林恒育 處長
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「建立廢熱回收生態鏈，實現從關鍵零組件到製程設備的自主開發。」 金屬中心升級處 處長 林恒育 在節能減碳的議題涵蓋下，工業耗能一直受到大量檢討，許多製造科技的進步，皆源自希望工業製造能在更省電、省水的情況下進行。從另一方面來看，製程中產生的廢熱，更是製造二氧化碳的重大元凶。為提高臺灣業者導入廢熱回收設備的意願，金屬中心結合產學界組成團隊，合作開發「高效率蓄熱式燃燒節能工業爐」並推動應用，研發成果受到業界肯定為高溫廢熱回收的最佳解決方案。 |
結盟開發蓄熱式燃燒系統 促成廢熱回收救地球
地方產業創新典範－高效率燃燒節能技術研發團隊
財團法人金屬工業研究發展中心
【高溫廢熱回收最佳解決方案-高效率蓄熱式燃燒節能工業爐】
工業製程所耗費的能源很大，該如何降低呢？將製程產生的廢熱加以回收，做為其他應用，不僅可為企業省下一筆可觀成本，且能因為減少燃料的使用，進而降低二氧化碳的排放，何樂而不為？
據了解，臺灣金屬鋼鐵耗能產業的燃燒加熱製程有許多廢熱回收機會，目前200℃以上具有廢熱回收潛力的總廢熱量能源，其成本高達新臺幣303 億元，從這個數據可以明顯看出廢熱排放造成的能源浪費。
然而，廢熱回收方案所費不貲，尤其是鋼鐵業、鑄造業及熱處理業等高溫製程產業，多採用由國外進口的高價廢熱回收設備，對企業而言是一大負擔，因此許多業者或是未進行廢熱回收，或是採用效率不高的方案，導致節能及降低二氧化碳排量的效果有限，未被回收的廢熱更會造成嚴重環境汙染，高雄就長期面臨這樣的情況。
回收廢熱 扭轉高耗能產業形象
我國的重工業泰半集中在高雄，這個都市所貢獻的鋼鐵產業產值居全國之冠，己身卻也付出了代價。基本上，鋼鐵及鋁合金製造業者，常需透過加熱製程進行材料軟化或材料改質，且業者採用的工業爐數量極多，產生的高溫廢氣排放量很大，這是高雄環境品質長久以來的難解之痛。
有鑑於此，在能源局的支持下，金屬中心整合南部在地工業爐業者、節能設備業者、關鍵零組件業者，以及多間大學，多方協力組成「蓄熱式燃燒系統研發及應用聯盟」。從2015 年到2018 年，團隊積極投入開發，已成功建立本土化700℃以上的高溫製程廢熱回收技術，節能率達30% 以上，鋼鐵業、精密鑄造業、化工業及金屬製品業皆受惠於此。
「我們的研發團隊致力於蓄熱燃燒系統與工業爐的整合設計及開發，且透過建置符合國際規範的應用示範場域，建立了工業爐節能減排典範及燃燒參考標準，」金屬中心升級處處長林恒育處長表示，「這個計畫已將研發成果技轉，逐步建立廢熱回收節能生態鏈，對於臺灣相關產業有著深遠影響。」從關鍵零組件到製程設備皆由國人自主開發建造，這是此計畫的終極目標。
採用工程模擬 找到減廢解方
一般來說，廢熱依據溫度範圍可區分為高溫（高於650℃）、中溫（250℃ ~650℃）及低溫（低於 250℃）廢熱，溫度愈高代表廢熱的品質愈高，更具回收價值。
廢熱回收方法很多，而根據國外經驗，以蓄熱式燃燒系統進行高溫廢熱回的效益最高，所以團隊的開發目標很明確，就是發展國內本土化的蓄熱式燃燒系統，用以取代國外進口的高價設備。
何謂「蓄熱式燃燒技術」？基本上，此技術是在工業爐設置成對的蓄熱室，在蓄熱室內放置能夠快速儲存和釋放熱量的陶瓷磚體，燃燒前的助燃空氣與燃燒後的高溫廢氣交替通過蓄熱室，如此一來，助燃空氣能被預熱到高溫，約1,000 ℃ 左右， 廢氣排放溫度則能被降到200℃以下，這就達到藉由廢熱回收實現節能的目的了。
高效率蓄熱式燃燒系統的開發細節極多，大致可分為三個部分，分別是高溫燃燒、蓄熱及爐體等三大次系統。「工業爐內若要導入蓄熱式燃燒系統，必須解決均溫能力及空間限制等問題，我們主要是透過工程理論模擬分析和設計來找到解方。」金屬中心升級處副處長蘇志強說明。
這些事情並非一蹴可幾，必須按部就班進行。蘇志強指出，「我們開發的蓄熱燃燒系統皆是應用於金屬產品的關鍵製程上，為了收集業界實際需求，以及驗證系統可行性，確保不會影響產品品質和生產速 ，我們每年針對不同產業需求開發蓄熱式燃燒工業爐。」
進入廠商端 建立試驗場域
不是只在實驗室埋頭開發，為了百分之百符合業者實際需求，金屬中心選擇適合的燃燒工業爐體使用廠商做為示範場域，以進行操作驗證。從2015 到2018 年間，已成功建立七座蓄熱式燃燒工業爐。
其中，2016年開發分離式蓄熱燃燒系統，發展高溫傳輸技術，建立蓄熱式精密鑄造燒結爐，應用於精鈺公司的合金鋼精密鑄造燒結製程，另外也推廣至基準公司。
2017年進一步將應用領域擴展至熱處理爐，將蓄熱式燃燒系統應用於良豐公司不銹鋼管件固溶化製程，解決了蓄熱燃燒切換過程預熱溫度變化過大問題。
值得強調的，以上成果都是「全國第一」，最新於去年(2018) 建立的蓄熱式合金鋼退火爐，當然也是臺灣有史以來第一次。
蓄熱式合金鋼退火爐應用於日嘉工業的退火熱處理製程。針對該製程需求，金屬中心發展了可變焰速蓄熱燃燒器，以及多段式熱容量蓄熱艙等關鍵零組件，另外還搭配多模式燃燒器精密控制模組。
「被加熱物的尺寸和厚度皆有所不同，精準控制模組可以滿足不同加熱物的需求，並能達到整爐均溫性要求，確保產出品質和製程效率。」金屬中心知識應用服務組副組長唐紹文博士說明。製程期間，爐內溫度均勻性可達±10℃，節能可達 35% 以上。
其中，金屬中心創新開發的可變焰速蓄熱燃燒器相當值得一提，「我們開發的燃燒器運作，高速熱流體經由燃燒室前端的出口噴嘴(combustor nozzle) 加速後射出蓄熱火焰，可變噴嘴能改變火焰速 ，以及決定是圓火焰或橢圓火焰，藉以達成最佳操作的功率。」金屬中心知識應用服務組副組長唐紹文博士說明。
此計畫導入的七座工業爐，節能量累計達8,605公秉油當量，同時達到減少17,984 公噸二氧化碳當量(CO2e) 效果，約相當於減少10,000 輛機車年度排放量。
金屬中心號召 上下游業者呼應
這些成果得來不易，除了擔任主要角色的金屬中心居功厥偉外，經由金屬中心號召而來的產學夥伴也是貢獻良多。
在金屬中心的推動下，總計有 35 家業者和學界、法人單位共同成立「蓄熱燃燒產業研發及應用聯盟」。聯盟成員大致可分為四大類，分別是爐體使用業者、爐體製造業者、節能服務業者及材料相關業者。另外也有屏科大蔡建雄、陳彩蓉教授、中山大學許聖彥教授及遠東科大陳世宏教授的共襄盛舉。
其中，爐體使用業者，如唐榮、精鈺、良豐、日嘉等，主要提供製程操作條件與爐體節能效益回饋；爐體製造業者，如惠爾好、坤耀電熱等，則是參與爐體設計及施工；至於和成、千盟等材料相關業者，則是參與蓄熱材料或高溫耐熱材料的開發製作。
另外，金屬中心也積極扶植節能服務業者，主要是透過技術移轉予國內相關爐體業者，如鍾成工業、榮成燃燒、坤耀電熱和金鼎綠能等高雄蓄熱式燃燒系統業者，協助這些傳統工業爐爐體業者轉型升級為高效率爐體供應商，並協助這些業者建立創新的服務模式，以促進高效率燃燒能源設備普及化。
強化價值鏈 節能減碳一起來
成果開發出來了， 但要實現節能減碳，畢竟還是得仰賴業者願意導入才行。國外進口設備投資約需5~10 年才能回收（return on investment，ROI），相較於此，金屬中心開發的蓄熱燃燒系統由於是採用本土化技術與自產零組件，因此投資回收僅需2~3 年，ROI 堪稱業界最短，大幅降低國內業者導入廢熱回收設備的門檻，業者採用意願自然相應提高，也就能促進節能減碳。
金屬中心所開發的蓄熱燃燒系統，為南部地區的鋼鐵、鑄造及熱處理等高耗能產業，提供一個可負擔的廢熱回收解決方案，伴隨而來的好處，是這些廠商的高耗能產業形象得以扭轉，讓業者有望擺脫有害環境的汙名，進而確實改善南臺灣的空氣及環境品質。
此計畫帶來的長遠影響不僅於此，透過這些亮眼的開發成果及上中下游業者的結盟，臺灣的蓄熱燃燒廢熱回收產業價值鏈得以成形，臺灣已能掌握蓄熱式燃燒系統關鍵零組件的設計與開發技術，足以擺脫原完全仰賴國外技術之窘境。
這個價值鏈植基於臺灣南部，上游是負責生產蓄熱燃燒關鍵零組件，如燃燒器、蓄熱體、高溫絕熱材料以及高溫耐熱材料的廠商；中游是負責蓄熱模組設計與安裝、測試廠商，如節能設備業、工業爐體製造業、機電整合業等；下游則是燃燒高耗能製程使用者，如鋼鐵業、鑄造業、金屬製品業、熱處理業等。
以金屬中心為核心，匯聚上下游業者的力量，加上示範場域建置所進行的技術推廣，蓄熱式燃燒系統的市場接受度可望逐步提高，促成廢熱回收更為普及，進而對環境保護及節能減碳帶來長遠及正面的影響。
感言：金屬中心升級處 處長 林恒育
首先感謝經濟部能源局研究機構能源科技專案的經費支持，得以致力發展蓄熱燃燒系統與工業爐整合設計及開發技術。
其次感謝金屬中心內部高層支持與協助，透過中心金屬耗能製程節能服務中心Center of Excellence 資源投入，才有機會突破一次又一次的研發瓶頸，發展出領先業界的高效率創新蓄熱式燃燒廢熱回收系統。
再來要感謝爐體使用者(或唐榮、良豐、日嘉等業者)，由於你們對我們的信任，把最重要的加熱製程工業爐交託我們，讓我們可以將技術應用至產業界，並且獲得不錯的成果。
一併感謝我們的合作夥伴，南部地區的工業爐業者、節能設備業與關鍵零組件業者，感謝你們投入時間與資源，共同開發蓄熱式燃燒系統在地蓄熱燃燒服務能量。
最後感謝研發團隊同仁辛勤的付出，你們是最棒的。讓我們繼續努力，持續為國內金屬產業高溫製程節能盡一份心力。
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- 發布日期：2023/07/08
- 最後更新時間： 2024/04/29
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