低碳工業熱製程—高功率精密電漿加熱系統模擬研究

摘要：我國工業製造產生的溫室氣體約占全國排放總量的51.14%。目前改善措施包括使用再生能源、設備汰舊換新、工業鍋爐燃料轉換、加強減碳技術輔導及智慧化能源管理等。然而許多工業製程需要高溫，傳統上這是通過燃燒石化燃料來實現，而開發替代工藝來減少這些製程中的溫室氣體排放將極具有挑戰性。近年高溫工業製程的一個潛在替代方案是使用微波電離技術將石化燃料燃燒器切換為由電力產生的熱電漿。本文介紹了在大氣壓下運作的2.45 GHz微波電漿源的電磁優化模擬研究。並對使用電漿火炬與石化燃料的能源成本與排放進行了評估比較。
Abstract：Industrial emissions constitute approximately 51.14% of total greenhouse gas emissions in Taiwan. Several industrial sectors have taken steps to replace their energy sources with renewable power, equipment, and fuel replacement, strengthening carbon reduction technology guidance, intelligent energy management, etc. However, many industrial processes require high temperatures which have traditionally been achieved by combustion of fossil fuels. It has proved challenging to develop alternative processes to reduce carbon dioxide emissions from these processes. A potential alternative for high-temperature processes is to switch fossil fuel burners with electrically generated thermal plasma using plasma torches. This article presents the partial electromagnetic optimization of a 2.45 GHz cylindrical-type microwave plasma source (MPS) operated at atmospheric pressure. Process conditions, energy costs and emissions from using a plasma torch in the process is evaluated and compared to the reference case with fossil combustion technology.

關鍵詞：微波電漿源、多物理場模擬分析、工業熱製程
Keywords：Microwave plasma source, Multiphysics simulation, Industrial heating processes

前言
極端氣候、森林野火及冰川融化證實了世界正在發生變化。過去五年是有記錄以來最熱的五年，突顯了全球暖化的劇烈趨勢[1]。幸運的是，包括我國在內，130多個國家已承諾到2050年實現淨零碳排[2]。這轉變將需要包括工業在內的所有部門的共同努力才可能達成。2020年工業約占全球最終能源使用量的38%，煤炭仍然是主要來源[3]。由於全球人口和經濟的增長，對商品和材料的需求肯定會持續增加，到2070年，化學品、鋼鐵和水泥的需求大約是當前的三倍[4]。以我國為例，工業製造部門的溫室氣體排放量占2020年全國排放總量的51.14% [5]，約為145.808百萬公噸二氧化碳當量(MtCO2e)，其中主要排放產業為化學、電子、金屬製程。因此，重排放行業必須迅速減少排放，以實現國家設定的目標。 然而工業部門是最難脫碳的部門之一，這是由於缺乏商業可用的技術和工業設施的成本評估。一些行業已採取措施使用太陽能和風能等可再生替代能源。然而，許多工業過程需要高溫，而傳統上這是通過燃燒石化燃料來實現的，並且事實證明開發替代製程來減少二氧化碳排放非常具有挑戰性。這些替代技術包括 Power-to-X、碳捕獲和儲存以及直接電加熱。
Power-to-X（P2X）的概念是通過電解等方法將剩餘的可再生能源轉化為液體或氣體燃料。風能和太陽能技術可再生電力成本的降低引起了對P2X的研究興趣。 其中電解槽系統可產生綠色氫作為交通和工業部門的燃料，是該領域的主要候選者之一。綠色氫還可用於通過化學氫化二氧化碳來合成碳中性燃料，如甲烷或甲醇。儘管該技術已被證明在技術上可行，但其經濟可行性仍然是一個挑戰。目前綠色氫的成本在每公斤2.5到6美元[6]，但需要降低到三分之一才能在當前碳稅情境下具有經濟競爭力[7]，且氫的儲存和運輸仍有相當多挑戰。
碳捕獲、利用和儲存（CCUS），即捕獲燃燒後的二氧化碳，是減少工業部門排放的另一種替代方案。在工廠中，二氧化碳可從煙道氣流中捕獲，或直接從空氣中捕獲並壓縮後進行運輸。然後，壓縮的二氧化碳永久儲存在地下，或用作製造燃料[8]和聚合物產品[9]的原料。目前，全球有30座商業CCUS設施在運營，總二氧化碳封存能力為4000萬噸。然而，只有3%的產能用於重工業[10]。這是由於捕獲過程造成的嚴重能源損失，對於在競爭性市場中運作的行業來說成本太大[11]。而捕獲的二氧化碳必須被壓縮和運輸，這將給基礎設施帶來了進一步的挑戰。
另一種選擇是將燃料燃燒換成可再生電力。一些工業製程正在探索直接電加熱或歐姆電阻加熱，它通過使電流藉由加熱元件來利用焦耳熱效應。 然而，達到某些工藝所需的高溫具有挑戰性。此外，通過直接電加熱無法實現燃燒的高輻射傳熱率。這使得將現有熔爐改造為電力熔爐可行性不高，並且需要巨額投資來更換現有基礎設施。
上述所討論的三種方案的缺點表示極需要一種適合高溫工業製程的低碳技術。高溫工業製程的一個潛在最佳替代方案是使用微波電離技術將石化燃料燃燒器切換為由電力產生的熱電漿。電漿火炬是一種使用微波或電弧將工作氣體電離加熱至熱電漿狀態的設備[12]。本文介紹了在大氣壓下運作的2.45 GHz圓柱形微波電漿源的電磁優化模擬研究，並分析輻射熱通量和輻射強度。且通過計算傳熱以及總體熱平衡來分析，進一步探討了將石化燃料燃燒器更換為熱電漿是否能降低熔煉爐中的二氧化碳排放。並且研究在大氣壓下使用微波電漿重整氣態和液態烴或醇生產氫氣的可行性。最後，本文還研究了蒸汽裂解裝置的改造，將現有的燃燒器更換為微波電漿火炬，分析將基於估計尺寸和溫度的計算示例，評估輻射傳熱的預期變化。
模擬建模分析及小型實驗驗證詳細規格
模擬實驗系統由工作頻率為2.45 GHz、入射微波功率3到100 kW的磁控管微波源、圓柱形微波電漿源、微波功率測量系統和工作氣體供應系統組成。微波功率測量系統包括：定向耦合器、兩個功率表頭、數位雙通道功率計，實際應用上，該系統能夠直接測量入射PI和反射PR微波功率。圖1顯示微波電漿源MPS基本架構，該結構基於標準矩形WR-340波導（2.45 GHz / TE10模式，波長λ = 122.4 mm）傳遞微波能量，在波導內部放置了一對高度遞減的金屬斜面部分，入射微波的波功率通過波導饋送到輸入平面埠，在輸出平面端，終止於可移動擋板。中央圓柱形結構（由同軸石英和金屬管組成）穿過高度減小部分中較寬的波導壁。工作氣體通過垂直於石英管的四個氣體管道引入MPS。這會在石英管內產生氣體渦流，從而穩定放電並防止石英管壁過熱。該裝置允許在大氣壓氣體下通過 2.45 GHz微波引發和維持電漿火炬。

圖1 MPS圓柱形微波（2.45 GHz）電漿源結構圖