鍋爐系統介紹 燃料的基本條件
燃燒也就是燃料之氧化作用，燃料的氧化作用如急遽持續地進行會產生大量的熱，這種現象稱為燃燒。燃料燃燒之難易，視其揮發為氣體之快慢而不同，同時視其最初氧化反應所聚積熱量遞增值之多寡而有很大的差異。
燃料燃燒時須有一定限度以上之溫度、空氣量及時間，燃料的燃燒無論何種燃料必先揮發為氣體，而後始能繼續安定的燃燒。
燃料之成分大部分為碳、氫的化合物，氫氣在常態時均為氣體，所以燃燒較易，碳元素在常溫時為固體，加熱亦不易全部揮發，故燃燒較難。
燃料與空氣作適當之混合後只需外界略予熱源，待其氧化連鎖反應快到其所放出之熱量比散去之熱量大時，燃料與空氣之混合物即能保持連續安定之燃燒，此時所需之最低溫度稱為著火點，實際之著火點因周圍之環境、爐膛壓力、燃料與空氣之混合比等的不同而異。
燃料與空氣如混合之比例不當，則空氣太多時燃料濃度較稀薄，反之則較濃，太薄或太濃之燃料與空氣混合物除無法得到連續穩定之燃燒外，太濃會造成不完全燃燒，太薄會增加排氣熱損失，故欲得到穩定、完全之燃燒，燃料與空氣的混合比有其一定之範圍，此範圍內之混合物謂之可燃性混合物 (Inflammable Mixture)，實際的燃燒過程比理論更複雜，首先空氣須預熱至接近著火溫度以幫助燃燒，燃料與空氣雖依照適當的比例送入燃燒室，但由於噴嘴、分配器、導向片等設備之不良及爐膛有偏流，都可能在燃燒室中混合不均勻使某一部份混合物太稀薄，另一部份又太濃而造成燃燒不穩定。
(三)排氣分析
為使燃料完全燃燒必須供給比理論空氣量多而能與燃料均勻混合之最少量過剩空氣，此過剩空氣量依燃料之性質及燃燒裝置而異。一般而言之，在使燃料完全燃燒之前提下，過剩空氣量愈少，愈能提高燃燒溫度而促進良好的燃燒，並能減少排氣所帶走的熱損失；而低硫份燃料可減低
SO3 生成量並可抑低排氣對鍋爐之低溫腐蝕及對環境所造成之污染，故低過剩空氣量之運轉非常重要。
為判斷燃燒之好壞以節省燃料及防止公害，必須做燃燒管理。
普通以分析排氣中之 CO2、O2、CO、N2 含量(CO2+O2+CO+N2＝100%)及計算排氣中應含有之(CO2)max
與過剩空氣量來判斷，完全燃燒則排氣成份中無 CO，且 CO2 含量接近(CO2)max；如排氣中有
CO 則為不完全燃燒現象。灰渣中可燃物成份太高則為混合不均勻或粉煤細度太粗所致。排氣中
CO2 含量若與計算應有之(CO2)max 相差很大，若非不完全燃燒便是過剩空氣太多。這些現象都要做燃燒調整。
為便於隨時瞭解燃燒情況，鍋爐都裝有物理式之
CO2 分析計或 O2 分析計來監視，並以化學式之 ORSAT 氣體分析器來定期分析排氣之成份及校驗 CO2 計或 O2 計之準確性。
排氣溫度與露點
排氣溫度也是決定鍋爐熱損失之重要因素之一，排氣溫度太高，隨排氣排放至大氣中之熱量就愈大，熱損失也愈高。故在鍋爐後半部設有省煤器及空氣預熱器等裝置來回收熱量，降低排氣溫度。
但如排氣溫度低於煙氣之露點(Dew Point)，則其中之水汽開始凝結為水滴而有害於空氣預熱器之低溫段及其下游之煙道設備。
煙氣之露點即為煙氣中水汽(Water Vapor) 之分壓力(PartialPressure)所相當之飽和溫度。硫化物會使排氣之露點較理論值為高，故凡燃燒含較高硫份之燃料時，其煙氣溫度之設定要較高。
理論上煙氣之露點可由計算求得，但實際應用數值則大多由實驗求得 鍋爐最佳化操作及鍋爐效率
(一)鍋爐最佳化操作
我們評估一個蒸汽鍋爐是否為最佳化操作，至少有下列幾個重點須要被考慮：第一個就是能量的利用，這一部份包括如何有效的將燃料中的化學能藉由燃燒的過程儘量全部轉換成熱能，接著就是如何的藉由適當的設備及妥善的操作將熱能傳遞到水這個介質，這一部份亦是本手冊研討的主題。
第二個部分就是鍋爐產出的蒸汽品質，影響的有補充水的水質控制，以及鍋爐操作的控制等。包含補充水製程的操作管理以及鍋爐系統的給水、爐水水質調整，例如：加中和胺調整給水的 PH，避免腐蝕等異常發生；加脫氧劑，例如聯氨，降低水中的溶存氧，避免腐蝕發生，以及加磷酸鹽類之清罐劑防止鍋爐產生鍋垢等。不同種類、壓力等級之鍋爐的相關水質控制基準在 JIS 及 ASME CODE 等都有詳細規範。水質的控制技巧，添加葯品的種類、濃度，目前
都有水處理的專業廠商能提供客戶最好的建議。爐水、蒸汽品質控制不良，會造成鍋爐設備腐蝕或結垢，同時爐水或蒸汽品質不良造成的異常也會使蒸汽鍋爐，甚至蒸汽用戶整個系統的危害，所以必須特別注意加以控制。
第三個部分就是鍋爐系統的穩定性，鍋爐一般產生的產品”蒸汽”，往往使用的客戶眾多，一旦蒸汽品質例如壓力、溫度不符要求，甚至因為設備異常，發生非預期的停車，造成停止供應蒸汽，經常會造成連鎖反應，導致下游眾多客戶的連帶影響，所以蒸汽鍋爐系統運轉的穩定度、可靠度，也是它操作最 適化與否的一項重要指標。這一部份除了上述所講的燃燒調整、水質控制以外，包含了建廠之初的規劃是否妥當，鍋爐於試車運轉後，除了要建立標準操 作程序(SOP)及標準保養程序(SMP)，要求相關人員確實遵守執行，避免因人為失誤造成設備系統的損壞外，設備的保養也應該從傳統的故障保養，改為藉 由振動分析儀、紅外線測溫儀等儀器，對相關設備進行量測記錄及趨勢管理，達到設備在發生重大異常前，就能預先判斷，事先進行備料、生產調度以及 安排計劃性的停車檢修，來達到不單是對蒸汽鍋爐，甚至是整個公司不利影響降到最低的安排。
除了上述三個項目外，蒸汽鍋爐的操作亦必須符合相關的工安、環保的法規要求，以較大型的蒸汽鍋爐而言，是所謂的危險性設備，依照現有的工安法規，需要申請危險性工作場所、製程危害分析(HAZOP)等，操作人員也必須受訓取得鍋爐操作等證照，另外還必須每年向工檢單位申請檢查等等。以環保而言，蒸汽鍋爐通常須要有設置許可、操作許可，還要定期進行排煙檢測，甚至安裝連續排煙監視系統(CEMS)，確保排煙中污染物符合環保法規，也要每季依污染物排放量、燃用燃料種類申報空污費。以上種種都與蒸汽鍋爐是否能合法穩定運轉習習相關。
(二)鍋爐效率的提昇及效率計算
要使鍋爐達到能量的充分利用以提升效率，基本上有下列三種方式：
第一個是藉由調整燃燒條件，使燃料在鍋爐內充分完全的燃燒，也就是將燃料中的化學能儘量轉換成熱能。再來就是將生成的熱能儘量的回收使用，這部份除了可以藉由水吸收熱轉變成高溫高壓的蒸汽外；也可以將這些熱量回收，用來加熱助燃空氣或燃料，以達到能量的充份回收。另一種提升鍋爐效率的方法就是減少鍋爐系統的電力等能源使用，這一部份常藉由良好的設計及適當的設備來達到節省能量的目的，例如適當煙風道或管路尺寸的設計減少壓 損，相對降低風車或泵的電力秏用，或著是使用液壓聯軸器、變頻器等設備替代風門、控制閥等浪費能源的設備，以達到節省電力能源之目的。
鍋爐是一個很成熟的製程設備，所以第二、三項有關能量的充份回收及節省，一般在系統規劃設計階段，應該都已經充份考慮，故在本手冊不再贅述，後面章節中則以節能改善的實例說明。
至於燃燒的最佳化調整，往往跟燃料的特性及人員的操作習慣有很大的關係，尤其是大型蒸汽鍋爐，一般因為能源耗用量比較大，為了考量降低燃料費用及燃料取得的穩定性，往往使用價格最便宜，蘊藏量最豐富的煤碳做為燃料，而煤碳一般均直接由礦坑挖掘出來，未經特殊處理就送給客戶使用，而每一個礦坑所產的煤碳性質產異性很大。
藉由燃燒的調整可以達到降低燃料的殘餘未燃份，也就是將燃料中的化學能充份的轉換為熱能，一般而言，可以將灰中之未燃碳(U.B.C.)降低到 4∼6%。在
這裏要補充說明的一點是，目前因為環保法規嚴格要求排煙中的 NOx 含量不得超過管制值，所以新設鍋爐使用分段燃燒的低氮氧化物燃燒器(Low Nox Burner)配合火上風(OFA)以降低燃燒溫度，抑制 thermal Nox 生成量的燃燒方式已變為主流，這種方式雖可將 Nox 排放量由大概 500ppm 降至約
200ppm，相對而言也犧牲了燃燒效率，前面所說將灰中之未燃碳降低到
4∼ar 6%，是在將 NOx 控制在約 200ppm 前提下，如果不考慮
thermal NOx 生成量，而以其他
方式控制 NOx 排放濃度，藉由適當的調整燃燒條件應可將 U.B.C.控制在 4%以下，更進一步提高燃燒效率。
另外藉由適當調整操作條件及適當裝置熱回收設備，可以盡量降低排煙溫度，也就是減少能量損失，增加能量的回收率，提高鍋爐效率，但是一般燃料除了天然氣外都有硫份存在，而硫份在燃燒過程中將氧化成硫氧化物，如果排煙溫度低於硫氧化物的冷凝點，一般稱為露點；硫氧化物將冷凝成硫酸或亞硫酸，造成系統的腐蝕，影響系統的穩定安全運轉。
硫氧化物的露點隨排煙中水份的含量及硫氧化物的組成而定，一般約在
130∼150°C，所以在安全運轉的考量下，排煙溫度除考量能量的回收外，也要考量避
免腐蝕的發生，所以以燃煤鍋爐而言，一般都將鍋爐排煙控制在 130°C 左右。
要提升鍋爐效率，就必須對所謂燃燒做較深入之探討，所謂燃燒是指燃料的氧化作用，即氧化作用持續急速地進行，而且產生大量的熱，我們就稱這種現象為燃燒。
在此需強調，不論是固體燃料、液體燃料或氣體燃料，燃燒前都必須先揮發成氣體，所以燃料燃燒的難易，視燃料成分揮發為氣體的快慢而不同，同時也視他最初氧化反應所聚積熱量遞增值的多少，而有很大的差異。
從燃燒的定義可以發現，要構成燃燒須要有三個最基本的條件，燃料、熱(溫度)，氧氣(指助燃物)，因為空氣中含有
20.9%的氧氣，所以一般都是以空氣做
為燃燒的助燃物。
燃料如前述可依照物理性質分為氣體燃料、液體燃料以及固體燃料，成分大部分為碳、氫、氧等的化合物，氫氣在常態時是氣體，所以燃燒較容易，碳元素在常溫時是固體，加熱也不容易全部揮發為氣體，所以燃燒較困難。
燃料跟助燃物作適當混合後，只需要外界稍微給他加一點熱源，當這些混合物的氧化連鎖反應快到他所放出的熱量比散去的熱量還大的時候，燃料跟助燃物的混合物就能夠保持連續安定的燃燒，在這裡所需要的最低溫度就稱為著火點，實際的著火點因為周圍的環境、爐膛的壓力、燃料與助燃物混合比等的不同而不同。
燃料跟助燃物混合的比例不當，如果助燃物太多的時候，燃料濃度就比較稀薄，反過來燃料濃度就太濃，太薄或太濃的燃料跟助燃物的混合物，除了無法 得到連續穩定的燃燒之外，燃料太濃會造成不完全燃燒，燃料太薄會增加排氣的熱量損失，所以要得到穩定、完全的燃燒，燃料跟助燃物的混合比，有一 定的範圍，這個範圍內的混合物我們稱之為可燃性混合物(Inflammable
Mixture)固體燃料跟液體燃料的主要成份都是碳氫化合物，其燃燒所需助燃物的計算，是先依照元素分析，來分析燃料成份的重量比，再依燃燒反應式來計算他所需要的助燃物量。而氣體燃料的主要成份則是多種含不同碳氫原子數的分 子混合物，他燃燒所需助燃物的計算一般是以成份的容積比，再依燃燒反應式計算來計算他所需要的助燃物量。以下為較常用的公式是計算公式，供參考。 1.理論空氣量與實際空氣量的計算
理論空氣量一般以 A0 表示，是代表依燃料燃燒的化學反應所求出之乾空氣量。
A.
以固體及液體燃料而言常用的計算公式：
Ao＝11.47C＋34.48 (H－O/8)＋4.31 (Kg/Kg 燃料)
Ao＝8.89C＋26.66 (H－O/8)＋3.33 (Nm3/Kg 燃料)
B. 以氣體燃料而言常用的計算公式：
Ao =4.76 × {0.5(H2) ＋ 0.5(CO) ＋ 2(CH4) ＋
7.5 (C6H6) －
(O2)}(Nm3/Nm3 燃料)
在上面三個公式中 C、H、O、S 代表固體及液體燃料的成份重量
比(Kg/Kg)；而 H2、CO、CH4 等則代表氣體燃料成份的容積比(Nm3/Nm3)
在實際應用的時候，在燃燒的過程中，應該多供給些空氣才能得到完全燃燒，這一部分比理論所需量多出來的空氣量，稱之為過剩空氣(excess air)。 實際空氣量(一般以 A 表示)一般都用與理論空氣量的百分比表示，而所供給的空氣一般是直接由大氣中抽取，所以都是含有濕度的濕空氣量(一般以 Aw 表示)，有關實際空氣量、濕空氣量的計算式
如下面兩個公式所示： A＝Aom，
Aw＝(1＋y) A
在上面公式中 m 代表的是過剩空氣比
y＝47 × X / 29 ，為含乾空氣量 1Nm3 之空氣中所含之水蒸汽量(Nm3)，X 為空氣之絕對濕度(Kg/Kg)。
一般而言，過剩空氣比愈高，燃料愈容易完全燃燒，但因爐膛等設備熱交換面積及容積為固定，過多的過剩空氣進入系統，相對在系統內的燃燒、停留時間縮短，熱量傳遞給水等介質的量反而降低，而且由物質不滅定律可以知道，由煙囪排出的煙氣總質量將增加，所以排出系統的熱量相對增加，反而降低
系統的總熱效率，就總體熱效率而言，過剩空氣比並不是愈高愈好。依經驗值，各種燃料的合理空氣過剩比是：
固體燃料一般在 1.15∼1.20液體燃料一般在 1.10∼1.15氣體燃料一般在 1.05∼.10
之間，相對而言，也就是排煙在爐膛出口的氧氣濃度控制在 2.8 到 3.5%之間之間，也就是排煙在爐膛出口的氧氣濃度控制在 1.9 到
2.8%之間
之間，也就是排煙在爐膛出口的氧氣濃度控制在 1 到 1.9%之間
有關於不同過剩空氣量的情形下，爐膛出口氧氣濃度的簡易的計算公式，就是將過剩空氣量減 1，乘以 21 再除以過剩空氣量，
即可以得到爐膛出口氧氣濃度，例如以過剩空氣量 1.2 為例，1.2 減 1，等於 0.2，再乘以 21 等於
4.2，再除以過剩空氣量 1.2 等於 3.5，所以過剩空氣量 1.2 時，爐膛出口氧氣濃度理論上應該是
3.5%
圖 3 過剩空氣與煙氣中含氧量關係圖
從上面我們瞭解了燃燒的三個基本條件對鍋爐效率的影響，接下來針對在鍋爐系統燃燒過程中，一般操作上可以調整的三個燃燒參數討論，他們分別是溫度(Temperature)、時間(Time)、紊流(Turbulence)，因為每一個英文字的第一個字母都是 T，所以習慣上我們稱之為”三 T”。
首先來看溫度：不論是燃料或助燃物，溫度愈高，燃燒就愈完全，燃料一般藉由預熱或乾燥來提升他的溫度。在燃料安全運轉的條件下，將燃料以適當方式加熱，例如燃油以蒸汽式熱交換器或電熱式加熱器加熱，除了可以提高燃燒的溫度，相對而言，縮短他在爐膛揮發為氣體所需的時間，也就可延長燃料在燃燒區燃燒時間，可以有效提高燃燒效率。而燃料油在加熱的過程中，往往會析出瀝青的雜質，附著於加熱器的換熱表面，影響熱交換效率，造成燃油溫度無法到達設計值，降低燃燒效率，或需要耗用較多蒸汽或電力等異常，故需紀錄相關運轉實際燃油溫度，加以追蹤了解加熱器之性能，必要時需加以拆解清理。
或者是將燃料以適當方式乾燥，例如粉煤在粉煤機以一次熱風乾燥並加熱，除了可以提高燃燒溫度，相對而言，也延長燃料在燃燒區燃燒時間，可以提高燃燒的效率。
以助燃物而言，通常將助燃物(空氣)經由各種熱回收設備，例如瓦斯空氣預熱器等，以排煙等將助燃物進入爐膛溫度提高，除了可以降低排氣熱量的損失，也可以提高燃燒效率。而鍋爐常用燃料一般都會產生油灰或煤灰，這些雜質極易附著於瓦斯空氣預熱器，影響熱交換效率，造成熱量無法有效的由熱排煙 傳遞到助燃空氣中，造成煙囪排煙溫度偏高等異常，降低鍋爐之效率(一般而言，排煙溫度每提高 10℃，鍋爐效率降低
0.6~0.7%)，故除須定期使用吹
灰器等將附著於熱交換器表面積灰清除外，提升熱交換器性能，降低排煙溫度外，亦需紀錄相關運轉實際排煙溫度，加以追蹤了解熱交換器性能，必要時需進行人工清潔熱交換器之工作。
以時間而言，燃燒滯留時間愈長，燃燒愈完全，但一般鍋爐的燃燒爐膛在設計施工完成後，幾乎是一個定值，在同樣的負載下，燃燒時間也相對是定值，所以除非是系統有尖、離峰負載調整，可以在離峰時段藉由平均降低各鍋爐負載，以延長燃燒時間外，否則一般均是以減小燃料顆粒或降低過剩空氣等方式，以相對延長燃燒時間的方式，來提升燃燒效率。
以燃料而言，可以藉由粉碎相對延長燃燒時間，例如屑煤經由粉煤機輾磨，使其粉碎，除可增加燃料與助燃物接觸面積，提高燃燒效率之外，並且因為屑
煤顆粒變小，可以減少各粉煤燃燒所需時間，相對地，就是延長燃燒時間，提升燃燒效率。
一般目前的燃燒器對粉煤的要求大約在下面這種粒度的標準：通過 200 mesh 篩網的粉煤百分比需在
75% 以上通過 50 mesh 篩網的粉煤百分比需要在 99%
以上
一般粉煤機內部磨輪及磨盤等，均使用如高鉻合金耐磨件製作，以確保使用壽命及性能，但仍應定期檢視、量測各元件之磨耗情形，當磨耗超出廠商建議基準值時，應予以更新，確保粉煤粒度符合需求。並應定期取樣檢驗粉煤粒度，除作為粉煤機性能之參考外，亦可作為燃燒條件調整之依據。
就助燃物而言，助燃物愈少，相對燃燒滯留時間愈長，燃燒愈完全。除了適當調整過剩空氣量，將其控制在最低值，以提昇燃燒效果之外，如前面所提到的，因為環保要求，目前高壓鍋爐一般均使用低氮氧化物燃燒器(LOW NOx BURNER)及火上風等環保設備，適當搭配調整，除了可以降低 NOx 排放，仍可維持燃燒效率在一定水準以上。
就紊流效果而言，系統紊流愈大，使燃料及助燃物接觸機會就愈多，燃燒也就愈完全。
以燃料來講，例如粉煤一般藉由一次風輸送，在燃燒器內經過旋風器或文氏管產生較大旋轉或流速，來達到增加系統紊流的目的。或是重油經由油槍頭之噴灑、霧化，來達到增加系統紊流的目的。如前所述，燃料油除本身可能在製造或運輸過程中可能會有雜質外，在加熱過程也容易析出瀝青，造成油槍噴頭阻塞，故定期清理油槍噴嘴甚至更新，也是確保燃燒效率不可或缺之工作。
以助燃物來講，助燃物在燃燒器或火上風等設備藉由旋風器、文氏管或噴嘴產生較大旋轉或流速，來增加系統紊流，提升燃燒效率。通常此部分是最常需
要運轉人員配合燃料特性而調整的，而實際調整的方式，需要配合燃燒器等設備元件的操作方式來執行。
一般來講，經由旋風器將空氣等助燃物調整得旋轉越利害，燃燒器出口火焰就會越寬越短，燃燒效果越好，反之，燃燒器出口火焰會較狹長，燃燒效果較差，需要特別注意的是，在進行這方面的調整前，應該將各調整單元的相關位置及燃燒狀況紀錄後，再進行調整，調整完，等系統穩定後，應將各調整單元的相關位置及燃燒狀況，再予以紀錄，以便進行比較，確認調整前後燃燒狀況後，再決定更進一步的調整。另外需特別注意的是，調整過程中各燃燒器所生成旋風不要彼此接觸干擾，以及火焰不要直接衝擊水牆管等設備，以免造成局部過熱而燒損設備。
相關調整元件因長期與高速流體接觸，無可避免的會有磨耗現象產生，因此適當的耐磨材質選用及定期檢查修補甚至更換，是確保燃燒效率必須的工作項目。
(三)鍋爐能源效率標準
新設鍋爐其效率標準，需依照經濟部九十年九月公告(經(九０)能字第０九００四六一八九八０號)之標準。修正後之「鍋爐能源效率標準」如下表，實施日期為九十二年七月一日。此公告適用於以燃油或燃氣為燃料之蒸汽鍋爐，效率標準則依國家標準（CNS2141）之熱損失法計算，並依燃料低熱值計算涵蓋廢熱回收裝置之鍋爐全載時之能源效率。