行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 成果報告 期中進度報告 運用柴油引擎富餘電力產氫氧混合氣 對柴油引擎節能與污染減量之研究 計畫類別 : 個別型計畫 整合型計畫計畫編號 :NSC E MY2 執行期間 : 98 年 8 月 1 日至 100 年 7 月 31 日

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1 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 運用柴油引擎富餘電力產氫氧混合氣對柴油引擎節能與污染減量之研究 ( 第 2 年 ) 研究成果報告 ( 完整版 ) 計畫類別 : 個別型計畫編號 :NSC E MY2 執行期間 :99 年 08 月 01 日至 100 年 07 月 31 日執行單位 : 國立中山大學環境工程研究所 計畫主持人 : 陳康興共同主持人 : 林淵淙計畫參與人員 : 碩士班研究生 - 兼任助理人員 : 黃亦生碩士班研究生 - 兼任助理人員 : 王盈嵐碩士班研究生 - 兼任助理人員 : 巫信毅博士班研究生 - 兼任助理人員 : 鄭加佑博士班研究生 - 兼任助理人員 : 黃錦宏博士後研究 : 王信凱 報告附件 : 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式 : 本計畫可公開查詢 中華民國 100 年 08 月 30 日

2 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 成果報告 期中進度報告 運用柴油引擎富餘電力產氫氧混合氣 對柴油引擎節能與污染減量之研究 計畫類別 : 個別型計畫 整合型計畫計畫編號 :NSC E MY2 執行期間 : 98 年 8 月 1 日至 100 年 7 月 31 日 執行機構及系所 : 國立中山大學環境工程研究所 計畫主持人 : 陳康興共同主持人 : 林淵淙計畫參與人員 : 王信凱 鄭加佑 黃錦宏 黃亦生 王盈嵐 巫信毅 成果報告類型 ( 依經費核定清單規定繳交 ): 精簡報告 完整報告 本計畫除繳交成果報告外, 另須繳交以下出國心得報告 : 赴國外出差或研習心得報告 赴大陸地區出差或研習心得報告 出席國際學術會議心得報告 國際合作研究計畫國外研究報告 處理方式 : 除列管計畫及下列情形者外, 得立即公開查詢 涉及專利或其他智慧財產權, 一年 二年後可公開查詢 中華民國 100 年 8 月 15 日 1

3 中文摘要 本研究探討在穩態條件下, 引擎轉速為 1,600 rpm, 扭矩為 145 Nm 運轉 以純柴油 (0 L/min) 添加不同氫氧進氣量 (10 至 70 L/min), 對柴油引擎廢氣中 PAHs 與傳統污染物之排放濃度 排放因子與削減率以及能源節約情形做分析討論 再以最佳氫氧氣進氣量下對不同混合比例之廢食用生質柴油 (B1 B5 B10 B20 B30) 柴油引擎 PAHs 與傳統污染物之之排放濃度 排放係數與削減率以及能源節約情形 此外利用 STAR-CD 軟體進行數值模擬, 探討在不同氫氧混合氣體與燃料 ( 柴油與不同比例氫氧氣 ) 混合比例及燃燒操作參數改變, 對柴油引擎之燃燒效率 燃燒生成氣體分布之影響 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之污染物排放方面,CO CO 2 THC PM 及 PAHs 排放濃度會隨著氫氧進氣量增加而降低 ; 反之,NOx 排放濃度會隨著氫氧進氣量增加而增加 在節能效益部分結合引擎耗油量與氫氧機耗電量, 整體之油當量分別為 , 顯示添加氫氧進氣量 50 至 70 L/min 有明顯之節能效益, 其添加氫氧進氣量為 50 L/min 60 L/min 及 70 L/min 之節能效益分別為 3.2% 9.8% 及 10.4% 而添加不同氫氧氣進氣量, 能有效的提升柴油引擎中之制動熱效率, 分別為 31.5% 31.3% 31.0% 31.1% 31.2% 33.0% 35.4% 及 35.1%; 並能有效減少單位燃料消耗率, 分別為 及 g/bhp-hr 顯示添加氫氧氣進氣量為 60 L/min 時為最佳之操作條件 最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 時, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之制動熱效率分別為 37.0% 36.9% 35.9% 35.9% 及 35.5%; 單位燃料消耗率分別為 及 g/bhp-hr 顯示添加氫氧進氣量對於混合不同比例生質柴油並無效益 在污染物排放部分,CO THC 及 PAHs 排放濃度會隨著添加比例增加而降低 ;CO 2 NOx 及 PM 排放濃度會隨著生質柴油添加比例增加而增加 關鍵字 : 柴油引擎 氫氧氣 廢食用油生質柴油 多環芳香烴 節能效益 I

4 英文摘要 The engine was operated at a one load steady-state condition of 1600 rpm with torque and power outputs of 145 Nm and 24.5 kw. The measurement of the mixing ratio of the fuel (H 2 /O 2 /diesel) was first recorded without any induction of H 2 /O 2 mixture (neat diesel) into the engine, and seven flow rate levels of H 2 /O 2 mixture were used by 10 to 70 L/min, at 10 L/min interval. The concentration, emission factor and removal rate of traditional pollutants and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from the diesel engine on a dynamometer by mixing ratio of the fuel (H 2 /O 2 /diesel) was investigated. Then, using the best H 2 /O 2 mixture with waste-cooking-oil biodiesel (including B1, B5, B10, B20 and B30) were fuels, the measurement of concentration, emission factor and removal rate of traditional pollutants and PAHs was investigated. In addition, the saving energy was also investigated by used H 2 /O 2 mixture and biodiesel. Furthermore, the STAR-CD computational fluid dynamic software will be used to understand the combustion phenomenon and the gaseous spatial distribution inside the combustion chamber. The mixing ratio of the fuel (hydrogen+oxygen /diesel) and the combustion operation parameter will be changed to evaluate the influence of combustion on the diesel engine. As the tratidional pollutants and PAHs, using H 2 /O 2 mixture, CO, CO 2, THC, PM, and PAHs decreased, whereas NOx emission increased. The energy saving of the fuels (H 2 /O 2 /diesel), the total oil equivalents combined by fuel consumption of diesel engine and electricity consumption of H 2 /O 2 generator, were 2.42, 2.49, 2.50, 2.48, 2.51, 2.35, 2.18 and 2.17 for neat diesel (0 L/min) and 10 to 70 L/min, at 10 L/min interval of H 2 /O 2 mixture, respectively. The result showed that reduced saving energy of the fuel (H 2 /O 2 /diesel) by 3.2% for 50 L/min, 9.8% for 60 L/min, and 10.4% for 70 L/min, respectively. The brake thermal efficiency were 31.5%, 31.3%, 31.0%, 31.1%, 31.2%, 33.0%, 35.4% and 35.1%, respectively, and the brake specific fuel consumption (BSFC) were , , , , , , and g/bhp-hr, respectively. Notably, this result indicates that the best operated condition of diesel engines is to use 60 L/min of H 2 /O 2 mixture. When using the best operated condition of H 2 /O 2 mixture (60 L/min), neat diesel (B1) with waste-cooking-oil biodiesel (including B1, B5, B10, B20 and B30) was investigated. The brake thermal efficiency were 37.0%, 36.9%, 35.9%, 35.9% and 35.5%, respectively, and the BSFC were , , , and g/bhp-hr, respectively. The results indicate no significant gain when using the hydrogen+oxygen /biodiesel. As the pollutant emissions, CO, THC, and PAHs decreased, whereas CO 2, NOx, and PM emission increased. Keywords:Diesel energy, H 2 /O 2, waste-cooking-oil biodiesel, PAHs, fuel saving. II

5 目錄 中文摘要... I 英文摘要... II 目錄... III 表目錄... V 圖目錄... VI 第一章前言 研究緣起 研究目標... 1 第二章相關研究及文獻回顧 多環芳香烴化合物 (PAHS) PAHs 之特性 PAHs 之危害 PAHs 之來源 PAHs 之生成機制 柴油引擎及排放特徵 柴油引擎運轉方式 柴油引擎 PAHs 之排放特徵 不同油品中芳香烴對柴油車排放 PAHs 之影響 能源概況 能源現況 氫氣之特性 氫氣的生成與來源 雙燃料車使用現況 生質柴油之發展 生質柴油特性 生質柴油製造與方法 生質柴油引擎污染物之排放 計算流體力學 (CFD) 概述 第三章研究方法與步驟 研究設備與方法 採樣方法與設備 柴油引擎 氫氧機 三相電力分析儀 PAHs 採樣 排氣取樣設備 樣品分析 III

6 3.3 PAHS 分析之品質保證與品質控制 空白試驗 檢量線之配置 方法偵測極限 準確度 精密度 STAR-CD 計算流體力學軟體及織架構概述 流場基本假設 流場與污染物之之制御方程式 RNG k-ε 亂流模式 壁函數 邊界條件 數值計算方法 數值解析方法概述 離散化方法 SIMPLE 法之壓力速度修正 計算收斂準則 網格安排 初始猜測值之設定 網格測試與驗證 第四章結果與討論 純柴油添加不同氫氧進氣量對柴油引擎性能影響與污染物排放 添加不同氫氧進氣量之制動熱效率 添加不同氫氧進氣量之制動單位燃料消耗率 添加不同氫氧進氣量之傳統污染物排放 添加不同氫氧進氣量之 PAHs 排放 添加不同氫氧進氣量之節能效益評估 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油對柴油引擎性能影響與污染物排放 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之制動熱效率 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之制動單位燃料消耗率 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之傳統污染物排放 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之 PAHs 排放 STAR-CD 模式模擬燃燒流場與污染生成氣體分布狀況 柴油引擎進氣過程之氣體氣體分布狀況 柴油燃燒過程之燃燒流場與氣體組成分佈 不同氫氣添加比例對燃燒之影響 第五章結論與建議 結論 建議 參考文獻 IV

7 表目錄 表 種 PAHS 之分子量 結構式及物理特性... 錯誤! 尚未定義書籤 表 種 PAHS 之致癌性... 錯誤! 尚未定義書籤 表 各污染源所產生的 PAHS 物種... 錯誤! 尚未定義書籤 表 柴油引擎與汽油引擎性能比較... 錯誤! 尚未定義書籤 表 能源安全度... 錯誤! 尚未定義書籤 表 年各類初級能源可開採年限統計... 錯誤! 尚未定義書籤 表 氫之特性... 錯誤! 尚未定義書籤 表 氫之危害... 錯誤! 尚未定義書籤 表 重型柴油引擎規格表... 錯誤! 尚未定義書籤 表 氫氧機規格表... 錯誤! 尚未定義書籤 表 模擬柴油引擎之基本資料... 錯誤! 尚未定義書籤 表 RNG k ε 紊流模式中所使用的常數值... 錯誤! 尚未定義書籤 表 制御方程式中各變數 φ 之函數式... 錯誤! 尚未定義書籤 表 添加不同氫氧進氣量時傳統污染物之排放濃度 排放因子及削減率... 錯誤! 尚未定義書籤 表 添加不同氫氧進氣量之 PAHS 排放濃度... 錯誤! 尚未定義書籤 表 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之排放因子與削減率... 錯誤! 尚未定義書籤 表 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之 PAHS 排放濃度... 錯誤! 尚未定義書籤 V

8 圖目錄 圖 平均每人用電量與最終能源消費... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 到 2100 全球主要能源需求預測... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 烷基酯類之結構式... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 柴油車動力計... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 重型柴油引擎煙道廢氣採樣分析設備圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 模擬之引擎汽缸示意圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 模擬之汽缸上視圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 數值模擬計算建立之汽缸網格... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 STAR-CD 軟體組織架構... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 數值計算流程... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 控制體積內元素格點離散化之位置示意圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 添加不同氫氧進氣量之制動熱效率... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 添加不同氫氧進氣量之制動單位燃料消耗率... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 添加不同氫氧進氣量之引擎耗油量... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 添加不同氫氧進氣量之氫氧機耗電量... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 添加不同氫氧進氣量之整體油當量... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之制動熱效率... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之制動單位燃料消耗率... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 引擎進氣行程之氣流流動狀況... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 柴油噴入汽缸內之流場... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 柴油噴入汽缸內之速度向量場... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 柴油燃燒等溫度分布圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 柴油燃燒等濃度分布圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 等 O 2 濃度分布圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 等 CO2 濃度分布圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 等 H2O 濃度分布圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 等 N 2 濃度分布圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 等 NO 濃度分布圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 等 H 2 濃度分布圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 添加不同氫氧進氣量之燃燒溫度趨勢圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 添加不同氫氧進氣量之柴油濃度趨勢圖... 錯誤! 尚未定義書籤 VI

9 圖 添加不同氫氧進氣量之之二氧化碳濃度趨勢... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 添加不同氫氧進氣量之水氣濃度趨勢... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 添加不同氫氧進氣量之氮氧化物濃度趨勢圖... 錯誤! 尚未定義書籤 圖 添加不同氫氧進氣量之氫氣濃度趨勢圖... 錯誤! 尚未定義書籤 VII

10 第一章前言 1.1 研究緣起 柴油引擎具較低燃料成本 高功率 高耐用性 高壓縮比 高熱效率及結構簡單堅固等優點, 因此被廣泛用於大卡車 大巴士 曳引車 貨櫃車 砂石車 垃圾車 大型軍用車及施工機械之動力 然而, 柴油於引擎中燃燒所產生之多環芳香烴化合物 (Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs) 黑煙 (Smoke) 粒狀污染物 (Particulate matter, PM) 及臭味為大眾及環境保護學者所關切 研究指出柴油車 Total-PAHs 之排放係數 (37,200 µg/l-fuel) 為汽油車 (1,810 µg/l-fuel) 之 20.6 倍 ( 米,1998) 柴油引擎排放之粒狀污染物, 其粒徑多在 1 10 µm 之間, 易導致呼吸道感染及氣喘等疾病, 此外由於微粒及黑煙具吸光及散射特性, 容易影響駕駛能見度, 導致市容髒污與建築物灰暗不美觀等令人不悅之觀感, 因此世界各國無不努力降低移動污染源之污染排放 此外,2009 年 1 8 月台灣 99.3% 的能源仰賴進口, 自產能源僅占 0.7% 其中運輸消耗約佔 13.2% 總能源消耗, 能源幾乎全數仰賴國外進口 能源與國家發展及經濟活動息息相關, 其對人民生活及國家安全之重要性不言可喻 但我國因為天然資源蘊藏貧乏, 國際油價波動直接影響國內能源價格, 因此如何因應內外在環境之變化, 落實穩定供應國內能源需求, 已成為政府與全民共同努力之目標 因此如何尋求可行之清潔且可再生燃料, 以減少柴油車排放污染與對石化能源之依賴, 將是全球共同之議題 近年來, 因人類社會經濟活動頻繁, 大量使用化石燃料與濫伐森林等造成二氧化碳 甲烷 氧化亞氮 氟氯碳化物及臭氧, 易吸收長波輻射氣體大幅增加, 導致全球暖化海平面上升, 造成生態浩劫, 由於二氧化碳之排放量約占溫室氣體總量 55%, 二氧化碳已成為未來國際間控制溫室效應首要減量對象 全世界學者專家一致認定 : 煤 石油及天然氣等傳統化石燃料瀕臨枯竭之際, 氫 是 21 世紀公認為最具潛力新科學燃料, 用 水 產生氫與氧, 替代煤 石油及天然氣等傳統排放 CO 2 燃料, 符合現代環保潮流 以往大都認為直接使用氫氣或液化石油氣來代替柴油, 雖然確實可以明顯降低污染排放, 但其安全性與運輸所增加之額外成本等因素, 造成氫能車或瓦斯車之推廣上不易達到效果 柴油車在行駛過程中, 發動機會驅動發電機發電, 所發電力轉變成直流電貯存在蓄電池上, 並用於儀錶工作和電火花點火 發動機所發電力足夠充滿蓄電池, 但因蓄電池容量有限制, 當蓄電池電力充滿時發動機所發電力就浪費了 因此本研究利用氫氧機將水電解產生氫氣和氧氣, 再通入燃燒室內燃燒, 同時並以三相電力分析儀測量氫氧機製備氫氧氣所耗之功率, 最後評估柴油引擎添加氫氧氣之節能效益 由於產生之氫氧氣直接導入引擎燃燒室內燃燒, 即產即用, 因此沒有氫氣儲存之困擾, 同時提升此一系統之發展與實用性 1.2 研究目標 本研究預期達到下列之目標 : 1. 以穩態測試下, 不同氫氧氣進氣量 ( 及 70 L/min) 對柴油引擎傳統污染物與 PAHs 之排放濃度 排放因子及削減率等 2. 探討不同氫氧氣進氣量 ( 及 70 L/min) 對柴油引擎提高燃燒效率節能之情形 3. 暸解加裝氫氧電解系統對減少柴油引擎 PAHs 排放之效益, 找出最符合最佳節能效益狀況 4. 以穩態測試下, 最佳氫氧氣進氣量下對不同混合比例之廢食用生質柴油 (B0 B5 B10 B20 B30) 柴油引擎傳統污染物與 PAHs 之排放濃度 排放因子及削減率等 5. 探討最佳氫氧氣進氣量下對不同混合比例之廢食用生質柴油 (B0 B5 B10 B20 B30) 柴油引擎提高燃燒效率節能之情形 6. 建立柴油引擎燃燒室內之燃燒流場 7. 探討柴油引擎內之燃燒效率與燃燒生成氣體分佈及濃度變化趨勢 8. 模擬混合燃料 ( 氫氣與柴油 ) 中, 引擎室內之燃燒流場及火焰結構 9. 探討不同混合燃料比例 ( 氫氣與柴油 ) 時, 引擎內之燃燒溫度 燃燒生成氣體分佈及燃燒效率之影響 1

11 第二章相關研究及文獻回顧 2.1 多環芳香烴化合物 (PAHs) PAHs 之特性 多環芳香族碳氫化合物 (Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs), 係指碳氫化合物在不完全燃燒條件下, 所產生具多環分子結構之化合物 PAHs 一般指的是由 2 7 個苯環所組成之碳氫化合物, 常見之 PAHs 有 21 種, 其分子量 結構式及物理特性如表 所示 研究指出, 化合物蒸氣壓大於 10-4 mmhg 以上幾乎是以氣相存在, 而小於 mmhg 者則幾乎被微粒所吸附 (Keller and Bidleman, 1984) 蒸氣壓大小會影響 PAHs 吸附於微粒上的量, 一般而言,2 環 PAHs 主要以氣相存在,3 4 環 PAHs 則以氣 顆粒相共存於大氣中,5 7 環 PAHs 則大多以固相存在 (Howsam et al., 2000), 即隨著環數的增加, 顆粒相所佔比例會隨著增加 PAHs 的親電性相對於其它空氣污染物而言並不高, 屬於較穩定的化合物 (Li and Kamens, 1993) 在大氣中, 相同分子量之 PAHs, 在結構上具有多種同分異構物 理論上,6 環之 PAHs 有 82 種異構物,7 環之 PAHs 有 333 種異構物,2 8 環之 PAHs 化合物之異構物總數可高達 1,896 種 (US EPA, 1987; Yasuda et al., 1989) 近年來因 PAHs 及其衍生物陸續被認定具有致癌性與致突變性, 且散佈範圍廣泛, 對自然環境及人體皆造成危害, 以美國環保署公告之 16 種 PAHs 為主要污染物 (US EPA, 2003), 其中又以 Benzo(a)anthracene Benzo(a)pyrene Chrysene Benzo(b)fluoranthene Benzo(k)fluoranthene Indeno(1,2,3,c-d)pyrene Dibenzo(a,h)anthracene 及 Bezno(g,h,i)perylene 等 8 種 PAHs 的致癌性較引人注意 (Menzie et al., 1983) 但目前台灣空氣污染防制法規中, 對於 PAHs 尚無訂定排放標準 一般討論大氣中 PAHs 時, 習慣將其區分為兩大類, 即氣相 (Gaseous phase 或 Vapor phase) 與顆粒相 (Particle phase) 兩部分 (Mastral et al., 2001) PAHs 是二個或多個苯環互相鍵結形成之碳氫化合物, 其蒸氣壓介於 mmhg 之間, 在室溫下屬半揮發性有機化合物 (Semi volatile organic compounds, SVOCs), 且其揮發性隨著分子量增加而降低 PAHs 的分子結構非常對稱, 其偶極距 (Dipole moment) 很小, 通常為非極性物質, 在水中溶解度低 ; 但因其分子量較大, 故 PAHs 具有高熔點及高沸點之特性 而飽和蒸氣壓 10-8 atm 以下之化合物, 在常溫下幾乎完全以顆粒相存在, 分子量低於 230 以下之 PAHs 其 SVOCs 之特徵較明顯 因此, 在常溫狀態下,PAHs 是以氣相及顆粒相共存 ( 林,2000) PAHs 為只含有碳及氫的環狀結構, 具有 π 電子共振效應, 且無官能基, 極性也不高, 在水中溶解性不高, 隨分子量增大, 其溶解度減小, 所以只有在非極性及弱極性有機溶劑中才有較高的溶解度 PAHs 在最初形成時是以氣相存在為主, 存在之 PAHs 其分子量較低, 較易於揮發, 在常溫下之蒸氣壓大於 10-6 mmhg, 故氣相 PAHs 只以蒸氣形態存在 PAHs 在顆粒相存在的原因有凝結 (Condensation) 及吸附 (Adsorption) 兩種機制 (Broströem and Loevblad, 1991), 在化學特性上, 當化合物之 Eπ 值愈高, 則其相對活性將伴隨分子量的增加而升高 (Dias, 1987); 因此分子量較大且環數較多的 PAHs, 可藉由吸附或凝結方式附著於較高比表面積之微粒物質上 通常分子量較低之 PAHs 成份以氣相存在, 伴隨分子量增加其在固相之比例隨之遞增 分子量較高之 PAHs(5 環以上 ), 其蒸氣壓在常溫下小於 10-6 mmhg, 因此容易被吸附於粒徑小於 10 μm 之粒狀物上 ( 林,2000) 由於 PAHs 種類繁多, 彼此間之化學特性相異, 但就整體而言,PAHs 係由苯環組成之碳氫化合物, 極性不高且無官能基, 因此 PAHs 與吸附劑之吸附作用屬於物理吸附, 利用凡得瓦力吸附在懸浮微粒表面上 PAHs 之危害 在環境中,PAHs 為一分佈廣泛的環境污染物, 存在於土壤 水及空氣等 後來陸續發現在油煙微粒中存有的 PAHs 源自於引發作用劑 (Causative agent) 及汽車排放凝聚物 (Automobile exhaust condensate, AEC) 研究發現, 粒徑小於 5 μm 的微粒約有 70 90% 可進入人體的呼吸系統 (Katz and Chan, 1980) Grimmer (1983) 從生物試驗中發現 PAHs 所含之致癌物質主要為 4 7 環, 而四環以上之 PAHs 又多吸附在懸浮微粒上, 易進入肺部中, 造成人體健康之傷害 研究指出, 大氣中氣相 PAHs 致癌性雖較固相 2

12 PAHs 小, 但在大氣中含量豐富, 對人體威脅性仍不可小覷 (Park et al., 2002) 表 種 PAHs 之分子量 結構式及物理特性化合物縮寫分子量結構式熔點 ( ) 沸點 ( ) Naphthalene Nap Acenaphthylene AcPy Acenaphthene Acp Fluorene Flu Phenanthrene PA Anthracene Ant Fluoranthene FL Pyrene Pyr Cyclopenta(c,d)pyrene CYC 228 N.A. N.A. Benzo(a)anthracene BaA Chrysene CHR Benzo(b)fluoranthene BbF Benzo(k)fluoranthene BkF Benzo(e)pyrene BeP Benzo(a)pyrene BaP Perylene PER N.A. Indeno(1,2,3-c-d)pyrene IND 276 N.A. 534 N.A.: 無相關數據報告 3

13 表 種 PAHs 之分子量 結構式及物理特性 ( 續 ) 化合物縮寫分子量結構式熔點 ( ) 沸點 ( ) Dibenzo(a,h)anthracene DBA Benzo(b)chrysene BbC N.A. Benzo(g,h,i)perylene BghiP Coronene COR N.A.: 無相關數據報告 PAHs 主要進入人體方式有經呼吸 皮膚及腸胃等途徑吸收進入人體, 之後會經由細胞色素 P450 (Cytochrome P450) 代謝轉換成致癌的前驅物, 進而與 DNA 結合, 使遺傳基因複製時產生缺陷, 形成惡性腫瘤 (Cavalieri and Rogan, 1995; Anderson et al., 1999), 以 BaP 為例, 當其進入體內後, 會因體內對外來物質的生物轉移 (Biotransformation) 作用, 經由親電性代謝作用 (Electrophilic metabolites) 形成 Benzo(a)pyrene 7,8-dihydrodiol-9,10-epoxide, 進而在 DNA 上 H-ras oncogene 中的第 12 對密碼子處造成突變, 形成腫瘤 (Klaassen, 1996) 因此,BaP 與大多數不含取代基之 PAHs 皆為所謂之 Promutagens, 而許多硝基衍生 PAHs 則可直接致癌 (Direct actingmutagens) PAHs 經由呼吸途徑進入人體時, 其微粒物質除部分可經由鼻腔先予以過濾, 較小微粒則沉降於氣管 支氣管及肺泡區 許多研究指出,PAHs 會先與存在 microsomes 之體內酵素 P-450 作用產生代謝化合物, 在先期 (Phase Ι) 反應時, 係藉由水解 還原及氧化作用, 使產生氫氧基 氫胺基及硫氫基之加成 此階段之反應, 主要作用係將 PAHs 由非極性轉換為極性之醇基化合物後, 再進行 Phase Π 反應, 大部分 Phase Ι 反應之結果可以提升有害物之水溶解性, 有利於化學物之排泄作用 (Parkinson, 1992) 在 Phase Π 反應中, 將產生尿甘酸化 乙醯化及甲基化之親電活化之生化轉換反應, 進而產生與麩胺基硫鍵結及與胺基酸類鍵結等反應 此時 PAHs 可充當致癌之前驅性物質與細胞之 DNA 發生鍵結, 再藉由微粒酵素激活 (Activation) 永生 (Immortalization) 形變 (Trans-formation) 及移轉 (Mastastasis) 最終形成惡性腫瘤 (Cancer) 前述 PAHs 與 DNA 鍵結後, 主要係靠微粒體細胞色素之 P-450 isozyme 予以催化, 並產生芳香烴碳氫化合物氫氧根酵素 (Aryl-hydrocarbon hydroxylase, AHH) 另亦有學者指出前述之致癌機轉, 亦可能由於 PAHs 內存有非定域性能量之碳離子, 而造成苯環上具有親電性之活化部分, 而導致其易與染色體之 DNA 鍵結, 進而破壞原染色體之 DNA 中二個含氮鹽基間之鍵結, 並形成與原先迴然不同遺傳密碼之交叉環結 (Cross-linking), 此時 DNA 因形成另一種新組合之雙螺旋結構, 而經轉錄及轉譯而生成不同之 RNA 及蛋白質 (IARC, 1983; Nisbet and LaGcy, 1992) 目前尚無資料顯示 PAHs 可能對人體引發急性或短時間暴露之危害效應 但在動物試驗方面, 經以多種 PAHs 餵食老鼠後, 發現會引發試驗動物之胃腫瘤及肝腫大 對人體之長期慢性暴露危害方面, 目前已發現在 BaP 暴露下會引起眼睛刺激 另目前亦有動物試驗研究, 發現以 BaP 餵食會引起試驗動物之生殖系統 前胃腫瘤 白血病及肺腫瘤等危害 ; 若同時讓動物吸入 BaP 則可能引起呼吸道腫瘤, 或皮膚暴露引發免疫系統危害等 表 為法國國際癌症研究中心 (International agency for research on cancer, IARC), 美國環保署 (US EPA) 及美國國家科學學院 (National academy of sciences, NAS) 所列出之 PAHs 致癌性 (IARC, 1987; US EPA, 1987) IARC 提供之 PAHs 致癌性, 顯示 A 之致癌性潛能比 B 高,3 之致癌性比 2 低 美國環保署之致癌性報告中 B2 為具致癌性 PAHs,D 為無法分類 (Not classifiable) 以動物來做致癌性測試, 表 中 S 為具充分證據證實可致癌 (Sufficient evidence),l 為具限制之證據證實可致癌 (Limited evidence),i 為具不充分證據證實可致癌 (Inadequate evidence),no 為不具充分證據證實可致癌 (Bjørseth 4

14 and Becher, 1986) 整體而言, 分子量高之 PAHs 致癌性潛能較高 PAHs 本身為初級污染物 (Primary pollutants), 其反應性不高, 但容易與大氣中的某些強反應性污染物產生作用, 如 NO 2 N 2 O SOx PAN O 3 及自由基 (Free radicals) 生成 PAHs 之衍生物, 如氧化多環芳香烴及硝化多環芳香烴, 而形成二級污染物 (Secondary pollutants) (Copes and Kalkwarf, 1987) Tuominen et al. (1988) 研究指出,2 3 環之 PAHs 無明顯之致突變性, 但其硝基衍生物 (Nitro-PAHs) 則有強烈之致突變性, 且不需要酵素活化過程, 即對人體健康有嚴重威脅 除了致癌性及突變性外,PAHs 具有毒性, 引發病症有皮膚病 呼吸道問題及神經受損, 並會造成肺癌與肝癌等癌症發生 (Davis et al., 1987; Josephy, 1997) 表 種 PAHs 之致癌性 PAHs IARC USEPA NAS 動物致癌性 Nap 0 AcPy 0 Acp Flu 3 D I PA 3 D 0 I Ant 3 D 0 L FL 3 D + No Pyr 3 D 0 No CYC + L BaA 2A B2 + S CHR 3 B2 0/+ L BbF 2B B2 S BkF 2B B2 S BeP 0/+ I BaP 2A B2 ++ S PER 3 0 I IND S DBA 2A B2 S BbC BghiP D + I COR 3 0/+ I 註 :1. IARC: 致癌性潛能 :2A>2B>3 2. 美國環保署 :B2 具致癌性 PAHs; D 為無法分類 3. 動物致癌性 :S 具充分證據證實可致癌 ;L 具限制之證據證實可致癌 ;I 具不充分證據證實可致癌 ;No 不具充分證據證實可致癌 PAHs 之來源 PAHs 一般係由碳氫化合物經不完全燃燒 (Incomplete combustion) 或熱解 (Pyrolysis) 反應所形成 其主要來源可分為天然及人為來源兩大項 自然界中可能會因為森林火災 火山爆發 植物 動物及礦物燃燒而產生 PAHs 人為因素產生 PAHs 來源包含火力發電 工業製程 廢棄物焚化及汽 機車排放等 (Terzi and Samara, 2004), 由於近年來工業和科技發展快速, 所以 PAHs 以人為因素為主要來源, 以下分別討論各種污染源排放之 PAHs, 表 為各污染源所產生之 PAHs 物種 ( 一 ) 機動車輛排放之 PAHs 研究指出交通工具所排放廢氣為影響都市大氣中 PAHs 濃度及成份之主要因素 (Nielsen, 1996; Tsai et al., 2004; 呂,2006) Wybranies and De Jong (1996) 也提出移動污染源所排放廢氣為 Cracow Poland 地區主要 PAHs 之來源 Yang et al. (1999) 研究中指出, 移動源所產生之 PAHs 佔了大氣中總 PAHs 的 91.8% Harrison et al. (1996) 與 Sisovic and Fugas (1997) 研究中證實英國伯明罕 (Birmingham) 及克羅埃西亞札格拉市 (Zagreb) 等都會區大氣 PAHs 的排放源主要來自交通車輛, 同時更指出有 88% BaP 是由運輸工具所排放, 因此 BaP 亦作為移動污染源排放廢氣中 PAHs 濃度之指標成分 Mi et al. (1996) 比較引擎在不同轉速下 ( 空轉 40 km/hr 80 km/hr 及 110 km/hr) 以及所使用的燃料 ( 高級汽油及九五無鉛汽油 ) 與 5

15 引擎廢氣中排放總 PAHs 差異, 顯示九五無鉛汽油之總 PAHs 排放係數 (5,210 μg/l-fuel) 遠高於高級汽油之總 PAHs 排放係數 (3,720 μg/l-fuel) 米 (1998) 研究中指出, 不同型式引擎之總 PAHs 排放係數亦不相同, 其中以二行程機車引擎總 PAHs 排放係數最高 (49,200 μg/l-fuel), 九二無鉛汽油引擎總 PAHs 排放係數最低 (1,810 μg/l-fuel) 陳 (2003) 指出機車引擎排放廢氣中,PAHs 成分以 Nap 居多, 佔了 86% 95% 黃 (1999) 研究中指出, 六種柴油車種分類, 總 PAHs 的平均排放率高低依次為大客車 (27.2 mg/min) 小貨車 (18.3 mg/min) 大貨車 (14.6 mg/min) 曳引車 (7.31 mg/min) 垃圾車 (2.41 mg/min) 及軍用車 (1.89 mg/min) 莊 (1995) 研究報告指出, 每輛機車之 PAHs 排放係數為 31 μg/km, 而汽車的 PAHs 排放係數為 19.6 μg/km 王 (1994) 之研究證實鄰近交通流量高之地區其大氣中 PAHs 濃度高於郊區 10 倍之多 Barfknecht (1983) 研究則指出柴油引擎排放之 PAHs 量為汽油引擎之 10 倍以上, 可見引擎種類為影響 PAHs 排放量之重要因素 Masclet et al. (1986) 指出分子量大之 PAHs, 如 FL Pyr 及 COR 等主要來自移動污染源 污染源 固定源 鋼鐵工廠 a 水泥廠 a, b 焚化 a 表 各污染源所產生的 PAHs 物種 PAHs 物種 BaP BaA PER BeP CYC COR Acpy Acp Ant Pyr PA Flu IND CHR 移動源 燃燒源 柴油燃料交通工具汽油燃料交通工具 a, b, c, d a, b, c, d, e 不完全燃燒及燃料熱解 f 燃燒過程 b 木材類燃燒 a, b 工業油料燃燒 b 煤燃燒 d Acpy Flu FL PA Pyr CHR BeP Flu CHR IND BghiP CYC COR FL Pyr BghiP IND Nap Acpy Acp Flu PA Ant BaP Flu Pyr CHR Flu BaP CYC Flu PA Pyr 室內 g 樟腦丸拜香香煙烹煮過程 g b Nap FL Pyr BaP BghiP Pyr BaP 資料來源 : a Yang et al. (1998); b Kulkarni and Venkataraman (2000); c Caricchia et al. (1999); d Ho and Lee (2002); e Omar et al. (2002); f Park et al. (2002); g Li and Ro (2000) ( 二 ) 電廠及工廠加熱過程中產生之 PAHs 一般常用燃料為煤碳 重油及天然氣等 目前台灣發電廠燃料以煤碳為主, 其次為重油, 在環保要求下天然氣逐漸提升, 而工業鍋爐通常也用煤碳為燃料, 在燃燒過程便有 PAHs 的產生 就單位熱值而言,PAHs 排放係數以燃煤 (19 μg/kg) 最高, 重油 (10 μg/kg) 次之, 天然氣 (1 μg/kg) 最少, 在鋼鐵工業之燒結 (Sintering) 熔融 瀝青及鋁之製造等過程亦可能產生 PAHs, 其中焦碳 (Coke) 及鋼鐵之生產過程為 PAHs 污染較為嚴重之排放源 (Bjørseth and Ramahl, 1983); 在鋼鐵廠 ( 電弧爐 ) 總 PAHs 濃度為 3,430 g/nm 3, 總排放係數為 2,670 g/kwh, 鋼鐵廠 ( 焦炭 ) 總 PAHs 濃度為 583 g/nm 3, 總排放係數為 4,350 g/kg-coal 及鋼鐵廠 ( 重油 ) 總 PAHs 濃度為 1,994 g/nm 3, 總排放係數為 6,050 g/l-oil ( 賴,1999) ( 三 ) 焚化或開放式燃燒產生之 PAHs 露天燃燒為 PAHs 之重要排放源 王 (2008) 指出稻草焚燒為 PAHs 的主要來源, 且在燃燒期間 PAHs 濃度比非燃燒期間高了 倍 (Lai et al., 2009a) Chen et al. (2008) 研究台灣中部兩地區露天燃燒之 PAHs 濃度分布, 研究指出露天燃燒稻草時,PAHs 組成以低分子量 PAHs(87.0%) 為主, 其次為中分子量 PAHs(7.1%), 最低為高分子量 PAHs(5.9%), 且經主成分分析 (PCA)/ 絕對主成分分數 (APCS) 分析, 在這兩個地點主要污染來源相似, 包括汽車尾氣, 煤 / 木材燃燒, 燒香及稻草燃燒排放 陳 (2006) 亦指出稻草焚燒期間, 總 PAHs 濃度隨之上升, 且經化學質量平衡 (CMB) 分析得知, 稻草燃燒為大氣中主要 PAHs 來源 (Lai et al., 2009b) 廢棄物焚化為 PAHs 另一排放源 Akio and Youki (1987) 指出某都市垃圾 6

16 焚化爐在不完全燃燒時 PAHs 為主要來源, 整體排放量約為 1,700 3,000 輛汽機車之排放量 ; 焚化爐在正常的操作 ( 完全燃燒 ) 時,PAHs 排放量較少, 反之焚化爐在不正常的操作 ( 不完全燃燒 ) 時,PAHs 排放量增多 (Jean et al., 2001) Wey and Shi (1997) 亦指出焚化爐燃燒效率與 PAHs 排放率有關 根據 Bjørseth and Ramahl (1983) 之研究, 大型焚化爐和廢棄輪胎焚化之 PAHs 排放係數分別為 17 mg/kg 及 240 mg/kg 王 (1997) 研究指出石化工業廢棄物焚化爐總 PAHs 濃度平均值分別為 μg/nm 3, 總 PAHs 之排放係數分別為 mg/kg-sludge Li et al. (1995) 研究廢離子交換樹脂燃燒後總 PAHs 的排放量, 研究結果指出, 在煙道廢氣總 PAHs 濃度為 1,782 μg/nm 3, 而飛灰中總 PAHs 之含量為 6 μg/g, 且煙道廢氣中氣相 PAHs 佔 92% (1,640 μg/m 3 ), 對油污泥與 PE 塑膠燃燒後所產生之 PAHs 進行研究, 而結果顯示油污泥中 PAHs 之含量對燃燒後所產生之 PAHs 排放濃度及飛灰中 PAHs 之含量有決定性之影響 吳 (1997) 以實驗用小型焚化爐燃燒苯, 研究發現氣相在二 三環分佈居多, 固相則在三 四環, 且燃燒溫度從 740 提升至 840 時,PAHs 有顯著減少 ( 四 ) 家庭烹飪與抽煙所排放之 PAHs 針對室內環境而言,PAHs 之排放源主要有家庭烹飪及抽煙等 寒冷地區, 冬天使用之暖爐 (Stoves) 或暖氣裝置 (Heating systems) 亦會增加室內 PAHs 濃度 (Park et al., 2002) 在中國宣微縣 (Xuenwei), 據醫療機構統計, 其肺癌死亡率為大陸各縣最高, 其原因主要是在無通風環境下, 吸入過多取暖 烹飪用煙煤 (Smoky coal) 所產生的煙 (Mumford, 1987) 研究指出生煤炭中 17 種總 PAHs 含量為 2,514.5 μg/kg, 燃燒後總 PAHs 排放係數為 μg/kg, 其中氣 固相的各別排放係數為 108 μg/kg 和 8.56 μg/kg (Chen et al., 2004) Michaeland Andrea (1998) 研究報告指出, 針對酒吧 設有專屬吸菸區餐廳及禁煙餐廳的空氣污染粒子濃度進行分析, 研究結果顯示, 以設有專屬吸菸區的餐廳為標準時, 酒吧空氣污染粒子濃度高出 70%; 禁煙餐廳空氣污染粒子濃度則少了 20 30% 餐廳廚房煙道廢氣分析發現, 烹調油煙產生的污染粒子, 正是空氣污染的主因, 而且其引發呼吸道疾病和氣喘的致病性 (Teschke et al., 1989) 餐廳廚房煙道廢氣中總 PAHs 濃度為 66.7 μg/nm 3, 總 PAHs 之排放係數為 15.6 mg/l- 油或 2.23 mg/ 人 - 餐, 顯示廚房廢氣對於人體的影響不可忽視 ( 林,2000) 葛等 (1994) 研究報告指出, 食用所產生之油煙具有一定程度的致突變力, 且其致突變力與溫度及加熱時間有相關性 周 (2008) 研究木碳燒烤煙霧中 PAHs 物種分布情況, 結果顯示在實驗室模擬採樣中,BaA BaP CHR BbF BkF IND DBA 及 BghiP 等美國環保署已公告之致癌性物質, 濃度高達 7 μg/m 3, 具有致癌可能性 ( 五 ) 其他 PAHs 亦會附著於都市中街塵之表面, 其 PAHs 主要係由汽機車廢氣 潤滑油 汽油及柴油之沉積貢獻, 街塵由雨水帶入河川及海口, 形成水體環境中 PAHs 重要之來源 (Hoffman et al., 1984) PAHs 之生成機制 PAHs 及其衍生物為環境中廣泛分佈之有害化合物, 在汽機車排放廢氣 工業製程及住宅之加熱設備等均有可能產生 PAHs 而 PAHs 之形成機制一般認為是燃燒過程藉由碳氫之有機物熱分解所形成 主要形式有熱解 不完全燃燒及碳化過程, 詳述如下 : 1. 熱解或不完全燃燒 :PAHs 之生成為自由基在火焰中之化學反應 而自由基起源於碳氫化合物之不完全燃燒, 經由活性大 反應快之自由基催化及環化之化學反應機制生成, 進而產生 PAHs Spotswood and Badger (1960) 研究指出甲苯 乙苯 丙苯及丁苯經熱解反應會產生大量的 BaP 及中間產物丁苯 但結構複雜之碳氫化合物並不須經由裂解反應形成小分子, 只需打斷幾個鍵結來進行熱合成及氫反應, 即可產生 PAHs, 意指任何含碳有機物之燃燒反應, 都有可能促使 PAHs 產生 Frenklach et al. (1985) 研究指出在熱解過程中, 若有機分子本身具有苯環結構時, 苯環及苯基分子將大量生成, 經聚合反應苯與苯基生成 PAHs 產生熱解反應之溫度範圍很廣, 在高溫及低溫時所發生之反應不同, 高溫下的主要反應為高分子量之反應物經由斷鍵及脫氫而形成活性大且不穩定之低分子量分子 而在低溫時, 則是進行分子聚合反應 (Polymerization) Crittenden and Long (1976) 研究指出,C 2 反應形成 C 4 C 6 和 C 8, 其中苯乙烯 (Styrene) 可能對 PAHs 之生成扮演重要角色 許多的 PAHs 可能在最初之燃燒反應中生成, 但只有少量之 PAHs 能進入環境中, 因在最初熱解狀態下所生成之 PAHs, 其半衰期都很短, 在後來的反應中才趨向穩定 當進行熱解反應時, 溫度高與反應動能大, 不含取代基之 PAHs 7

17 化合物為其主要之產物 (Bjørseth and Ramahl, 1983) 因此,PAHs 之形成燃燒之條件扮演極為重要之角色 2. 碳化過程 :PAHs 之生成並非只能經由高溫的火焰, 在低溫 (200 以下 ) 和高壓下經過百萬年的時間, PAHs 能由生態物質經由不同程序之碳化過程產生 其轉化過程和熱解相似, 但因溫度屬於低溫的關係, 反應極為緩慢 2.2 柴油引擎及排放特徵 柴油引擎運轉方式 柴油引擎 (Diesel engine), 由德國人 Dr. Diesel 於 1897 年所發明 其運轉原理為將空氣吸入汽缸內, 利用高壓壓縮而產生高溫, 並於壓縮結束時噴入柴油使之著火燃燒產生能量, 因此又稱為壓縮點火引擎 (Compression ignition engine, CI engine) 壓縮點火柴油引擎, 其特點為燃燒熱效率高 耐用性高及燃燒成本低等優點 柴油引擎燃燒原理為燃料經由高壓噴油器霧化進入燃燒室中, 霧化燃料中的碳 氫與空氣中的氧在適當之混合比 混合溫度及充分時間內發生劇烈氧化, 產生燃燒 燃燒發生後所釋放出的大量熱能, 使燃燒室中的氣體受熱, 氣體之體積 溫度及壓力均上升 在汽缸中體積受到限制, 且所釋放的熱量需足夠時間達到傳遞效果, 將燃燒熱能轉變為功, 經活塞連桿由曲柄軸傳出 依運作方式不同可分為二行程 (Two strokes) 及四行程 (Four strokes) 所謂行程, 指的是活塞由上死點運轉至下死點, 曲軸旋轉半圈謂之一個行程 二行程指進氣及壓縮為一個行程, 爆炸及排氣是一個行程, 燃燒循環時活塞只往復一次 Heywood (1988) 研究中將四行程柴油引擎分為進氣 壓縮 爆炸及排氣等行程, 詳述如下 : 1. 進氣行程 : 進氣閥開啟, 排氣閥關閉, 進氣閥在活塞抵達上死點前開啟, 過下死點後關閉, 活塞自上死點下行, 進氣閥同時開啟, 將新鮮空氣吸入汽缸 2. 壓縮行程 : 進氣及排氣閥均關閉, 活塞由下死點上行, 壓縮行程啟動, 使活塞壓縮吸入汽缸之新鮮空氣, 形成高溫 高壓氣體 3. 爆炸行程 : 壓縮行程末期, 柴油以高壓霧狀噴入汽缸中, 與高溫空氣接觸而自動燃燒 燃燒使溫度及壓力急劇上升, 而將活塞下推, 產生動力 4. 排氣行程 : 活塞到達下死點前時, 排氣閥開啟, 燃燒廢氣以膨脹壓力排出汽缸外, 活塞經下死點上行, 持續將廢氣排出, 過上死點後, 排氣閥關閉 Kieser (1988) 的研究中指出, 引擎的馬力分為輕型 中型與重型三種引擎, 研究在燃料特性 排氣污染法規及車輛噪音限制等規範下, 引擎零組件與燃料的未來發展情形, 並認為符合環保規範且能維持燃油經濟性為柴油引擎必須突破的障礙 Fairbanks (2000) 認為在柴油引擎的發展過程, 須面對愈來愈嚴苛的環保標準, 柴油引擎發展將會遭遇重大瓶頸, 預測於 2020 年時, 柴油引擎將因氮氧化合物與微粒的排放問題而被取代, 面臨新世代環保意識的挑戰, 若能在排放控制技術或替代燃料方面有所突破, 仍可藉由燃料經濟性與低維護成本等其他引擎無法取代的優勢, 而被廣泛使用 Zervas et al. (2006) 研究中指出柴油引擎車與汽油引擎車相比, 所排放之二氧化碳量較少且燃料經濟性較佳 表 為柴油引擎與汽油引擎之差異, 包含引擎的構造與運作的原理及燃料差別 ( 汪,2001) 柴油引擎 PAHs 之排放特徵 柴油引擎排放之污染物可分為固相 液相及氣相三相 固相及液相統稱為微粒 (Particulate matter, PM), 或是稱為總懸浮微粒 (TPM) TPM 是由油煙 無機氧化物 ( 主要為硫酸鹽 ) 及液體所組成 當柴油燃燒時, 部份之硫磺氧化成硫酸鹽, 隨後立即在排放之廢氣中與水氣反應生成硫酸 液相則由未被燃燒之柴油及潤滑油形成, 被稱為可溶性有機成分 (Soluble organic fractions, SOF) 或揮發性有機成分 (Volatile organic fractions, VOF), 其中主要成分為多環狀之芳香烴 氣相則包括氣態碳氫化合物 (HC) 一氧化碳 (CO) 氮氧化物 (NOx) 及二氧化硫 (SO 2 ) 等所組成 (Semdley et al., 1992) 柴油引擎廣泛使用於巴士 坦克 建築機械及發電機等用途, 因柴油引擎與汽油引擎相比有較高的輸出效率 較高之經濟性及傳統污染物排放量較低等優點 (Schinder, 1992) Kerminen et al. (1997) 研究指出, 柴油車排放致癌 8

18 性較強之高分子量 PAHs, 大部分存在於粒徑小於 2.5 μm 之可吸入性懸浮微粒上, 對人體健康之威脅具有加乘效果 Desantes et al. (2005) 研究中指出搭配柴油引擎之車輛所排放的廢氣中,PAHs 存在於微粒的總量高於搭配汽車引擎之車輛所排放 Leonardi et al. (1993) 研究中提到, 柴油引擎排放之微粒中, 大部份其直徑均介於 10 與 50 nm 之間 而在柴油微粒中發現, 微粒中相對之 PAHs 含量隨著引擎負荷量增加而減少 對於柴油引擎所排放出之污染物, 包括煙霧 微粒 硫氧化物 (SOx) 臭味及 PAHs 等環境問題已被國人所關心且積極研究解決方法 (Yang et al., 1999) PAHs 會造成人體的呼吸傷害 免疫系統異常 皮膚病變及生物體致癌性等風險, 其中以 BaP 為代表性 PAHs 物種 (Knize et al., 1999) Soontjens et al. (1997) 發現柴油引擎排放固相 PAHs 中之 BaA CHR BbF BaP 及 IND 具強力與氫氧根酵素 (Arylhydrocarbon hydroxylase) 產生鍵結而誘發癌症之能力 另外, 柴油引擎甚至會排放戴奧辛 (Gertler et al., 1998), 因此美國環保署正式公告柴油車排放廢氣具強烈致癌性及致突變性 表 柴油引擎與汽油引擎性能比較 柴油引擎 汽油引擎 進氣 純空氣 混合氣 速度控制 控制噴油量 控制混合氣量 點火方式 壓縮點火 火花點火 扭矩 低速時扭矩大 低速時扭矩小 熱效率 較高 ( 約 30 40%) 較低 ( 約 20 30%) 燃料霧化 利用高壓柴油, 由噴油器霧化 早期用化油器文氏管效應霧化, 現代則採用高壓噴油器於進氣岐管霧化 熱力循環 Diesel 循環 ( 等容等壓循環 ) 奧圖 (Otto) 循環 ( 等容循環 ) 引擎構造 笨重 輕巧 燃料經濟性 較省油, 經濟性佳 較耗油, 經濟性差 引擎最高轉速 較低 ( 約 2,000 4,000 rpm) 較高 ( 約 5,000 6,500 rpm) 起動特性 需大馬力起動馬達及預熱塞電路及減壓裝置 僅需小馬力起動馬達, 無需預熱塞及減壓裝置 排氣溫度 低 ( 約 ) 高 (700 1,000 ) 燃料特性 需有黏性, 著火點越低越佳 無需黏性, 著火點越高越佳 資料來源 : 汪 (2001) 不同油品中芳香烴對柴油車排放 PAHs 之影響 一般而言, 芳香烴為單或多環苯所組成, 柴油中之芳香烴成份會影響引擎燃燒溫度 粒狀物生成及 PAHs 排放 Williams et al. (1986) 發現柴油引擎排放廢氣微粒相之 PAC (Polynuclear aromatic compound) 成份與燃料中 PAC 成份非常相似, 認為 2 4 環之 PAC 主要為未燃燒之燃料所貢獻 此外, Westerholm and Li (1994) 發現相同結果且建議將燃料中 PAHs 含量降至 4 mg/l 以下以減少 PAHs 之排放 Mi et al. (2000) 在研究中將柴油中分別添加 Fluorene( 多環芳香烴碳氫化合物 ) 與 Toluene( 單環芳香烴碳氫化合物 ) 比較廢氣排放 PAHs 濃度 當添加 3% 及 5% 之 Fluorene,PAHs 之廢氣濃度分別為純柴油的 2.6 與 5.7 倍, 而添加 10% 之 Toluene 對總 PAHs 濃度沒有顯著差異, 顯示油品中多環芳香烴含量增加, 造成排放廢氣有較高 PAHs 濃度 ; 反之, 油品中單環芳香烴含量增加, 並不會造成廢氣中 PAHs 濃度提升 Pedersen et al. (1980) 研究指出主要影響 PAHs 之要素 :1. 一般芳香族化合物含量 0 60%, 當芳香族化合物含量大, 固相中 PAHs 含量亦大 2. 碳數愈高之芳香族化合物型式, 排氣中 PAHs 濃度大 3. 燃料中 PAHs 含量愈高, 其排放濃度愈大 4. 潤滑油黏滯性小, 則排氣中 PAHs 濃度小 潤滑油使用之時間愈長,PAHs 之含量愈高 油品中芳香烴含量易影響柴油引擎排氣之 PAHs, 因此各國藉由制定相關法規來規範芳香烴在柴油之含量 我國目前的柴油管制標準為民國九十四年所訂定實施, 其中柴油標準之芳香烴含量最高不得超過 35 wt%, 但卻未明確訂定多環芳香烴含量, 而因應未來國際上日漸嚴苛的汽機車排氣管制, 我國在民國一百年七月一日將實施新的柴油油品管制標準, 將多環芳香烴含量定在 11 wt% 以下, 以符合國際上的環保潮流 9

19 2.3 能源概況 能源現況 近年以來, 能源危機與環境污染問題廣受世界各國所重視, 無不積極投入研發替代能源以及減少環境污染排放 根據經濟部資料顯示, 我國每年能源需求量為約 1.38 億公秉油當量, 其中自產能源僅佔 0.7%, 高達 99.3% 之能源需求量需仰賴國外進口 無庸置疑地, 能源與國家發展及經濟活動息息相關, 其對人民生活及國家安全之重要性不言可喻 但我國因為天然資源蘊藏貧乏, 能源幾乎全數仰賴國外進口, 國際油價波動直接影響國內能源價格, 因此如何因應內外在環境之變化, 落實穩定供應國內能源需求, 已成為政府與全民共同努力之目標 經濟部能源局資料顯示 ( 表 2.3-1), 進口能源依存度由 1984 年 88.80% 增至 2009 年 99.3% 石油依存度則因能源多元化政策, 自 1984 年 59.2% 歷史高點開始下降 政府長期致力於分散石油進口來源, 減少供應風險, 中東原油進口依存度由 1984 年 83.3% 逐年下降至 1999 年的 60.4% 不過 2001 年在石油市場開放後, 對中東原油進口依存度再度升高,2009 年達到 82.0% 在能源進口值方面, 能源進口值佔總進口值比率也由 1984 年的 21.4% 降至 1999 年 7.3%, 但 2009 年又上升至 21.8% 平均每人負擔能源進口值則增至 2009 年的 54,652 元 化石能源主要來源為煤炭 石油及天然氣 依據 2009 年英國石油公司統計資料顯示, 石油尚有 42 年的可開採年限, 天然氣尚有 60.4 年而煤炭的可開採年限最長為 122 年 表 為 2008 年各類初級能源可開採年限統計, 可知石化能源儲藏量終究會枯竭 年份 進口能源依存度 能源供應種類集中度 表 能源安全度 石油依存度 10 中東原油進口依存度 能源進口值占總進口比 單位 : % 平均每人進口能源值 ( 元 ) 1984 年 , 年 , 年 , 年 , 年 , 年 ,652 資料來源 : 經濟部能源局 表 年各類初級能源可開採年限統計 種類 蘊藏量 生產量 可開採年限 石油 1, , ( 十億桶 ) ( 萬桶 / 日 ) 天然氣 , ( 兆立方公尺 ) ( 十億立方公尺 ) 煤 826,001 6, ( 百萬噸 ) ( 百萬噸 ) 資料來源 :British Petroleum (2009) 國人平均每人用電量由 1985 年 2,688 度 / 人上升至 2005 年 9,449 度 / 人, 平均每人用電量年平均成長率為 6.5%; 平均每人最終能源消費由 1985 年 1,803 公升油當量 / 人上升至 2005 年 4,770 公升油當量 / 人, 平均每人最終能源消費年平均成長率為 5.0% ( 圖 2.3-1) 此外由全球主要能源需求預測 ( 圖 2.3-2) 資料顯示, 在有限能源蘊藏下, 對於再生能源之需求也會相對提高, 因此發展再生能源乃當務之急 人類工業發展造成人類對於能源需求大增, 舊有能源由於大多是石化燃料, 燃燒時會產生大量污染物質, 除了造成環境之衝擊外, 還會對人體健康造成不可抹滅的傷害

20 各國環保意識抬頭, 我國能源發展面對京都議定書生效對溫室氣體減量之壓力 高能源價格之趨勢 傳統能源耗竭 尋求替代能源的日益迫切, 同時亦面臨能源 產業 環保政策間的協調與統合等問題 有鑑於此, 經濟部曾召開全國能源會議, 策畫兼顧經濟 能源與環境之永續發展策略方向, 研議未來能源結構調整方向, 並據以規劃具體行動方案落實執行, 以新的思維架構未來的能源政策 根據經濟部於民國 94 年所提出的能源政策白皮書之內容, 我國之能源政策即係以 永續 安全 效率 及 潔淨 為核心目標, 配合當前國內外能源環境, 在石油業 氣體燃料業 電業 再生能源及節約能源方面, 依循 調合能源 環境及經濟三者之均衡發展 強化能源合作, 提高自主能源 提升市場價格機能, 加強能源效率管理 促進能源市場自由化 加強研究發展, 擴張科技能量 及 推動教育宣導, 擴大全民參與 等政策方針加以落實, 俾建置自由 秩序 效率及潔淨之能源供需體系 此可見, 替代能源之發展已成為目前新穎之重要產業, 因此相關人才之培訓不容延緩 平均每人用電量 ( 度 / 人 ) 平均每人能源消費 ( 公升油當量 / 人 ) 資料來源 : 經濟部能源局 圖 平均每人用電量與最終能源消費 資料來源 : 經濟部能源局 圖 到 2100 全球主要能源需求預測 化石燃料大量使用的結果, 除了空氣污染問題外, 使用石化能源所產生大量的二氧化碳, 導致全球溫室效應 破壞地球的恆溫系統, 也是極需重視之問題 所謂溫室氣體的種類包括 :CO 2 CH 4 N 2 O PFC SF 6 及 HFC 與 CO 2 相比, 其他溫室氣體的溫室效應更高, 一個 CH 4 分子的溫室效應是一個 CO 2 分子的 21 倍,N 2 O 為 206 倍,CFCs 則為數千倍到一萬多倍, 不過由於 CO 2 含量遠大於其他氣體, 因此溫室效應仍是最大 溫室氣體的另一個特性是它們在大氣中的生命期相當長,CO 2 為 年, CH 4 為 年,N 2 O 為 120 年,CFC 為 102 年 一旦這些氣體進入大氣, 幾乎無法回收, 唯有自然的反應機制使其逐漸降解消失 ( 林,2008) 因溫室氣體的生命週期長, 影響時間長且為全球性, 有鑑於此必須採取因應對策 1997 年京都議定書之訂定, 預期將大氣中的溫室氣體含量穩定在一個適當的水平, 進而防止劇烈的氣候改變對人類造成傷害 所簽約之合約國規範國內產生溫室氣體的部門 實體及設施及須進行溫室氣體的管理與減量工作 11

21 我國能源發展面對京都議定書生效對溫室氣體減量之壓力 高能源價格之趨勢 傳統能源耗竭與尋求替代能源的日益迫切, 同時亦面臨能源 產業及環保政策間的協調與統合等問題 2009 年在哥本哈根所舉行的氣候會議中指出, 有鑑於 2012 年京都議定書所規定之第一階段減少排放量將到期, 此次會議目的為訂定 2012 年後的溫室氣體排放 在此次會議中提到將排放溫室氣體總量之大國納入規範範圍, 其中以美國及中國這兩大國最令人矚目, 並在全球升溫溫度控制在攝氏 2 度為前提下, 要求各國做到溫室氣體減量 有鑑於此, 經濟部曾召開全國能源會議, 策畫兼顧經濟 能源與環境之永續發展策略方向, 研議未來能源結構調整方向, 並據以規劃具體行動方案落實執行, 以新的思維架構未來的能源政策 根據經濟部於民國 96 年所提出的能源科技研究政策白皮書之內容, 我國之能源政策即係以穩定能源供應 提高自主能源比例 提高能源效率及再生能源推廣使用為核心目標, 配合當前國內外能源環境, 在石油業 氣體燃料業 電業 再生能源及節約能源方面, 依循調合能源 環境及經濟三者之均衡發展 強化能源合作, 提高自主能源與提升市場價格機能, 加強能源效率管理 促進能源市場自由化與加強研究發展, 擴張科技能量 推動教育宣導, 擴大全民參與等政策方針加以落實, 建置自由 秩序 效率及潔淨之能源供需體系 ( 經濟部能源局,2007) 上述可知, 為了減少溫室氣體排放及顧及到經濟的發展, 有必要發展一乾淨 無污染且具有自主性的再生能源 氫氣之特性 現今之能源種類中, 氫氣是一種極具發展潛力之替代能源, 氫 ( 分子 ) 是最輕的化合物, 它的沸點很低 ( ), 單位重量的體積龐大, 再加上安全問題, 運輸的成本非常昂貴 由於現今氫氣最大宗的用途是化學工業, 因此大多就地生產, 直接以管線傳輸供應工廠 管線的材料一般使用碳鋼, 但碳鋼會和氫氣反應產生氫脆 (Hydrogen embitterment), 有安全的問題, 必須嚴加注意 在地球上, 氫可在水 甲烷及有機材料中發現 大部分以水的形式存在, 換言之水為氫之最豐富載體 ( 曲等,2007), 而氫之特性及危害分別如表 及表 氫能在能源分級當中不屬於初級能源(Primary energy), 需經過特殊處理, 才有其應用價值 以氫氣作為燃料有許多優點, 包含乾淨 可恢復性及單位燃燒產能高, 詳述如下 : 1. 乾淨 : 氫燃燒後產生水, 對環境而言沒有不良影響, 因此被譽為綠色能源 2. 可恢復性 : 水只要經過電解反應就恢復成氫氣, 故氫氣為可恢復性能源 若與石油比較, 氫氣燃燒效率高於汽油 50%, 且氫氣焓容能量 (Energy content) 高於各種碳氫化合物 2.75 倍, 加上氫燃料電池 (Fuel cells) 發明後, 提高了氫轉換成電能之效率, 因此更增加了氫氣實用性 (Shah et al., 2001) 3. 單位燃燒產能高 : 氫氣的熱能值為 343,00 kcal/kg, 約為甲烷的 2.5 倍, 汽油的 3 倍 ( 張等,2002) 表 氫之特性 氫的物理與化學性質 數值及說明 原子序 (H) 1 外觀 無色 壓縮氣體 氣味 無味 易燃性 ( 固體, 氣體 ) 易燃氣體 自燃溫度 atm 及 25 下水中的溶解度 1.8% (V/V) 蒸氣密度 ( 空氣 =1) 爆炸界限 % 25 之水中 H + 之離子導電度 m 2 /mol Ω 1 atm 的熔點 atm 的沸點 H 2 在 1 atm 及 25 下的密度 kg/m 3 資料來源 : 行政院勞工委員會 12

22 項目物品危害分類圖式符號危害警告訊息危害防範措施暴露途徑急毒性慢毒性或長期毒性資料來源 : 行政院勞工委員會 表 氫之危害說明易燃氣體第 1 級 加壓氣體火焰 氣體鋼瓶極度易燃氣體, 內含加壓氣體遇熱可能爆炸置容器於通風良好的地方, 遠離引火源且禁止吸菸吸入 1. 在常溫常壓下不具毒性 2. 會取代氧而造成缺氧 3. 空氣中氧濃度不應低於 18%; 缺氧之症狀為 :12 16% 氧 : 呼吸及脈搏速率增加, 肌肉協調功能輕度障礙 10 14% 氧 : 情緒不安 異常疲勞 呼吸障礙 6 10% 氧 : 噁心 嘔吐 虛脫或失去意識 6% 以下氧 : 動作痙攣, 可能致呼吸衰竭及死亡慢性缺氧 ( 低於濃度 18%) 可能影響心臟及神經系統 氫氣的生成與來源 因氫氣有乾淨 可恢復性及單位重量燃燒熱值高等特點, 對於減少溫室氣體及補充石化能源缺乏等問題有相當助益 世界各國積極研發產氫技術, 找尋最佳生產方式, 並在未來能廣泛推廣及應用 目前生產氫氣技術有下列若干種 : 水電解 化石燃料重組及生物產氫等三大方面, 詳細敘述如下 ( 一 ) 水電解水電解製造氫氣是ㄧ種傳統成熟的製氫方法, 過程是氫與氧燃燒生成水的逆反應, 水電解法是靠直流電將水電解, 於負極產生氫氣正極產生氧氣的方法 其反應式 (2 1) 如下 : 2H O + electricity H + O (2 1) 水電解槽是電解水製氫過程的主要裝置, 電極和電解質選用對電解系統影響很大, 純水是很弱電解質, 導電率是 /Ωcm, 因此水電解製氫一般都採用鹼性水溶液做電解質, 常用的鹼性電解質有氫氧化鉀和氫氧化鈉水溶液, 電極現今常使用白金, 取代傳統的鐵和鎳, 提高其生產效率, 但缺點為價格較高 氫氣通常以高壓方式來儲存, 因此在高壓的電解反應下, 能避免額外的加壓, 但前提為適當的保護措施, 避免爆炸的危險 (Janssen et al., 2004) ( 二 ) 化石燃料重組 : 化石燃料重組可細分為蒸汽重組 (Steam reforming) 部分氧化(Partial oxidation) 及自熱重組 (Auto thermal reforming) 等, 其中以蒸汽重組為工業製程上最常使用之方式 目前工業上使用的原料為 CH 4, 其為天然氣之主要成份, 藉由甲烷和水蒸氣在升溫條件下, 產生劇烈的吸熱反應, 反應式 (2 2) 為 CH 4 產氫 : CH + 2H O + heat H + CO (2 2) 其中化石燃料重組產率受催化劑影響, 催化劑從傳統的 Ni/Al 2 O 3 到接下來的 Ni/ZrO 2 至最新的 Ni/Ce ZrO 2, 產氫量成長了 15% 但反應中的高溫會傷害觸媒, 更重要的可能造成甲烷的裂解產生碳, 而此碳會以纖維狀密封觸媒原子, 阻礙蒸汽重組反應的進行 (Clarke et al., 1997), 因此高穩定性且可解決此問題之新式觸媒正在積極研究當中, 此外在反應中隨著氫氣產生之 CO 2 可藉由水的噴灑來去除 ( 三 ) 生物產氫生物產氫為新興之氫氣產生方法, 利用具有產生氫氣能力之菌株, 以反應槽培養並且大量產生氣體後, 將氣體利用氣液分離設備單獨將氣體加以分離, 再以氣體分離技術將氫氣分離出來, 最後再經 13

23 由儲存與轉化設備作為燃料電池使用 自然界中有許多具有產氫能力之微生物, 包含單細胞綠藻 藍綠菌 光合細菌及發酵菌等, 而產氫又分為下列形式, 詳述如下 : 1. 藻菌類產氫 : 可細分為直接生物降解及間接生物降解產氫之方式 綠藻在光照環境下行光合作用, 利用氫氣固定二氧化碳, 或進行水裂解產生氫氣及氧氣, 此系統稱為直接生物降解 ; 藍綠菌先利用光合反應固定二氧化碳, 在生物體中產生醣類儲存, 再行光解反應降解有機物產氫, 此系統稱間接生物光解 ( 曲等,2007) 2. 發酵產氫 : 機制為厭氧環境下, 將有機物分解為小分子有機酸, 且利用所得的還原能, 透過 Hydrogenase 酵素行化學反應產生氫氣, 僅依靠生質物所含之化學能轉換, 不需任何的光照 由於只利用化學能製氫, 因此只適用於化學能含量較高及還原電位較高之生質物 ( 曲等,2007) 綜合上述可知, 目前的產氫技術以化石燃料重組為最成熟之技術, 其中以天然氣產氫最為經濟, 然而若附加二氧化碳之移除及封存費用, 則經濟效益會降低 未來石化能源逐漸缺乏, 原料來源也是問題所在, 未來則著眼水電解產氫及生物產氫方面, 生物產氫技術困難在於需控制較多參數且原料及微生物方面有所限制, 目前使用率較低 水電解產氫因水之取得容易 氫之純度較高及產物純淨等優點, 搭配儲氫技術發展, 未來實際使用機會高 雙燃料車使用現況 自工業革命以來, 化石能源不斷的大量使用, 目前全球化石能源蘊藏量所剩無幾, 然而將有限的資源達到最大使用效益外, 研發替代能源亦為重要之議題 柴油引擎與汽油引擎相較下有較高的熱效率 輸出效率及低燃料成本, 因此柴油引擎在未來極具發展潛力 替代能源使用方面需符合環保潮流, 達到可再生性 永續性及方便性等特點與目前固有設備的適用性 目前各國常使用之替代能源種類有天然氣 醇類 生質柴油及氫氣等 替代能源欲與柴油引擎搭配使用, 適度改造引擎則可以雙燃料車的形式來使用, 分類詳述如下 : ( 一 ) 天然氣雙燃料車天然氣具高燃燒效率與燃燒清潔性, 在引擎效能與環境友善性極有助益 一般而言, 氣相燃料應用於引擎中常以輔助燃料形式使用, 將天然氣從進氣岐管中注入, 混合空氣進入引擎燃燒室中燃燒 Papagiannakis and Hountalas (2003) 研究指出, 以天然氣為輔助燃料注入引擎燃燒室中燃燒, 引擎廢氣中一氧化氮與煙塵生成量低於燃料為純柴油時, 但引擎汽缸壓力與熱釋放效率較純柴油低 天然氣雙燃料車在制動單位燃料消耗率比純柴油油耗消耗高, 引擎排放污染物中以一氧化氮與煙塵達到減量效果, 但一氧化碳排放濃度則呈現上升 (Papagiannakis et al., 2010) ( 二 ) 醇類雙燃料車醇類應用於引擎燃料最早在 1880 至 1890 年代,Henry Ford 以乙醇為引擎燃料主要於提昇燃料中的辛烷值 (Al-Hasan, 2003) 醇類含有氫氧自由基, 能提供燃燒時較佳的燃燒環境 目前常做為引擎燃料的醇類有甲醇與乙醇, 但甲醇有六成由天然氣 煤炭及石油等提煉生產, 較不環保 乙醇可由農作物 ( 甘蔗與玉米 ) 提煉生產製造, 相當具有可再生性與永續性 Li et al. (2005) 研究指出, 乙醇為輔助燃料可減少引擎廢氣中懸浮微粒 碳氫化合物及一氧化碳排放, 而氮氧化物排放則與引擎操作條件有關 Rakopoulos et al. (2008) 研究以 5% 與 10% 之乙醇添加於柴油中, 結果顯示添加乙醇比例 10% 時, 煙密度 (Soot density) 氮氧化物及一氧化碳較添加 5% 乙醇時濃度低, 但總未燃碳氫化合物與制動單位燃料消耗率則為添加 10% 乙醇時數值較高 近幾年來, 丁醇的研發使用亦相當受到矚目, 丁醇生產方式除了從農作物生產製造外, 亦可由生質柴油中的副產物 甘油以厭氧發酵生產製造, 大幅提升了生質柴油的經濟效益 丁醇之十六烷值與熱值皆高於乙醇, 更適合做為柴油引擎燃料 Rakopoulos et al. (2010) 研究以丁醇比例 8% 16% 及 24% 添加於柴油中, 結果顯示在丁醇比例 24% 時, 煙密度 氮氧化物及一氧化碳排放濃度呈現下降, 而制動熱效率與制動單位燃料消耗率則呈現上升趨勢 ( 三 ) 生質柴油雙燃料車近十年來, 生質柴油的使用已相當廣泛, 舉例來說, 我國已在市售柴油中添加 2% 的生質柴油 生 14

24 質柴油之油品性質相當類似化石柴油, 應用於柴油引擎無虞, 且生質柴油中富含 11% 的含氧量, 對於排放黑煙有相當顯著的減量效果 起初從農作物中提煉製造為生質柴油, 有與民爭食的餘慮, 而目前以廢食用油為生產原料不但解決了廢油的處理問題, 亦大幅增加我國生產生質柴油總量 Lapuerta et al. (2008) 統計研究指出, 使用生質柴油為燃料時, 懸浮微粒 一氧化碳及總碳氫化合物濃度降低, 但制動單位燃料消耗率與氮氧化物濃度則呈現上升 Yuan et al. (2009) 研究以石蠟油 棕櫚生質柴油混合燃料進行柴油引擎醛酮污染物排放測試, 結果顯示使用純棕櫚生質柴油 (100%) 與添加棕櫚生質柴油 20% 時, 總醛酮污染物與使用柴油為燃料時上升了 11.5% 與 6.1%, 而醛酮化合物為形成臭氧之前驅物, 將影響到大氣中臭氧生成與人體健康 He et al. (2010) 研究添加生質柴油對多環芳香烴濃度影響, 結果顯示添加 100% 與 20% 生質柴油時, 總多環芳香烴減量為 19.4 與 13.1% ( 四 ) 氫氣雙燃料車氫氣為最乾淨的燃料, 因其結構式中不含碳原子, 燃燒後產生的含碳污染物總量最低, 對環境影響較小 生產製造氫氣最簡單的方法是將水電解產生氫氣與氧氣, 且氫氣與氧氣經逆反應後又可再生成為水, 相當的環保 Saravanan et al. (2008) 研究以氫氣與乙醚為輔助燃料進行引擎測試, 結果顯示氫氣為輔助燃料時, 制動熱效率可提升 22%, 含碳污染物 ( 一氧化碳 二氧化碳 黑煙及碳氫化合物 ) 排放濃度皆低於純柴油為燃料時 Roy et al. (2010) 研究以氫氣為輔助燃料進行測試, 結果顯示在引擎熱效率可達 42%, 且一氧化碳與碳氫化合物排放濃度極低, 但氮氧化物排放濃度則偏高 Bari and Esmaeil (2010) 研究以氫氧氣做為輔助燃料進行測試, 結果顯示採用 4.84%,6.06% 和 6.12% 的氫氧氣比例, 在引擎負載為 19 kw 22 kw 及 28 kw 時, 制動熱效率分別從 32.0% 上升至 34.6% 32.9% 至 35.8% 及 34.7% 至 36.3%; 節油效益可達 15.1%,15.2% 和 14.9%; 柴油引擎排放的碳氫化合物 一氧化碳及二氧化碳降低, 而氮氧化物排放量增加 2.4 生質柴油之發展 石化燃料在工商業發展上扮演一個相當重要的腳色 近年來, 由於石油價格不斷上揚, 且石油的蘊藏量有限下, 世界各國紛紛積極投入替代性能源之研究, 開發新再生能源及替代燃料, 除了延長石油的使用年限外, 也希望降低對石油燃料的依賴性 生質柴油便是替代性能源之ㄧ, 因生質柴油係動 植物油脂經不同製程所產製的, 其中最常見的製程為轉酯化反應 (Transesterification) 生質柴油具有能源再生性 生物分解性與低污染性, 可減少空氣污染, 且其性質與柴油相近, 可直接使用在柴油引擎上, 或與柴油混合做為燃料, 不需更改任何引擎設計與設備 (Kalligeros et al., 2003; Schumacher et al., 1996; 徐,2001) 人類開始注意到因大量使用化石燃料所產生的許多污染, 已經造成大氣中溫室氣體的遽增及氣候的變遷,1990 年代開始, 許多國家紛紛投入生質柴油之產製計畫, 並搭配各種優惠措施鼓勵生質柴油之生產與推廣, 使得發展生質柴油做為替代能源也逐漸受到肯定, 幫助能源多元化, 也減緩了石油的耗竭與依賴性 至於臺灣在生質柴油的發展上, 尚屬於剛起步的階段, 自 92 年起經濟部能源局即投入相關技術發展與推廣之計畫, 目前工研院也發展出本土之生產技術, 並技術移轉至廠商設廠生產 為了加速生質柴油推廣, 經濟部研擬 發展綠色能源 生質燃料執行方案, 此方案包括生質柴油與生質酒精的推動計畫, 其策略主要是由小而大循序漸進, 藉由局部示範推廣進而達成全面普及使用, 並藉此扶植國內生質能源產業 生質柴油特性 生質柴油 (Biodiesel) 定義為以植物油和動物脂肪, 經不同化學反應後所產生之單烷基酯類 (Knothe and Steidley, 2005), 其結構如圖 所示, 其中 R R' 分別代表長碳鏈碳氫化合物與低碳數的烷基 生質柴油可直接使用或混合柴油做為燃料, 且與石化燃料所提煉之柴油一樣具有長碳鏈之結構, 而長鏈的碳氫結構與燃料燃燒延遲具有密切關係 一般而言, 長鏈飽和的分支碳氫化合物的十六烷值 (Cetane Number) 較高, 而分支不飽和碳氫化合物, 其十六烷值則較低 生質柴油與化石柴油相比, 因其結構中 15

25 含有豐富的含氧量及成分中硫化物含量極少, 故生質柴油可減少二氧化碳 一氧化碳 懸浮微粒 硫氧化物及多環芳香烴 (Polocyclic Aromatic Hydrocarbons) 等污染物的排放 Utlu and Kocak (2008) 研究中使用生質柴油可降低 CO 2 約 14.0% CO 約 17.1% 及煙密度約 22.5% 排放 此外, 生質柴油對於健康影響較低且利於環保, 亦可降低石油的消耗及進口石油的量, 未來若使用 100% 生質柴油取代一般柴油, 則需再增加熱值 引擎功率 降低氮氧化物排放和改善低溫燃燒特徵 (Kegl, 2008) 生質柴油特點如下 ( 陳,2000): 圖 烷基酯類之結構式 1. 閃火點 (Flash point) 高, 在美國西南研究院 (Southwest ResearchInstitute) 所做的特別報告中顯示, 純生質柴油的閃火點為 150 以上, 而一般石化柴油則在 之間, 因此生質柴油在儲存 運輸 管理及使用上比較安全 2. 熱值為 BTU/gal, 比高級柴油 ( BTU/gal) 稍低 ; 但引發最大扭力曲線呈現與高級柴油略同, 因此使用生質柴油為燃料的柴油引擎, 可不必任何改造或調整即可使用 3. 潤滑性佳 因生質柴油的黏滯性大於純柴油 1.53 倍 ( 林,2009), 所以在傳統柴油中加入少量的生質柴油 (1 5%) 即有顯著得潤滑性改善效果 4. 生物可分解性優良 在美國愛達荷大學 (University of Idaho) 的研究中, 曾比較生質柴油與一般柴油在清水中的生物分解性, 結果顯示生質柴油約有 95% 可以在 28 天內完成分解, 而一般柴油在 28 天只分解 40% (University of Idaho, 1996) 5. 毒性低 美國威爾實驗室以大型蚤 (Daphina Magma) 做水生動物毒性測試, 分別比較食用鹽 石化柴油 生質柴油的毒性, 食用鹽的半致死濃度 (LC 50 ) 數值為 3.7 ppm, 石化柴油為 1.43 ppm, 生質柴油則介於 ppm 之間 (University of Idaho, 1996) 6. 含硫量 < 0.01%, 十六烷值可達 50 以上 ( 一般石化柴油為 42 48) 7. 廢氣臭味較低及含氧量多, 不需更換引擎設備, 即可以代替部分化石柴油 生質柴油製造與方法 植物油可以直接使用於柴油引擎上, 但植物油高黏滯性和低揮發性容易降低柴油引擎之噴射霧化效果, 造成燃燒不完全和積碳 (Knothe and Steidley, 2005), 會影響引擎的耐用性, 若能有效降低黏滯度, 植物油將被廣泛應用在引擎上 一般用來降低植物油黏度的技術分為四種, 混合其它溶劑稀釋法 微乳化法 熱解法及轉酯化法 (Schwab, 1987; Ma and Hanna, 1999), 分述如下 : 1. 混合其它溶劑稀釋法 (Blending/Diluting): 稀釋法是將動植物油脂與石化柴油 化學溶劑或醇類按照不同比例直接混合使用 Adams et al. (1983) 將大豆油與 2 號柴油分別以 1:2 和 1:1 的比例混合, 直接使用在渦輪引擎並發動 60 hr 當混合比例在 1:1 時, 潤滑油會有凝膠現象產生, 而 1:2 的比例不會出現該現象, 因此適合作為農用機械的燃料 2. 微乳化法 (Micro-emulsion): 微乳化法以化學方法或機械攪拌將甲醇 乙醇或丁醇與動植物油脂等二種不相溶液體混合成均勻像膠狀溶液, 呈現微乳化狀態, 可藉由微爆現象促進燃燒反應 微乳狀液是一種透明的 熱力學穩定的膠體分散系, 由兩種不互溶的液體與一種或多種的離子或非離子的兩性分子混合而形成的, 直徑在 nm 的膠體平衡體系 (Ma and Hanna, 1999) 3. 熱解法 (Pyrolysis): 熱解法在無氧狀態下利用高溫加熱將大分子長鏈的植物油脂裂解為短鏈小分子物質之過程, 並可添加觸媒加速熱裂解反應, 產物主要包括烷烴 烯烴 二烯烴 羧酸 芳香烴和一些氣體物質 Schwab et al. (1988) 將大豆油熱裂解後, 結果顯示 75% 的產物主要是由烷類 烯類 芳香族和羧酸所組成, 其碳數主要為 C 4 C 20 經由熱裂解後, 與原本的大豆油相比有比較低的黏性及較高的十六烷值 Billaud et al. (1995) 研究油菜籽油在管狀反應器中並通入氮氣, 溫度設定在

26 850 之間進行裂解反應得到混合產物 主要的產物有烯烴, 石蠟和不飽和酯類, 氣體部份主要是一氧化碳 二氧化碳和氫氣 4. 轉酯化法 (Transesterification): 轉酯化反應是由三酸甘油脂和醇類反應成脂肪酸甲酯和甘油之過程 轉酯化反應與催化劑形式和濃度 反應溫度和時間 游離脂肪酸含量及油品的含水量有重大的關係, 且因轉酯化反應過程較為緩慢, 因此在反應中加入催化劑, 催化劑可使用酸催化劑 鹼催化劑或酵素, 與使用酵素為催化劑比較, 鹼和酸催化劑進行轉酯化反應所需時間較短且花費較低, 其中又鹼性催化劑 (NaOH) 最常被使用 一般反應溫度設定 ( 甲醇的揮發溫度 ), 較高的反應溫度會提升分子的動能, 增加反應物分子碰撞機會, 因此溫度對反應速率有提升的作用 根據 Freedman et al. (1984) 對轉酯化反應動力學的研究發現, 最初的反應速率並不快, 一但各反應物充分混合後, 反應速率則在 20 分鐘內大幅提升 綜合上述方法, 其中以稀釋法最為簡單, 但經實際測試後, 因植物油的高黏度 所含的酸性組成及游離脂肪酸等, 導致儲存期間發生氧化反應和聚合作用, 且燃燒後碳沉積和潤滑油黏度增大等問題, 故在使用前必需以再加熱方式來降低黏度 微乳化法雖然加入揮發性液體能有效降低黏度, 但使用於柴油引擎上亦會造成積碳問題, 且因加入了揮發性物質使十六烷值與熱值下降, 另一方面易使油品變質, 因而較少使用微乳化法 熱解法是在無氧環境下透過高溫加熱或催化劑催化下高溫加熱, 使物質斷裂生成小分子物質的過程 植物油 動物脂肪及脂肪酸的分子量較大, 可經由高溫裂解使分子量減小達到降低黏度, 雖然植物油等原料透過高溫裂解, 可以得到與石化燃油化學成分相似的汽油和柴油, 然而高溫裂解所需設備昂貴, 裂解時反應條件要求高, 反應後其產物較複雜 (Demirbas, 2003) 且產品穩定性不佳, 因此無法被利用於工業上生產 目前以轉酯化法最為普遍, 植物油經轉酯化反應後, 其燃燒特性與化石柴油接近, 且具有更高的十六烷值, 十六烷值表示在其燃油噴射到燃燒室點火延遲時間, 較高的十六烷值可以縮短點火的延遲 (Demirbas, 2006), 反應完後油品能直接使用於柴油引擎中不需對引擎做任何更改 進行轉酯化反應時, 醇類的碳數愈少愈容易進行反應, 其須注意的是, 轉酯化反應為屬可逆的反應行為, 所以添加過量的醇類將會破壞生成物側的化學平衡 (Ma and Hanna, 1999), 亦提高煉製上的成本, 低分子量甲醇 乙醇和丙醇生產生質柴油產率無明顯不同 甲醇含毒性但其價格低廉且具有易溶解於油中的特性, 乙醇缺點為反應性低且產生乙酯黏滯度高和其低溫特性低於甲醇 (Demirbas, 2007) 而轉酯化反應醇油莫耳比從 6:1 13:1 廣為被研究, 其中以莫耳比為 10:1 則最常被使用 (Sharma and Singh, 2008) 生質柴油引擎污染物之排放 國外對於生質柴油的排放已經有許多的研究, 生質柴油其含氧量高可以促進燃燒效率, 大幅降低 Smoke CO CO 2 PM 及毒性物質多環芳香烴 (PAHs) 等污染物的排放, 但 NO x 的排放有些微增加的趨勢且油耗比柴油高, 可能為生質柴油其熱值較柴油低, 當引擎輸出相同功率時, 生質柴油就必須消耗更多的油, 來提供相同的熱值輸出, 因此油耗勢必會增加, 而在扭力與馬力的輸出, 表現不如使用柴油來的佳, 但兩者的差距並不大 (Dorado et al., 2004) Durbin et al. (2000) 研究比較四種不同油品引擎排放 PAHs 濃度, 分別是加州柴油 合成柴油 生質柴油及添加 20% 生質柴油, 濃度範圍為 mg/mi, 最高為 Napthalene; 粒狀物相濃度範圍 mg/mi, 最高為 Pyrene; 油品中 PAHs 含量以加州柴油的 0.17 wt% 為最高, 純生質柴油中含 PAHs 量甚微, 所以排放 PAHs 量相當低 在義大利以生質柴油為引擎燃料, 與石化柴油比較排放 PAHs 濃度特徵, 控制不同的空氣 / 燃料比下, 分別為 及 3.73 air/fuel 下, 柴油和兩種生質柴油排放總 PAHs 濃度分別為 及 ng/ni; 及 ng/ni; 與 1.56 ng/ni, 由此可知生質柴油對引擎排放 PAHs 有降低趨勢, 因為生質柴油中不含 PAHs, 所以排放量是較柴油低的, 對 PAHs 有減量的效果 (Cardone et al., 2002) 純生質柴油 - 廢橄欖油用於柴油引擎中, 對排放 CO 減量 58.9% CO 2 減量 8.6% NO 減量 37.5% 及 SO 2 減量 57.7%, 但 NO 2 增加 81% 且油耗量也增加 8.5% (Dorado et al., 2004) 添加生質柴油 黃豆油於重柴油引擎中, 對於排放 PM THC 及 CO 有減量效果, 但 NO x 排 17

27 放有些微增加, 可以藉由調整引擎噴射延遲降低 NO x 排放量, 最佳添加比例建議在 20% (Schumacher et al., 1996) 添加生質柴油 - 棕櫚油於柴油引擎中, 對於 CO HC 排放量有降低, 添加後可以增加燃燒效率是正面趨勢, 排氣溫度呈現上升的趨勢,CO 在 B50 時排放濃度最低,CO 2 在 B50 排放濃度最低,HC 約在 B25 50 及 75 都有不錯降低的現象, 以純生質柴油和添加 75% 有最佳減量效果, 若考慮不同引擎運轉條件, 以添加 50% 有較低污染物排放量 (Al-widyan et al., 2002) 分別添加生質柴油 - 葵花油及橄欖油於船用柴油引擎對於排放 PM HC CO 及 NO x 有減量效果 ;PM 的減少與生質柴油本身含有額外的氧氣及低硫的特性有關, 在最大負荷下 PM 降低量最少, 約在 75% 負荷下達到最佳減量效果 硫酸鹽吸附在煙煤粒狀物上, 增加 PM 排放, 由於含氧量增加促進燃料較完全燃燒氧化, 導致 PM 的減少 十六烷值是較高的, 由於十六烷值的增加, 造成點火遲延降低, 進而減少預混火焰的大小, 燃燒壓力之提升更加緩慢, 而有更多時間藉由熱交換和稀釋來冷卻, 導致較低局部氣體溫度 芳香族和多環芳香族碳氫化合物含量和高 NO x 排放有關係, 芳香族含量會使火焰溫度提升, 造成較高 NO x 排放 芳香族有高的碳 氫比, 添加生質柴油後, 芳香族含量較低, 燃燒後產生較少量 CO 2 及大量的 H 2 O NO x 排放量隨添加生質黃豆油增加而增加, 可能是生質黃豆油使得排氣溫度升高 20 70, 由於生質柴油的不同物理性質造成注入時間的不同, 假如注射油量的改變, 如旋轉注射馬達, 造成注射時間的改變, 注入時間的促進與部分 NO x 的減少有關聯, 但經適宜調整引擎噴射時程或添加氧化觸媒則可改善 黑煙排放量是隨著添加比例增加而減少的, 引擎的速度增加黑煙排放量呈現降低的趨勢 HC 和 CO 排放減少, 由於漁船油料性質是低蒸發性, 使得燃燒特別緩慢而且不穩定, 經由生質柴油添加造成較快的蒸發以及較穩定性,HC 和 CO 排放便降低了 另外, 添加生質柴油, 易形成燃燒性混合物, 由於增加十六烷值可以增加燃燒效率 添加比例增加 HC 排放量是減少的, 因為黃豆生質油本身有含氧, 所以改善燃燒效率, 若是四汽缸的引擎比兩汽缸引擎對 HC 排放減量更多, 因為四汽缸燃燒較完全 添加生質柴油於柴油或純生質柴油在柴油引擎中, 其耗油量方面都是呈現略微增加的 (Kalligeros et al., 2003) 若以植物油 ( 未酯化 ) 做為替代燃料的缺點在於油脂的分子較大, 其粘度也較高, 本身含較低的熱質及低揮發性, 以致易使油脂粘在注射器頭或蓄積在引擎氣缸內造成噴射器頭的碳化而影響其運轉效率, 若全部使用則燃油不易原子化且與空氣混合較差, 造成比較不完全的燃燒, 延展性差影響注入油料的時間和噴射時程, 使之噴射效果不佳 另外, 植物油脂的氧化穩定性較低而易產生熱聚合作用, 更易蓄積在噴射器頭, 而影響燃燒 這些不完全燃燒致使產生更多的油脂蓄積, 並且其潤滑性遞減, 引起冷車不易起動及點火遲延等 若使用未轉酯化植物油為燃料其 PM 排放是增加的, 而 CO 排放也是增加 植物油本身高黏滯性和高密度, 係其不適用於柴油引擎的關鍵因素, 目前最常用的方法為將植物油脂予以轉酯化, 製造甲酯 (Ali et al., 1995; Altin et al., 2001) 2.5 計算流體力學 (CFD) 概述 由於實務上之流體力學經常是三度空間 亂流 ( 或紊流 ) 及複雜之形狀, 常需藉助電腦之數值計算來以分析求解 近年來, 電腦的計算速度及儲存能力都有大輻的躍進及提昇, 使得計算流體力學 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 之應用日益受到重視 CFD 的優勢乃在於可重複變換各種不同之條件進行模擬分析, 亦可對於未知狀況做不同假設進行預測, 特別是對於需要龐大實驗方能得到結果之問題, 更可省下大筆人力 物力及時間 本研究所使用之計算流體力學軟體為 CD adapco Group 公司所開發的 Star-CD 泛用型數值軟體 Star-CD 提供多項數值方法求解 Navier-Stokes 方程式, 範圍涵蓋層流 亂流 可壓縮流 浮力作用流場 濃度擴散場 多相流 熱擴散流場 熱輻射流場 燃燒流場與化學反應之流場等 另外,Star-CD 亦具備強大的非結構往格系統 (unstructured mesh), 可接受六面體 四面體 三角柱體及多面體等形狀, 對於網格建立有極大的彈性, 可就實際模型進行網格自動建立, 並修正格點的扭曲度, 自由調整靠近壁面格點的疏密度 本研究所使用之 Star-CD (2003) 計算流體力學軟體, 為多種泛用型數值軟體中公認適用範圍最大者之一, 不論在無縫管之製造 (Reggio et al., 2002) 冷卻器之模擬 (Arbeiter et al., 2006) 渦輪機腐蝕 (Mazur et al., 2002) 管中粒子的輸送 (Schallert and Levy, 2000; Huber and Sommerfeld, 1998) 冰箱內流場分析 ( 李,2005) 都市街谷中車輛排放污染物的模擬 (Craig et al., 2001) 及長隧道中車輛排放污染物的模擬 ( 李,2010) 等, 皆證明其具有良好之適用性及準確性 18

28 第三章研究方法與步驟 3.1 研究設備與方法 本研究以一柴油車動力計 ( 如圖 3.2-1) 進行試驗, 以探討在穩態條件下, 引擎轉速為 1,600 rpm, 扭矩為 145 Nm( 約為最大扭矩之 27.2%) 運轉 氫氧機產生之氫氧氣經由氣體流量計 (TGS 1301/280) 控制流量, 並在進氣岐管線裝設防爆裝置, 以不同氫氧進氣量 ( 及 70 L/min) 進入燃燒室, 其中每循環之引擎運轉時間皆為 20 分鐘, 實驗過程須放置吸引式顯示型氫氣偵測器 (Portasens II, Analytical Technology, Inc., PA, USA), 避免氫氣外漏造成危害 採樣後針對不同氫氧進氣量, 對柴油引擎廢氣中 PAHs 與傳統污染物之排放濃度 排放因子與削減率以及能源節約情形做分析討論 以最佳氫氧氣進氣量下對不同混合比例之廢食用生質柴油 (B1 B5 B10 B20 B30) 柴油引擎 PAHs 與傳統污染物之之排放濃度 排放係數與削減率以及能源節約情形 並藉由模式了解燃燒室之燃燒熱流場 氫氧混合氣對液體燃料之霧化效應, 對引擎室內燃燒流場及火焰結構之影響與模擬氫氧混合氣霧化效果對燃燒效率及燃燒生成氣體分佈之影響 柴油引擎試驗控制台 柴油引擎污染分析系統 柴油引擎試驗台 圖 柴油車動力計 柴油引擎排煙稀釋道 3.2 採樣方法與設備 柴油引擎 本實驗採用之重型柴油引擎為美國福特 CUMMINS, 係為六汽缸, 四行程, 汽缸內徑 (Bore) 及衝程高度 (Stroke) 為 102 mm 及 120 mm, 採自然進氣型式, 噴油燃燒型式為直接噴射式 (Direct Injection), 總排氣量約 5,880 C.C., 冷卻方式為水冷, 詳細的重型柴油引擎規格如表 柴油引擎之煙道廢氣採集符合美國聯邦測試程序, 於排氣尾管加裝排氣稀釋道, 除了能提供固定而標準之稀釋比例外, 並且提供黑煙 懸浮微粒物或其它氣態污染物之量測, 本實驗所有相關測試部份在中油煉研所 HDD 實驗室 ( 行院環保署指定之重型柴油引擎污染檢測參考實驗室 ) 執行 19

29 3.2.2 氫氧機 本實驗採用之氫氧機為友荃科技實業股份有限公司 (Epoch) 所研發, 型號為 EP-560A, 其產氣原理係由水經電解反應產生之氫氣及氧氣 此類產品廣泛應用於焚化爐 鋼鐵切割 工業焊接 汽車業 鋁材業等工業及商業上之應用, 詳細氫氧機規格如表 三相電力分析儀 本研究以義大利 Elcontrol Energy Net 公司之三相電力分析儀, 其型號為 Microvip3 plus 主要用於測量氫氧機製備氫氧氣所耗之功率, 評估柴油引擎添加氫氧氣之節能效益 表 重型柴油引擎規格表 項目 數值 引擎型式 CUMMINS B 汽缸內徑 (Bore) 衝程 (Storke) 102 mm 120 mm 最大馬力 118 kw/2,500 rpm 最大扭力 534 Nm/1,600 rpm 惰速轉速 740 rpm 引擎壓縮比 17.9:1 燃料噴射順序 資料來源 : 中油嘉義煉製所 項目氫氧機型號使用電壓 AC 工作電流 DC 最大使用消耗功率最大耗水量體積 W D H 最大產氣量總重資料來源 : 友荃科技實業股份有限公司 PAHs 採樣 表 氫氧機規格表 數值 EP 560A 220 (V) 60 (A) 14.3 (kwh) 3.5 (L/h) 700 1,620 1,400 (mm) 5,200 (L/hr) 400 (kg) 1. 顆粒相 PAHs 之採集 : 顆粒相 PAHs 以濾紙採集, 濾紙直徑為 70 mm, 孔徑 0.8 μm 之石英濾紙 前處理須將濾紙置於 450 之高溫烘箱爐中, 以高溫方式去除附著於濾紙上 PAHs, 再置於恆溫箱中平衡重量, 並於採樣前取出秤重 待實驗結束後, 將截留引擎廢氣中總懸浮微粒及附著在總懸浮微粒上之 PAHs 濾紙, 放入濾紙盒, 再以錫箔紙密封 置入恆溫乾燥箱中平衡 8 小時後稱重, 再進行 PAHs 分析程序 2. 氣相 PAHs 之採集 : 氣相 PAHs 之收集係利用一玻璃套筒, 內部配置將上層與下層各填 25 mm 之泡棉 (PUF), 中層填充 50 mm 之 XAD-16 樹脂, 以作為收集氣相 PAHs 之吸附劑 採樣前須將泡棉與 XAD-16 樹脂淨化處理, 將裝填完畢之玻璃套筒置入大型索氏萃取器 (Soxhlet extractor) 中, 先以 1,000 ml 之去離子水迴流淨化 24 小時, 再依序以甲醇 二氯甲烷及正己烷等溶劑迴流淨化 24 小時, 待烘乾後以錫箔紙包覆備用 排氣取樣設備 排氣取樣設備藉由定容取樣系統 (Constant volume sampling system, CVS) 量測引擎排放之粒狀及氣 20

30 態污染物, 其中將引擎排氣及稀釋空氣混合後之總容積加以量測, 同時以定比例且連續式取樣蒐集並分析, 而污染物質量乃根據取樣氣體濃度 粒狀污染物採樣濾紙重量差異及測試期間取樣系統總流量決定 本實驗採用雙稀釋系統, 能分別控制稀釋空氣流率在 4,250 3,000 2,000 及 1,000 cfm, 主稀釋道內徑為 cm, 氣態污染物在主稀釋道中取樣, 採樣溫度低於 191 ; 二次稀釋道內徑為 cm, 粒狀污染物於二次稀釋道中取樣, 採樣溫度低於 51.7, 顆粒相之懸浮微粒 (PM) 取樣由直徑 70 mm 之濾紙採集 利用臨界流文氏管 (Critical flow venturi, CFV) 方式, 藉由穩定控制文氏管二端空氣進出之壓差以及稀釋空氣溫度達到一定稀釋比例之目的 稀釋氣體以 Spencer 鼓風機 (4,600 SCFM 127 Hp 3,550 rpm) 將外界空氣引進, 再經濾清器處理後導入稀釋道, 其重型柴油引擎煙道廢氣採樣分析流程如圖 樣品分析 圖 重型柴油引擎煙道廢氣採樣分析設備圖 ( 一 ) 傳統污染物傳統污染物 (CO CO 2 THC NOx 及 PM) 分析, 其中 CO 與 CO 2 以非分散紅外線偵測器 (Non-dispersive infrared detector, NDIR) 分析 (model 880A, Rosemount, UK);THC 則以火焰離子偵測器 (Flame ionization detector, FID) 分析 (model 404, Rosemount, UK) ; NOx 則以化學發光儀 (Chemiluminescent detection, CLD) 分析 (model 955, Rosemount, UK); 而 PM 則以五位數微量天平秤量 (AT200, Mettler, Switzerland) ( 二 ) PAHs 本研究以 Agilent Technologies 6890N/5973 之氣相層析質譜儀 (GC/MS) 進行 21 種 PAHs 物種之分析 在分析之前, 須對樣品進行 4 個前處理步驟, 包括樣品萃取 萃取液濃縮 萃取液淨化及淨化液再濃縮 採樣分析前處理及分析程序敘述如下 : 1. 樣品萃取 : 收集之樣品須先經過萃取程序程序處理, 萃取方法為先將濾紙及玻璃套筒置於索氏萃取器 ( 高 16 cm, 內徑 4 cm) 中, 萃取器底下之圓底燒瓶之容積為 1,000 ml, 內置 700 ml 的正己烷及二氯甲烷混合液 ( 體積比為 1:1), 萃取 24 小時, 每小時維持 4 個循環 24 小時後將加熱裝置關閉, 使萃取液冷卻後將中 下段取出, 並把萃取液倒入圓底燒瓶後, 將濾紙及套筒取出, 再把另一組套筒置入, 再依其上述過程迴流 萃取完畢後, 讓萃取器冷卻 萃取過程所有裝置一律放置於抽氣櫃中, 萃取程序進行時, 抽氣之馬達必須打開, 以避免溶劑蒸氣蓄積室內危害人體健康或引起火災 在萃取過程中, 為減少 PAHs 之衰減, 應儘量避免光線之照射 2. 萃取液濃縮 : 將萃取液以高純度氮氣緩慢吹拂濃縮至 2 ml, 而吹拂時需注意液面凹陷程度不可過深, 過深時則須調整氮氣流量大小 3. 萃取液淨化 : 本實驗採用管柱分離之淨化法, 淨化之目的為去除樣品中之干擾物質, 避免氣相層析 21

31 儀分析時產生過多雜訊, 影響分析結果 淨化管填裝方式係將矽膠 (Silica gel)15 g 與正己烷充分攪拌後, 再以乳頭吸管吸取, 填入淨化管中 矽膠上方, 覆上 1 g 無水硫酸鈉, 使萃取液中水分及其他高極性物質得以與樣品分離 管柱中所填充之矽膠及無水硫酸鈉須經預先處理才能使用, 矽膠須先置於 105 之烘箱內乾燥 8 小時, 稱重 15 g 再加 3% 之蒸餾水予以活化 而無水硫酸鈉則於淨化前置於 450 烘箱內活化 24 小時 在最初使用之前, 先用正己烷清洗淨化管以去除任何微量之污染物 將 2 ml 之樣本倒入淨化管內並加入 50 ml 之正己烷沖洗圓底燒瓶內殘留之 PAHs, 再以體積 50 及 100 ml 之正己烷分次倒入淨化管中, 最後由三角錐瓶收集淨化液 在實驗過程中, 需以黑色塑膠袋覆蓋整個裝置, 避免 PAHs 因光線照射而衰解 4. 淨化液再濃縮 : 淨化過後之溶液再以高純度氮氣吹拂至 1 ml, 裝於密閉之棕色玻璃瓶內, 以 GC/MS 分析 若無法馬上分析, 樣品須置於冷藏櫃中以 4 保存, 以減少樣品中 PAHs 之衰化反應 本實驗設定樣本溶液每次之注入體積為 1 μl 氣相層析質譜儀內配置之管柱為 ULTRA B 015, 內徑 0.32 mm, 厚度 0.17 μm, 長度為 50 m 其氣相層析儀之升溫程式設定為初始溫度 50, 維持 2 分鐘 ; 第一段升溫速率 20 /min, 升至 100 ; 第二段升溫速率為 3.5 /min, 由 100 升至 290 後維持定溫 20 分鐘 攜帶氣體為氦氣, 樣本注射口之溫度設定為 PAHs 分析之品質保證與品質控制 空白試驗 本研究為避免來自溶劑 試劑 玻璃器皿及其他樣品處理過程中所用之器皿的污染, 造成人為誤差或偵測基線升高, 所以這些物質必須在設定的分析條件下, 進行空白分析, 證明無干擾產生 本研究分別針對現場及採樣設備空白進行分析, 詳述如下 : 1. 現場空白 : 將不含待測物之濾紙置入與盛裝待測樣品相同之採樣瓶內, 將瓶蓋旋緊攜至採樣地點, 在現場開封並模擬採樣過程, 但不實際採樣, 密封後再與待測樣品同時攜回實驗室 與待測樣品進行相同前處理 分析步驟檢測 ; 由現場空白樣品之分析結果可判知樣品在採樣過程是否遭受污染 2. 採樣設備空白 : 待採樣濾紙經前處理後, 分別再經重覆萃取 濃縮 淨化及再濃縮之程序, 以確定取樣前採樣設備之空白值 檢量線之配置 1. 製備檢量線時應依檢測方法所規定之步驟, 配製適當濃度範圍的標準溶液 2. 製備檢量線時至少應包括五種不同濃度 ( 不包括空白零點 ) 的標準溶液, 其中一濃度需接近但稍高於儀器偵測極限, 其餘濃度可為偵測器工作濃度範圍內之濃度, 但各濃度間之間隔必須平均分佈 3. 檢量線相關記錄必須註明配製日期 檢測項目 標準溶液來源 標準溶液濃度 配製流程及儀器感應訊號值等資料 4. 由儀器所得的感應訊號值相對應標準溶液濃度, 繪成一相關線性圖 此線性圖必須以座標曲線方式表示, 並標示其座標軸 5. 利用直線的最小平方差方程式可求得一直線迴歸方程式, 並計算其相關係數 r 6. 原則上上述線性之線性相關係數 r 應大於或等於 滯留時間測試 : 滯留時間之測試乃利用檢量線中間點濃度之標準品, 由三次滯留時間統計值得到平均滯留時問及其標準偏差 (S), 即為 平均滯留時間 ± 3S 方法偵測極限 方法偵測待測化合物零度限值定義為 化合物檢測濃度限值 或 產生信號 : 雜訊比為 3:1 之濃度值, 分析實驗進行至少五次, 分析實驗現場採樣前 採樣過程中或於實驗內進行, 所得結果經分析計算其平均值及標準偏差 (S) 偵測極限可定義為 : 方法偵測極限 = 3 標準偏差 22

32 本實驗之 21 種 PAHs 於 GC/MS 之方法偵測極限介於 ng 之間 準確度 以自行配製與樣品濃度相近之標準品為試樣, 進行至少五次重複分析, 數據結果以統計方式得到方法準確度 依據 US-EPA Test Method SW-846 方法準確度之表示法可為百分回收率範圍, 即由平均百分回收率和百分回收率的標準偏差表示, 準確度可由下列公式計算 (Lodge, 1989): n S = ( X i= 1 i X n ) / n 1 1 / 2 X X(%) = C n 2S ± 100% C 上式中, 精密度 X i : 個別分析結果 ;N : 分析次數 ; X n : 分析結果平均值 ;S : 準偏偏差 ;C : 準樣樣品濃度 RSD(%) = S X n 100% 3.4 STAR-CD 計算流體力學軟體及織架構概述 為探討在引擎燃燒室內之燃燒流場, 與不同氫氧混合氣體添加比例對於燃燒狀況之影響, 本研究以柴油引擎之汽缸及燃燒室資料 ( 如表 3.4-1), 並以 STA-CCM+ 之內鍵 CAD 內建繪圖軟體, 繪製三維之汽缸引擎及燃燒室模型 ( 如圖 至圖 3.4-4), 而由於柴油引擎為壓縮點火, 然在實際模擬過程為能更清楚了解燃燒熱流場機污染物之生成與分布狀況, 因此在本研究模擬柴油引擎進入燃燒室時, 假設燃燒燃燒行為是在活塞些微下移 ( 即距上死點約 20mm) 之燃燒狀況, 以有助於探討不同氫氧混合氣添加比例下之燃燒流場與污染生成氣之分布狀況 表 模擬柴油引擎之基本資料 項 目 尺 寸 引擎種類 柴油引擎 燃燒方式 壓縮點火 汽缸直徑 (cm) 10.8 衝程 (cm) 10.0 燃燒室體積 (cm 3 ) 壓縮比 17.3: 流場基本假設 本研究流場之基本假設如下 : 1. 三度空間穩態之亂流燃燒熱流場 2. 氣流為可壓縮之牛頓流體 3. 流體之密度與空間之溫度及壓力有關 23

33 4. 燃料與助燃空氣預先混合之非預混燃燒 5. 無空間熱損失之絕熱系統 6. 助燃氣體在汽缸及燃燒室內混合均勻 排氣歧桿 排氣閥門 噴油入口 進氣閥門 進氣歧桿 汽缸 燃燒室 圖 模擬之引擎汽缸示意圖 圖 模擬之汽缸上視圖 圖 數值模擬計算建立之汽缸 網格 流場與污染物之之制御方程式 以下說明氣流與粒子之制御方程式 (Chen and Jaw, 1998; Star-CD Manual, 2004) 1. 連續方程式 ρu j = 0 x j 式中,u j 為氣流於三度空間 j- 方向的平均速度 (m/s) (3-1) 2. 動量方程式 p ( ρ u jui τ ij ) = (3-2) x x j i 式中,P: 壓力 (N/m 2 ) ρ: 空氣密度 (kg/m 3 ) μ: 氣體分子黏度 (kinematic dynamic viscosity, m 2 /s) 2 uk ' ' τ ij : 氣體分子流動之剪應力項 = 2μsij μ δ ij ρuiu j 3 xk U : 是相對於平均速度之擾動速度 3. 能量方程式 pu ( ρu j H + Fh, j uiτj j ) = x x 式中,H= j h 1 2 u u i j + h 0 = C pt C pt0 + ΣY m H m t j j + s u = h + ΣY H T ' ' F h, j = k + ρ u jh + hmρvm, x T: 氣流之溫度 (K) j m j i m i + s m h (3-3) 24

34 Y m : 物質 m 的質量分率 Hm: 物質 m 的生成熱 C p : 溫度 T 時的常壓比熱 0 C p : 溫度 T 0 的參考比熱 F h,j : x j 方向上的擴散能量通量 s h : 能量產生源 H t : 熱焓值 4. 濃度 (C) 方程式 ( ρ u jym + Fm, j ) = sm (3-4) x 式中, F j = ρ Y V + ρu Y ' ' m, j m m, j j m F m, j : 物質 m 的擴散通量 V m : m 物種的擴散速度 Y m : 物種 m 的質量分率 s m : 物種的 m 的產生或消耗速率 5. 混合氣體狀態方程式 ρ0 ρ = 1+ βt ( T T0 ) + β my 式中, ρ 0 : 為溫度 T 0 下的物質密度 β T : 為溫度 T 0 體積膨脹係數 β : 為物質 m 的體積膨脹係數 m Y : 為物質 m 的質量分率 m m m (3-5) 6 化學反應模式在紊流流場中, 影響燃燒反應進行的除了物質間的化學反應速率外, 尚有物質在紊流流場內的混合速率, 而整個燃燒反應的進行則由物質的化學反應速率與混合速率最慢的決定, 反應速率可以表示如式 (3-6): 其中, [ R R ] R lr min lr, kin, lr, edu = (3-6) R lr, kin R lr, edu : 表示化學反應所控制的反應速率 : 表示紊流混合控制的反應速率 燃燒反應若是由物質間之化學反應所控制, 反應速率可以下列之 Arrhenius 方程式表示, 如式 (3-7): R lr = AM lr T β allm 上式中, ( x m ) vm ρym Ea / RT e M m : 表所有 Xm 的產物 ν m : 反應速率的指數數值 M m : 分子重量 R: 氣體常數 A β 及 Ea: 分別為常數 溫度之指數數值及反應活化能 當反應由流場之紊流情況所控制, 則反應可由燃料的消耗速率模擬, 此時反應速率如式 (3-8): ρ Y Y o p R F = Aebu min YF,, Bebu (3-8) τ t so s p 25 (3-7)

35 然而, 依 Patterson 等之研究顯示, 在進行柴油引擎的燃燒模擬時, 層流的時段 (laminar time scale) 不可以忽略, 則反應式修改如式 (3-9): ρ Y Y o p R F = Aebu min YF,, Bebu (3-9) τ R so s p 式 (3-8) 與式 (3-9) 中, τ = τ + τ : 表反應進行時段 RNG k-ε 亂流模式 R t c κ τ t = : 表紊流之時段 ε ρylr τ C = : 表層流之時段 R lr, kin RNG k ε 紊流模式為標準 k ε 紊流模式所演化而來, 其亂流動能 (k) 方程式與標準 k ε 紊流模式相同, 而紊流動能消散率 (ε) 方程式則加入一些修正項, 俾適用在高雷諾數之情況 有關紊流動能 (k) 方程式與紊流動能消散率 (ε) 方程式如下所述 : 1. 紊流動能方程式 (k-equation) μt k 2 ui ui ( ρu jk ( μ + ) ) = μt ( P + PB ) ρε μt + ρk (3-10) x σ x 3 xi x j 2. 紊流動能消散率方程式 (ε-equation) k j 2 μt ε ε 2 ui ui ε ε ui ( ρu jε ( μ + ) = Cε1 μt P ( μt + ρk ) + cε 3 μt PB Cε 2ρ + Cε 4ρε x j σ ε x j k 3 xi xi k k xi 3 2 Cμη ( 1 η / ηo ) ρε 3 (3-11) 1+ βη k 式中,η = S k / ε, η o 與 β 為經驗係數 i 表 列出 RNG k ε 紊流模式中所使用的常數值 (Star-CD, 2003) 表 RNG k ε 紊流模式中所使用的常數值 c μ C 1 C 2 C 3 C 4 κ σ k σ ε Pr β η 壁函數 由於在接近引擎內之壁面, 受黏滯效應, 流體速度小, 而形成一低雷諾數之區域, 高雷諾數下之 RNG k-ε 模式在此區域並不適用, 因此須加入壁函數 (wall function) 以修正, 否則在數值計算時將不容易收斂 所謂壁函數用為固體面至設定網格範圍第 1 格之區域, 其餘遠離固體面則適用由制御方程式計算 (Chen and Jaw, 1998) Star-CD 軟體內建壁函數有平滑面 (smooth wall) 半粗糙面(semi-roughness wall) 與粗糙面 (roughness wall) 三種 因煙道長期使用, 在管壁上將附著許多固體粒子, 故本研究採用粗糙面之壁函數, 其速度與壁面距離呈如下之對數關係, 如式 (3-12) 與式 (3-13): u + = y + +, at y y (3-12) + m + 1 y D = A + ln( k B + CR + + u + ), at y y (3-13) + + > m 26

36 D R + + 式中, u = = + 1/ 4 1/ 2 ρc μ K D μ 1/ 4 1/ 2 yo ρc μ K u u = w u τ 1 c / 2 μ τ = ρ K, w, μ u τ = τ ( ρ w 2 ) 1/ K = 1. 5( I U ) 1/ 4 1/ 2 ρ u ρ Cμ κ y + τ y y = μ μ κ : von Karman constant (= 0.41) U: 切線流體速度 (tangential fluid velocity) u w : 切線壁速度 (tangential wall velocity) τ : 壁剪應力 (wall shear stress) w I: 亂流強度 (turbulence intensity =0.037) U in : 入口速度 y : 相當粗造度 (equivalent roughness height) o D: 位移厚度 (displacement thickness), 一般不考慮 in 2 在 Star-CD 軟體中, 使用者可依實際情形設定上述 A B C D 之常數值 ; 而在程式中,A = 8.5 B = 0 C = 1 D = 0 為預設值, 因此本計畫先以此出發, 再尋求最佳的參數值 邊界條件 1. 氣缸進氣邊界 : 設在柴油引擎前段相連之水平管道內之某截面處 ( 位置視實際尺寸及形狀而定 ), 且 : (1) 速度 : 以採樣所得之氣體流量 溫度及管徑等資料換算速度, 於截面處分佈採 1/7-power-law relation 或設為等值 (2) 污染物濃度 : 依採樣所得之氣體流量 溫度及管徑等資料, 換算得空氣進氣量, 並依此計算進氣速度及污染物濃度 ( 在此先不考慮氣狀物化學反應或粒狀物合併 分解等 ), 於截面處分佈採 power-law relation 或設為等值 2. 燃料進氣邊界 : 設在柴油引擎汽缸之燃料噴嘴處, 並依進氣截面積, 計算出燃料進氣速度 ( 在此假設柴油已蒸發為氣態 ) 3. 下游出口邊界 : 變數皆採零梯度處理 (Neumann condition), 即 : φ = 0 (φ = U V W P C ε k) n 4. 管壁 : 採用不滑動之邊界條件 (no-slip condition) 及粗造面之壁函數 :U V W k ε = 0 C 氣態污染物濃度 : i = 0 ( 全反射壁面 ) n 粒狀污染物濃度 : 同上, 採全反射壁面 數值計算方法 Star-CD 軟體處理程序主要包括前處理 (pre-process) 主程式 (solver) 及後處理 (post-process) 三大部分 (Star-CD Manual, 2004), 架構如圖 所示, 分述如下 前處理應用 Star-design 軟體來建立整個控制體積 ( 如排放管道 ) 之幾何形狀 尺寸 網格之配置及網格的座標, 在此階段亦須將控制體積內有關氣流入口 出口 固體面 (solid surface, 如邊壁 ) 自由面 (free surface) 及對稱面 (symmetric plane) 等位置標示出來, 俾供後續之主程式辨識而無錯誤 主程式用以決定所採用之數值模式 亂流模式 差分方式及設定邊界條件與收斂條件等, 最後再 27

37 前處理程序程式理程序主將計算結果存入輸出檔案, 以供後處理程序使用 此外, 主程式亦將幾何模型之物理空間 (physical space) 座標經由 Jacobian 矩陣 (3-14 式 ) 轉換成計算空間 (computational space) 座標, 經由主程式計算求解後, 再由 Inverse Jacobian 矩陣 (3-15 式 ) 轉換回物理空間座標 i i x Jacobian matrix: J j = (3-14) i ξ 1 Inverse Jacobian matrix: ( ) i j j J i i = ξ = i x 式中,x i : 卡式 (Cartesian) 物理空間座標 i ξ : 通用非正交 (General non-orthogonal) 計算空間座標 φ : 變數 (variable) J (3-15) 後處理程序則利用繪圖軟體將計算結果轉換成圖形檔, 以視覺化效果呈現各項物化性質之變化情形 本研究採用 Field-View 繪圖軟體呈現計算結果 Meshimport Build Setup Geometry file 後處Command file Output file Linegraph Solver Graph file View FORTRAN Dump file Field view Pictures Pictures 圖 Star-CD 軟體組織架構 Pictures 3.5 數值解析方法概述 圖 為計算流程, 其離散 (discretisation) 及解析方法敘述如下 28

38 RNG SIMPLE 圖 數值計算流程 離散化方法 Star-CD 以有限體積 (finite volume) 法為基本離散方式, 對所考慮之變數皆以控制體積元素 (element) 之中心位置座標為準, 此即為非交錯網格系統 (un-staggered grid system); 計算時則對整個控制元素體積進行積分, 以連結相鄰控制元素內之變數值 任一變數 φ, 於流場中之制御方程式皆可以 (3-16) 之通式表示如下 ( 見表 3.5-1) (Star-CD Mythology Handbook, 2003): ( ρ U φ) ( Γ φ) = S (3-16) 上式中,U 為速度向量 ( ρuφ) 為對流項 (convection term) ( Γ φ ) 為擴散項 (diffusion term) S 為變數 φ 的源項 (source term) Γ 為變數 φ 的擴散係數 ( 或交換係數 ) 將 (3-16) 式於控制體積內積分, 並利用高斯定律可得式 (3-17): ρ φ U da Γ φ da = S dv (3-17) 茲以矩形控制體積元素內的格點位置 ( 圖 3.5-2), 分別說明 (3-16) 式中擴散項 對流項及源項之離散方法如下 : 29

39 1. 擴散項之離散方法參考圖 3.5-2, 控制體積元素西面 (W) 的擴散項之離散式為 : ΓAw Γ φ da = ( φ p φw ) = Dw( φ p φw ) (3-18) hw 式中,A w 為控制體積元素西面的面積,h w 為西邊點 (W) 與中央點 (P) 的距離,D w 為西面之擴散 ( 或交換 ) 係數 2. 對流項之離散方法對流項的離散方法主要有迎風差分法 (upwind differencing, UD) 中央插分法(central differencing, CD) 及混合插分法 (hybrid differencing, HD) 三種方式 (Atkinson, 1978), 分述於下 (1) 迎風插分法於控制體積西面對流項 ρφ U da 之離散式為 : ρφ U da = ρu w Awxφw = Cwφw (3-19) 其中 C W 為西面之對流係數,A wx 為西側的係數矩陣 (coefficient matrix), 其定義為 : A = MAX C, 0 + D (3-20) wx ( w ) w (2) 中央插分法在此法中 φ w 之離散式為 : 1 φ w = ( φw + φ p ) 2 (3-21) 雖然此法有二階之精確度 (second-order accuracy), 但常需要較小的鬆弛因子 (under-relaxation factor), 方可求得合理之結果 (3) 混合插分法在此法中, 西側點之係數矩陣為 : 1 1 Awx = MAX Cw,Dw + Cw (3-22) 2 2 此法為迎風插分法的修正法, 雖屬一階精確度, 但較迎風插分法穩定 (Patankar, 1989), 故本計畫採用之 3. 源項之離散方法本模式對於制御方程式中之源項 (source term) 離散處理方法則是採用迎風差分法, 見 (3-19) 式 表 制御方程式中各變數 φ 之函數式 Equation φ Γ S Continuity Momentum U T eff p + ( μ U ) + μ ( ) ρ g K t Temperature T ρ ( K + ) 0 Prt K c Species C ρ ( D + ) i 0 Sct μt Kinetic energy k μ o + p ρ ε σ k 3 2 μt ε Cμη ( 1 η / η ) o ε Kinetic energy ε μo + c1 p ρ c2 + 3 σ ε k 1+ βη k eff 30

40 31 圖 控制體積內元素格點離散化之位置示意圖 SIMPLE 法之壓力速度修正於計算過程中, 為了滿足質量與動量守恆定律, 本研究採用 SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) 演算法作為壓力場及速度場之修正 (Patankar, 1989) SIMPLE 法之修正流程如下 : 1. 給予一猜測壓力場 (P * ) 至由方程式 (3-23) 至 (3-25) ( ) e * E * p * nb nb * e e A P P b U a U a + + = (3-23) ( ) N * N * p * nb nb * n n A P P b V a V a + + = (3-24) ( ) T * T * p * nb nb * t t A P P b W a W a + + = (3-25) 2. 求解速度場, 得 U *,V *,W * 3. 利用 (3-26) 式求解壓力修正值 (P ) b P a P a P a P a P a P a P a ' B B ' T T ' S S ' N N ' W w ' E E ' p p = (3-26) 式中, z y d a e e E Δ Δ = ρ z y d a w w w Δ Δ = ρ z x d a n n N Δ Δ = ρ z x d a S S S Δ Δ = ρ x y d a t t T Δ Δ = ρ x y d a b b B Δ Δ = ρ B T S N w E p a a a a a a a = ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) [ ] z x V V z y U U b n * S * e * w * Δ Δ + Δ Δ = ρ ρ ρ ρ ( ) ( ) [ ] y x W W t * b * Δ Δ + ρ ρ 4. 由 (3-27) 式計算修正後之壓力值 (P) P=P*+P (3-27) 5. 利用速度修正公式 (3-28) 至 (3-30) 計算 U,V,W ( ) ' E ' p e * e e P P d U U + = (3-28) ( ) ' N ' p n * n n P P d V V + = (3-29) ( ) ' t ' p t * t t P P d U W + = (3-30) 6. 將修正後的壓力 (P) 視為下一個步驟新猜的壓力值 (P*), 重複上述 2. 至 5. 步驟, 直到滿足到收斂條件為止 計算收斂準則在數值計算時, 通常須訂定某種收斂標準以確保求得準確且可信之結果 由於本研究係為三維非線性問題, 所需計算之方程式 ( 組 ) 相當龐大, 若收斂標準過於嚴苛, 則需耗費太多運算時間 ; 若過於寬鬆, 則計算之結果又缺乏合理之可信度 WW Φ WW W Φ W P Φ P E Φ E W E

41 為使計算有良好之準確度且考量節省運算時間, 因此本研究採用一般常使用之收斂標準, 即相對殘差 R (relative residual) 小於 10 3 ( 如式 3-31): R( M 網格安排 n M( i ) M( i 1 ) 3 = 10 i ) (3-31) M( i ) j= 1 為使網格的安排影響計算收斂時間降到最低, 採用非均一網格 (non-uniform mesh) 方式來安排模擬範圍內之網格長度, 因此分割網格所形成的元素 (element) 大小並非相同, 特別是在速度變化較大的區域採較密之網格, 如壁面 彎管及轉角等處 初始猜測值之設定 在數值計算的過程中, 首先必須給定一組初始猜測值 (initial guess) 方能啟動數值運算 而一組適當且合理的猜測值, 能快速的滿足收斂準則, 減少運算時間 相反的, 不適當的初始猜測值, 可能導致數值運算發散, 致計算將重新來過 本研究初始猜測值以上游端之流力資料與空氣污染物的濃度為輸入值, 其餘變數則使用 Star-CD 所設定的起始值 (default values) 網格測試與驗證 在數值計算的範疇中, 如屬正確的模式時, 則當計算範圍內網格數目增加時, 某種物理變數 ( 如速度 濃度等 ) 收斂後之計算結果將會呈現相同趨勢 ( 漸增或漸減 ) (Atkinson, 1978), 因此改變計算域內網格之數目, 觀察某項變數計算結果之變化情形, 亦為檢驗收斂精度及計算可靠性的一種方法 另一方面, 若計算區域內使用之網格數越多, 雖然所得之結果會越趨近真值, 但相對所需之計算時間則越長 相反的, 若網格數過少, 則雖然計算時間相對減少, 但計算結果之誤差較大 因此在計算時間與結果準確性兩方面應如何取得平衡點, 以兼顧二者, 則需加以驗證求之 32

42 第四章結果與討論 4.1 純柴油添加不同氫氧進氣量對柴油引擎性能影響與污染物排放 添加不同氫氧進氣量之制動熱效率 制動熱效率 (Brake thermal efficiency) 定義為單位時間內引擎實際輸出的功與供給燃料之總熱能的比例, 引擎熱效率值愈高表示燃料消耗量愈少 本研究主要探討添加氫氧氣對於柴油引擎制動熱效率之影響, 本研究將以柴油之主燃料與添加氫氧氣之輔助燃料加總, 其中氫氧氣之流率須以油當量換算 一般汽油引擎之制動熱效率約為 20 25%, 而柴油引擎則約為 30 35% 提高熱效率的方式分別有提高壓縮比 減少排氣的損失及減少冷卻損失 制動熱效率公式如式 (4-1): 輸出之功率 BHP Q 制動熱效率 = = (4-1) 燃燒之熱能 K W 上式中,BHP: 制動馬力 (Brake horse power);q: 馬力與熱值單位換算 ;K: 單位重量燃料所含之熱值 (kcal/kg);w: 每小時引擎所消耗燃料之重量 (kg/hr) 圖 為添加不同氫氧進氣量之制動熱效率, 可知制動熱效率在純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 分別為 31.5% 31.3% 31.0% 31.1% 31.2% 33.0% 35.4% 及 35.1% 可知制動熱效率於純柴油與添加氫氧進氣量 L/min 時, 無明顯上升變化, 其制動熱效率約為 31.2 ± 0.2% 左右 ; 而氫氧進氣量增加至 50 L/min 與 60 L/min 時, 其制動熱效率增加為 33.0 與 35.4%, 接近柴油引擎之最佳制動熱效率狀態 (35%); 但添加氫氧進氣量 70 L/min 時, 其制動熱效率略為下降為 35.1% 添加不同氫氧進氣量之制動單位燃料消耗率 制動單位燃料消耗率 (Brake specific fuel consumption, BSFC) 定義為單位時間內, 燃料能量消耗多寡, 常以此作為引擎燃料經濟性之判別指標 本研究主要探討添加氫氧氣對於柴油引擎燃料消耗之影響, 本研究將以柴油之主燃料與添加氫氧氣之輔助燃料加總, 即為總燃料消耗, 其中氫氧氣之流率須以油當量換算, 以利暸解整體之燃料消耗情形 制動單位燃料消耗率公式以制動馬力形式如式 (4-2): Δ m f BSFC = (4-2) P Δ t f 上式中,Δm f : 燃料消耗的質量 (g);p: 引擎馬力 (BHP);Δt f : 燃料消耗的時間 (hr) 圖 為添加不同氫氧進氣量之制動單位燃料消耗率, 在制動馬力形式下,BSFC 於 Base (0 L/min) 及添加氫氧進氣量 10 至 70 L/min 分別為 及 g/bhp-hr 可知 BSFC 在氫氧進氣量 L/min 時, 皆高於 Base (0 L/min), 顯示在低流量之氫氧氣對於整體燃料消耗無減少趨勢 ; 而當氫氧氣流量達 L/min 時,BSFC 下降特別明顯, 原因為制動熱效率在 L/min 時上升趨勢最為明顯, 有效降低整體燃料的消耗 ; 氫氧進氣量 70 L/min 時, 相較於 60 L/min BSFC 則稍微上升 由此可知, 添加氫氧氣進氣量為 60 L/min 時為最佳之條件 BTE (%) BSFC (g/bhp-hr) H 2 /O 2 (L/min) 圖 添加不同氫氧進氣量之制動熱效率 H 2 /O 2 (L/min) 圖 添加不同氫氧進氣量之制動單位燃料消耗率 33

43 4.1.3 添加不同氫氧進氣量之傳統污染物排放 本研究針對純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min), 進行柴油引擎試驗, 解析在各油品使用下之引擎排氣特性, 而本節主要探討引擎於不同 H 2 /O 2 進氣量在相同負載 ( 引擎輸出功率 24.5 kw) 下所排放傳統污染物 (Traditional pollutants), 包含碳氫化合物 (THC) 氮氧化物 (NO x ) 一氧化碳 (CO) 二氧化碳 (CO 2 ) 及懸浮微粒 (PM) 等濃度 排放因子及削減率 ( 如表 4.1-1), 以下將針對各污染物詳述 其中, 本研究之削減率計算如式 (4-3): 純柴油 (0 L/min) 之污染物濃度 - 添加不同氫氧進氣量之污染物濃度削減率 (%) = 100% (4-3) 純柴油 (0 L/min) 之污染物濃度 1. 一氧化碳 (CO) 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之 CO 排放濃度分別為 及 ppm; 排放因子分別為 及 1.57 g/bhp-hr; 而添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之 CO 削減率分別為 1.5% 3.6% 4.4% 6.6% 6.9% 7.2% 及 7.6%, 顯示 CO 排放濃度會隨著氫氧進氣量增加而降低 一般而言,CO 主要產生原因為碳源, 但所添加之氫氧氣本身結構並無含碳, 故將氫氧進氣量提高時,CO 排放量隨之降低 此外, 由於 CO 係燃燒不完全之產物, 添加氫氧氣使得引擎汽缸之火焰速度提升, 燃料燃燒較為完全, 導致 CO 排放濃度降低 2. 二氧化碳 (CO 2 ) 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之 CO 2 排放濃度分別為 7,906 7,893 7,866 7,835 7,659 7,619 7,550 及 7,523 ppm; 排放因子分別為 及 g/bhp-hr; 而添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之 CO 2 削減率分別為 0.1% 0.6% 1.5% 3.5% 4.3% 4.4% 及 4.8%, 可知 CO 2 排放濃度隨著氫氧進氣量增加而明顯降低 Krishnamurthy et al. (2007) 研究中指出 CO 2 生成與燃料用油之消耗有著密切的關係, 在引擎試驗中, 以柴油的 BSFC 作為燃料消耗程度之度量, 當柴油消耗愈多表示 CO 2 排放量愈多, 反之則愈少 3. 總碳氫化合物 (THC) 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之 THC 排放濃度分別為 及 3.25 ppm; 排放因子分別為 及 g/bhp-hr; 而添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之 THC 削減率分別為 2.6% 5.2% 7.2% 8.6% 9.2% 9.5% 及 9.7% THC 係燃油不完全燃燒所致, 故可作為燃燒程度優劣之指標 在此研究中 THC 排放濃度隨著添加氫氧進氣量的增加而有降低之趨勢, 推估 THC 之排放濃度降低原因為燃燒效率良好, 導致燃料經燃燒後 THC 產生較少 4. 氮氧化物 (NOx) 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之 NO X 排放濃度分別為 及 ppm; 排放因子分別為 及 7.23 g/bhp-hr; 而添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之 NO X 削減率分別為 -0.8% -2.6% -4.3% -5.3% -6.2% -9.9% 及 -12.0%, 可知 NO X 排放濃度隨著氫氧進氣量增加而增加 NO X 的生成主要來自大氣中的氮氣, 藉由燃燒後的高溫, 使氮氣與氧原子或氧分子產生化學反應而成 一般而言, 燃燒溫度愈高則 NO X 生成率愈高 當氫氧量上升時, 因氫氣之火焰速度快及熱值高之因素, 造成汽缸內燃燒完全及燃燒溫度升高, 導致 NO X 容易生成 5. 粒狀污染物 (PM) 引擎排放廢氣中粒狀污染物 (PM) 主要有三種主要成分, 分別為燃燒生成煙灰 重碳氫化合物聚集或吸附於煙灰上的硫化物 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之 PM 排放濃度分別為 及 3.57 mg/m 3 ; 排放因子分別為 及 g/bhp-hr; 而添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之 PM 削減率 34

44 分別為 0.8% 3.4% 4.6% 9.7% 9.9% 19.1% 及 21.4% 引擎廢氣為 PM 之主要來源, 因燃料噴霧效果差 汽缸內氧氣不足及汽缸溫度低時, 與汽缸壁接觸造成熱量傳遞而產生冷卻, 導致不完全燃燒, 形成顆粒狀粒子排出 由圖 可知,PM 排放濃度隨著添加氫氧進氣量的增加而有降低之趨勢 推估 PM 之排放濃度降低原因為燃燒效率良好, 導致燃料經燃燒後 PM 產生較少 表 添加不同氫氧進氣量時傳統污染物之排放濃度 排放因子及削減率 Traditional H 2 /O 2 (L/min) pollutants (a) 排放濃度 CO (ppm) CO 2 (ppm) 7,906 7,893 7,866 7,835 7,659 7,619 7,550 7,523 THC (ppm) NOx (ppm) PM (mg/m 3 ) (b) 排放因子 CO (g/bhp-hr) CO 2 (g/bhp-hr) THC (g/bhp-hr) NOx (g/bhp-hr) PM (g/bhp-hr) (c) 削減率 CO CO THC NOx PM 添加不同氫氧進氣量之 PAHs 排放 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之總 PAHs 排放濃度分別為 及 μg/m 3 ( 如表 4.1-2) 顯示總 PAHs 排放濃度隨著氫氧進氣量增加而有降低趨勢 在不同環數分布方面, 一般依 PAHs 之環數可分為三大類,2 3 環 PAHs 為低分子量 PAHs(LMW-PAHs) 4 環為中分子量 PAHs(MMW-PAHs) 及 5 7 環為高分子量 PAHs(HMW-PAHs) 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之 LMW-PAHs 排放濃度分別為 及 μg/m 3 ;MMW-PAHs 排放濃度分別為 及 2.75 μg/m 3 ;HMW-PAHs 排放濃度分別為 及 2.48 μg/m 3 此結果顯示 LMW-PAHs MMW-PAHs 及 HMW-PAHs 排放濃度皆隨著氫氧進氣量增加而有降低趨勢, 其原因為隨著添加愈高氫氧進氣量後, 導致引擎內燃燒效率提升, 柴油消耗率降低, 而使 PAHs 排放濃度降低 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之總 PAHs 排放因子分別為 及 3.78 mg/bhp-hr LMW-PAHs 分別為 及 mg/bhp-hr;mmw-pahs 分別為 及 mg/bhp-hr;hmw-pahs 分別為 及 mg/bhp-hr 添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之總 PAHs 削減率分別為 4.4% 10.6% 14.9% 19.3% 22.7% 32.1% 及 36.9%;LMW-PAHs 分別為 4.5% 10.7% 15.2% 19.7% 23.2% 32.9% 及 37.8%;MMW-PAHs 分別為 5.8% 13.9% 16.3% 22.0% 22.8% 28.9% 及 31.3%;HMW-PAHs 分別為 0.6% 0.9% 1.3% 35

45 2.8% 4.2% 9.0% 及 11.0% 綜合上述可知, 由於添加愈高氫氧進氣量, 燃燒效率隨之上升, 而柴油消耗率則隨之降低, 導致柴油引擎排放廢氣中之總 PAHs LMW-PAHs MMW-PAHs 及 HMW-PAHs 均能有效達到減量趨勢 雖然添加愈多氫氧進氣量能使 PAHs 之排放濃度降低, 但由於氫氣的爆炸極限為 4.0% 75.6%, 其爆炸極限的下限值很低, 遇火時極易爆炸, 危險性極高, 故添加氫氧進氣量不得超過柴油引擎燃燒室內氣體體積之 6%, 以免造成柴油引擎運轉時產生爆炸之危害 Number of rings PAH 表 添加不同氫氧進氣量之 PAHs 排放濃度 H 2 /O 2 (L/min) LMW-PAHs 2 NaP Acpy Acp Flu PA Ant MMW-PAHs 4 FL Pyr BaA CHR HMW-PAHs 5 CYC BbF BkF BeP BaP PER DBA BbC IND BghiP COR LMW-PAHs MMW-PAHs HMW-PAHs Total PAHs 添加不同氫氧進氣量之節能效益評估 1. 柴油引擎耗油量一般而言, 耗油量為評估車輛經濟效益之方式, 通常與駕駛者的行車方式有關, 並可藉由耗油量多寡來判別車輛是否有異常狀況 一般而言, 當耗油量增加時, 代表車輛內部可能有故障或磨損的情況, 需進一步釐清真正原因 而駕駛者行車時的油門重踩或不洽當的行車方式皆會造成耗油量的增加 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之柴油引擎耗油量分別為 及 kg/min ( 如圖 4.1-3), 顯示引擎耗油量會隨著增加氫氧進氣量而減少, 其原因為氫氧氣經燃燒後提供部分能量, 造成油料消耗減少 而添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之節能效率分別為 1.0% 2.0% 3.9% 6.0% 13.1% 21.2% 及 22.1%, 顯示添加愈多氫氧進氣 36

46 量時, 油耗的節能效率增加 ; 在氫氧進氣量低於 30 L/min 時節能效率低於 5%, 引擎油耗節能效率並不明顯, 而在氫氧進氣量 40 至 60 L/min 時, 引擎油耗節能效率呈現明顯的上升 氫氧進氣量在 60 至 70 L/min 時, 引擎油耗節能效率上升幅度趨緩 2. 氫氧機耗電量添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之耗電量分別為 及 kwh ( 如圖 4.1-4) 顯示氫氧機耗電量會隨著增加氫氧進氣量而增加, 其原因為製備愈高流量的氫氧氣時, 需要導入更高的電流量, 結果顯示氫氧機耗電量隨著氫氧進氣量增加而增加 耗油量 (kg/min) 耗電量 (kwh) H 2 /O 2 (L/min) H 2 /O 2 (L/min) 圖 添加不同氫氧進氣量之引擎耗油量 圖 添加不同氫氧進氣量之氫氧機耗電量 3. 整體節能效益評估目前世界各國主要能源如煤炭 天然氣 石油 水力及風力等, 但因熱值的計算單位皆有差異, 故需進一步將不同型態之能源加以量化表示 一般而言, 以石油每單位的熱值所釋出能量為計算基準, 將各項能源的使用質量統一換算成油品單位, 即為油當量 (Oil equivalent) 油當量基本換算為每 1 單位油當量為 9,000 kcal/l 本研究採用氫氧機產生氫氧氣後注入柴油引擎, 並以三相電力分析儀量測氫氧機運作時所需之電力, 進而探討添加不同氫氧進氣量之柴油引擎耗油量與氫氧機耗電量之節能效益 計算不同氫氧進氣量之整體節能效益時, 係將產生氫氧氣所消耗之電能及柴油引擎運轉時消耗之油量換算成油當量形式 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之柴油引擎耗油量轉換油當量分別為 及 1.89; 而添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之氫氧機耗電量轉換油當量分別為 顯示添加愈多氫氧進氣量之引擎耗油油當量隨之降低 ; 反之, 由於氫氧機製備氫氧進氣量愈高而耗電量隨之增加, 故氫氧機耗電油當量亦隨之上升 綜合引擎耗油油當量與氫氧機耗電油當量, 整體之油當量分別為 ( 如圖 4.1-5) 由上述可知在添加氫氧進氣量 10 至 40 L/min 時, 整體之油當量隨著增加 ; 而添加氫氧進氣量 50 至 70 L/min 時, 油當量則隨之減少, 表示添加氫氧進氣量 50 至 70 L/min 有明顯之節能效益, 其添加氫氧進氣量為 50 L/min 60 L/min 及 70 L/min 之節能效益分別為 3.2% 9.8% 及 10.4% 2.6 Oil equivalent H 2 /O 2 (L/min) 圖 添加不同氫氧進氣量之整體油當量 37

47 4.2 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油對柴油引擎性能影響與污染物排放 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之制動熱效率 圖 為最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 混合不同比例生質柴油之制動熱效率, 可知制動熱效率在純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 分別為 37.0% 36.9% 35.9% 35.9% 及 35.5% 制動熱效率隨著生質柴油的添加比例增加, 其制動熱效率則往下降 原因為生質柴油之熱值較純柴油低, 為了維持相同之馬力輸出, 需要噴入更多燃料提供熱能, 故制動熱效率呈現往下的趨勢 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之制動單位燃料消耗率 圖 為最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 混合不同比例生質柴油之制動單位燃料消耗率 (BSFC), 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之制動單位燃料消耗率分別為 及 g/bhp-hr 顯示 BSFC 隨著生質柴油的添加比例的增加而上升, 推測原因為生質柴油本身的熱值較純柴油低, 當負載及轉速固定時, 輸出相同的功率必須增加燃料的流率, 以維持相同的功率輸出 BTE (%) B1 B5 B10 B20 B30 圖 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之制動熱效率 BSFC (g/bhp-hr) B1 B5 B10 B20 B30 圖 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之制動單位燃料消耗率 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之傳統污染物排放 在最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 下, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之傳統污染物 (Traditional pollutants), 包含碳氫化合物 (THC) 氮氧化物 (NO x ) 一氧化碳 (CO) 二氧化碳 (CO 2 ) 及懸浮微粒 (PM) 等排放因子與削減率如表 4.2-1, 詳述如下 : 1. 一氧化碳 (CO) 在最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 下, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之排放因子分別為 及 0.41 g/bhp-hr, 其削減率分別為 及 15.4%, 顯示 CO 隨著生質柴油添加比例增加而下降 由於生質柴油中含有氧, 在燃燒過程中提高燃燒效率, 導致燃燒後之 THC 排放較少 2. 二氧化碳 (CO 2 ) 在最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 下, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之排放因子分別為 及 g/bhp-hr; 其削減率分別為 及 -5.2%, 可知 CO 2 隨著生質柴油添加比例增加而呈現上升的趨勢 一般而言,CO 2 趨勢會隨著油耗而變化, 原因為 CO 2 的碳源來自於燃料, 隨著燃料消耗增加,CO 2 的排放則隨之上升 3. 總碳氫化合物 (THC) 在最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 下, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之排放因子分別為 及 0.34 g/bhp-hr; 其削減率分別為 及 21.0%, 顯示 THC 隨著生質柴油添加比例增加而下降 由於生質柴油中含有額外的氧, 提高了燃燒效率, 導致燃料經燃燒後 THC 產生較少 38

48 4. 氮氧化物 (NOx) 在最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 下, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之排放因子分別為 及 8.70 g/bhp-hr; 其削減率分別為 及 -5.7%, 可知 NO X 隨著生質柴油添加比例增加而上升 一般而言, 燃燒溫度愈高則 NO x 生成率愈高 當添加之生質柴油比例上升時, 因生質柴油中含有額外的氧之因素, 造成汽缸內燃燒完全及燃燒溫度升高, 導致 NO x 容易在汽缸內生成 5. 粒狀污染物 (PM) 在最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 下, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之排放因子分別為 及 0.48 g/bhp-hr; 其削減率分別為 及 -26.6%, 可知 PM 隨著生質柴油添加比例增加而上升 引擎廢氣為 PM 之主要來源, 因燃料霧化效果差 汽缸內氧氣不足及汽缸溫度低時, 與汽缸壁接觸造成熱量傳遞而產生冷卻, 導致燃料燃燒不完全, 形成顆粒狀粒子由排氣管排出 表 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之排放因子與削減率 Traditional pollutants B1 B5 B10 B20 B30 (a) 排放因子 (g/bhp-hr) CO CO THC NOx PM (b) 削減率 (%) CO CO THC NOx PM 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之 PAHs 排放 在最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 下, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之總 PAHs 排放濃度分別為 及 μg/m 3 ;LMW-PAHs 排放濃度分別為 及 μg/m 3 ;MMW-PAHs 排放濃度分別為 及 0.62 μg/m 3 ; HMW-PAHs 排放濃度分別為 及 1.98 μg/m 3 ( 如表 4.2-2) 在最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 下, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之總 PAHs 排放因子分別為 及 μg/bhp-hr LMW-PAHs 分別為 及 μg/bhp-hr;mmw-pahs 分別為 及 μg/bhp-hr;hmw-pahs 分別為 及 μg/bhp-hr 在最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 下, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之總 PAHs 削減率分別為 10.3% 22.9% 40.0% 及 41.4%;LMW-PAHs 分別為 11.3% 23.3% 41.8% 及 42.7%; MMW-PAHs 分別為 4.1% 23.4% 44.9% 及 48.3%;HMW-PAHs 分別為 6.4% 20.4% 25.9% 及 30.6% 由上述可知, 總 PAHs LMW-PAHs MMW-PAHs 及 HMW-PAHs 排放濃度隨著生質柴油添加比例增加而減少, 其因為添加生質柴油的比例愈多, 柴油的消耗率愈少 ; 而柴油燃料中所含芳香烴的較多, 生質柴油多, 燃料中所含芳香烴的較少, 導致柴油引擎排放廢氣中之總 PAHs LMW-PAHs MMW-PAHs 及 HMW-PAHs 排放減少 39

49 表 以最佳氫氧氣進氣量混合不同比例生質柴油之 PAHs 排放濃度 Number of rings PAH B1 B5 B10 B20 B30 LMW-PAHs 2 NaP Acpy Acp Flu PA Ant MMW-PAHs 4 FL Pyr BaA CHR HMW-PAHs 5 CYC BbF BkF BeP BaP PER DBA BbC IND BghiP COR LMW-PAHs MMW-PAHs HMW-PAHs Total PAHs Star-CD 模式模擬燃燒流場與污染生成氣體分布狀況 由於四衝程 (4-stokes) 柴油引擎由進氣 壓縮 燃燒及排氣等四個動作不斷的循環進行, 並藉以發電產生動力讓車輛行駛 在進氣行程排汽門關閉而進氣門打開, 活塞由上死點往下移動時, 燃燒助燃空氣由進氣歧管吸入汽缸中 ; 在壓縮行程時活塞由下死點開始往上移動, 進氣門即關閉並停止進氣, 而在活塞上升的同時空氣壓力增加到約 kg/cm 2, 溫度便開始增加直至它到達約 的點火溫度 ; 在動力階段噴油嘴將燃油以霧化方式噴出, 經壓縮加熱後之空氣即會點燃被霧化之燃油, 汽缸內之壓力將迅速上升 ( 可達 kg/cm 2 ) 並將活塞往下推, 此推力變成讓曲軸產生轉動的力量 ; 在燃燒過程結束後, 並當活塞往下走接近下死點時, 排汽門即會開啟, 活塞再度往上移動, 並將廢氣經由排汽歧管排出, 完成排氣行程 柴油引擎進氣過程之氣體氣體分布狀況 在進氣階段時, 首先進氣歧桿會先打開, 活塞由上死點往下死點移動, 空氣會由汽門進入至汽缸內 由圖 可看出氣體在進入汽缸內時, 因進氣面積縮小, 碰撞到進氣歧桿前端圓形結構, 使得進氣氣體高速的往汽缸中心及汽缸邊壁流動 另外, 在流動過程時, 又因受汽缸下之吸引力及汽缸邊壁作用之影響, 以致在汽缸內產生了四個渦漩, 進流氣體因此在汽缸內部混合 40

50 4.3.2 柴油燃燒過程之燃燒流場與氣體組成分佈 圖 引擎進氣行程之氣流流動狀況 1. 柴油噴入對汽缸內流場影響當活塞由下死點移動至上死點時 ( 此時進氣門及排氣門皆關閉 ), 空氣因在汽缸壓縮過程使得汽缸內之氣體壓力增加及氣體溫度升高, 此時柴油以高壓霧化之方式噴入汽缸內部 當柴油噴入汽缸內部後, 流場內之高壓 高溫氣體受到柴油噴入之影響, 因此會先自中心位置往下移動, 而在燃燒室內之氣體則會因為凹型構造之關係, 往汽缸之邊壁流動, 並沿著汽缸邊壁往汽缸頂部流動, 流場內之氣體因受高壓柴油噴入之影響, 因此在汽缸內部形成兩個渦漩進行氣體之混合 ( 圖 與圖 4.3-3) 圖 柴油噴入汽缸內之流場 圖 柴油噴入汽缸內之速度向量場 2. 燃燒過程之流場溫度分佈在壓縮階段, 原先存在汽缸內之氣體受壓縮而致體積減小, 存在汽缸內之氣體壓力逐漸變大, 且因壓縮過程氣體氣體間分子碰撞, 導致汽缸內之溫度會上升高至 700 至 900 左右, 而氣體壓力亦會升高至 6 kg/cm 2 至 6 kg/cm 2 間 由於柴油之燃燒溫度約為, 因此當霧化後之柴油噴入汽缸燃燒室時, 即會因空間中之溫度已達到燃燒溫度而進行燃燒反應 依模擬之柴油燃燒等溫度分布圖 所示, 當柴油噴入後會與燃燒室內之氧氣進行燃燒反應, 並釋放燃燒熱加溫周圍空氣 ; 由於引擎之燃燒行為是非預混燃燒, 因此當柴油噴入後進行燃燒行為會先消耗噴入點附近之氧氣, 未完全燃燒之柴油會逐漸往汽缸之邊壁移動並進行燃燒反應, 因此空間中之燃燒溫度是由柴油噴入點往汽缸之邊壁逐漸變高, 並在燃燒室之凹型結構處達到最高溫度 41

51 圖 柴油燃燒等溫度分布圖 3. 燃燒過程之燃燒生成氣體分佈 (1) 燃燒過程柴油與氧氣之濃度分佈當柴油噴入引擎汽缸之燃燒室內時, 因汽缸內之氣體溫度已經達到柴油燃燒之溫度, 且空間中又有氧氣存在, 因此在噴入之後柴油會立即與汽缸內之氧氣進行燃燒反應 而由於在引擎中柴油與氧氣是屬於非預混燃燒, 因此柴油之濃度會由噴注點往汽缸之邊壁逐漸消耗並降低 ( 如圖 4.3-5) 由於柴油之燃燒過程中會消耗氧氣, 因氧氣汽缸中之氧氣濃度會逐漸減少 由圖 之氧氣等濃度分布圖, 可知在燃燒引擎汽缸中之氧氣會由柴油注入點燃燒室逐漸降低, 且在柴油噴入點因柴油濃度較高, 因此燃燒反應進行過程中在汽缸之氧氣濃度幾乎消耗殆盡, 唯獨在引擎燃燒室內會殘留些微氧氣與柴油繼續進行燃燒反應, 也因此在汽缸燃燒室中之溫度為最高 圖 柴油燃燒等濃度分布圖 圖 等 O 2 濃度分布圖 (2) 燃燒過程燃燒生成氣體濃度分佈柴油主要是由碳原子 (C) 及氫原子 (H) 組成之碳氫化合物, 因此當柴油與氧氣完全燃燒反應會釋放出二氧化碳 (CO 2 ) 與水氣 (H 2 O) 由等 CO 2 濃度分布圖 ( 圖 4.3-7) 與等 H 2 O 濃度分布圖 ( 圖 4.3-8), 可見當柴油與氧氣進行燃燒反應時, 會產生出二氧化碳 (CO 2 ) 與水 (H 2 O), 也因此 CO 2 與 H 2 O 之濃度分佈與柴油之濃度不同, 且是由柴油之噴注點往汽缸邊壁四周逐漸減少之情形 圖 等 CO 2 濃度分布圖 圖 等 H 2 O 濃度分布圖 42

52 (3) 燃燒過程氮氣與氮氧化物之濃度分佈由於氮氧化物 (NOx) 主要是因為空氣中之氮氣 (N 2 ) 與氧氣 (O 2 ), 因高溫氧化生成, 本模擬過程採用 Zeldovich 反應機制, 對汽缸內之熱氮氧化物 (thermal NOx) 生成狀況進行模擬 經由模擬之等 N 2 與等 NO 濃度分佈圖 ( 圖 與圖 ),NO 會隨著溫度之增加及空氣中氧氣之存在量而生成, 且在 NO 在柴油剛噴入時, 因空間中氧氣濃度燃燒室內濃度是呈現由柴油噴入點汽缸邊壁四周逐漸增加 圖 等 N 2 濃度分布圖 圖 等 NO 濃度分布圖 (4) 燃燒過程氫氣之濃度分佈本模擬是假設在柴油注入前, 氫氣在汽缸內是完全混合狀況, 經由模擬結果顯示 ( 如圖 ), 在柴油注入點處氫氣之濃度最低, 而在燃燒室之凹槽處氫氣之濃度為最高, 此乃在燃油噴注時, 噴油嘴附近之氫氣會先進行燃燒, 而汽缸邊壁與燃燒室凹槽處較慢進行燃燒反應, 故在進邊壁與燃燒室凹槽處之氫氣濃度會較高 不同氫氣添加比例對燃燒之影響 圖 等 H 2 濃度分布圖 由於氫氣具有極高熱值, 故添加適量氫氣進入燃燒室進行燃燒, 勢必會對燃燒狀況造成影響, 為了解不同之氫氣進氣量加入後, 對燃燒情況之改變, 在本研究針對 0 L/min 30 L/min 60 L/min 及 70 L/min 之氫氧混合氣進氣情況, 對引擎內之燃燒溫度 柴油濃度分佈 燃燒生成氣體分佈 (CO 2 及 H 2 O) 氮氧化物濃度分佈及氫氣之濃度分佈進行比較, 並以在燃料噴射燃燒階段時之汽缸位置為模擬本體, 所分析之數據位置為自然由噴注口至燃燒室凹槽底部 1. 不同氫氣添加比例對燃燒溫度之影響圖 為不同氫氧混合氣進氣量之引擎汽缸內之溫度分佈同, 由圖所示在汽缸內有氫氣加入時, 汽缸內之溫度會較沒有氫氣加入時之汽缸溫度還高 當氫氧混合氣進氣量為 60 L/min 時, 燃燒室之溫度相較於其他氫氧混合氣高, 燃燒溫度會由燃油噴注點之 500K 快速增加, 而在汽缸燃燒室之凹槽位置溫度約增加至 2623K, 相較於沒有氫氣存在時, 在凹槽位置之最高溫度約為 1494K 高出甚多 此乃因氫氣具有極高熱值, 經由燃燒反應後熱值大量釋放, 並提升柴油之然燒速度, 並加熱汽缸內之氣體溫度 因為燃燒空氣之氣體進氣量均為相同, 若燃燒室內之氣體溫度越高則能量越高, 由模擬結果 43

53 顯示, 在氫氧混合氣進氣量為 60 L/min 時, 燃燒室內之熱能最高, 此對於燃料之節省具有相當大之助益 2. 不同氫氣添加比例對柴油消耗狀況影響柴油為一般大型交通工具經常使用之燃料, 圖 顯示在相同之柴油消耗量, 但添加不同之氫氧混合氣進入引擎內, 對整個燃燒流場內之柴油濃度分布狀況 圖中所示之柴油濃度比例 (%) 是為相較於柴油噴注點之空間柴油濃度重量百分比 由圖可知在有氫氧混合氣進入之情況下, 會因為氫氣燃燒速度極快, 間接的提升引擎燃燒室內之柴油的燃燒速度, 也因為柴油有極為快速的燃燒速度, 並在燃燒過程釋放熱能, 提高引擎汽缸內之燃料燃燒效率 另由圖顯示在氫氧混合氣進氣量為 60 L/min 時, 在燃燒室之凹槽位置空間內之柴油存在比例約為柴油噴注口之 倍, 此顯示在柴油噴注後到凹槽處時, 大部份的柴油皆已燃燒並釋放熱量, 因此在氫氧混合氣進氣量為 60 L/min 時, 將有助於柴油得到快速燃燒 燃燒室內溫度 (K) L/min 30 L/min 60 L/min 70 L/min 由柴油噴注口至燃燒室凹槽之距離 (m) 圖 添加不同氫氧進氣量之燃燒溫度趨勢 柴油濃度比例 (%) L/min 30 L/min 60 L/min 70 L/min 由柴油噴注口至燃燒室凹槽之距離 (m) 圖 添加不同氫氧進氣量之柴油濃度趨勢 3. 不同氫氣添加比例對燃燒生成氣體之影響柴油為碳氫化合物, 經過燃燒反應後之完全產物為二氧化碳 (CO 2 ) 與水 (H 2 O), 而氫氣與氧進行燃燒反應後, 產物亦為 H 2 O, 因此評估柴油之燃燒狀況, 亦可藉由二氧化碳 (CO 2 ) 與水 (H 2 O) 這兩種燃燒生成氣體來了解燃料消耗狀況 由圖 可知, 當有氫氣存在於燃燒室內並進行燃燒反應時, 在燃燒室內之 CO 2 濃度會比沒有氫氣存在燃燒室時還高 ; 當氫氧混合氣體進氣量為 30 L/min 時二氧化碳產生之濃度最高, 且自柴油噴注口至燃燒室之凹槽位置,CO 2 濃度呈現逐漸升高之趨勢, 最高之 CO 2 濃度位置是在燃燒室之凹槽處, 在該處空間中之 CO 2 濃度約為 13.4 %( 重量百分比 ), 與沒有氫氧混合氣體時再凹槽處之 CO 2 濃度為 6.1%, 且濃度相差超過 1 倍以上 由於整個燃燒過程中,CO 2 主要是來自於柴油中所含之碳原子與氧氣進行燃燒反應時生成 由模擬結果顯示, 當有氫氣在空間中進行燃燒反應時, 會因加速柴油之燃燒量, 而使得汽缸內 CO 2 濃度比沒有氫氣存在時還高 柴油與氧進行燃燒反應之另一完全燃燒產物為水氣 (H 2 O), 而氫氣進行燃燒反應時產物亦為 H 2 O, 因此亦可藉由燃燒空間內 H 2 O 濃度來評判柴油與氫氣之燃燒狀況 圖 顯示在不同氫氧混合氣添加時, 自柴油噴注口至燃燒室之凹槽位置之濃度呈現逐漸增加之趨勢, 此乃顯示在燃燒是ㄓㄠ槽處柴油與氫氣之燃燒反應較為積累, 有大量的柴油與氫氣與汽缸內之氧氣進行燃燒反應生成 由圖顯示在氫氧混合氣進氣量為 60 L/min 時, 在凹槽處之 H 2 O 濃度約佔 6.0% 為最高 CO 2 (%) L/min 30 L/min 60 L/min 70 L/min 水氣濃度 (%) L/min 30 L/min 60 L/min 70 L/min 由柴油噴注口至燃燒室凹槽之距離 (m) 圖 添加不同氫氧進氣量之之二氧化碳濃度趨勢 由柴油噴注口至燃燒室凹槽之距離 (m) 圖 添加不同氫氧進氣量之水氣濃度趨勢 44

54 由於 H 2 O 與 CO 2 皆為燃燒反應生成物, 理論上此兩種氣體在空間中之濃度趨勢應為相同, 且不同天加比例下差異趨勢應為相近, 但經比較圖 與 可知在氫氧進氣量為 60 L/min 時,H 2 O 之濃度趨勢與 CO 2 濃度趨勢呈現甚大差異, 此乃因在 60 L/min 之氫氧混合氣進氣量下, 氫氧混合氣進行燃燒反應激烈所致 4. 不同氫氣添加比例對氮氧化物產生之影響圖 顯示在不同氫氧混合氣添加比例下, 在汽缸內熱氮氧化物之生成狀況, 由圖可見在自柴油噴注口至燃燒室凹槽之距離, 若有氫氧混合氣加入時, 熱氮氧化物之濃度呈現先上升後下降之趨勢, 此乃因在燃燒反應進行過程柴油與氧氣會先與汽缸內之氧氣進行燃燒反應, 並在反應過程中消耗大量之氧氣, 致在距汽缸約 0.04 m 至 0.06 m 之範圍內, 並沒有足夠的氧氣與汽缸內之氮氣進行 Zeldovich 反應機制生成熱氮氧化物 ; 比較不同氫氧混合氣進氣比例下, 在氫氧混合氣進氣比例為 30 L/min 為最高 在沒有氫氧混合氣進氣之狀況下, 汽缸內之熱氮氧化物是呈現逐漸上升之趨勢, 此乃是因汽缸內之氧氣尚未與柴油進行燃燒反應, 故與汽缸內之氮氣在高溫時進行反應生成熱氮氧化物 5. 不同氫氣添加比例下氫氣之消耗狀況氫氣為一具有高熱值之燃料, 因其具有極高之熱量, 故若導入汽缸時, 除本身會因燃燒反應釋放熱量加熱汽缸內氣體溫度外, 議會因其具有極高之燃燒速度, 幫助柴油燃燒反應之進行 經由圖 之模擬結果顯示, 當添加不同比例之氫氧混合氣體進入汽缸內進行燃燒反應時, 在進氣量為 60 L/min 時, 氫氣的燃燒速度最快 e-4 NOx (%) L/min 30 L/min 60 L/min 70 L/min H 2 (%) 5e-4 4e-4 3e-4 2e-4 1e L/min 60 L/min 70 L/min 由柴油噴注口至燃燒室凹槽之距離 (m) 圖 添加不同氫氧進氣量之氮氧化物濃度趨勢 由柴油噴注口至燃燒室凹槽之距離 (m) 圖 添加不同氫氧進氣量之氫氣濃度趨勢 45

55 第五章結論與建議 5.1 結論 1. 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min), 能有效的提升柴油引擎中之制動熱效率, 分別為 31.5% 31.3% 31.0% 31.1% 31.2% 33.0% 35.4% 及 35.1%; 並有效減少單位燃料消耗率, 分別為 及 g/bhp-hr 顯示添加氫氧氣進氣量為 60 L/min 時為最佳之操作條件 2. 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之排放傳統污染物方面,CO CO 2 THC 及 PM 排放濃度會隨著氫氧進氣量增加而降低 ; 反之,NOx 排放濃度會隨著氫氧進氣量增加而增加 3. 純柴油 (0 L/min) 及添加不同氫氧氣進氣量 (10 70 L/min) 之總 PAHs 排放濃度分別為 及 μg/m 3 ; 排放因子分別為 及 3.78 mg/bhp-hr; 削減率分別為 4.4% 10.6% 14.9% 19.3% 22.7% 32.1% 及 36.9% 顯示添加氫氧氣能有效的降低 PAHs 濃度 4. 在節能效益部分結合引擎耗油量與氫氧機耗電量, 整體之油當量分別為 , 顯示添加氫氧進氣量 50 至 70 L/min 有明顯之節能效益, 其添加氫氧進氣量為 50 L/min 60 L/min 及 70 L/min 之節能效益分別為 3.2% 9.8% 及 10.4% 5. 最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 時, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之制動熱效率分別為 37.0% 36.9% 35.9% 35.9% 及 35.5%; 單位燃料消耗率分別為 及 g/bhp-hr 顯示添加氫氧進氣量對於混合不同比例生質柴油並無效益, 反而造成熱效率降低與燃料消耗上升 6. 最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 時, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之排放傳統污染物方面,CO 與 THC 排放濃度會隨著添加比例增加而降低 ;CO 2 NOx 及 PM 排放濃度會隨著生質柴油添加比例增加而增加 7. 最佳氫氧氣進氣量 (60 L/min) 時, 純柴油 (B1) 與混合不同比例生質柴油 (B5 B10 B20 及 B30) 之總 PAHs 排放濃度分別為 及 μg/m 3 ; 排放因子分別為 及 μg/bhp-hr; 削減率分別為 10.3% 22.9% 40.0% 及 41.4% 顯示氫氧氣添加不同比例生質柴油能有效的降低 PAHs 濃度 5.2 建議 1. 本研究探討添加氫氧氣確實可改善 THC CO CO 2 PM 及 PAHs 之排放濃度, 但 NO x 排放濃度卻上升, 建議可加裝廢氣再循環系統 (EGR) 或觸媒轉換器, 進一步探討整體污染物排放之情況 2. 本研究僅以純柴油為試驗油品, 建議選用其他不同燃料 ( 如天然氣 甲醇 乙醇 異丁醇及二甲醚等 ) 來研究測試, 以利暸解各種替代燃料之污染物排放情況 46

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62 附件四 國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告 日期 : 100 年 08 月 20 日 計畫編號 計畫名稱 NSC E MY2 運用柴油引擎富餘電力產氫氧混合氣對柴油引擎節能與污染減量 之研究 出國人員姓名 林淵淙 服務機構及職稱 國立中山大學環工所 助理教授 會議時間 2011 年 7 月 4 日至 2011 年 7 月 7 日 會議地點 印尼巴里 ( 中文 ) 第十二屆研究品質暨第二屆冷凍與空調節能國際研討會 會議名稱 ( 英文 )12th International Conference on Quality in Research in conjunction with the 2nd International Conference on Saving Energy in Refrigeration and Air Conditioning ( 中文 ) (1) 使用氫氧替代燃料之柴油引擎 PAH 排放情形 發表論文題目 ( 英文 ) (1) Emissions of polycyclic aromatic hydrocarbons from a heavy-duty diesel engine fueled with H 2 /O 2 as alternative fuel 1

63 一 參加會議經過 3 July 7/3 由小港機場飛往香港再轉機至印尼 4 July 當天下午三點至會場報到, 並參與大會所舉辦之歡迎茶會, 與大 師學者分享研究經驗 5 July 上午 8:30 開幕式, 由大會主席講述研究發展之現況等, 最後與與會之來賓合影並宣布會議正式開始 隨後由 Prof. Joe Greene, University of Illinois, USA Prof. Lighart, TU Delft, Netherlands Prof. Hiroshi Katayama, Waseda University, Japan Faculty of Engineering Universitas Indonesia 與 Prof. Tae Jo Ko, Andong National University 進行專題演講 隨後進行論文發表, 題目為 Emissions of polycyclic aromatic hydrocarbons from a heavy-duty diesel engine fueled with H 2 /O 2 as alternative fuel 下午參與分組會議 Session A1 Bioprocess Engineering 與 D2 Manufacturing and Material Session A1 Bioprocess Engineering 主要以介紹生物方面之綠色技術, 如從廢棄蝦殼中利用生物催化反應萃取幾丁質, 了解最佳條件下去除礦物質得到淨化後之幾丁質, 以利後續進行利用, 其中淨化過程許經過兩階段進行, 分別為好氧發酵及乳酸發酵 除此之外也有將皮革業廢水中最常見之三價鉻及五氯酚這兩種高毒性之污染物以生物降解及催化的方式進行廢水排放之處理, 於 120 小時之處理後, 分別可以削減 82% 之三價鉻與 85% 之五氯酚, 達到相當好之去除效率, 有利於後續排放時二次污染之可能性 2

64 Session D2 Manufacturing and Material 主要介紹材料合成方面之技術, 以天然之礦物進行合成出低碳之不鏽鋼材料, 再於製程上之注入空氣冷卻 機械裝置等特殊方法, 製造出不同鋼鐵粒徑 性質, 另也有研究指出利用真空澆鑄製造技術改變材料物質的物理特性及表面的破壞, 使其產出最佳之材料, 又或者於金屬加工設備使用監測及控制方式調整水平壓力及進料速度使材料可以模擬出最佳製程方法 最後則是有以燃燒微生物方式進行熱回收方式測量煙道中一氧化碳之濃度, 並測定燃燒爐中冷機與熱機狀態開始燃燒所得到的效率及排放濃度, 了解使用廢棄微生物進行焚化處理之可行性, 而也有研究以油電混合車中探討燃油及電使車子於行進間所消耗動力的不同, 也藉由著其結果了解行徑過程中動力控制及分配 6 July 上午參與分組會議 Session B4 Power and Energy system, 藉由電氣設備的操作及改進用電效率提升, 並設計控制系統監督及控制等相關管理方式, 於研究中成功的運用於小型建築上之用電管理及控制, 另也提議將電氣設備中之電路及配置技術修正為獨立之電力, 使其能夠降低送電過程之損失及減少電氣設備之損害 下午參與分組會議 Session B5 Power and Energy system 與 B6 Power and Energy system Session B5 Power and Energy system 主要探討因為對電力的需求增加, 需要尋找替代及供應的方法, 太陽能就可以於大樓中用來作為替代能源, 將其太陽能所得之能源轉換成 40 瓦電燈可以使用之電力, 作為能源再生使用, 並利用動態測量了解太陽能板中最理想的能源捕捉參數, 另於風力發電方面, 也有研究指出利用控制調整參數增加風力渦輪發電機獲得更多能源的狀況 ; 或減輕風力發電之葉片重量負荷, 利用空氣動力等模式進行分析, 以得到最佳化模式條件及設計方式 B6 Power and Energy system 主要目標為研發出電流傳送過 3

65 程如有發生損害之預警系統, 降低設備及電之浪費, 並研究出發電機於發電時最佳 最理想的動力輸出條件及限制, 另也有研究針對溫度於傳送電力上所產生之影響進行討論, 探討出環境溫度高低對於電力之傳送時所測量之準確度有所影響 7 July 大會安排 Social Tour, 主要地點包含 Sukawati Market, Menguwi Temple, Bedugul, Alas Kedaton 與 Tanah Lot 等等 8 July 由印尼搭機飛往香港再轉機至小港機場 二 與會心得後學林淵淙本年度第十二屆研究品質暨第二屆冷凍與空調節能國際研討會 (12th International Conference on Quality in Research in conjunction with the 2nd International Conference on Saving Energy in Refrigeration and Air Conditioning) 發表一篇文章, 海報發表之題目為 Emissions of polycyclic aromatic hydrocarbons from a heavy-duty diesel engine fueled with H 2 /O 2 as alternative fuel 年 ICSERA 於 7 月 4 日至 7 月 7 日在印尼巴里舉辦 會議包含 Chemical Engineering, Electrical Engineering, ICSERA, Mechanical Engineering, Material Engineering, Architecture & Planing, Industrial Engineering, and Civil Engineering 等八部分 很榮幸可以參加 2011 年 QIR 暨 ICSERA 研討會 在此研討會中, 與會人士包含政府機構 學術界與產業界等, 藉此可以與國外學者專家等分享個人的研究並且從其他國家之研究中發現新節能技術 參與此研討會對後學未來的研究確實有幫助 最後感謝國科會的補助後學才能參與此研討會 4

66 三 建議感謝國科會補助讓後學得以參與此次研討會 僅就個人參與此次會議之心得, 提出下列建議, 僅供參考 : 1. 政府部門 學術單位與研究單位等需更積極爭取舉辦國際會議, 以提昇台灣之能見度 2. 未來政府仍需持續積極鼓勵國內學術研究之風氣, 經由國際學術交流以提昇學術研究之國際地位與拓展國民外交 3. 國內研究經費之補助明顯低於歐美國家, 需讓每份補助發揮最大效能為當務之急 四 攜回資料名稱及內容包括會議議程與論文摘要乙冊 光碟一片, 僅供參考 五 照片 5