超超臨界是什麼？如何增加火力發電的效率？ 煤的旅程（二 ...

超超臨界是什麼？如何增加火力發電的效率？──煤的旅程（二）燃燒過程篇 · 讓煤在燃燒過程中比較「乾淨」的方法，有三個主要的方向： · 粉煤機讓煤變小， ... 010文字分享友善列印010Promo專欄科技能源萬物之理超超臨界是什麼？如何增加火力發電的效率？──煤的旅程（二）燃燒過程篇鳥苷三磷酸(PanSciPromo)・2018/11/16・3285字・閱讀時間約6分鐘・SR值546・八年級＋追蹤文／陳柏宇上一篇我們討論了使用煤炭的前置處理，歡迎來到第二道程序「燃燒過程」。

燃燒的過程，怎麼變「乾淨」？燃燒的過程，怎麼變「乾淨」？圖／pixabay讓煤在燃燒過程中比較「乾淨」的方法，有三個主要的方向：1.讓煤或固體燃料燃燒得更完全。

2.提高能源轉換效率、讓生產單位電力所使用的燃料減少。

3.完全改變原本的燃燒方法。

粉煤機讓煤變小，比較好混第一個讓燃燒過程更「乾淨」的方法，增加燃煤燃燒效率。

可以開始想像一下國中理化或是國小自然教的內容：當反應面積增大的時候，反應可以比較完全。

因此在燃燒前，我們會將煤炭送進粉煤機變成粉煤（pulverizedcoal），除了燃燒效率提升外，黑煙或是廢氣的產生也可以減少許多。

如前文提到的，不同煤種會有不同燃燒特性，也是在這個階段進行「配煤」，搭配出最適合的比例。

新技術流體化床讓固體變流體，燃燒更完全上頭講到的讓粉煤進入鍋爐內燃燒，燃燒可以比較完全沒錯。

但大家應該知道粉塵這種東西易燃易爆炸，會導致鍋爐裡的溫度非常高，長期下來對於鍋爐影響甚鉅，爐壁甚至會有結渣問題，氮氧化物也會偏高，真的很麻煩。

因此，讓我們用完全不一樣的流體化床（fluidizedbed）概念取代傳統像燒金紙那樣通通丟進一個桶子裡開始燒的運作方式，在 1970年代左右，流體化床（fluidizedbed）的應用逐漸成形。

流體化一詞是用來描述固體與流體接觸時的一種運動狀態。

將固體放在有氣孔的容器中，當有氣體透過孔洞噴吹快速進入容器中、速度逐漸加快時，固體顆粒將會開始懸浮、分離，並且可以自由的運動或轉動（可以想像成吹麵粉裡的乒乓球），這時這些固體的性質開始接近濃稠的液體。

繼續講原理可能還要一萬字，所以就先在這裡打住囉。

說到流體化，目前最能體現這項技術的大概只有貓星人了！Imagecredits:guremike這樣一來有甚麼好處呢？相比傳統鍋爐（固定式），流體化床的固體顆粒可以均勻分布於爐內、氣體與固體間的熱質傳較高、一次燃燒的總物量相對較大、操作溫度不高比較穩定等等。

破碎後的煤中加入生質物料、甚至是破碎廢棄物混燒等，流體化床都相對會是個比較好的選擇。

除了燃燒效率之外，流體化床對於污染也有幫助。

例如對於高含量硫份的物質，例如前兩年都吵很兇的生煤、石油焦，可以在燃燒時就先加入石灰石，讓他們一起激情翻騰燃燒，大幅減少硫氧化物的排放量。

另外，流體化床爐溫較傳統的燃燒爐低，製造出的氮氧化物的濃度也就相對較低。

目前這樣的爐體在台灣並不多，除了永豐紙業、以及台汽電外，還有台塑真的拿來燒石油焦。

國際間規模也因為爐體設計上的問題，使流化床鍋爐的功率（目前最大460MW）仍略小於傳統鍋爐（600MW以上）。

未來如果往循環經濟的方向前進，這是必須進步的技術。

提升發電效率：「超超臨界」到底是甚麼？大家現在對於「超超臨界」這個名詞大概不陌生，但要知道超超臨界是甚麼，我們需要先來簡單了解一下火力發電的運行，整個過程可不只是燒煤而已喔。

簡單來說就是蒸汽機的原理：用煤火燒水變成水蒸汽，透過水蒸汽的高壓推動渦輪機再帶動發電機，出力完畢的水蒸汽冷凝後再加熱進入新的循環。

細節版在這裡：1.工作流體（多數為水）先被壓縮，在壓力下成為高壓流體，溫度也跟著上升。

2.高壓流體來到鍋爐進行加熱，高壓流體吸收了外部熱源成為過熱蒸汽。

3.過熱蒸汽膨脹後，推動渦輪機發電；蒸汽的溫度和壓力降低，成為濕蒸汽。

4.濕蒸汽然後進入冷凝器，被冷凝成為飽和液體，並重覆回到第一步驟。

恭喜你，已經看完了工學院都知道的「郎肯循環」（RankineCycle）。

那超超臨界到底是甚麼啦？先來看一張圖，這是水的三相圖，就是水有三態，固態、液態和汽態的意思。

水的三相圖。

（圖：泛科學重製）以上為一般的循環，而如果把水加壓加壓再加壓（250bar以上）、加溫加溫再加溫（600℃以上），它就會突破我們稱之為臨界點的境界（上圖的粉紅色點點）。

從此時起，變成具有液態、汽態特性的流體。

然後把上面講的郎肯循環拿來解釋一下，如下圖。

左圖為普通機組的郎肯循環，右圖為與超臨界機組郎肯循環示意圖。

（圖：泛科學重製）左邊是原來亞臨界樣子，右邊是超臨界的樣子，因為上邊界明顯上移，中間圍起來的部分變多了，而中間的範圍其實就發電機轉換出電能的部分；所以超超臨界重點就在於在循環中提高輸出的效率。

根據台電月刊提供的數據，主蒸汽壓力每提高1MPa，機組的熱效率可提升0.13∼0.15％；主蒸汽溫度每提高攝氏10度，機組的熱效率可提升0.25∼0.30％。

效率更高、生產單位電力所使用的用煤量較少，也是減少污染重要方法。

這就是國際間目前講求的高效低排放（HELE）燃燒技術，概念上大概一百年前就存在了，只是礙於材料技術的發展，大約70年前才出現第一座超臨界機組（規模不大）；大約十年前，才有第一座超超臨界。

超超臨界機組整體發電效率比起亞臨界多上6~10%，整體的發電成本也相對減少。

國際上，近幾年火力電廠的機組翻新，之前熱議的深澳電廠，也都採用這種方法。

而以目前的林口發電廠為例，該廠舊機組於2014年除役，1、2號機改以超超臨界機組運轉，與其過往亞臨界機組相較，發電效率由38%提升為45%，亦即在發電量相同的情況下，每年可減少20％排放，遠低於法規標準值(如下表)，這也是為甚麼會有排放水準接近燃氣的說法出現。

台灣各燃煤機組氮氧化物106年平均排放濃度圖。

（資料來源：台灣電力公司）台灣各燃煤機組氮氧化物106年平均排放濃度圖。

（資料來源：台灣電力公司）106年林口電廠排放現況。

（資料來源：台灣電力公司）從上圖來看，已經更新的林口電廠相較於台中或是興達電廠的排放有相當的區別，與燃氣電廠的標準也相當接近。

另外，不僅止於發電效率高以及低排放量，因為工作流體的單相特性，鍋爐在飼水部分可以快速的做調節。

也因此，升降載比傳統鍋爐也可以更加快速，打破了我們對於煤電的「基載」想像，或是配合空氣污染做及時的降載調節。

林口發電舊機組於2014年除役，1、2號機改以超超臨界機組運轉，發電效率由38%提升為45%。

圖／Wikimedia至此，我們還算順利的結束了第二道關卡「燃燒」。

除了上面介紹較為成熟應用的技術以外，仍有許多讓燃煤更有效率的技術正在發展中，在未來幾年能源市場仍由煤炭主導的情況下，希望能讓燃煤發電朝更環保並保有競爭力的方向進展。

但是還沒結束喔，如果燃燒完後就直接排出，造成的污染還是很可怕。

所以目前有哪些技術在處理燃燒後的廢氣呢？讓我們準備一起邁向下一關：燃燒後處理（post-combustion）啦。

參考資料：PowerTechnology：Leanandclean:whymoderncoal-firedpowerplantsarebetterbydesign蔡孟原（2010年6月)。

循環式流體化床鍋爐。

科學發展月刊，450期，pp.26-32。

本文由台灣電力公司委託/廣告，泛科學企劃執行相關標籤：台電煤炭燃煤發電空汙熱門標籤：大麻NASA女科學家量子力學CT值文章難易度剛好太難所有討論 0登入與大家一起討論鳥苷三磷酸(PanSciPromo)126篇文章・ 256位粉絲＋追蹤充滿能量的泛科學品牌合作帳號！相關行銷合作請洽：[email protected]相關文章就是想知道十萬個植物的為什麼！解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪從色彩恆常性的兩個實驗，來理解人類怎麼看見色彩CO2不是廢物！以嶄新材料推進人造光合作用——林麗瓊專訪敞開心胸挑戰未知，發現抗癌關鍵「KLHL20蛋白」——陳瑞華專訪TRENDING熱門討論即時熱門「科學家也需要Art！」持續破解果蠅大腦神經迴路的李奇鴻112小時前不按理出牌的「科學工廠」！賽先生專訪161天前千萬別說《千萬別抬頭》有幫科學說了什麼——《科學月刊》122天前COVID-19爆發初期，與時間賽跑的病毒學家張永振——《疫苗商戰》13天前千萬別說《千萬別抬頭》有幫科學說了什麼——《科學月刊》122天前五則TED演講，讓你看懂「淨零」怎麼做62022/03/31學術研究既燒腦又燒錢，經費從何而來？——《疫苗先鋒》32022/03/30真菌與藻類的共生體，有著「陸上的珊瑚」之稱——地衣22022/03/23010文字分享友善列印010Promo來自台灣植物王國活得科學科學傳播就是想知道十萬個植物的為什麼！解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪鳥苷三磷酸(PanSciPromo)・2022/04/06・3848字・閱讀時間約8分鐘＋追蹤本文由台灣萊雅L’OréalTaiwan為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃，泛科學企劃執行。

2018年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳，畢業自台灣大學植物系，在美國卡內基美隆大學（CarnegieMellonUniversity,CMU）取得博士，後於加州大學聖地牙哥分校（UniversityofCalifornia,SanDiego,UCSD）進行博士後研究，研究專長為植物分子生物學。

主要從事細胞膜蛋白的功能研究，在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。

2021年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院（NationalAcademyofSciences,NAS）外籍院士（internationalmembers）。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機，可能很難立即知道失主是誰，甚至有點摸不著頭緒：因為她手機裡超過80%的照片，都是植物。

為何會選擇植物作為研究領域？身為中研院分子生物研究所特聘研究員，在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說，這個決定其實「不太科學」，因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇，因為好奇而想要知道更多：許多lovestory都是這樣開始的，而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢？也因為一般人都不夠認識植物，聽不懂植物的細語呢喃，更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家，擔任植物駭客兼翻譯，讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事，從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。

圖／劉志恒攝影分子生物學突破：發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白CHL1上世紀50年代起的「綠色革命」，大幅提升了糧食生產量，餵飽了激增的地球人口，「氮肥」在其中功不可沒。

它對植物開花結果至關重要，然而植物透過什麼機制攝取氮肥？如何調控才能更有效地吸收？蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮，是生物存活的重要元素；從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素，到與遺傳相關的核酸中，都有氮的存在。

但對植物來說，要取得氮元素卻出乎意料地困難；大氣的組成中近五分之四為氮氣，但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外，植物只能使用在土壤中非常少量的氮源，吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」，其中又以硝酸鹽為主。

但是，硝酸鹽是帶電離子，無法自行通過脂質構成的細胞膜，那到底植物如何利用硝酸鹽呢？為了解開這個長年來的謎題，蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株，並利用當時最新發展出來的分子生物技術，試圖找到出關鍵基因。

蔡宜芳表示，這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株，在她約10歲時就被荷蘭研究者發現，這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹；卻直到她開始進行博士後研究，伴隨植物分子生物相關技術發展，才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰，因為新技術還不穩固，就連實驗室老闆都曾勸她放棄。

不願投降的她，決定一邊持續研究氮代謝，一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術，1994年，蔡宜芳從美國回到台灣，持續研究進一步發現，位在植物細胞膜上的CHL1硝酸鹽轉運蛋白，除了作為硝酸鹽的「搬運工」，還有其他異想不到的功能。

在你我的印象當中，植物是被動的吸收養分：但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時，植物會主動改變硝酸鹽的運作模式，這就是蔡宜芳團隊在2003年的重大發現。

運作模式的改變正來自於CHL1蛋白的磷酸化轉換，因此CHL1蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。

透過CHL1，植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度，幫助植物調控基因表現，以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控，在農業領域十分有發展潛力，蔡宜芳的研究進一步轉向，對接實際應用，期盼為農業的永續未來提供新解方。

除了CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外，她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。

近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式，增進植物吸收硝酸鹽的效率。

由於硝酸鹽非常容易在環境中流失，因此多數的氮肥施放到田間後，植物也往往吸收不了；如果可以改善植物的吸收效率，就能減少施肥的浪費，連帶減少製造氮肥耗用的能源，也讓農作物長得更好。

好消息是，透過基因調控，蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功，並取得相關專利，期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品：好奇心、科學思辯與毅力蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心，對她來說和植物有關的十萬個為什麼，猶如始終永遠拼不完的大型拼圖，從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子，於是她「追根究柢」（如字面上意義），想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解，往往覺得植物跟動物一點也不同，然而在蔡宜芳看來絕非如此，她表示，已經有研究發現，當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間，植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。

「大家都覺得植物不會動不會叫，但其實植物是有感知的。

」蔡宜芳表示，植物其實都知道，只是用我們不懂的方式在表達，要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖／劉志恒攝影當然研究也不能自己埋頭苦幹，交流非常重要。

蔡宜芳擔任植物學期刊《PlantPhysiology》編輯多年，但回憶起剛建立獨立實驗室的階段，面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題，當時的自己也難免生氣。

一旦轉換身份成為審稿人，被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點，一來一往的思辨與答辯，反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破，是因為被質疑的時候很生氣，可是不能光氣，也要想辦法解決。

就在生氣的時候，想出來的方法，最後變成我們實驗室很新的工具。

」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時，認真地給出言之有物的評論，幫她累積了領域內的信譽，才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《PlantPhysiology》編輯。

圖/《PlantPhysiology》網頁截圖像投稿審稿這般來回思辨的訓練，對科學家的養成非常重要，然而蔡宜芳觀察，科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。

她舉例，在美國課堂上，老師會要學生先讀一篇論文，接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。

「我們在台灣被訓練的人，都會把paper當作傳世經書在讀，讀懂它就覺得很開心了——要去批評它，我們真的沒有習慣。

」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦，但會痛就代表該變。

她就此改變了思路：面對知識，蔡宜芳要求自己不僅要讀懂，還要有餘力批評它，說出對、錯在哪裡。

蔡宜芳認為，科學就是得永遠抱持著質疑的態度，在不疑處有疑，才能找到真正的答案。

「在我自己的實驗室裡面，我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中，會不斷要求學生思考、批判。

圖／劉志恒攝影而除了好奇心及思辨能力之外，蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。

經驗告訴她，在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了，革命十次稀鬆平常，如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走？那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力，身為科學界的女性，蔡宜芳認為，自己的成長環境中，性別造成的影響並不大，以她所在的中研院分生所為例，研究人員性別比例很平均。

但若深入細究，「無意識偏見」（unconsciousbias）仍難以避免。

她以自己帶過的學生為例，生科領域在大學時期男女比例大約是各半，但隨著碩士、博士一路往上，男性的比例逐漸多於女性。

因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候，往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先，這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」，成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她，時常是唯一獲獎的女性，而就在接受採訪不久前，她又獲頒一個獎項，直到頒獎當天的照片寄回到所上，「一片黑西裝裡面，就我穿黃色！」她笑道。

所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時，也對她苦笑說：「哎，革命尚未成功，同志仍需努力。

」「先不要去想會有這個東西，做該做的事情。

真正不平的時候，不要安靜不講。

」儘管環境仍待改變，蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步，就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥，遇上一位不放棄的科學家兼植物迷，造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。

如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣，裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片，請別質疑自己是不是怪怪的，或許妳也將靠著研究，改變世界，這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第15年，台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想，讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。

想成為科學家嗎？妳絕對可以！傑出學姊們在這裡跟妳說：YES!：https://towis.loreal.com.tw/Video.php本文由台灣萊雅L’OréalTaiwan為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃，泛科學企劃執行。

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