氫混合燃料之燃燒特性與能源利用

機械系 石心怡 副教授

　　在化石能源逐漸短缺與溫室氣體排放減量的壓力下，能源與環境的問題成為當前最重要的議題；尋求潔淨有效的能源開發與利用，也成為各界努力的方向。在能源問題上，減少化石能源的消耗，可從開源與節流兩方面來著手。開源即是積極開發新能源與替代能源，如：核能、太陽能、風能、生質能、地熱與潮汐能等，以減低對傳統化石能源的依存；而節流則是提升現有化石能源使用的效率，目前以化石能源為主之動力或電力系統仍佔 80% 以上，因此若能提升其使用效率，有效的節省能源，反而更重要。另一方面，在環保問題上，如何減緩溫室氣體及有害氣體 (如 CO₂、NO_x ) 的排放，則必須透過減少化石能源與含碳能源的使用量，以及對排放氣體有效的控管與消除，而積極開發潔淨能源的使用，如再生能源與氫能等，也是重要的一環。

　　氫燃料與氫能的開發與利用，被視為未來的主要能源應用之一，原因是氫氣的使用可同時解決能源與環保兩項挑戰。氫氣是一個極佳的燃料，也是潔淨的燃料，不僅能替代化石燃料，減少化石燃料的用量，燃燒後也無二氧化碳的產生，因此自 2001 年起以氫能為載體的研究與技術開發也開啟了所謂氫經濟 ( Hydrogen Economy ) 的時代^[1]，亦即邁向以氫能取代以往化石能源為基礎的生活型態與環境，因此氫能開發利用之基礎設施與系統之建構也逐漸展開，其中包括：氫氣生產 ( Hydrogen Production )、氫氣傳輸 ( Hydrogen Delivery ) 與氫氣儲存 ( Hydrogen storage ) 等相關上游技術研究；氫能轉換 ( Hydrogen energy conversion )、氫能應用 ( Hydrogen energy application ) 等下游產品開發研究，以及氫能安全 ( Hydrogen Safety ) 研究與相關規範之訂定。因此作為一個能源載體，氫氣必須由其他的能源體（如化石燃料、生質作物、水）來產生，然後經由能量轉換的設備，將氫能轉成熱能或電能，以供動力或電力系統來使用，能量轉換的方法可利用傳統的燃燒方式，也可經由電化學轉換。以燃燒方式為主者，可應用於引擎、內燃機、推進器等，以電化學轉換方式者，則以燃料電池為主要應用對象。

　　使用氫燃料或含氫之混合燃料並應用於燃燒系統中，就如同使用汽油或天然氣一般，但其性質有所不同，特性也不一樣，若比較氫氣、壓縮天然氣與汽油相關之燃燒性質，其中氫燃燒之火焰傳播速度快、熱值高、引燃能量低、可燃極限範圍大等特性，是氫燃料的主要優點；但相對的也是防火安全與氫能儲存上的缺點，同時氫的質量密度低、單位體積能量密度也低，在應用上不如傳統汽油或天然氣來的方便；然而使用氫能燃燒之最大優點則在於燃燒後沒有二氧化碳的產生，唯一可能的污染是來自氫氣與空氣燃燒所產生的氮氧化物 ( NO_x )。因此，以氫氣本身作為燃料之優越性，早期氫能燃燒多應用於火箭、太空梭之推進器，也有少數應用於引擎、內燃機做為車輛之動力源。一般而言，此一氫能轉換與應用的方式，將比燃料電池的商業化與市場普及化還來的直接與快速；而在實際應用上除可使用純氫燃料以外，目前考量多數仍以化石燃料（如天然氣、汽油、柴油等）為主的生活型態，則可利用氫混合燃料或引擎加氫燃燒的方式，逐步減少化石燃料的使用，以順利 邁進氫經濟時代。雖然我們對氫燃料之物理化學性質、燃燒特性已有初步的了解；但對不同的火焰型態與燃燒環境的影響，仍是各界持續探討的主題；尤其對各種含氫混合燃料之物化性質與燃燒特性，在應用上如何能改善引擎效率與污染排放，達到高效率、低污染之設計，並能兼顧氫能使用之安全，將是值得研究之課題。

　　近年來氫混合燃料的燃燒特性研究多針對下列三種混合型態：氫與天然氣（或甲烷）、氫與基本參考燃料（如丁烷、庚烷），以及含氫之合成氣體 ( Syngas )。其中研究最多的為氫氣-天然氣混合燃料，主要是因為近年來天然氣的使用非常普遍，且較一般石化燃料潔淨，故常做為先進引擎動力與電力系統之燃料，加上未來氫氣傳送的方式，可藉用已成形之天然氣輸送方式，以氫氣-天然氣混合型態傳送；所以氫氣-天然氣混合氣體也被正式稱為 Hydrothane 或 Hythane。其次，氫氣與基本參考燃料的混合特性研究乃針對使用汽油、柴油的系統，因為汽油與柴油的化學組成複雜，但其燃燒特性與化學反應過程與基本參考燃料相近。最後，則是含氫合成氣體之研究，此類合成氣體乃目前製氫轉化器，以及煤炭氣化中產生之混合燃氣，組成成分除了氫氣，一氧化碳外、還包括二氧化碳、氮氣，甚至於水汽與少量剩餘之甲烷，此類合成氣體除可進一步分離成純氫使用外；也可直接燃燒利用。目前合成氣體做為燃料最直接的應用，就是氣化複循環發電系統 ( Integrated Gasification Combined Cycle；IGCC )，此發電技術是目前國際上被認為最潔淨的高效率燃煤發電技術，其中合成氣體供給燃氣渦輪機燃燒發電，燃氣渦輪機的高溫排氣又供給蒸汽渦輪機系統發電；部分合成氣體亦可提供製程或化工原料生產所需的熱源，形成煤氣化與汽電共生的綜合利用模式。 雖然在氫能燃燒應用上，氫能引擎或引擎加氫燃燒一直是研發的課題，但是利用氫氣於氣渦輪機燃燒依然面臨著許多挑戰，氫氣本身因引燃能量低及高反應性導致其在預混火焰系統下會產生回火及自燃現象，另外氫氣每莫耳熱值也較碳氫燃料低，所以當氫氣取代碳氫燃料時會造成引擎輸出功率下降，但不論使用純氫燃料、氫-甲烷混合燃料，或是含氫合成氣，當氫含量不同時，燃燒與引擎的性能特徵也會有所不同，要如何有效的應用含氫燃料，增加燃燒效率與引擎效率、改進引擎性能，同時降低污染，仍是氫能應用於動力引擎的一項挑戰。