第二章 文獻回顧
燃燒科技是門綜合性強且具複雜的研究領域，雖然是建立在已具有悠久發展 歷史的科學如熱力學、流體力學和熱傳學等基礎之上，但因為火焰具有極強耦合熱 流特性而使其化學動力學中的反應機制和紊流燃燒等現象極為複雜，此外在低熱 值燃料的燃燒中，成分比傳統石化燃料更為多元而出現以往較少探討的反應和現 象；另一方面則是量測技術的發展，提供研究者一個可行的管道探討更為暫態和更 微觀的交互作用特性。在燃燒科學的研究中仍有許多未知且極具挑戰性的領域，其 所涵蓋的知識範疇廣大，歸納整理前人研究的目的有二：一方面可快速掌握燃燒科 技的發展方向，了解目前研究趨勢為何；另一方面，在學習前人經驗與技術的同時，
也能作為更深入探討的基礎，圖2-1 為文獻回顧架構圖。
圖2-1 文獻回顧架構圖
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2-1 燃燒強度變化性
燃料是燃燒反應的能量來源，同時也決定燃燒反應的機制。基本上燃料可分為 固態燃料、氣態燃料與液態燃料三類，而不同型態及不同成分之燃料特性及反應過 程均有所不同。固態燃料具有高密度的特性，單位體積可釋放較大量的化學能，但 其引燃及燃燒過程皆不易控制，因此除了國防用途外，於日常生活的應用並不廣 泛；氣態及液態燃料方面，因為操作較易控制且燃燒反應較為穩定，故作為日常生 活燃燒應用之燃料來源，如飛機、船艦、汽機車、瓦斯爐…等。 常 見 的 燃 料 主要有碳氫化合物(hydrocarbon)及氫氣(hydrogen)，其中碳氫燃料又可依其碳數多 寡分為烷類(paraffin)、烯類(olefin)和炔類(acetylene)三種。日常生活中所使用的瓦 斯爐或熱水器等大部分燃料來源為液化天然氣(liquefied natural gas；LNG)或是液化 石油氣(liquefied petroleum gas；LPG)。天然氣又稱天然瓦斯，為遠古時代生物遺骸 沉積於地層中慢慢轉化及變質裂解後產生的氣態碳氫化合物，主要成分包含甲烷 和少許乙烷、丙烷、丁烷與少量不可燃性氣體，其熱值約為每立方公尺36000 kJ 至 39540 kJ 之間，隨出產地及其純度而有所不同。而液化石油氣又稱桶裝瓦斯，為原 油處理過程中所析出之產物，主要成分為丙烷及丁烷，在常溫常壓的環境下為氣 態，經加壓後可被液化儲存以利運送，具有高熱值及低污染的特性，其熱值約為每 立方公尺92100 kJ 至 121400 kJ 之間。氣態燃料丙烷(propane, C3H8)較空氣為重，
特性與同為碳氫化合物的甲烷(methane, CH4)會有明顯不同，而兩者之化學反應機 制常被作為研究標的，且都同為民生工業中常見的燃料，因此選用甲烷與丙烷作為 燃料能同時兼顧實際工程應用與學術研究價值。
科學上對火的定義為：當燃料與氧化劑接觸並具有特定的比例關係，在達到著 火溫度後會產生劇烈的反應而釋放出大量的光和熱，因此燃燒反應要進行必須滿 足三個要素，分別是燃料、氧化劑及著火溫度，其中火焰燃燒模式與燃料和氧化劑 有密切的關係。根據燃料與氧化劑在未燃前的混和狀態可分為擴散火焰(diffusion flame)與預混火焰(premixed flame)兩種(Turns, 2000)。擴散火焰在燃燒前並無預先
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混合燃氣的過程，所以燃燒反應發生處位於燃料與氧化劑之介面上，故此時兩者的 混合過程與化學反應過程是同時進行，蠟燭之燃燒方式即是最常見的擴散火焰。而 發生燃燒反應的介面則稱為火焰面(理論上當量比為 1)，在燃料與氧化劑的混合過 程中，相互進行不同尺度大小的擴散，而由於化學反應過程進行較快，因此燃燒速 率主要受制於混合過程的快慢，易受外界干擾而影響火焰穩定性導致燃燒不完全，
不符合節能減碳之需求。相對於擴散火焰，預混火焰為燃料與氧化劑在燃燒反應發 生前先以分子層級均勻混合，此種燃燒方式較為穩定且效率高，本生燈與內燃機之 燃燒方式皆屬此類。燃料與氧化劑接觸時其比例關係存在三種狀況，均會影響燃燒 反應。首先，是燃料比例過多，這種情形稱為富油(fuel-rich)，雖然是現有燃燒方式 中最常見的，但同時存在燃料浪費及燃燒不完全的缺點。第二，是氧化劑比例過多，
這種情形則稱為貧油(fuel-lean)，此時燃燒反應速率較慢且容易有跳脫火焰或局部 熄滅的狀況，使火焰較為不穩定，但其汙染物生成則較少。而在燃料與氧化劑比例 剛好時則具有燃燒反應最快且完全的特性，使燃燒溫度升高，但同時也大幅增加 NOx 的產生。為了因應改變倚賴石化燃料為主要能源，使替代能源的比例逐漸提 高，在現有的燃燒科技基礎之上如何使用低熱值燃料是另一極具潛力的方式，但其 不易點燃及易熄滅的複雜燃燒特性等，則有待更多研究投入以深入了解這些燃燒 現象的生成機制。
2-1-1 貧油燃燒及低熱值燃料之燃燒特性
環境保護和能源危機促使傳統能源使用方式開始改變，朝高效率低耗能的方 向前進，且必須在更嚴苛的環境友善法令下仍然提供穩定舒適的能源。其中貧油燃 燒，以及逐漸興起之低熱值燃料應用因為能降低燃料使用，且未燃盡的燃氣在伴隨 較多的外界稀釋空氣下絕大部分能被反應殆盡而減低污染物(NOx 和 soot)排放，近 年來廣泛被應用在像是渦輪引擎、鍋爐、熔爐和內燃機等工業應用，而被視為是一 個重要且具發展性的燃燒科技。儘管貧油燃燒具有許多優點，但同時也具有低反應
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速率、易淬熄、微弱的熱釋放率、燃燒不穩定性高和易受混合條件影響等問題，顯 示仍有許多未知的特性待探討和工程上的問題尚待克服。對火焰燃燒的強度變化 而言，燃氣在空間中的分布變化(局部當量比變化)、反應過程中火焰結構變化的影 響和大、小不同尺度的擾動對局部流場紊流強度和化學反應交互作用的影響，以及 不同燃燒器穩焰設計(鈍體結構、渦漩式結構和背向階梯等等)的影響，都必須釐清 其反應特性和原因，才能在各種操作條件中取得最佳平衡以進一步利用並研究開 發新一代能符合低耗能和低碳排需求的燃燒系統。
對燃燒器設計而言，貧油燃燒具有兩個極富挑戰性的問題，一是在需求的 操作區間下能具有良好的燃燒穩定性，同時在燃料成分隨不同操作條件變化的特 性下仍需維持其穩定性，以符合實際應用的需求，而這兩個特性皆與替代能源中之 低熱值燃料燃燒時所會面臨的困難類似。對燃燒器的實際應用來說，穩定性是維持 燃燒效率和強度的先決條件，而在評定燃燒器的功率穩定性方面，極限負荷比 (turndown ratio)是代表其功率輸出峰值和峰谷的比值，對家用或是小型燃燒器而 言，其不穩定性可透過開關調節間歇性(intermittency)，但對於大型發電站或噴射引 擎等則無法用此類方式改善。為了維持燃燒穩定性，已有許多研究提出不同駐焰器 的設計及其原理，像是利用燃燒器幾何構造產生迴流區，或是使用渦漩燃燒器(swirl burner)等等，所形成的迴流區都具有高度暫態特性(速度梯度變化、toroidal vortex core 和非等向性的紊流特性等)，因此雖然實驗證實這些設計確實可提升燃燒穩定 性及效率，但其穩焰機制仍需更多研究才能釐清其中關鍵(Rankin, 2008)。
研究者已提出許多方法拓展貧油燃燒可燃極限和強化其穩定性，諸如加 入觸媒輔助、添加活性氣體及透過火焰和流場交互作用預熱輔助(Lin et al., 2009)；
或是比較觸媒鉑及氧化鐵對貧油甲烷之反應效果，發現鉑使甲烷貧油反應範圍較 為寬廣(Sazonov et al., 1999)。Jackson et al. (2003)研究指出在燃氣當量比接近下可 燃極限時，添加少許氫氣能讓燃燒現象大幅穩定和拓展可燃極限。Wu et al. (2009) 則混入一氧化碳(CO)，結果發現火焰傳播速度有明顯的增快，使得貧油狀態下的甲
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烷燃氣也能有良好的燃燒反應。
另一方面，對低熱值燃料中的生質合成氣(syngas)來說，由於來源廣泛，因此 其成分也較工業上或家用燃料等常使用的能源方式來的複雜。生質合成氣來源可 概略分為兩種方式。第一種是生質燃料及其處理後的產物，以往因為具有燃燒不易 且熱值較低等不利使用的因素而廢棄不用的物質，在能源危機的迫使下使得人們 逐漸正視此類能源來源的利用可行性。另一方面，在一般化學工業或是煤炭氣化的 過程中，均會產生許多副產物，而此類副產物其成分可能包含氫氣、一氧化碳或水 氣等等，雖具有利用價值，但其處理成本仍是無法與直接使用燃料相抗衡。
然而現今倚賴石化燃料為主的能源使用方式有其改善和尋找替代方案的必要 性，近年來已有越來越多的研究探討如何有效利用以往忽略的生質合成氣，一方面 降低對單一能源及石化燃料的依賴性，一方面也可將廢棄物或副產品等仍具潛在 價值的燃料妥善利用，因此透過加速發展生質合成氣的燃燒科技研發將有助於克 服目前所面臨的使用問題及能更有效的利用。此外，其他利用生質合成氣產生能源 的方式也正在發展中，像是富氧燃燒、化學循環、燃料電池或混合式發電等等，都 是極具發展潛力的未來科技(Casleton et al ., 2008)。
由於低熱值燃料之生質合成氣其組成複雜，一般含有氫氣、一氧化碳、少量的二氧 化碳和氮氣以及水氣，其組成比例隨產生狀況而不一，因此造成生質合成氣具有點 燃不易且熱釋放率低和不穩定的特性，生質合成氣之燃燒研究雖然歷程已有五十
由於低熱值燃料之生質合成氣其組成複雜，一般含有氫氣、一氧化碳、少量的二氧 化碳和氮氣以及水氣，其組成比例隨產生狀況而不一，因此造成生質合成氣具有點 燃不易且熱釋放率低和不穩定的特性，生質合成氣之燃燒研究雖然歷程已有五十