導入冷卻系統對於製備優良的
乳化油是必要考慮的條件
六結論
超音波指音頻大於 20 kHz 的一種機械性震盪波藉由劇烈的聲音頻率而產
生液體爆破現象造成液體之間充分攪拌促進物理及化學反應 本研究探討使用超音波乳化技術製備二重相及三重相乳化燃油影響乳化油
性質的超音波操作條件很多高溫低壓的條件下有助於氣穴現象的形成而產
生內部相均勻細緻的乳化油超音波震盪頻率過高會造成釋放能量減少而影響
油水乳化油的均勻分佈超音波輸出功率愈大乳化油形成較快速但因此所
造成過高的乳化油溫度會降低乳化安定性
參考文獻
1 Hsu BRS HC Chen SH Fu YY Huang and HS Huang The Use of Field Effect to Generate Calcium Alginate Microspheres and its Application in Cell Transplantation J
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 8
Formos Med Assoc 93(3)240-245 1994 2 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997 3 吳哲仁超音波過氧化氫處理法分解水中鄰氯酚國立交通大學碩士論文1995
4 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學碩士論文1997
5 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry 7125-133 1998
6 Sajas J F Zayas Y F Gorbatov W M and Gorbatov V M Use of ultrasonics in meat technology I Fleischwirtschaft Vol 58 pp 1009-1012 1978a
7 Wood RW AL Loomis Phil Mag 4 4171927
8 Abismail B Canselier JP Wilhelm AM Delmas H and Gourdon C Emulsification by ultrasound drop size distribution and stability Ultrasonic Sonochemistry 6 75-83 1999
9 Simon M Membrane emulsification ndash a literature review Journal of Membrane Science Vol 169 pp 107-117 2000
10 Seifriz W Studies in emulsion J Phys Chem Vol 29 p738 1925 11 Engel R H Riggi S J and Fahrenbach M J Insulin Intestinal absorption as
water-in-oil-in-water emulsions Nature (London) Vol219 pp 856 1968 12 Yazan Y Seiller M Arslan K Formulation and evaluation of a multiple emulsion
containing glycolic acid DCI January 1997 13 Matsumoto S and Kang W W Formation and applications of multiple emulsions J
Disper Sci Technol 1989 14 Matsumoto S WOW-type multiple emulsion with a view to possible food applications
J Texture Studies Vol17 p 141 1986 15 戴文飛卵磷脂對多重相乳化物形成率及安定性的影響國立台灣海洋大學水產食
品科學系碩士論文1996
16 Central Soya Co Inchttpwwwcentralsoyacom
17 Lantz R A Szuhaj B F Industrial methods of analysis in ldquolecithin source manufacture and usesrdquo The American Oil Chemistsrsquo Society Champaign Illinois pp162-173 1989
18 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry Vol7 pp125-133 1998
19 Ultrasonic Industry Association httpwwwultrasonicsorg
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 9
20 Gaddam K M Cheung H M Effect of pressure temperature and PH on the sonochemical destruction of 1 1 1- trichloroethane in dilute aqueous solution Ultrasonic Sonochemistry Vol 8 pp 103-109 2001
21 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學水產食品科學系碩士論文1997 22 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 10
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究
The Gasification Performance Model Research for Coal Gasification Combustion in Entrained Bed Gasifier
陳美燕 1徐恆文 2羅敏謙 3沈政憲 4楊淑華 5 Mei-Yen Chen1Heng-Wen Hsu2Min-Chain Lo3Cheng-Hsien Shen4Shau-Hwa
Yang5 工業技術研究院能源與環境研究所
Energy and Environment Research LaboratoriesIndustrial Technology Research InstituteHsinchu 310 Taiwan
摘要 工研院能環所於 91 年能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研
究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計畫藉由
國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統93～94年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與工程設計
能力等本研究係利用已建置之實驗系統收集大量實驗數據以實驗設計的方
式進行實驗再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與
氣化性能預測的回歸模型作為挾帶床煤炭氣化爐操作與設計之參考 關鍵詞氣化性能碳轉化率冷氣化效率模型
Abstract This project began from 2002 and constructed a 2 ton-coalday pressurized
gasify pilot system at 2004 This study collects experimental datas from this pilot system and reasearching the gasification performance prediction models by the design of experimental method This research results will be reference for the design and operation in entrained bed gasifier Keywords gasification performancecarbon conversion efficiencycold gas efficiencymodel 1 工研院能環所研究員myitriorgtw 2 工研院能環所研究員主任hsuhwitriorgtw 3 工研院能環所研究員lominchainitriorgtw 4 工研院能環所研究員CHShenitriorgtw 5 工研院全面品質辦公室管理師SHYangitriorgtw
一前言
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 11
淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 12
分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 13
煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 15
表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 16
大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 17
表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 18
圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 19
圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 21
表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 22
圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
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能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
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17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
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60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
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30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
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0
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3000
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 5
目前形成乳化物的方法除上述機械形式的方法外另外以多孔材料成型之乳
化物也越來越受重視此種新的乳化科技可更簡單且確實的製備高品質乳化物
其製備之乳化物的分散相粒徑可根據使用的多孔薄膜材料而變化且粒徑更為均
勻另外也較不受分散相或連續相之黏度的影響可用於製備高品質之乳化物
[9]
三 多重相乳化物之製備
多重相乳化物為 Seifriz 於 1925 年[10]在 OW 型乳化物的相轉換過程中觀察
到的其構造為分散相的界面將分散相內部及外部連續相分開若為 OWO（oil-in-water-in-oil）型乳化物即為水滴界面將外部油相及分散相內部的小顆
粒油滴分開利用此類型的乳化物會因為兩相溶液性質的不同使被包覆物質
以擴散滲透等方式釋放出來若經適當的控制即可預定其釋放速率多重相乳
化技術最初是因為其良好的包覆能力而利用於控制藥物的釋放以利人體階段
性吸收於 1968 年即應用於固定胰島素改善腸壁的吸收[11]另外在化妝品的
製造上可改善其有效成分的油膩感並可遮蔽其所產生的不良味道而食品的製
造上也可用於包覆其風味成份[12] 製作多重相乳化物主要有轉相法二階段乳化法機械攪拌法等三種方法
其中以二階段乳化法最常使用此方法是先在第一階段時製作二重相乳化物在
第二階段時再進一步形成三重相乳化物以 OWO 型乳化物為例先以親水性
乳化劑形成 OW 型乳化物而第二階段時將第一階段製作完成的 OW 型乳化
物以同樣的方式加入含有親油性乳化劑的油中加以攪拌即可形成 OWO 型三
重相乳化物[13]於第一階段的製備過程中可提高均質機的轉速及攪拌時間此
作法有助於生成更微小的油滴顆粒使乳化物的安定性增加但在第二階段的攪
拌過程中若均質機的轉速太高則會增加水滴顆粒破裂的機會因此均質機的攪
拌速度及時間對乳化物的品質有直接的影響而轉相法是利用分散相的溶液比例
達到某一程度時會使連續相的溶液發生相轉換形成多重相乳化物
Matsumoto[14]以轉相法製備時先形成 WO 二重相乳化物再持續加水至油相
中當含水量超過總量的 70時連續相的油會被水取代而開始形成 WOW多重相乳化物但此法會增加乳化物的黏稠性不適合用於乳化燃油的製備機
械攪拌法則是以親水性乳化劑加入水相親油性乳化劑加入油相兩者再用均質
機加以混合攪拌即可形成三重相乳化物[15]但以此法製備之三重相乳化物
其內部相含有比二階段法製備之乳化物更多的二重相結構因此本實驗以二階段
法製備多重相乳化燃油
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 6
四超音波乳化技術
超音波為聲音強度高於人耳所能聽見的頻率即大於 20 kHz 以上之音頻皆
可稱為超音波其使用範圍相當廣泛從醫學工業到食品加工上甚至是一般
家中的珠寶清洗機及洗衣機等等民生用途都可見到超音波的應用超音波是一種
機械性的震盪波必須經由介質來傳遞其強度是以每秒鐘通過單位面積的能量
計算一般以 watt cm2 表示超音波的種類大致上可分為兩種一種是低強度
超音波其頻率介於 01 到 20 MHz一般用於非破壞性檢測對生物組織之生
理結構無損害常作為醫學診斷用或超音波探測器等診斷用的超音波具有如光
波一樣的特性經過不同界面時會有反射和折射的現象造成接收訊號之波長的
疏密變化而達到探測診斷的目的另一種稱為高強度超音波其頻率約為 100 kHz 以下其具有破壞細胞及生物組織的能力可應用於清洗乳化降解聚合
物等方面[16] 超音波過程可以稱為是一種液體爆破的現象它是由非常劇烈的聲音頻率提
供強烈的化學和物理反應使液體充分攪拌我們稱此種現象為氣穴現象
（cavitations）其為液體中無數微小的氣泡不斷的產生及崩潰所造成的因為超
音波為疏密波會使液體發生過壓與負壓過壓造成液體分子被壓縮負壓則使
液體分子膨脹當壓力大於靜水壓力時液體分子會被扭曲分散而形成空洞此
時周圍的水分子會來彌補此空洞當它們全都到達此空洞中心時會相互碰撞產生
相當大的力量造成水分子回彈而形成震動波因而釋放出能量並轉移至溶液
中形成機械攪拌效應而達到乳化作用的目的另外其在壓縮過程也產生熱
液體中空洞被壓縮而產生內爆崩塌之速度遠大於其熱能傳出此空洞的速度導致
周圍的冷液體會快速的將此熾熱的空洞冷卻而此現象產生與結束的時間不超過
百萬分之一秒但此現象使空洞可產生高達數百個大氣壓力及數千度的高溫其
冷卻率更快達數億度每秒此為超音波過程中產生的熱點效應（hot spot）[17-18] 機械形式的乳化包括均質攪拌噴射法電分散法超音波等乳化法均質
攪拌法是利用攪拌頭的高速轉動使流體快速擾動但會有空氣進入液體的缺點
而且內部相顆粒較大而不均勻噴射法是利用高壓將液體從細孔中噴出至另一液
相而形成乳化物因為是經過高壓擠出的過程所以其內部相顆粒不會呈現出良好
的球型電分散法則是內部分散相液體滴入外部連續相液體時施加一高壓電場
因電壓升高會產生類似噴霧氣的效果但會有內部相顆粒不為球形而有拖尾
（tailing effect）的情形而且欲製備的內部相粒滴越小需施加的電壓越高有安
全的顧慮而超音波法則是被認為可快速製備粒徑均勻微粒且效率高的方法之一
[18-19]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 7
五 影響超音波特性之因子
超音波應用於商業化產品已相當廣泛不論在機械工業電器工程食品工
業甚至醫學等等方面都可見其產品一般說來會影響超音波產品性質的不外乎其
震盪頻率輸出功率震盪源的設計及外在介質的溫度pH 值黏性比熱
原料種類等因素Gaddam and Cheung [20]的實驗指出增加超音波震盪的處理
壓力會使所產生氣穴現象（cavitations）的發生機會減少因此不易形成內部相
粒徑均勻細緻的乳化油若增加超音波處理時的溫度則會使溶液的黏度及表面
張力減少進而增加氣穴現象（cavitations）發生的機會因此超音波震盪所產
生的氣穴現象（cavitations）在高溫低壓可產生最大的效率而形成結構細緻的
乳化油但過高的乳化油溫度會加速油水分離現象而降低乳化安定性另外
超音波震盪頻率的大小會影響空洞現象發生的難易因為空洞現象是由於超音波
過程中形成的微小氣泡被疏密波產生的負壓及過壓扭曲分散在震動中快速破裂
而釋放出能量此過程需要一段時間使氣泡成長及破裂而超音波的疏密波長會
隨頻率的增高而變短因此頻率太高會減少此作用的反應時間造成其釋放的能
量減少[21]因此影響乳化油的內部相的均勻分佈輸出功率方面一般超音波
強度是指震盪子單位面積的輸出功率（watt cm2）因此功率越大表示會有更大
的能量釋放到溶液中雖然有助於乳化油的快速形成但這也將造成整個系統的
溫度上升對於大多數的溶液而言雖然溫度的增高有助於提昇反應速率[22]但會增加系統處理的變數因此適當的震盪時間或導入冷卻系統對於製備優良的
乳化油是必要考慮的條件
六結論
超音波指音頻大於 20 kHz 的一種機械性震盪波藉由劇烈的聲音頻率而產
生液體爆破現象造成液體之間充分攪拌促進物理及化學反應 本研究探討使用超音波乳化技術製備二重相及三重相乳化燃油影響乳化油
性質的超音波操作條件很多高溫低壓的條件下有助於氣穴現象的形成而產
生內部相均勻細緻的乳化油超音波震盪頻率過高會造成釋放能量減少而影響
油水乳化油的均勻分佈超音波輸出功率愈大乳化油形成較快速但因此所
造成過高的乳化油溫度會降低乳化安定性
參考文獻
1 Hsu BRS HC Chen SH Fu YY Huang and HS Huang The Use of Field Effect to Generate Calcium Alginate Microspheres and its Application in Cell Transplantation J
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 8
Formos Med Assoc 93(3)240-245 1994 2 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997 3 吳哲仁超音波過氧化氫處理法分解水中鄰氯酚國立交通大學碩士論文1995
4 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學碩士論文1997
5 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry 7125-133 1998
6 Sajas J F Zayas Y F Gorbatov W M and Gorbatov V M Use of ultrasonics in meat technology I Fleischwirtschaft Vol 58 pp 1009-1012 1978a
7 Wood RW AL Loomis Phil Mag 4 4171927
8 Abismail B Canselier JP Wilhelm AM Delmas H and Gourdon C Emulsification by ultrasound drop size distribution and stability Ultrasonic Sonochemistry 6 75-83 1999
9 Simon M Membrane emulsification ndash a literature review Journal of Membrane Science Vol 169 pp 107-117 2000
10 Seifriz W Studies in emulsion J Phys Chem Vol 29 p738 1925 11 Engel R H Riggi S J and Fahrenbach M J Insulin Intestinal absorption as
water-in-oil-in-water emulsions Nature (London) Vol219 pp 856 1968 12 Yazan Y Seiller M Arslan K Formulation and evaluation of a multiple emulsion
containing glycolic acid DCI January 1997 13 Matsumoto S and Kang W W Formation and applications of multiple emulsions J
Disper Sci Technol 1989 14 Matsumoto S WOW-type multiple emulsion with a view to possible food applications
J Texture Studies Vol17 p 141 1986 15 戴文飛卵磷脂對多重相乳化物形成率及安定性的影響國立台灣海洋大學水產食
品科學系碩士論文1996
16 Central Soya Co Inchttpwwwcentralsoyacom
17 Lantz R A Szuhaj B F Industrial methods of analysis in ldquolecithin source manufacture and usesrdquo The American Oil Chemistsrsquo Society Champaign Illinois pp162-173 1989
18 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry Vol7 pp125-133 1998
19 Ultrasonic Industry Association httpwwwultrasonicsorg
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 9
20 Gaddam K M Cheung H M Effect of pressure temperature and PH on the sonochemical destruction of 1 1 1- trichloroethane in dilute aqueous solution Ultrasonic Sonochemistry Vol 8 pp 103-109 2001
21 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學水產食品科學系碩士論文1997 22 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 10
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究
The Gasification Performance Model Research for Coal Gasification Combustion in Entrained Bed Gasifier
陳美燕 1徐恆文 2羅敏謙 3沈政憲 4楊淑華 5 Mei-Yen Chen1Heng-Wen Hsu2Min-Chain Lo3Cheng-Hsien Shen4Shau-Hwa
Yang5 工業技術研究院能源與環境研究所
Energy and Environment Research LaboratoriesIndustrial Technology Research InstituteHsinchu 310 Taiwan
摘要 工研院能環所於 91 年能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研
究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計畫藉由
國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統93～94年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與工程設計
能力等本研究係利用已建置之實驗系統收集大量實驗數據以實驗設計的方
式進行實驗再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與
氣化性能預測的回歸模型作為挾帶床煤炭氣化爐操作與設計之參考 關鍵詞氣化性能碳轉化率冷氣化效率模型
Abstract This project began from 2002 and constructed a 2 ton-coalday pressurized
gasify pilot system at 2004 This study collects experimental datas from this pilot system and reasearching the gasification performance prediction models by the design of experimental method This research results will be reference for the design and operation in entrained bed gasifier Keywords gasification performancecarbon conversion efficiencycold gas efficiencymodel 1 工研院能環所研究員myitriorgtw 2 工研院能環所研究員主任hsuhwitriorgtw 3 工研院能環所研究員lominchainitriorgtw 4 工研院能環所研究員CHShenitriorgtw 5 工研院全面品質辦公室管理師SHYangitriorgtw
一前言
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 11
淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 12
分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 13
煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
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表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
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大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
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表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
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圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
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圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
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CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
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5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
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35
40
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55
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CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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cien
cy (
)
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35
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45
50
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CO
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
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40
45
50
55
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CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
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cien
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30
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CO
em
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(ppm
)
0
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3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
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30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
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3000
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5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
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6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
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(ppm
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3000
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
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55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
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下列專欄歡迎大家耕耘
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 6
四超音波乳化技術
超音波為聲音強度高於人耳所能聽見的頻率即大於 20 kHz 以上之音頻皆
可稱為超音波其使用範圍相當廣泛從醫學工業到食品加工上甚至是一般
家中的珠寶清洗機及洗衣機等等民生用途都可見到超音波的應用超音波是一種
機械性的震盪波必須經由介質來傳遞其強度是以每秒鐘通過單位面積的能量
計算一般以 watt cm2 表示超音波的種類大致上可分為兩種一種是低強度
超音波其頻率介於 01 到 20 MHz一般用於非破壞性檢測對生物組織之生
理結構無損害常作為醫學診斷用或超音波探測器等診斷用的超音波具有如光
波一樣的特性經過不同界面時會有反射和折射的現象造成接收訊號之波長的
疏密變化而達到探測診斷的目的另一種稱為高強度超音波其頻率約為 100 kHz 以下其具有破壞細胞及生物組織的能力可應用於清洗乳化降解聚合
物等方面[16] 超音波過程可以稱為是一種液體爆破的現象它是由非常劇烈的聲音頻率提
供強烈的化學和物理反應使液體充分攪拌我們稱此種現象為氣穴現象
（cavitations）其為液體中無數微小的氣泡不斷的產生及崩潰所造成的因為超
音波為疏密波會使液體發生過壓與負壓過壓造成液體分子被壓縮負壓則使
液體分子膨脹當壓力大於靜水壓力時液體分子會被扭曲分散而形成空洞此
時周圍的水分子會來彌補此空洞當它們全都到達此空洞中心時會相互碰撞產生
相當大的力量造成水分子回彈而形成震動波因而釋放出能量並轉移至溶液
中形成機械攪拌效應而達到乳化作用的目的另外其在壓縮過程也產生熱
液體中空洞被壓縮而產生內爆崩塌之速度遠大於其熱能傳出此空洞的速度導致
周圍的冷液體會快速的將此熾熱的空洞冷卻而此現象產生與結束的時間不超過
百萬分之一秒但此現象使空洞可產生高達數百個大氣壓力及數千度的高溫其
冷卻率更快達數億度每秒此為超音波過程中產生的熱點效應（hot spot）[17-18] 機械形式的乳化包括均質攪拌噴射法電分散法超音波等乳化法均質
攪拌法是利用攪拌頭的高速轉動使流體快速擾動但會有空氣進入液體的缺點
而且內部相顆粒較大而不均勻噴射法是利用高壓將液體從細孔中噴出至另一液
相而形成乳化物因為是經過高壓擠出的過程所以其內部相顆粒不會呈現出良好
的球型電分散法則是內部分散相液體滴入外部連續相液體時施加一高壓電場
因電壓升高會產生類似噴霧氣的效果但會有內部相顆粒不為球形而有拖尾
（tailing effect）的情形而且欲製備的內部相粒滴越小需施加的電壓越高有安
全的顧慮而超音波法則是被認為可快速製備粒徑均勻微粒且效率高的方法之一
[18-19]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 7
五 影響超音波特性之因子
超音波應用於商業化產品已相當廣泛不論在機械工業電器工程食品工
業甚至醫學等等方面都可見其產品一般說來會影響超音波產品性質的不外乎其
震盪頻率輸出功率震盪源的設計及外在介質的溫度pH 值黏性比熱
原料種類等因素Gaddam and Cheung [20]的實驗指出增加超音波震盪的處理
壓力會使所產生氣穴現象（cavitations）的發生機會減少因此不易形成內部相
粒徑均勻細緻的乳化油若增加超音波處理時的溫度則會使溶液的黏度及表面
張力減少進而增加氣穴現象（cavitations）發生的機會因此超音波震盪所產
生的氣穴現象（cavitations）在高溫低壓可產生最大的效率而形成結構細緻的
乳化油但過高的乳化油溫度會加速油水分離現象而降低乳化安定性另外
超音波震盪頻率的大小會影響空洞現象發生的難易因為空洞現象是由於超音波
過程中形成的微小氣泡被疏密波產生的負壓及過壓扭曲分散在震動中快速破裂
而釋放出能量此過程需要一段時間使氣泡成長及破裂而超音波的疏密波長會
隨頻率的增高而變短因此頻率太高會減少此作用的反應時間造成其釋放的能
量減少[21]因此影響乳化油的內部相的均勻分佈輸出功率方面一般超音波
強度是指震盪子單位面積的輸出功率（watt cm2）因此功率越大表示會有更大
的能量釋放到溶液中雖然有助於乳化油的快速形成但這也將造成整個系統的
溫度上升對於大多數的溶液而言雖然溫度的增高有助於提昇反應速率[22]但會增加系統處理的變數因此適當的震盪時間或導入冷卻系統對於製備優良的
乳化油是必要考慮的條件
六結論
超音波指音頻大於 20 kHz 的一種機械性震盪波藉由劇烈的聲音頻率而產
生液體爆破現象造成液體之間充分攪拌促進物理及化學反應 本研究探討使用超音波乳化技術製備二重相及三重相乳化燃油影響乳化油
性質的超音波操作條件很多高溫低壓的條件下有助於氣穴現象的形成而產
生內部相均勻細緻的乳化油超音波震盪頻率過高會造成釋放能量減少而影響
油水乳化油的均勻分佈超音波輸出功率愈大乳化油形成較快速但因此所
造成過高的乳化油溫度會降低乳化安定性
參考文獻
1 Hsu BRS HC Chen SH Fu YY Huang and HS Huang The Use of Field Effect to Generate Calcium Alginate Microspheres and its Application in Cell Transplantation J
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 8
Formos Med Assoc 93(3)240-245 1994 2 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997 3 吳哲仁超音波過氧化氫處理法分解水中鄰氯酚國立交通大學碩士論文1995
4 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學碩士論文1997
5 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry 7125-133 1998
6 Sajas J F Zayas Y F Gorbatov W M and Gorbatov V M Use of ultrasonics in meat technology I Fleischwirtschaft Vol 58 pp 1009-1012 1978a
7 Wood RW AL Loomis Phil Mag 4 4171927
8 Abismail B Canselier JP Wilhelm AM Delmas H and Gourdon C Emulsification by ultrasound drop size distribution and stability Ultrasonic Sonochemistry 6 75-83 1999
9 Simon M Membrane emulsification ndash a literature review Journal of Membrane Science Vol 169 pp 107-117 2000
10 Seifriz W Studies in emulsion J Phys Chem Vol 29 p738 1925 11 Engel R H Riggi S J and Fahrenbach M J Insulin Intestinal absorption as
water-in-oil-in-water emulsions Nature (London) Vol219 pp 856 1968 12 Yazan Y Seiller M Arslan K Formulation and evaluation of a multiple emulsion
containing glycolic acid DCI January 1997 13 Matsumoto S and Kang W W Formation and applications of multiple emulsions J
Disper Sci Technol 1989 14 Matsumoto S WOW-type multiple emulsion with a view to possible food applications
J Texture Studies Vol17 p 141 1986 15 戴文飛卵磷脂對多重相乳化物形成率及安定性的影響國立台灣海洋大學水產食
品科學系碩士論文1996
16 Central Soya Co Inchttpwwwcentralsoyacom
17 Lantz R A Szuhaj B F Industrial methods of analysis in ldquolecithin source manufacture and usesrdquo The American Oil Chemistsrsquo Society Champaign Illinois pp162-173 1989
18 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry Vol7 pp125-133 1998
19 Ultrasonic Industry Association httpwwwultrasonicsorg
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 9
20 Gaddam K M Cheung H M Effect of pressure temperature and PH on the sonochemical destruction of 1 1 1- trichloroethane in dilute aqueous solution Ultrasonic Sonochemistry Vol 8 pp 103-109 2001
21 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學水產食品科學系碩士論文1997 22 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 10
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究
The Gasification Performance Model Research for Coal Gasification Combustion in Entrained Bed Gasifier
陳美燕 1徐恆文 2羅敏謙 3沈政憲 4楊淑華 5 Mei-Yen Chen1Heng-Wen Hsu2Min-Chain Lo3Cheng-Hsien Shen4Shau-Hwa
Yang5 工業技術研究院能源與環境研究所
Energy and Environment Research LaboratoriesIndustrial Technology Research InstituteHsinchu 310 Taiwan
摘要 工研院能環所於 91 年能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研
究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計畫藉由
國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統93～94年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與工程設計
能力等本研究係利用已建置之實驗系統收集大量實驗數據以實驗設計的方
式進行實驗再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與
氣化性能預測的回歸模型作為挾帶床煤炭氣化爐操作與設計之參考 關鍵詞氣化性能碳轉化率冷氣化效率模型
Abstract This project began from 2002 and constructed a 2 ton-coalday pressurized
gasify pilot system at 2004 This study collects experimental datas from this pilot system and reasearching the gasification performance prediction models by the design of experimental method This research results will be reference for the design and operation in entrained bed gasifier Keywords gasification performancecarbon conversion efficiencycold gas efficiencymodel 1 工研院能環所研究員myitriorgtw 2 工研院能環所研究員主任hsuhwitriorgtw 3 工研院能環所研究員lominchainitriorgtw 4 工研院能環所研究員CHShenitriorgtw 5 工研院全面品質辦公室管理師SHYangitriorgtw
一前言
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 11
淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 12
分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 13
煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 15
表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 16
大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
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表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
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圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 19
圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 23
圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 24
性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 31
圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 32
表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
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17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
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report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
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ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
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06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
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CO
em
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(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
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6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
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3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
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型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 7
五 影響超音波特性之因子
超音波應用於商業化產品已相當廣泛不論在機械工業電器工程食品工
業甚至醫學等等方面都可見其產品一般說來會影響超音波產品性質的不外乎其
震盪頻率輸出功率震盪源的設計及外在介質的溫度pH 值黏性比熱
原料種類等因素Gaddam and Cheung [20]的實驗指出增加超音波震盪的處理
壓力會使所產生氣穴現象（cavitations）的發生機會減少因此不易形成內部相
粒徑均勻細緻的乳化油若增加超音波處理時的溫度則會使溶液的黏度及表面
張力減少進而增加氣穴現象（cavitations）發生的機會因此超音波震盪所產
生的氣穴現象（cavitations）在高溫低壓可產生最大的效率而形成結構細緻的
乳化油但過高的乳化油溫度會加速油水分離現象而降低乳化安定性另外
超音波震盪頻率的大小會影響空洞現象發生的難易因為空洞現象是由於超音波
過程中形成的微小氣泡被疏密波產生的負壓及過壓扭曲分散在震動中快速破裂
而釋放出能量此過程需要一段時間使氣泡成長及破裂而超音波的疏密波長會
隨頻率的增高而變短因此頻率太高會減少此作用的反應時間造成其釋放的能
量減少[21]因此影響乳化油的內部相的均勻分佈輸出功率方面一般超音波
強度是指震盪子單位面積的輸出功率（watt cm2）因此功率越大表示會有更大
的能量釋放到溶液中雖然有助於乳化油的快速形成但這也將造成整個系統的
溫度上升對於大多數的溶液而言雖然溫度的增高有助於提昇反應速率[22]但會增加系統處理的變數因此適當的震盪時間或導入冷卻系統對於製備優良的
乳化油是必要考慮的條件
六結論
超音波指音頻大於 20 kHz 的一種機械性震盪波藉由劇烈的聲音頻率而產
生液體爆破現象造成液體之間充分攪拌促進物理及化學反應 本研究探討使用超音波乳化技術製備二重相及三重相乳化燃油影響乳化油
性質的超音波操作條件很多高溫低壓的條件下有助於氣穴現象的形成而產
生內部相均勻細緻的乳化油超音波震盪頻率過高會造成釋放能量減少而影響
油水乳化油的均勻分佈超音波輸出功率愈大乳化油形成較快速但因此所
造成過高的乳化油溫度會降低乳化安定性
參考文獻
1 Hsu BRS HC Chen SH Fu YY Huang and HS Huang The Use of Field Effect to Generate Calcium Alginate Microspheres and its Application in Cell Transplantation J
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 8
Formos Med Assoc 93(3)240-245 1994 2 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997 3 吳哲仁超音波過氧化氫處理法分解水中鄰氯酚國立交通大學碩士論文1995
4 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學碩士論文1997
5 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry 7125-133 1998
6 Sajas J F Zayas Y F Gorbatov W M and Gorbatov V M Use of ultrasonics in meat technology I Fleischwirtschaft Vol 58 pp 1009-1012 1978a
7 Wood RW AL Loomis Phil Mag 4 4171927
8 Abismail B Canselier JP Wilhelm AM Delmas H and Gourdon C Emulsification by ultrasound drop size distribution and stability Ultrasonic Sonochemistry 6 75-83 1999
9 Simon M Membrane emulsification ndash a literature review Journal of Membrane Science Vol 169 pp 107-117 2000
10 Seifriz W Studies in emulsion J Phys Chem Vol 29 p738 1925 11 Engel R H Riggi S J and Fahrenbach M J Insulin Intestinal absorption as
water-in-oil-in-water emulsions Nature (London) Vol219 pp 856 1968 12 Yazan Y Seiller M Arslan K Formulation and evaluation of a multiple emulsion
containing glycolic acid DCI January 1997 13 Matsumoto S and Kang W W Formation and applications of multiple emulsions J
Disper Sci Technol 1989 14 Matsumoto S WOW-type multiple emulsion with a view to possible food applications
J Texture Studies Vol17 p 141 1986 15 戴文飛卵磷脂對多重相乳化物形成率及安定性的影響國立台灣海洋大學水產食
品科學系碩士論文1996
16 Central Soya Co Inchttpwwwcentralsoyacom
17 Lantz R A Szuhaj B F Industrial methods of analysis in ldquolecithin source manufacture and usesrdquo The American Oil Chemistsrsquo Society Champaign Illinois pp162-173 1989
18 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry Vol7 pp125-133 1998
19 Ultrasonic Industry Association httpwwwultrasonicsorg
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 9
20 Gaddam K M Cheung H M Effect of pressure temperature and PH on the sonochemical destruction of 1 1 1- trichloroethane in dilute aqueous solution Ultrasonic Sonochemistry Vol 8 pp 103-109 2001
21 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學水產食品科學系碩士論文1997 22 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 10
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究
The Gasification Performance Model Research for Coal Gasification Combustion in Entrained Bed Gasifier
陳美燕 1徐恆文 2羅敏謙 3沈政憲 4楊淑華 5 Mei-Yen Chen1Heng-Wen Hsu2Min-Chain Lo3Cheng-Hsien Shen4Shau-Hwa
Yang5 工業技術研究院能源與環境研究所
Energy and Environment Research LaboratoriesIndustrial Technology Research InstituteHsinchu 310 Taiwan
摘要 工研院能環所於 91 年能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研
究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計畫藉由
國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統93～94年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與工程設計
能力等本研究係利用已建置之實驗系統收集大量實驗數據以實驗設計的方
式進行實驗再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與
氣化性能預測的回歸模型作為挾帶床煤炭氣化爐操作與設計之參考 關鍵詞氣化性能碳轉化率冷氣化效率模型
Abstract This project began from 2002 and constructed a 2 ton-coalday pressurized
gasify pilot system at 2004 This study collects experimental datas from this pilot system and reasearching the gasification performance prediction models by the design of experimental method This research results will be reference for the design and operation in entrained bed gasifier Keywords gasification performancecarbon conversion efficiencycold gas efficiencymodel 1 工研院能環所研究員myitriorgtw 2 工研院能環所研究員主任hsuhwitriorgtw 3 工研院能環所研究員lominchainitriorgtw 4 工研院能環所研究員CHShenitriorgtw 5 工研院全面品質辦公室管理師SHYangitriorgtw
一前言
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淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
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分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
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煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
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表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
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表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
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大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
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表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
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圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
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圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
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十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
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CO
em
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(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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60
CO
em
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
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40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
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6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 8
Formos Med Assoc 93(3)240-245 1994 2 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997 3 吳哲仁超音波過氧化氫處理法分解水中鄰氯酚國立交通大學碩士論文1995
4 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學碩士論文1997
5 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry 7125-133 1998
6 Sajas J F Zayas Y F Gorbatov W M and Gorbatov V M Use of ultrasonics in meat technology I Fleischwirtschaft Vol 58 pp 1009-1012 1978a
7 Wood RW AL Loomis Phil Mag 4 4171927
8 Abismail B Canselier JP Wilhelm AM Delmas H and Gourdon C Emulsification by ultrasound drop size distribution and stability Ultrasonic Sonochemistry 6 75-83 1999
9 Simon M Membrane emulsification ndash a literature review Journal of Membrane Science Vol 169 pp 107-117 2000
10 Seifriz W Studies in emulsion J Phys Chem Vol 29 p738 1925 11 Engel R H Riggi S J and Fahrenbach M J Insulin Intestinal absorption as
water-in-oil-in-water emulsions Nature (London) Vol219 pp 856 1968 12 Yazan Y Seiller M Arslan K Formulation and evaluation of a multiple emulsion
containing glycolic acid DCI January 1997 13 Matsumoto S and Kang W W Formation and applications of multiple emulsions J
Disper Sci Technol 1989 14 Matsumoto S WOW-type multiple emulsion with a view to possible food applications
J Texture Studies Vol17 p 141 1986 15 戴文飛卵磷脂對多重相乳化物形成率及安定性的影響國立台灣海洋大學水產食
品科學系碩士論文1996
16 Central Soya Co Inchttpwwwcentralsoyacom
17 Lantz R A Szuhaj B F Industrial methods of analysis in ldquolecithin source manufacture and usesrdquo The American Oil Chemistsrsquo Society Champaign Illinois pp162-173 1989
18 Soo Keat Ooi Simon Biggs Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis Ultrasonic Sonochemistry Vol7 pp125-133 1998
19 Ultrasonic Industry Association httpwwwultrasonicsorg
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 9
20 Gaddam K M Cheung H M Effect of pressure temperature and PH on the sonochemical destruction of 1 1 1- trichloroethane in dilute aqueous solution Ultrasonic Sonochemistry Vol 8 pp 103-109 2001
21 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學水產食品科學系碩士論文1997 22 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 10
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究
The Gasification Performance Model Research for Coal Gasification Combustion in Entrained Bed Gasifier
陳美燕 1徐恆文 2羅敏謙 3沈政憲 4楊淑華 5 Mei-Yen Chen1Heng-Wen Hsu2Min-Chain Lo3Cheng-Hsien Shen4Shau-Hwa
Yang5 工業技術研究院能源與環境研究所
Energy and Environment Research LaboratoriesIndustrial Technology Research InstituteHsinchu 310 Taiwan
摘要 工研院能環所於 91 年能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研
究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計畫藉由
國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統93～94年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與工程設計
能力等本研究係利用已建置之實驗系統收集大量實驗數據以實驗設計的方
式進行實驗再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與
氣化性能預測的回歸模型作為挾帶床煤炭氣化爐操作與設計之參考 關鍵詞氣化性能碳轉化率冷氣化效率模型
Abstract This project began from 2002 and constructed a 2 ton-coalday pressurized
gasify pilot system at 2004 This study collects experimental datas from this pilot system and reasearching the gasification performance prediction models by the design of experimental method This research results will be reference for the design and operation in entrained bed gasifier Keywords gasification performancecarbon conversion efficiencycold gas efficiencymodel 1 工研院能環所研究員myitriorgtw 2 工研院能環所研究員主任hsuhwitriorgtw 3 工研院能環所研究員lominchainitriorgtw 4 工研院能環所研究員CHShenitriorgtw 5 工研院全面品質辦公室管理師SHYangitriorgtw
一前言
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淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
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分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
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煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
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表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
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表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
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大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
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表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
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圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
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圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
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十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 9
20 Gaddam K M Cheung H M Effect of pressure temperature and PH on the sonochemical destruction of 1 1 1- trichloroethane in dilute aqueous solution Ultrasonic Sonochemistry Vol 8 pp 103-109 2001
21 王贊森稠溶液之黃豆11S球蛋白受溫度剪力及超音波作用後物化特性之影響國立
台灣海洋大學水產食品科學系碩士論文1997 22 楊炯琳以超音波乳化法製備膠原蛋白與明膠微粒國立陽明大學醫學工程研究所
碩士論文1997
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 10
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究
The Gasification Performance Model Research for Coal Gasification Combustion in Entrained Bed Gasifier
陳美燕 1徐恆文 2羅敏謙 3沈政憲 4楊淑華 5 Mei-Yen Chen1Heng-Wen Hsu2Min-Chain Lo3Cheng-Hsien Shen4Shau-Hwa
Yang5 工業技術研究院能源與環境研究所
Energy and Environment Research LaboratoriesIndustrial Technology Research InstituteHsinchu 310 Taiwan
摘要 工研院能環所於 91 年能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研
究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計畫藉由
國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統93～94年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與工程設計
能力等本研究係利用已建置之實驗系統收集大量實驗數據以實驗設計的方
式進行實驗再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與
氣化性能預測的回歸模型作為挾帶床煤炭氣化爐操作與設計之參考 關鍵詞氣化性能碳轉化率冷氣化效率模型
Abstract This project began from 2002 and constructed a 2 ton-coalday pressurized
gasify pilot system at 2004 This study collects experimental datas from this pilot system and reasearching the gasification performance prediction models by the design of experimental method This research results will be reference for the design and operation in entrained bed gasifier Keywords gasification performancecarbon conversion efficiencycold gas efficiencymodel 1 工研院能環所研究員myitriorgtw 2 工研院能環所研究員主任hsuhwitriorgtw 3 工研院能環所研究員lominchainitriorgtw 4 工研院能環所研究員CHShenitriorgtw 5 工研院全面品質辦公室管理師SHYangitriorgtw
一前言
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 11
淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 12
分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
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煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
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表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
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表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
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大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
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表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
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圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
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圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
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十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
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17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
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report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
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ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
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06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
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CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
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6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 10
挾帶床煤炭氣化燃燒氣化性能預測模型研究
The Gasification Performance Model Research for Coal Gasification Combustion in Entrained Bed Gasifier
陳美燕 1徐恆文 2羅敏謙 3沈政憲 4楊淑華 5 Mei-Yen Chen1Heng-Wen Hsu2Min-Chain Lo3Cheng-Hsien Shen4Shau-Hwa
Yang5 工業技術研究院能源與環境研究所
Energy and Environment Research LaboratoriesIndustrial Technology Research InstituteHsinchu 310 Taiwan
摘要 工研院能環所於 91 年能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合應用研
究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計畫藉由
國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統93～94年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與工程設計
能力等本研究係利用已建置之實驗系統收集大量實驗數據以實驗設計的方
式進行實驗再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與
氣化性能預測的回歸模型作為挾帶床煤炭氣化爐操作與設計之參考 關鍵詞氣化性能碳轉化率冷氣化效率模型
Abstract This project began from 2002 and constructed a 2 ton-coalday pressurized
gasify pilot system at 2004 This study collects experimental datas from this pilot system and reasearching the gasification performance prediction models by the design of experimental method This research results will be reference for the design and operation in entrained bed gasifier Keywords gasification performancecarbon conversion efficiencycold gas efficiencymodel 1 工研院能環所研究員myitriorgtw 2 工研院能環所研究員主任hsuhwitriorgtw 3 工研院能環所研究員lominchainitriorgtw 4 工研院能環所研究員CHShenitriorgtw 5 工研院全面品質辦公室管理師SHYangitriorgtw
一前言
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 11
淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 12
分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 13
煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
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表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
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大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
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表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
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圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
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圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
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十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
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能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
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下列專欄歡迎大家耕耘
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 11
淨煤技術之訴求已不單指環境控制技術而是強調高能源效益並以超低
污染為目標利用煤炭轉換為潔淨能源此已為先進國家投入大幅研發資源爭先
發展之重要課題其中尤以氣化技術具有進料多元化之彈性而其獨特優點
就是利用所產生的合成氣體生產多種產品除可發電及直接作為燃料外氣化合
成氣亦可生產氫液態燃料及化學原料等（如圖一）因此為各先進國家發展之
重點如美國歐洲之煤炭氣化複循環（IGCC）示範廠美國推動之產氫與零
排放的氫能電廠日本 Nakoso 之 250MW 示範廠與 EAGLE（Energy Application for Gas Liquid amp Electricity）計畫南韓亦已於 1995 建立了 3 噸煤天之氣化實
驗系統等相對於國內相關研發時程顯然起步得較晚
圖一煤炭氣化多元化應用
工研院能環所於 91 年經濟部能源局委辦之「多元燃料氣化技術與熱電整合
應用研究」四年計畫下進行國內挾帶床(Entrained Bed)氣化技術之研發本計
畫藉由國際合作已於 93 年建立國內首座每天 2 噸煤炭之壓力式氣化實驗系統
93～94 年已依此陸續建立國內煤炭及石油焦燃料之氣化特性資料操控技術與
工程設計能力等同時提供氣化合成氣進行燃燒與小型發電系統之應用研究以
作為國內相關人員培訓及未來之應用推廣之基礎 壓力式氣化系統國內除中油已有多年殘渣油與重油運轉此系統經驗外台
塑石化亦已建立輕油為原料之氣化系統其餘則並無運轉此系統經驗其中有關
煤炭氣化燃燒預測模型之研究【123】由於氣化系統所存在的困難性與建
置操作成本的限制以往有關煤炭氣化燃燒性能預測模型之研究多數仍處於
實驗室階段或於較低溫條件下進行實驗對於實際上以挾帶床(Entrained Bed)氣化爐探討煤炭氣化燃燒預測模型之研究則十分缺乏因此本研究則是希望充
運輸用燃料 甲醇化學品
氣化
煤炭生質能
石油焦廢棄物
空氣或氧氣 蒸汽
潔淨 合成氣
(CO + H2)燃氣淨化
- 硫 - 有價值副產品 合成燃氣
氫氣
發電 汽電共生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 12
分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 13
煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 15
表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 16
大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 17
表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 18
圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 19
圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
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十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
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能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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cien
cy (
)
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40
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50
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60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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CO
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3000
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
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cien
cy (
)
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60
CO
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(ppm
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0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
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cien
cy (
)
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60
CO
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
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itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 12
分利用已建置之示範系統收集大量實驗數據以實驗設計的方式進行實驗
再利用 design expert 軟體探討影響煤炭氣化性能的顯著因子與氣化性能預測的
回歸模型研究目的主要針對「碳轉化率預測模型」與「冷氣化效率預測模型」
之迴歸模型顯著性因子顯著性與因子貢獻度進行分析與討論以作為挾帶床煤
炭氣化爐操作與設計之參考
二技術簡介與系統描述
本計畫之壓力式氣化實驗系統（Pressurized Gasification Testing FacilityPGTF）基本設計規劃委由美國 GTI 公司（Gas Technology Institute）已於 93年度完成建構【照片一】氣化實驗系統設計是將每天 2 公噸煤炭或石油焦氣化
成合成氣溫度可能達 1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15barPGTF 主要分成 1固體進料製
配2固體進料3氣體進料4氣化5合成氣冷卻6熔渣移除7飛灰移除
等部份系統流程圖【圖二】氣化反應區域示意圖【圖三】【表 1】則為壓力
式氣化實驗系統測試可操作範圍【表 2】為實驗使用的煤炭性質
【照片一 煤炭氣化示範系統】
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 13
煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 15
表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 16
大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 17
表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 18
圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 19
圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 21
表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 22
圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 23
圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 24
性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 26
不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
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能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 13
煤倉
天車
袋式集塵器
進料煤倉
螺旋進料器
旋風分離器
儲灰桶
合成氣冷卻器
氣化爐主體 蒸氣產生器
儲水槽
軟水器
高壓氧起爐燃燒機
融渣鎖斗 高壓水幫浦
冷卻水幫浦融渣收集裝置
水處理
儲水槽
輸送氮氣
高壓氮氣
螺旋進料器
來自粉煤儲存區
至沖洗管線或設備
進料煤倉
進料煤倉
【圖二 煤炭氣化示範系統流程】
【圖三 氣化反應區域示意圖】
Coal Burner
Coal+O2+N2
+(Steam)
燃燒反應(放熱)1C+12O
2=CO
2C+O2=CO2
3H2+12O
2=H
2O
氣化反應(吸熱)1C+H
2O=CO+H
2
2C+2H2O=CO
2+2H
2
3C+CO2=2CO
4C+2H2=CH
4
5CO+H2O=H2+CO2
6CO+3H2=CH
4+H
2O
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 15
表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
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大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
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表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
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圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
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圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
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十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
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t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
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型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 14
表 1壓力式氣化實驗系統測試操作範圍 操 作 參 數 操 作 範 圍
煤炭進料速率（kghr） 80（Max） 氣化壓力（bar） 3～15 氧氣與蒸汽比 1000～5050 氣化溫度（） 1200～1500 冷卻水量（kghr） 40～100
表 2煤炭分析資料 分析項目 印尼 ADARO 煤種
揮發物(VM)wt 437 固定成份 wt 553 內含水 wt 148 灰份wt 181 碳 wt 6248 氫 wt 389 氮 wt 06 硫 wt 01 氧 wt 1714
熱值 kcalkg 5924 三實驗規劃
進行實驗設計之因子包括「煤炭進料速率」（因子 A）「氧煤比」（因子 B）與「氣化壓力」（因子 C）規劃三因子兩水準全因子實驗配置如表 3各因子選
定之高低水準如表 4 表 3氣化特性研究之實驗配置
實驗參數 Case
煤炭進料速率 氧煤比 氣化壓力
1 － － － 2 + － － 3 － + － 4 + + － 5 － － + 6 + － + 7 － + + 8 + + +
備註代號（－）因子之低水準（+）因子之高水準
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 15
表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 16
大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 17
表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
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圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
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圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 22
圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 23
圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
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能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
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50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
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60
CO
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
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55
60
CO
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itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
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Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
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Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 15
表 4氣化特性研究因子高低水準
實驗參數
Case
煤炭進料速率
（因子 A）
氧煤比
（因子 B）
氣化壓力
（因子 C）
+高水準 36 065 23
－低水準 19 038 47
四「Design Expert」分析
以下將分別針對碳轉化率與冷煤氣效率進行因子與模型之分析分析內
容主要為因子貢獻度因子顯著性與模型顯著性分析方式則先從常態機率圖與
貢獻度分析表判別可能之顯著因子再經變異數分析確認是否有顯著因子利用
回歸分析檢定模型顯著性實驗結果詳表 5
表 5 實驗結果
標準
次序 實驗次
序 煤炭進料速率
kghr 氧煤比 氣化壓力
bar 碳轉化率
Y1 冷煤氣效率
Y2 1 4 19 038 23 536 408 2 1 36 038 23 52 34 3 8 19 065 23 76 504 4 6 36 065 23 72 48 5 7 19 038 47 936 64 6 2 36 038 47 672 496 7 5 19 065 47 888 556 8 3 36 065 47 80 52
4-1 碳轉化率預測模型分析
各因子對碳轉化率的貢獻度由表 6 之貢獻度百分比可看出貢獻度順序
由高到低為 C(氣化壓力)gt B(氧煤比)gtA(煤炭進料速率)gt BCgt AC再從碳轉化率
之因子效應常態機率圖（圖四）亦看出 ABC 因子較其他因子有偏離之現象
故選擇此三因子建構碳轉化率預測模型經變異數分析（表 7）發現氣化壓力為
顯著因子但是碳轉化率預測模型並不顯著表 8 亦說明碳轉化率預測模型並非
顯著模型Adj R-Squared 未達 085 以上(本研究之回歸 R-Squared 值為 07877)表示可能還有顯著因子未被發覺或實驗過程誤差太大所造成另由圖五發現實驗
順序 7 有離群值出現且此點之 Cook 距離值約為 0914趨近於 1為一影響力較
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 16
大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 17
表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 18
圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 19
圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 21
表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 22
圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 26
不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
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能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
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17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
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大之觀測值經討論可能實驗過程中某些無法管控之因素造成是故顯示此模型
未能符合常態假設尚不適合使用表 9 為本研究所得之碳轉化率預測模型圖
六圖七與圖八為因子 A（煤炭進料速率）因子 B（氧煤比）與因子 C（氣化
壓力）之主效應圖
從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外碳轉化率
預測模型並不顯著目前尚無足夠資訊證明可用來預測碳轉化率
表 6 對碳轉化率各因子貢獻度分析表
表 7 碳轉化率預測模型之變異數分析表
變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 124760 3 41587 495 00783 不顯著
因子 A 20808 1 20808 247 01908
因子 B 31752 1 31752 378 01239
因子 C 72200 1 72200 859 00428 顯著
殘差 33632 4 8408
總和 158392 7
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表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
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圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
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圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
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十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
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能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
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(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
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(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
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60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
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(ppm
)
0
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3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 17
表 8 碳轉化率預測模型之回歸分析表
R 平方值 07877
調整的 R 平方值 06284
預測 R 平方值 01507
Adeq Precision 6447
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測
表 9 碳轉化率預測模型
氣氧煤比煤炭進料速率碳轉化率 times+times+timesminus+= 91667766667466000006583337
圖四碳轉化率之因子效應常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 18
圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 19
圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 21
表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 22
圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 23
圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 24
性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 26
不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
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report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 18
圖五碳轉化率預測模型之離群值圖
圖六碳轉化率之 因子 A 主效應圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 19
圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
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表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
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圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
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能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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cien
cy (
)
30
35
40
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50
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60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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cien
cy (
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CO
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3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
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cien
cy (
)
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60
CO
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(ppm
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0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
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cien
cy (
)
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60
CO
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
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itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 19
圖七碳轉化率之 因子 B 主效應圖
圖八碳轉化率之 因子 C 主效應圖
4-2 冷煤氣效率預測模型分析 各因子對冷煤氣效率預測模型的貢獻度由表 10 之貢獻度百分比可看出
貢獻度順序由高到低為 C(氣化壓力)gt BC gt A(煤炭進料速率)從冷煤氣效率因子
效應常態機率圖（圖九）看不出有明顯偏離之顯著因子由冷煤氣效率預測模型
變異數分析表（表 11）發現氣化壓力為顯著因子且冷煤氣效率模型可能為顯
著模型由表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析之 Adj R-Squared 未達 085 以上
(本研究之回歸 R-Squared 值為 05031)顯示本冷煤氣效率模型尚不足以用來預
測可能因為還有顯著因子未被發覺或實驗誤差太大所致由圖十圖十一及圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 21
表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 22
圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 23
圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 26
不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 31
圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 32
表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 20
十二檢視模型之適當性冷煤氣效率預測模型之殘差機率圖（圖十）顯示趨近常
態分配預測值與殘差值圖無不尋常結構出現（圖十一）唯實驗順序與殘差圖(圖十二)有上升趨勢非隨機分佈顯示未能完全滿足變異數相等之假設表示本
冷煤氣效率預測模型之適當性不完全適合表 13 為本研究所得之冷煤氣效率模
型圖十三為因子 C（氣化壓力）之主效應圖 從以上分析結果說明除了因子 C（氣化壓力）效應較顯著外本冷煤氣
效率預測模型並不完全適當且未有足夠資訊證明可用來預測冷煤氣效率 表 10 冷煤氣效率之因子貢獻度分析表
表 11 冷煤氣效率預測模型變異數分析表 變異來源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值gtF
模型 28800 1 28800 608 00488 顯著
因子 C 28800 1 28800 608 00488 顯著
殘差 28440 6 4740
總和 57240 7
表 12 冷煤氣效率預測模型回歸分析表
R 平方值 05031
調整的 R 平方值 04203
預測 R 平方值 01167
Adeq Precision 3486
註「Adeq Precision」係信號(signal)噪音(noise)比 比值大於 4 表可接受
有足夠的信號來引導預測目前之比值顯現本模式尚不足以用來引導預
測
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 21
表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 22
圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 23
圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 24
性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
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能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 21
表 13 冷煤氣效率預測模型
氣化壓力冷煤氣效率 times++= 0000058000037
圖九冷煤氣效率之因子效應常態機率圖
圖十冷煤氣效率預測模型之殘差常態機率圖
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圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 23
圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
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性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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cien
cy (
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35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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cien
cy (
)
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60
CO
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
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35
40
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60
CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
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40
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55
60
CO
em
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(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
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3000
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 22
圖十一冷煤氣效率預測模型之預測值與殘差圖
圖十二冷煤氣效率預測模型之實驗順序與殘差圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 23
圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 24
性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 26
不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 31
圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 32
表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
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t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
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CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 23
圖十三冷煤氣效率之因子 C 主效應圖
4-3 綜合分析
綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統操作的穩定性
當時的系統裝置尚無法在設計條件下操作以 5bar 的操作壓力與本系統設計壓
力 15bar 相較下實驗只能在降載下試運轉安全上的考量操作溫度也多侷限
在 1200另外量測值的擾動現象也是無法避免的干擾問題如同 2001 年 Yongseung Yun 與 Young Done Yoo【5】也曾提出量測數值擾動在計算反應結果
產生誤差的問題 與相關研究比較有關氣化壓力的影響Wall 等人於 2002 年整理壓力影響
相關文獻發現氣化壓力較低時氣化性能會受壓力影響高過某個壓力影響
有趨緩的趨勢【4】但是在大陸化學工業出版社出版的「現代煤化工技術手冊」
【3】確認為壓力不影響氣化性能兩者之間的差異在於前者的氣化溫度都低
於 1200後者氣化溫度約 1540前者是以實驗室級裝置進行氣化實驗所得
的結果後者則是利用理論模型計算所得的結果而本研究的氣化溫度則與 Wall等人的研究報告相近也發現氣化壓力會影響氣化性能
五結論 綜合以上分析以氣化溫度 1200與氣化壓力 5bar 以下的條件進行煤炭氣
化所得的實驗數據進行分析發現不論是對碳轉化率預測模型或冷煤氣效率預
測模型在煤炭進料速率氧煤比與氣化壓力三因子中貢獻度最大的因子都是
氣化壓力但是預測模型的預測性仍不足可能還有其他顯著因子沒有被發現 因子不顯著模型預測性不足的問題推論可能在於系統降載操作的穩定
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 24
性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 26
不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
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型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 24
性與大系統下無可避免的量測值干擾問題 六參考文獻
1 Armin SilaenTing WangSimulation of Gasification Process in the ITRI Demonstration Gasifier research report 2005
2 Gui-Su Liu Stephin Niksa Coal conversion submodels for design applications at elevated pressures Part II Char gasification Progressin Energy in Energy and Combustion Science Vol30 pp679-717 2004
3 賀永德現代煤化工技術手冊化學工業出版社2004 4 Wall et al The effects of pressure on coal reactions during pulverized coal
combustion and gasification Progress in Energy and combustion Science Vol28pp405-433 2002
5 Yongseung Yun Young Done Yoo performance of a Pilot-Scale Gasifier for Indonesian Baiduri Coal Korean J Chem Eng Vol18(5) pp679-685 2001
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高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
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不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
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3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
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圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
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343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
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能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
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17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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CO
em
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
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Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
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徵稿說明
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
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等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 25
高效率熱水器之設計開發-強制進氣型瓦斯熱水器
The design of high performance gas water heater -forced draft gas water heater 羅文斌1吳國光2鄭景亮3
Wen-Bin Lo1 Kuo-Kuang Wu2 Jing-Lyang Jeng3 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory
摘要
本文主要介紹高效率潛熱回收式熱水器之設計與開發利用先前開發之估算
模擬程式作為設計依據並配合簡易物理與機構設計成功開發出高效率潛熱回
收之熱交換器並隨機選用市售強制送風熱水器進行安裝測試實驗證實安裝
此潛熱回收式熱交換器之熱水器其煙氣出口溫度均低於 60且其熱效率也
較安裝前有大幅的提升 關鍵字熱水器熱效率熱交換器
Abstract This article mainly introduces the design method of high efficient heat-recovery
heat exchanger using for domestic gas water heater We developed the design program to design this unique heat exchanger This heat exchanger applied simply physical theory and mechanism to remove condensed water and recovery waste heat efficiently This heat exchanger was installed on commercial gas water heater including CF type to perform test run According to test results the thermal efficiency increased sharply and exhaust temperature lower than 40 when commercial gas water heaters installed our heat exchanger Keywords domestic gas water heater thermal efficiency heat exchanger
一前言 瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體經由熱交換器
(heat exchanger)來進行熱交換以達到加熱冷水的目的故除燃燒器外熱交換
器的熱傳性能也同時主導熱水器熱效率性能(thermal efficiency)表現現今市面上
的產品其廢氣排放溫度普遍接近 200顯示還有許多熱量被排放至外界未被
利用這也告訴我們其效率還有相當的改善空間國內熱水器的設計都僅採用一
次熱交換器效率最多只能夠達到 75-80主要原因在於排放出去的廢氣溫度
1工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組副研究員e-mail luo0099itriorgtw 2工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組研究員e-mail kkwuitriorgtw 3工業技術研究院能源與環境研究所燃燒技術組主任e-mail JLJENGitriorgtw
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 26
不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
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圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
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表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
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Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 26
不能夠低於 100當廢氣溫度低於 100時緊接而來需面對的問題就是廢氣
中的水氣凝結若無法有效收集凝結水而任其滴落勢必造成熱交換的效率大幅
降低甚至造成火焰熄滅等燃燒不穩定的現象對於熱水器的使用上有危險的顧
慮因此凝結水的收集也成了二次熱交換器成敗的關鍵技術從國外資料中顯
示國外業者也相當重視熱水器效率的提升而採用二次熱交換器使用的方式是
將廢氣導入一個 C 型管(見圖 1)透過連續三個 90deg的轉彎讓凝結水直接落在
一個收集皿上面再透過導管將其導出整體效率確實提升到 90以上但此設
計卻增加了熱水器整體的體積且整個系統的壓降幾乎集中在二次熱交換器上
面因此流場的改變迫使必須提高風扇所需的功率在潛熱回收的情況下節省
瓦斯用量但卻增加了電力的消耗 目前本研究室已建立了一套熱交換器之熱效率以及壓降模擬估算程式並經
由實驗的驗證在熱交換器之效率與壓差上估算值與實際量測值的誤差均在
3之內因此此二次熱交換器之設計乃利用此程式進行估算本設計採用
密集式平板型鰭片熱交換器(compact plate fin heat exchanger)高溫廢氣透過二次
熱交換器進行熱交換可將冷水先行預熱同時將熱水器之排放廢氣由原先200降至 60以下熱效率也可提升至 90以上並透過重力以及表面粗糙度的原
理將凝結水收集後排出在不改變原有流場的方向條件下達到本設計目標
圖 1日本二次熱交換器示意圖
二性能分析與估算 熱交換器的熱傳性能分析是採用 NTUminusε 法其中ε 指的是有效度
(effectiveness)NTU 為傳遞單位(number of transfer unit)採用此方式時有以下基
本假設 1 熱交換過程是維持一恆定（Steady）狀態與時間無關 2 溫度速度是一維分佈 (one-dimensional) 且流體無層化現象
(stratification)發生
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 31
圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 32
表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
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17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
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report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
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ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 27
3 總熱傳係數是定值 4 流體比熱(specific heat)為定值 5 忽略熱交換器的軸向熱傳 6 熱損失至外界的部分予以忽略 7 熱交換器內部無發熱裝置或發生化學反應 整個熱交換器性能估算方式流程如下 1 從已知的熱交換器幾何尺寸(包括熱交換器的大小鰭片厚度鰭片間
距水管管徑及管距管排數等)操作條件(水流量溫度等)熱傳係
數及流體輸送性質(密度黏滯係數熱傳導係數等)來計算 NTU 與 C 2 由已知的 NTU C 與流動型式再根據相關的 NTUminusε 圖表或方程式
來算出有效度ε 3 由 )( min inwina TTCQ minus= ε 來算出熱交換量 Q然後可一併算出煙氣及水
的出口溫度 4 由熱交換量與輸入熱量的比值計算出熱效率
整個性能分析流程如圖 2 所示 我們以一般市售 A 牌家用強制進氣瞬熱型熱水器來做為性能修改之樣品
機其整體之水質量流率為 0167kgs(水流量為 10 litermin水之密度為 1000 kgm3)瓦斯消耗量為 245 kW熱效率經實驗量測為 80經過一次熱交換器
後之煙氣溫度經量測約為 200 (473K) 而二次熱交換器形式選擇連續式平板
型鰭片熱交換器有效度( ε )的計算方程式主要是採用王啟川[1]所建議之方程
式詳細之計算方式請參閱參考文獻[2]
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 31
圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 32
表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
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17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
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report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
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ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
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06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
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45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
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60
CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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45
50
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60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
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標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 28
圖 2密集式熱交換器性能分析流程圖
在二次熱交換器熱傳效率方面經由計算後最大可能熱傳量為
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 31
圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 32
表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
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17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
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report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
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ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
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06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
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45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
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標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 29
343max =Q kW實際之熱傳量為 9122 =Q kW因此二次熱交換器之熱傳效率為
487max
2 ==QQ
η
在整體熱效率方面瓦斯消耗量為 245 kW經過一次熱交換器之效率為
80故一次熱交換器之熱傳量為 Q1=196 kW再經由二次熱交換所獲得之熱
傳量為 Q2=291kW所以整體所獲得之熱傳量為 Q=Q1+Q2=2251kW由此可得
到整體熱效率為
87915245122
===g
t QQη
經由程式的估算透過此設計確實使原先熱水器之熱效率由 80大幅提升至
9187充分將原先排放的廢熱回收再利用達到節約能源之目的之後我們進
行實體的製作驗證 三成品設計
由於二次熱交換器的使用使得廢氣排放出的溫度將由原先的 200降低至 50以下(透過程式的估算約在 47 ) 必定造成燃燒廢氣中之水蒸汽凝結若凝結水
滴落於燃燒器上將會使燃燒狀態不穩定造成不完全燃燒甚或澆熄火焰在使
用安全性上會發生危險本設計異於國外的設計其主要特色是在不改變原有流
場方向下直接安裝於原有熱水器上以達到提高熱水器之熱效率同時利用重
力並配合破壞水的表面張力之原理讓水蒸汽在剛形成凝結水時受重力的影響
下而朝向集水水道集中排放二次熱交換器之設計示意圖與加工成品如圖 3 與圖
4 所示本二次熱交換器安裝於市售 A 牌之強制進氣熱水器其安裝前與安裝後
之示意圖如圖 5 所示圖 6 為組裝後之實體圖試驗機型號為 ITRI-ERL-D100-2四結果與討論
對於二次熱交換器安裝測試實驗由本實驗室依據 CNS13603 [3]及CNS13605 [4]國家標準所規範之性能測試流程針對安裝與未安裝二次熱交換器
之熱水器進行性能比較測試內容主要包含不同溫度設定下之煙氣出口溫度熱
效率與煙氣排放未安裝二次熱交換器之市售 A 牌強制進氣熱水器的測試數據
如表 1 所列安裝二次熱交換器之 ITRI-ERL-D100-1 試驗機的測試數據如表 2所列實驗所使用的燃氣為天然氣(NG1)測試過程中的熱水放出量(M)為 30 公
斤表 3 為不同的熱水放出量對於安裝二次熱交換器後之 ITRI-ERL-D100-1 試驗
機熱效率的影響 由實驗結果可以得知在安裝二次熱交換器之後在溫度模式設定熱水出水
溫度為 50的操作條件下煙氣出口溫度從原先約 1793下降至 523熱效
率也從原先的 8163提升至 9467熱效率的變化由圖 7 可以看出此市售 A牌熱水器在熱水出水溫度為 50的溫度設定模式下擁有最佳熱效率隨著設定
溫度的提高熱效率也跟著降低而在安裝此二次熱交換器之後在熱水出水溫
度 60的設定模式下熱效率提升最為明顯提升了 1760熱水放出量對於本
二次熱交換器的加裝之熱效率影響可由表 3 得知隨著出水量的改變熱效率也
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 31
圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 32
表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
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17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
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report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
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ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
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CO
em
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(ppm
)
0
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2000
3000
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5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
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55
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CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
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50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
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55
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CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
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cy (
)
30
35
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50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
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型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
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標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
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標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 30
能穩定維持而加裝二次熱交換器之後對於燃燒廢氣中之水蒸汽凝結的問題
也成功的透過原先的設計由預設集水水道集中排放水滴並未滴落到火排上而
凝結水的酸鹼度也透過 ph 值量測儀測得為 ph 值 53屬於弱酸值至於增加二
次熱交換器對於煙氣排放的影響CO 與 NOx 值有些許的增加但仍在 CNS 國
家標準規範的範圍之內
熱水出口
冷水入口
圖 3二次熱交換器整體示意圖
圖 4二次熱交換器加工成品圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 31
圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 32
表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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cien
cy (
)
30
35
40
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50
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60
CO
em
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(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
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(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 31
圖 5二次熱交換器安裝前後之示意圖
圖 6ITRI-ERL-D100-2 試驗機實體圖
安裝前 安裝後
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 32
表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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cien
cy (
)
30
35
40
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50
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60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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cien
cy (
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CO
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3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
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cien
cy (
)
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60
CO
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(ppm
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0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
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cien
cy (
)
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60
CO
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
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itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
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1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 32
表 1未安裝二次熱交換器之 A 牌強制進氣熱水器煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設定 NO (ppm)
SO2 (ppm)
CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2(ppm)
NO at 0 O2(ppm)
排放溫度 ( )
熱效率
() 50 4538 029 708 8440 930 15153 8148 1793 8163 55 4439 030 698 8102 947 14756 8084 1630 7498 A 牌 60 4470 031 693 7927 953 14514 8184 1671 7182
表 2ITRI-ERL-D100-1 試驗機煙氣與熱效率性能
廠牌型號 溫度設
定 NO
(ppm)SO2
(ppm)CO2()
CO (ppm)
O2 ()
CO at 0 O2
(ppm)
NO at 0 O2
(ppm)
排放溫度
() 熱效率
()
50 4622 031 684 4463 977 8342 8640 523 946755 4717 031 692 6044 964 11168 8716 525 9235ITRI-ERL-D100-1 60 4445 034 719 11974 921 21332 7918 535 8942表 3不同的熱水放出量對於 ITRI-ERL-D100-1 試驗機之熱效率影響
熱水放出量(M)kg 熱效率() 30 9467 40 9460 50 9494
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
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徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 33
Temperature Setting
48 50 52 54 56 58 60 62
Ther
mal
Eff
icie
ncy
()
60
70
80
90
100
Effic
ienc
y Im
prov
emen
t (
)
0
5
10
15
20
A brandITRI-ERL-D100-1Efficiency Improvement
圖 7安裝二次熱交換器之熱水器(ITRI-ERL-D100-1)的熱效率比較
五結論
經由以上簡介可以瞭解運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表
現其精確性可獲得肯定方便協助設計者在短時間內得到結果而依據此設計
出之二次熱交換器不僅在實際性能與預估值相近並利用簡易的物理原理增
加安裝與製造的方便性達到提高熱水器之整體效率在目前能源價格高漲的趨
勢下不僅節省了能源的浪費同時也省下消費者的開支而方便簡易的設計也
免除了產品繁雜的製程與成本考量若能成功推廣此設計將在政府消費者與
業者提供了三贏的局面 六參考文獻
1 王啟川熱交換器設計五南圖書出版有限公司2001 2 吳國光熱水器之熱交換器設計工業技術研究院能源與資源研究所技術報
告2004 3 中國國家標準 CNS-13603家庭用燃氣熱水器2003 4 中國國家標準 CNS-13605家庭用燃氣器具試驗法2003
致謝 本文承經濟部能源局之能源發展基金所贊助完成僅此致謝
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 34
壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
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壓力式氣化爐的控制系統實務
Practical Application of Control System on Pressurized Gasifier 鄒春明
Chuen Ming Tsou 工業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy Environment Research Laboratories
摘要
工研院於高雄楠梓分院建造了一座壓力式氣化爐本文從控制系統角度來介
紹經由硬體規劃設計和軟體規劃撰寫來完成整個氣化爐的操作運轉 關鍵詞壓力式氣化爐圖形監控人機界面應用軟體
Abstract
A pressurized gasifier was installed in Nanzih of ITRI Southern Branch Based on the design of a control system this paper describes from hardware planning and design to software planning and writing the accomplishment of the operation of a gasifier system Key WordsPressurized Gasifier Human Machine Interface Supervisory Control Acquisition Data System
一前言 壓力式氣化爐建造於工研院高雄楠梓分院區內整個建構區分為氣化系統主
體工程氣化廠附屬設施工程及系統整合工程等三部份其中氣化系統主體工程
及氣化廠附屬設施工程於（92）年度建構完成系統整合工程則於（93）年度的
上半年建造完成並於（93）年 9 月 7 日通過竣工檢查如圖一本文即以控制
系統說明其規劃的情形並此請教諸先進
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圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
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(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
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17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
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圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
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report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
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ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
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06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
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CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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45
50
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6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
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(ppm
)
0
1000
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3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
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型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 35
圖一氣化系統全景
二系統說明
氣化實驗系統是將每天2公噸煤炭或石油焦氣化成合成氣溫度達1650以上氣化系統為挾帶床式氣化爐（Entrained Bed）吹氧式（Oxygen Blown）乾式進料氣化爐最大操作壓力 15bar主要分成(1)固體進料製配
(2)固體進料(3)氣體進料(4)氣化(5)合成氣冷卻(6)熔渣移除(7)飛渣移除等部份說明如下
(1)固體進料製配 固體進料包括煤炭（印尼煤與中國大陸煤或其他測試用煤）石油焦
助熔劑（石灰石）等固體進料須先磨成 70可通過 200mesh 之粉末於
送至輸送裝置前需將粉末乾燥去除表面水分助熔劑則依據測試煤樣灰份
性質視需要加入以降低灰渣黏度使氣化爐在合理操作溫度下能產生熔
渣 煤炭先在實驗系統工廠外先磨成 70可通過 200mesh 之煤粉以
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 36
500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
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40
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60
CO
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
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Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
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徵稿說明
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
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500kg 之太空包裝成約 500kg 重之粉煤包送至廠內存放實驗時先將粉煤
包直接由底層樓板吊送至粉煤製配槽上方經由割袋後粉煤藉由本身重
力而掉入粉煤製配槽中再利用旋轉進料閥控制煤粉出料再以螺旋推進
器分送至三組餵料槽中 (2)固體進料
利用可變速注入之計量螺旋餵料器將煤粉送入氣化爐進料管線中
在每一組計量螺旋餵料器下料口端導入氮氣利用密相（Dense-phase）氣
送方式送至氣化爐燃燒器噴嘴上 (3)氣體進料
進料氣體主要為氧氣與蒸氣氧氣與蒸氣是由煤炭燃燒器經由雙套環
煤粉進料管路進入氣化爐煤粉是以氮氣和部分氧化劑經由每組燃燒器
中較小直徑中心管路（一次流）進入氣化爐其餘的氧化劑和蒸氣則由內
管與外管間之環狀空間（二次流）噴入氣化爐一次流與二次流在燃燒器
嘴端混合進入氣化爐內將燃燒器尖端速保持明顯高於軸向速度使得於
氣化爐內形成一渦旋氣化區域 三組燃燒器在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐壁上儘量減
少煤粉與灰份直接與連續撞擊到氣化爐內面之耐火材另有一組燃燒 LPG之啟爐預熱燃燒器是用來最初加熱氣化爐之用預熱燃燒器加熱氣化爐
內部表面耐火材到煤炭熔渣溫度後開始進料並關閉及抽出預熱燃燒器 氣化後之合成燃氣先經由冷卻器冷卻再至旋風分離除塵器除塵後
最後送至後端應用在試車及初步測試階段合成燃氣將以燃燒塔（Flare）燃燒後再排放
(4)氣化部份 氣化爐為氣化容器和熔渣冷卻容器所組成並在同一尺寸壓力殼內
以爐渣閥門分開此壓力殼以全周凸緣（Full-body Flanges）分成好幾部份
以便容易檢視修改煤炭燃燒器與爐渣閥門維修和管制氣體外漏 氣化容器內襯數層耐火材料以隔絕從容器中之高操作溫度到壓力殼
上內部先內襯高密度耐磨蝕適合高溫結渣操作之耐火材料後在內
襯中以低密度之絕熱耐火材料以保護壓力殼合成氣出口與爐渣閥門亦需
使用高密度耐火材料或其他適合的陶瓷材料 煤粉氧氣及蒸氣經由在同一水平面上以切線方向固定於氣化爐
壁上之燃燒器進入氣化爐內氣化爐產生之合成氣經由氧氣為氧化劑之操
作模式下主要為 CO 和 H2合成氣也包含 CO2水蒸氣及少量的 CH4
H2S 和 HCl合成氣挾帶著熔融煤灰渣和少量未反應的碳粉由氣化爐的
頂端排出 (5)合成氣冷卻
由氣化爐的頂端排出之合成氣立刻以噴灑水霧在氣體冷卻器中將合
成氣冷卻所有的水在氣體冷卻器中蒸發進入合成氣氣流中沒有液體留
在冷卻器中也沒有多餘的水需排放
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 37
(6)熔渣移除 氣化爐熔渣閥門之上和下設有結渣燃燒器以維持氣化爐底部區域和
熔渣閥門溫度高於灰份熔點以上並確保排放之灰渣呈熔融狀大部分的
灰隨著煤粉進入氣化爐中由於高溫將其轉呈熔融的灰渣熔渣沿著氣化
爐內壁流下直接掉落於填滿水的冷卻容器中而冷卻形成熔渣顆粒冷
卻容器下有一鎖斗用來收集結渣當累積一定量之後約 24 小時則減壓排
出冷卻容器外收集 (7)飛渣移除
合成氣和飛渣冷卻後進入旋風分離器（Cyclone）從氣流中除去大部
分的固體飛渣與未反應之碳粉旋風分離器下有一鎖斗用來收集飛渣當
累積一定量後則減壓排出旋風分離器外收集 合成氣離開旋風分離器後將穿過氣化爐回壓控制閥減壓之後送至燃
燒塔（Flare）另後端將裝置有合成氣淨化設備更進一步去除 H2S 及飛
渣使合成氣品質符合未來發電應用機組之要求
三儀控設備之硬體及軟體規劃
壓力式氣化爐的儀控系統採用人機介面的圖形監視技術下面以軟體和
硬體規劃來說明
1硬體規劃
壓力式氣化爐儀控設備之硬體規劃有二個盤有由與現場儀器連接的
端子盤負責連接現場儀器與控制盤內控制設備的輸入和輸出的信號端子
盤分直流部分和交流部分而另一為控制盤則由三台工業級電腦輸入模組
輸出模組電源供應集合指示燈按鈕開闢等組成負責將運轉程式而驅動
系統的組件使得壓力式氣化爐系統能運轉操作如圖二
圖二控制盤及配電盤
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控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
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17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
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圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
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圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
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力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
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圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
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四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
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(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
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家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
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report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
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ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
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06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
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45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
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託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
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標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 38
控制和圖面顯示採用研華工業級電腦 IPPC-9150T 以及 ADAM 5000 系列
資料控制模組經由 ADAM-4520 轉換為 RS-232 連接到主電腦上其詳細功
能說明如下
11IPPC-9150T 是一平面觸控液晶顯示工業級電腦特別設計適合於惡劣的工
業環境條件下加強的玻璃面板以保護液晶顯示器 12ADAM-5511 是一個以 ModbusRTU Protocol 為基礎可放置四個模組的資料
擷取控制系統每一個分散資料擷取控制系統包含有 Intel x86-based CPU
電力調整器四個基座和通信接頭埠其主要作用乃是處理介於現場設備
和主電腦之間軟體功能包括信號的條件數據的轉換計算警報的顯
示內部的診斷和通信傳輸由於電機雜訊經由 IO 模組電力供應線或通
信連接線影響到系統因此有所謂的三向隔離設計防止接地迴路和減少系
統的電機雜訊干擾ADAM-5000 系列產品提供三向前隔離隔離從 IO 模
組(3000Vdc)電力供應線(2500Vdc)和通信連接線(3000Vdc)三者的雜訊干
擾ADAM-5000 系列產品提供二種內部的診斷硬體的自我測試和軟體的
診斷可協助使用者判斷系統或 IO 模組的故障狀況 13本系統的流量壓力轉速信號皆靠 ADAM-5017 模組來作輸入由於其 Sampling
Rate 是由其基座的 ADAM-5511 來決定而 ADAM-5511 為 100 samplessecADAM-5017是一個 16 位元的八組差位類比輸入模組它可接收電壓信號
( milliVoltVolt)電流信號(milliAmpere)其 Sampling Rate 為 10 samplessec所
以ADAM-5511的 Scan速度快於ADAM-5017模組取樣的時間因此不會造成數據有
跳動的現象造成控制不順的現象 14 ADAM-5018 是一個 16 位元七組電熱偶輸入模組它接收 mVVmA 和名種
類型電熱偶並外接輔助電阻 CJC 作為校正溫度以得到更精準的測試值規劃時
一個模組只能規劃為一種形式的熱電偶例如若其中一組規劃為 k 型熱電偶則只能
輸入為 K 型熱電偶不能使用其他型熱電偶接到此模組上為要使得量測溫度信
號不受到模組本體溫度變化影響而加裝 Cold Junction Compensation Solution Kit ADAM-5018SK其目的是將 CJC 由 ADAM-5018 模組移到 ADAM-5018SK 上如
此 CJC 則不受 ADAM-5018 本體溫度的影響 15ADAM-4520 是一個數據轉換模組大部分的電腦皆是 RS-232 連接埠但它有受
限傳輸速度範圍網路容量因此採用 RS-422 和 RS-484 使用差位電壓來處理數
據和控制信號可以克服 RS-232 的缼點因此 ADAM-4520 是將 RS-232 數據轉換為
RS-485 的一個數據轉換模組 16PWR-242 是供應 C 24V 的電源供應器由交流 110V 轉變為直流 24V 21A 以供
應 ADAM 模組的電源
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 39
17ADAM-5024 是有四組類比輸出信號的模組可任一選擇 0-20mA 或 4-20mA 或 0-10V輸出
18 電氣硬體的材料一次和二次無熔絲開關電磁開關採用富士廠牌儀器信號輸入和
輸出模組採用 ADAM-5000 系列三菱 A2SCPU-S1A1SX40A1SY10 系列集
合指示燈盤操作開關指示燈Buzzer三次小型無熔絲開關等元件採用日本
IZUMI 之產品DO 端子採用 Weidmuller 8mm WSI 6 101240 型附指示燈顯示及保
險絲其他則採用 Weidmuller 5mmWDU25Relay 採用附指示燈顯示 Omron MY -2N 型 110VAC 電驛數位輸入信號 DI 有 320 點輸出 DO 有 176 點類比輸入信
號 AI amp TC 有 75 點輸出 AO 有 16 點圖三是整個箱體的外觀圖圖四是
端子盤前盤所有交流部分電源的供應以及交流輸入和輸出信號全由它連接圖五
是端子盤後盤所有直流部分的輸入和輸出信號全由它連接整個流程分四大部分
煤粉進料系統公用系統氣化爐主系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面
於電腦圖控畫面上為了操作順利將控制盤分三個區域第一區域將煤粉進料系統和
除渣除灰排放系統的警示信號和控制按鈕集中於此區如圖六七至於氣化爐本體
則位於第二區如圖八九所示第三區則是公用區包括 N2O2煤粉蒸氣進
水設備的系統的警示信號和控制按鈕如圖十十一所示
圖三氣化爐控制盤外觀圖
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
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圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
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45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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effi
cien
cy (
)
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0
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thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
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thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
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thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
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thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
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30 mm forced draft pramary air experiments
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thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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CO
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thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
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cien
cy (
)
30
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CO
em
itted
(ppm
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0
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thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
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cien
cy (
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CO
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(ppm
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0
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thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 40
圖四 端子盤前盤內部佈置圖 圖五 端子盤後盤內部佈置圖
圖六 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統警示信號
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
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55
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CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
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effi
cien
cy (
)
30
35
40
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50
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6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
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(ppm
)
0
1000
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3000
4000
5000
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
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標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 41
圖七 煤粉進料系統和除渣除灰排放系統按鈕開關
圖八 氣化爐本體系統警示信號
圖九 氣化爐本體按鈕開關
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 42
圖十 公用設備系統警示信號
圖十一 公用設備按鈕開關
2 軟體規劃
軟體採用研華的 Advantech Studio 來撰寫編輯Advantech Studio 是即時具像
化圖形顯示可即時直接監視及控制目前工作狀況的圖形監控界面應用軟體
(HMISCADA) 軟體應用包括模擬實體設備流程畫面IO 驅動軟體以連結驅
動各週邊端點之感測與控制裝置如PLCDCS控制器等之驅動用軟體
資料庫運用mdash即時關聨式資料收集儲存供追蹤和分析用並可產生各式各樣
報表並有多種可選擇性的模組如警報邏輯趨勢表報表計劃表及安全保
護系統並以 KW Software 的 KW Multiprog 軟體做為類比信號處理以三菱
Melsec 做為數位信號的處理彼此間以 Modbus 做通訊 本系統規劃目的為讀取經由硬體傳送來的信號轉換為工程單位顯示於電腦
銀幕上並依據操作條件控制各設備達到所需性能包括有流量溫度轉速壓
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
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標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
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標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 43
力和排放煙氣成份等
21主畫面的規劃整個流程分四大部分煤粉進料系統公用系統氣化爐主
系統除渣除灰排放系統因而規劃四個畫面於電腦圖控畫面上對於系統的製
程以圖面來監視和控制如圖十二為煤粉進料系統煤粉由少量的氮氣或二氧
化碳送入氣化爐因此對煤粉的顆粒大小要求較為嚴謹對於含水量高的煤粉更
需要乾燥以純氧作為氧化劑氣化溫度高碳轉化率高氣化成分以CO 2H為主液態排渣適用於各種煤粉加壓操作單爐產氣能力大圖面上以一個
設備來顯示三個相同的進料系統的操作數據和控制每個電磁閥都有手動敨動
手動關閉和自動的選擇模式轉動機械如泵送風機煤粉輸送機等都有手動
和自動模式氣動閥也有手動敨動手動關閉和自動的選擇模式並且有到達
定位的顯示三者在電腦畫面上會有啟動和停上的不同顏色表示電磁閥與管線
的相關位置會有平行和垂直的表示其是開啟還是關閉動作若是控制閥或是電動
機經由變頻器夾控制其速度不管是溫度控制壓力控制流量控制速度控制
都可經由點選控制設備進入第二層的控制盤而作LocRemote手動自動設
定值的輸入PID的設定如程式說明所示 圖十三為公用系統包括有蒸氣氧氣氮氣三個子系統圖十四為氣化爐主系
統圖十五為除渣除灰排放系統
22趨勢圖的規劃目前規劃三種趨勢圖針對操作反應即時由趨勢圖曲線看
出變化的情形也可由 Mouse 來選定過去的操作數據另有歷史趨勢圖可追蹤過
去的操作情況Coal Feeded Trend 畫面顯示三台進料系統和壓差的操作趨勢
Gas Feed Trend 畫面顯示 N2O2蒸氣進水等流量值Gasifier Trend 包
括五種 Trend氣化爐的壓力溫度冷卻排放煙氣 COCO2H2CH4 分析
以及氣化爐溫度和煤粉進料量和氣體進料間的相互間關係的趨勢圖
23報表的建立規畫若要記錄操作數據則可進入 Report 畫面選擇〝開始〞
當在試驗完成後按下〝停止〞則其數據存放在檔案內若要作分析時可叫出以分
析軟體分析之其記錄檔案數與趨勢圖數相對應
24警報規畫在畫面上有即時警報和歷史警報二種可追踪過去警報歷史
來判斷操作的問題並且盤面上的集合警報顯示器上所發生故障設備名牌會閃
爍外接警報響外接警示燈旋轉閃爍通知操作人員注意即時處理
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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cien
cy (
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thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
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ther
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thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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CO
em
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(ppm
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3000
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
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CO
em
itted
(ppm
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5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
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CO
em
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(ppm
)
0
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2000
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
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CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
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5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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50
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60
CO
em
itted
(ppm
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0
1000
2000
3000
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5000
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thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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60
CO
em
itted
(ppm
)
0
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
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cy (
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(ppm
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
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6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
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CO
em
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(ppm
)
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4000
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
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55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
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(ppm
)
0
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2000
3000
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6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
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CO
em
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 44
圖十二煤粉進料系統
圖十三公用系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
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ther
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42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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AirFuel ratio
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50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
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託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
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標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 45
圖十四氣化爐主系統
圖十五 除渣除灰排放系統
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 46
四 程式的說明 (1) ADAM-5017 轉換程式
所有類比信號經由 ADAM-5017 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的物理單位（Result）AI_IN 為類比輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65535）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法GTZ 為
限制負值數據進入到控制器的程式SpanZero 為儀錶所顯示的物理量 其程式如下
(2) ADAM-5018 轉換程式 所有溫度信號經由 ADAM-5018 輸入的數據（UINT）經過下列程式轉換為儀錶
所顯示的溫度單位（Result）TE_IN 為溫度輸入信號UINT_T0_REAL 為數據
轉換功能塊由 Unsigned Integer（0 up to 65536）轉換為 REAL 值至於 SUBADDMULDIV 則是數據的數學運算因子減法加法乘法除法下圖例
為 K type 熱電偶的轉換程式其 Span 為 1370 度Zero 為 0 度的儀錶所顯示的
溫度
TE_In
Result
13700
00
655360 00SUB
MUL DIV ADD
UINT_TO_REAL
(3) 報表的建立規劃畫面
可以選擇記錄的間隔時間需要的記錄時間長短所記錄的剩餘時間顯示
檔案的編輯如下圖所示
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 47
(4) 控制畫面的規劃
可在每個控制器上點選則進入這個控制器的第二層的控制畫面然後用滑鼠
選擇手動自動輸入 SPPID 和 Alarm 設定值交由 PLC 來執行程弍可以
關閉它或多重展示第二層的畫面如下圖
五結論 控制系統有若人體中的大腦來控制身體的所有運轉動作因此良好的控制系
統規劃可以減少操作或研究人員的錯誤操作和達到系統的安全穩定和精準
度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
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請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 48
家用瓦斯爐一次空氣空燃比與加熱高度 對熱效率與一氧化碳排放影響之研究
Study of thermal efficiency and carbon monoxide exhaust changing by the primary air supplies and heating distances of domestic gas cookers
李以霠1吳國光2鄭景亮 2羅文斌 1焦鴻文 2黃一德 2 Li Yi-Yin Wu Kuo-Kuang Jeng Jing-Lyang Lo Win-Bin
Chiao Hon-Wen Huang I-Te 工業業技術研究院 能源與環境研究所
Industrial Technology Research Institute Energy and Environment Laboratory 摘要
本文探討台面式與嵌入式瓦斯爐二不同形式的家用瓦斯爐具利用自製內渦
漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌入爐等三種瓦斯爐進行改變一次空氣
空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率或一氧化碳排放之特性結果顯示當
增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離較遠熱傳較差導致熱效率降低但
因燃燒二次空氣大幅增加有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度時因火爐
燄與加熱鍋底距離較近熱傳較佳可大幅提昇熱效率但因燃燒二次空氣量較為不
足大幅增加一氧化碳排放其次若僅考慮改變一次空氣對熱效率或一氧化碳
排放之影響則若降低一次空氣空燃比則同時增加熱效率與一氧化碳之排放
若增加一次空氣空燃比可大幅降低熱效率與一氧化碳之排放因此針對每個特
定的瓦斯爐需要進一步調整一次空氣量與調整加熱高度在符合一氧化碳排放與
最佳之熱效率可得最佳的操作條件值得一提的是在測試日本市售台面式瓦斯
爐其燃燒器的熱效率隨一次空氣空燃比之增加而增加與國內市售或研發之燃燒
器測試趨勢明顯不同需進一步的確定與了解 關鍵字加熱高度一次空氣二次空氣熱效率一氧化碳排放
Abstract
This report discusses the domestic gas cooker which includes the inner swirl burner designed by ITRI the inserted type of domestic gas cooker in Taiwanese market and the standing type of domestic gas cooker in Japanese market with thermal efficiency and carbon monoxide exhaust The methods use the basic experiments conformed to Chinese National Standard (CNS) by changing the heating distances and the primary air supply The heating distances are the distance from the bottom of heated pot to the top of the burner as well as the primary air is the air attracted in the entrance (on) of the mixing tube The results show that both the thermal efficiency and the carbon monoxide exhaust all decreased with the increased of the primary air supply as well as the larger heating distances But an exceptional trend have found by the standing type of domestic gas cooker in Japanese market which the thermal efficiency increases with the primary air supply increasing The assistances in this 1工業技術研究院能源與環境研究所副研究員 2工業技術研究院能源與環境研究所研究員
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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45
50
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60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 49
report are to find out the best of heating distance and primary air supply which have the lower carbon monoxide conformed CNS and the higher thermal efficiency
Keywords heating distance primary air supply secondary air supply thermal efficiency carbon monoxide exhaust
一研究目的
本文目的在探討改變一次空氣量或加熱高度對於台面式(簡稱台爐)或嵌
入式瓦斯爐(簡稱嵌爐)在熱效率與一氧化碳排放的影響其中一次空氣指瓦斯爐
燃燒器在混合管的文式管(漸縮漸擴)入口段利用瓦斯噴嘴噴入文式管漸縮段並
在漸擴段造成局部負壓力吸引文式管入口周圍之空氣捲入成為燃燒空氣之一部
份即稱為一次空氣而二次空氣因為一次空氣量通常僅佔整體燃燒所需空氣的
一部份其他不足之空氣則需待一次空氣與瓦斯燃氣之混合氣通過燃燒器焰孔燃
燒後在焰孔附近參與燃燒的空氣稱為二次空氣常見瓦斯爐利用文式管來設計
與控制一次空氣的吸引量本研究利用壓縮空氣源主動並調整提供一次空氣量
可獲得一次空氣量佔整體燃燒所須之空氣比例即一次空氣空燃比瞭解符合一
氧化碳排放並具有最佳之熱效率的操作點同時也藉由調整加熱高度即調整鍋
架或加熱鍋底至燃燒器頂部焰孔距離配合一次空氣空燃比可獲得最佳之加熱
高度與一次空氣空燃比等操作條件
二實驗方法
台爐屬於開放型式的瓦斯爐有較足夠的燃燒一次空氣與二次空氣容易達
到完全燃燒具有較低的一氧化碳排放若實驗採用屬於封閉型式的嵌爐則考
慮利用強制送風方式補足較不足的一次空氣常見的方法利用風扇進行強制送
風但由於風扇產生的風壓較小進行定量化一次空氣時通過流量計後因為管
線壓損大幅增加的關係不適用於定量化的量測因此實驗採用壓縮空氣取代風
扇作為空氣源進行強制送風一次空氣的實驗須先確定瓦斯消耗量經實際測試
瓦斯消耗量並依據天然氣之空氣燃料比約為 95 [1]可獲得理論空氣量再考
慮選用流量計氣體密度即使用甲烷浮子流量計因為甲烷與空氣之密度不同
所以實驗需要以甲烷空氣密度比 075 修正其計算公式如下
1
0
1
0
0
101 2273
22730332103321
ρρ
times++
times++
=TT
PPQQ
其中 Q1 實際流量 Q0 流量計標示之流量 P1 實際流量計出口端壓力 P0 流量計標示之壓力 T1 實際操作溫度 T0 流量計標示之溫度 ρ1 流量計標示之密度
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 50
ρ0 實際流體之密度 透過上式計算可約略估算空氣燃料比之操作條件實驗操作步驟為先調整浮子流
量計之針閥以調整一次空氣流量在實驗時記錄空氣與瓦斯總量於實驗結束後
將總空氣與總瓦斯量再以標準瓦斯空燃比 95 為計算空燃比依據因此實際實驗
值接近估算值並不剛好落於估算操作值上實驗依據中國國家標準『家庭用燃
氣炊煮器具』[2]與『家庭用燃氣器具試驗法』[3]進行熱效率與一氧化碳排放之
實驗
三實驗結果
實驗利用自製內渦漩式台爐日本市售台爐與台灣市售嵌爐等三種瓦斯
爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件依據中國國家標準『家
庭用燃氣炊煮器具』[2] 與『家庭用燃氣器具試驗法』[3] 進行熱效率與一氧化
碳排放之實驗測試結果如後
31內渦漩式台爐實驗結果
內渦漩式燃燒器為吳國光博士設計其特色為燃燒器為向內傾斜各焰孔具
有渦漩角與傾斜角等特殊設計混合管與文式管設計具有較高一次空氣量設計
內渦漩式燃燒器採用的實驗載具為台爐與嵌爐比較其二次空氣較為充足由實
驗室最高的加熱調整高度為 45 mm (鍋架頂部即加熱鍋底部與燃燒器頂部平面之
距離)其結果如圖 1 所示此內渦漩式燃燒器在熱效率與一氧化碳排放性能特
性有相同的趨勢皆隨著一次空氣的增加而降低當一次空氣量增加約至 03 以
上時其一氧化碳排放已低於 1400 ppm 符合國家標準此時的熱效率約為 47 (接近 50 目標值)若僅考量熱效率則當一次空氣量越低則熱效率越高接近 50 因此若當加熱高度越高其熱效率的表現較低但所需之一次空氣量在較少的
一次空氣空燃比時其一氧化碳排放即符合標準僅考慮一次空氣量之空燃比則
當一次空氣量越高時其一氧化碳之排放越低(相當接近於無一氧化碳排放之最佳
期望值)當加熱高度降低至 42 mm 時結果顯示在一次空氣空燃比約為 01 時
熱效率可高於 50若與加熱高度 45 mm 比較則熱效率表現為微幅提升(如圖面
熱效率曲線約為向上平移)而趨向於更多的一次空氣一時氧化碳之排放符合標
準(一次空氣之空燃比接近 04)當加熱高度降低為 39 mm 時在改變由 01 至
09 空燃比之條件下其熱效率已明顯提昇至 45 以上但在熱效率與一氧化碳
排放皆隨一次空氣增加而降低的趨勢與特性下其符合一氧化碳排放標準需要更
高之空燃比(空燃比約 05)若有充足之一次空氣(如 05 以上)操作時接近零一氧
化碳排放且具有高於 45 熱效率之表現當加熱高度降低至 36mm 時其熱
效率與一氧化碳廢氣排放表現類似 39 mm可知一氧化碳排放值隨空燃比增加之
曲線趨勢越急遽降低(即曲線越陡峭)而熱效率值隨空燃比增加之曲線趨勢越趨
於平緩當加熱高度降低 33 mm 時一氧化碳排放趨勢隨一次空氣之空燃比增
加出現與前加熱高度較為轉折的曲線而符合一氧化碳排放標準之空燃比亦提
升至一次空燃比為 05 以上當加熱高度進一步降低至 30 mm 後熱效率在低於
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
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45
50
55
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CO
em
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(ppm
)
0
1000
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3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
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)
30
35
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50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
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CO
em
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
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cien
cy (
)
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CO
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(ppm
)
0
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2000
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4000
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
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cien
cy (
)
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CO
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(ppm
)
0
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
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50
55
60
CO
em
itted
(ppm
)
0
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3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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effi
cien
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)
30
35
40
45
50
55
60C
O e
mitt
ed (p
pm)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
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6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
mal
Effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
50
55
60
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
em
itted
(ppm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 51
06 一次空氣空燃比條件下熱效率已達至 50 以上但是若符合一氧化碳排放
之一次空氣空燃比亦高達 06 以上若一次空氣為 06 以上後其混合管內瓦斯
燃料與一次空氣混合氣量已提升接近至文式管或是燃燒器混合管之流量承受範
圍因此混合氣之流量增加若不改變燃燒器焰孔之設計尺寸時焰孔出口之未
燃氣(un-burnt gas)速度會大幅增加若未燃氣速度大於或接近於火燄速度(或已燃
氣速度burnt gas)時火焰極易被吹熄但由於加熱高度降低使整體燃燒區域
減小即背壓增加(已燃氣較不易流出鍋底燃燒區域)具有壓抑火燄速度之效
火因此僅發現整體火燄有局部性與間段性的吹熄狀態整體而言當加熱高度
降低其一氧化碳曲線會往較大的一次空氣量(或較大的空燃比)平移之趨勢其熱
效率亦隨加熱高度降低而提升而一氧化碳廢氣排放的幅度亦隨著一次空氣的增
加由接近 6000 ppm 大幅降低至 20 ppm 的範圍若要在此加熱高度為 30 mm 操
作條件下同時可符合一氧化碳排放之標準則一次空氣量(或一次空氣空燃比)要提升至 06 以上其相對應之熱效率僅接近 50 因此若此操作條件範圍較不
適合此燃燒器需進一步改變如焰孔渦漩角或傾斜角設計 當加熱高度降低至 27 mm 時由於加熱鍋底相當接近於燃燒器可燃燒空
間已明顯減少因此實驗之一次空氣量已不足加至 10 之空燃比由一次空氣總量
顯示空燃比僅能操作至 08若能符合一氧化碳排放標準時需要供應一次空
氣量或空燃比則接近 07對應之熱效率約為 50 因此當加熱高度降低時因
為與鍋底之加熱間距減少造成熱效率提升的同時在符合一氧化碳排放標準的
前提下增加一次空氣是必要也必須的設計相對的當提升一次空氣量時熱效
率也由於較多的一次空氣參與反應或在焰孔出口處具有較快的混合氣出口速度
降低燃燒效率而降低熱效率進一步降低加熱高度達 24 mm與加熱高度 27 mm類似由於燃燒區域減少使瓦斯爐各焰孔之火燄受空間之限制降低火焰燃燒速度
與出口速度且操作一次空氣量之空燃比亦降低至 08 以下因此抑制局部火燄
熄滅的發生增加完全燃燒的機會亦降低隨一次空氣量提升的一氧化碳排放濃
度之範圍但是由於高溫火焰受低溫且較為靠近的鍋底影響降低熱傳效果因
此在加熱高度降低到特定之程度後熱效率並不隨之提升
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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cien
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0
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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cien
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)
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CO
em
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(ppm
)
0
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3000
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5000
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thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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effi
cien
cy (
)
30
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CO
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(ppm
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0
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5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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effi
cien
cy (
)
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CO
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(ppm
)
0
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5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
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cien
cy (
)
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CO
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(ppm
)
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thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
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cien
cy (
)
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CO
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(ppm
)
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4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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cy (
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CO
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(ppm
)
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thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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)
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CO
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(ppm
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0
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3000
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
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CO
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(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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60C
O e
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6000
thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
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6045 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
CO Emitted
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00 02 04 06 08 10
CO
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mm
圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
20 25 30 35 40 45 50
Ther
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55
60
AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
CO Emitted
Height
20 25 30 35 40 45 50
CO
Em
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(ppm
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0
1000
2000
3000
4000
5000
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AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
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cien
cy (
)
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
CO Emitted
Air Fuel Ratio
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CO
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Combustion Quarterly Vol 15 No 4 Nov 2006 52
45 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
42 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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45
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60
CO
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(ppm
)
0
1000
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3000
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5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
39 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
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cy (
)
30
35
40
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50
55
60
CO
em
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(ppm
)
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2000
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5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
36 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
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cy (
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CO
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3000
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5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
33 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
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cy (
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CO
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(ppm
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
30 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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45
50
55
60
CO
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itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
27 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
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cy (
)
30
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55
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CO
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itted
(ppm
)
0
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2000
3000
4000
5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
24 mm forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
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55
60
CO
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thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 1內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 01 02 03 04 05 06 07 08
ther
mal
effi
cien
cy (
)
30
35
40
45
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60
CO
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(ppm
)
0
1000
2000
3000
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5000
6000
thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
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thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
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圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
Height
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AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
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AF ~ 01AF ~ 02AF ~ 03AF ~ 04AF ~ 05AF ~ 06AF ~ 07
圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
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圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
53 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
32台灣市售嵌爐實驗結果
HG 263 forced draft pramary air experiments
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thermal eff()CO emitted (ppm)
圖 2台灣市售瓦斯嵌爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
其次以市售之嵌入式瓦斯爐為載具進行改變一次空氣空燃比對於熱效率
或一氧化碳排放之測試結果圖 2顯示嵌入式瓦斯爐由於爐體隱藏在廚房流理
檯面下四周為封閉形式僅露出爐體上側因此二次空氣或一次空氣與瓦斯台爐
比較較為不足進一步分析其混合管入口利用瓦斯噴嘴噴入產生之文式管原理所
引入或捲入的一次空氣由於嵌入式瓦斯爐爐體四周皆為封閉形式一次空氣較
不易捲入在設計此嵌入式瓦斯爐時如混合管之文式管部分必須考量與設計
範圍在較小的一次空氣量的操作條件如圖中的一次空氣空燃比操作在小於 02時其一氧化碳排放即已符合標準且一次空氣量由於混合管或是文式管設計限
制最高空燃比僅能操作至 075 附近但是由於低一次空氣需求之設計原則下
評估燃燒所需之空氣來源主要為二次空氣在嵌入式瓦斯爐二次空氣來源受限於
空間僅由燃燒器附近之燃燒區域空氣所提供因此如圖所示其熱效率亦不高最
高熱效率之表現約在一次空氣空燃比 01 時對應之熱效率約為 45 因此在此
前提下若嘗試要提高其熱效率表現可能採取以下數種方式
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
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thermal eff()CO emitted (ppm) -HG shelfCO emitted (ppm) -Paloma shelf
圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
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圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
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圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
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Thermal Efficiency
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圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
54 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
圖 3市售嵌爐隨一次空氣空燃比變化之實際燃燒狀況
在不改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計的前提下必需要安裝風扇如圖 2 中顯
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
AirFuel ratio
00 02 04 06 08 10
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圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
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圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
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圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
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圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
55 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
示當一次空氣空燃比高於 02 以上時熱效率約在 40 至 45 之間還有進一
步搭配其他方法如降低加熱高度(如降低鍋架高度)設計槽型焰孔燃燒器頂蓋
(擴大有效燃燒面積)等以現有之研究成果判斷若不變動此低一次空氣需求的
基本嵌入式瓦斯爐燃燒器設計靠改變燃燒器頂蓋來提升熱效率是有效的但是
隨熱效率之提高同時亦大幅提高一氧化碳排放如採用內渦漩式外渦漩式槽
型焰孔式槽型焰孔渦漩式等燃燒器皆有高一氧化碳排放之問題因此評估需要
加裝風扇於此低一次空氣混合管設計克服高此熱效率伴隨著高一氧化碳排放之
問題若改變原始嵌入式瓦斯爐燃燒器設計如利用內渦漩式燃燒器或外渦漩式
燃燒器無內環焰孔燃燒器槽型焰孔燃燒器等方法可有效進一步提升熱效率
但是國內目前並無設計內渦漩式燃燒器外渦漩式燃燒器無內環焰孔燃燒器等
能力即需要大幅的更改變更現有的嵌入式瓦斯爐燃燒器如混合管承水盤
文式管鍋架與瓦斯噴嘴等均需要重新設計圖 3 為實際改變一次空氣量即空
燃比下之燃燒狀況當空燃比為 01 或 04 時火焰在鍋架附近極亦產生紅火
即不完全燃燒狀況之產生推測其原因為鍋架溫度較冷且傳熱較快當高溫火燄
接觸此冷鍋架時會產生局部火焰熄滅的情況當一次空氣提高至 05 以上時
由於參與燃燒的一次空氣較多焰孔出口之未燃混合氣速度較高由火焰長度變
短可知燃燒速度提高因此火焰無接觸鍋架之狀況發生可有效降低一氧化碳排
放量 Paloma forced draft pramary air experiments
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圖 4日本市售瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比與加熱高度之實驗結果
四討論
圖 5 為內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
整理結果顯示其熱效率與一氧化碳排放皆具有隨著一次空氣空燃比之增加而降
低的趨勢若進一步以加熱高度作為探討基準點圖 6 顯示將橫座標由原來一次
空氣空燃比改為鍋架高度時其熱效率與一氧化碳排放的趨勢幾乎與空燃比的增
加而降低的結果一致此結果目前僅能視為此內渦漩式台面式瓦斯爐燃燒器之性
能若如圖 7 整理所有包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售
瓦斯嵌爐等三種瓦斯爐之熱效率或一氧化碳排放趨勢時可進一步瞭解內渦漩式
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
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圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
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圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
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圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
56 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
台爐與台灣市售嵌爐之趨勢一致熱效率或一氧化碳排放趨勢皆隨一次空氣空燃
比之增加而減少但是日本市售台爐之熱效率趨勢則隨一次空氣空燃比之增加而
增加可能原因為其特殊的燃燒器設計如日本 Paloma 高效率瓦斯爐燃燒器[4] 基本設計可發現其二次空氣主要為燃燒器底部進入不受內環焰孔與混合管的
阻擋(此設計為內外環焰孔共用同一個混合管)且在瓦斯爐檯面上的二次空氣藉
由爐架底部與檯面間的間隙與通道進入燃燒器焰孔根部使較冷的二次空氣與
高溫廢氣藉由爐架底座分流且承湯盤不會阻擋二次空氣 Thermal Efficiency
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圖 5內渦漩式瓦斯台爐熱效率與一氧化碳排放在改變加熱高度實驗結果
Thermal Efficiency
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圖 6內渦漩式台面式瓦斯爐熱效率與一氧化碳排放 在改變一次空氣空燃比隨加熱高度增加之實驗結果
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
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圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
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1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
投稿須知
1 文字稿件應以中文或英文撰寫中文文字之字型應為標楷體字英文文字字
型應為 Times New Rome 2 題目應力求簡潔且能充分表達論文之重要概念請附中英文題目各一式
英文題目請附於中文題目之後 3 作者請附上中英文之作者姓名服務單位及職稱作者之服務單位及職稱
請以附註之方式書寫同一頁之末端若作者為兩個人以上者請以不同之符號
標示之 4 摘要以簡明扼要之方式表達論文之內容無論以中文或英文撰寫一律附上
500 字以內之中英文摘要各一份英文摘要請置於中文摘要之後 5 字型大小題目以 16pt 黑體字作者介紹以 12pt摘要前言文章內容之
標題請以 14pt 黑體字文章內容以 12pt 標楷體字書寫之 6 關鍵字中英對照關鍵字最多以 5 個為限 7 圖表說明圖說與表說應統一使用中文或英文圖標題應在圖之下方表標題
59 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
應在表之上方 8 參考文獻（列於正文之後書寫時請依於文章中出現之先後順序排列）
（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
Symposium（International）on Combustion The Combustion Institute pp 1381-1402 1988
燃燒季刊 200611 發行單位 中華民國燃燒學會 發行人 趙怡欽 總編輯 林成原 副總編輯 許文震 吳友平 編輯 胡耀祖 吳浴沂 蔡聖豐 陳再福 陳維新 葉啟南 李宗賓 林漢卿 曾重仁 秘書 莊雅菁 發行地址 70101 臺南市大學路一號 成功大學航太系 電話 (06) 2757575 ext 63600 中華民國八十一年十二月創刊 中華民國九十五年十一月出版 局版台誌號第玖玖零捌號
60 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
57 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
Thermal Efficiency
Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
Ther
mal
effi
cien
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)
30
35
40
45
50
55
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG-263Paloma
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Air Fuel Ratio
00 02 04 06 08 10
CO
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3000
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45 mm42 mm39 mm36 mm33 mm30 mm27 mm24 mmHG 263Paloma HG sjelfPaloma -Paloma shelf
圖 7熱效率與一氧化碳排放隨一次空氣空燃比增加之實驗結果
五結論
本文探討包括內渦漩式瓦斯台爐日本市售瓦斯台爐與台灣市售瓦斯嵌爐
等三種瓦斯爐進行改變一次空氣空燃比或改變加熱高度的條件下其熱效率
或一氧化碳排放之特性結果顯示當增加加熱高度時因為火燄與加熱鍋底距離
較遠熱傳較差造成熱效率降低而因為燃燒區域增加使燃燒所需之二次空氣量充
足可有效降低一氧化碳排放若降低加熱高度後因火燄與加熱鍋底距離較近
熱傳較佳大幅提昇熱效率但因為燃燒區域減少使燃燒所需之二次空氣量較不
足大幅提升一氧化碳排放其次若考慮一次空氣在改變一次空氣量對於熱
效率或一氧化碳排放之影響若降低一次空氣空燃比則大幅增加熱效率與增加
一氧化碳之排放若增加一次空氣空燃比則大幅降低熱效率與降低一氧化碳之
排放因此如何尋求較佳之操作條件如調整一次空氣量或調整加熱高度在符合
一氧化碳排放與最佳之熱效率
六致謝
本文承經濟部能源委員會能源研究發展基金所贊助完成謹此致謝
參考文獻
1 North American Combustion Handbook Third edition North American 1986 2 『家庭用燃氣炊煮器具』中國國家標準 CNS136042003 3 『家庭用燃氣器具試驗法』中華民國 CNS136052003 4 日本專利號 JP20052916912005
58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
徵稿說明
下列專欄歡迎大家耕耘
1 專題研究--分為五大方向分別為「能源發展與應用」「動力設施與燃
燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
流國內外相關研究機構介紹國內外相關學會機構團體之動態等
相關研討會論文摘要或全文燃燒現象照片等 3 燃燒論壇--開放討論基本燃燒現象基本燃燒原理及燃燒詞彙定義等 4 即時資訊--政府相關政策國內外相關科技資訊研討會或相關活動訊息
等即時之動態資訊能源委員會環保署國科會消防署等相關機構委
託執行計畫之研究成果介紹等 5 其他--讀者意見迴響交流與燃燒相關之其他任何訊息或稿件
來稿請寄本會【電子信箱】或 【20224 基隆市中正區北寧路 2 號海洋大學輪機系 林成原教授 收 e-mailLin7108mailntouedutwfax（02）2462230724634194】
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（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
中文如葉江榮鍋爐高溫腐蝕台電工程月刊第 276 期pp 10-181979
英文如J T Kummer Catalysts for Automobile Emission Control Progressive Energy and Combustion Science Vol 6 pp 177-199 1981
（3）研討會作者篇名研討會論文集出版者頁數年月或年 中文如萬皓鵬汽電共生系統效率提升技術2002 汽電共生系統技
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58 Combustion Quarterly Vol 15 No4 Nov 2006
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燒」「防火與消防」「燃燒科技發展」「空污控制與生物效應」 2 燃燒科技交流--燃燒應用技術新技術或新產品介紹疑難討論與經驗交
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（1）書籍作者書名出版社出版地頁數年 中文如柯清水石油化學概論正文書局台北pp 183-1911992 `英文如K Owen and T Coley Automotive Fuel Reference Book 2nd ed
Society of Automotive Engineers pp 551-587 1997 （2）期刊論文作者篇名期刊名稱卷期頁數年
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術研討會論文集經濟部能源委員會pp 84-9191 年 4 月 英文如C K Law Dynamics of Stretched Flames Twenty-Second
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