王信富、楊明修、林欣儀、施景祥、蔣承學 / 金屬工業研究發展中心
石化產業面臨著能源效率、碳排放和原材料供應不穩定等挑戰，提高生產效率和降低碳足跡成為當務之急，亟需尋求創新解決方案。石化設備用高熱傳材料，在產業已證實為具有可行性，越來越多的公司在新工廠設計中使用高效率管材，以提高熱交換效率並節省寶貴的廠房使用空間。本計畫投入高導熱耐蝕鍍層材料及製程技術研發，開發多孔結構高效能熱傳沸騰管產品，以期提升生產效率與降低碳排放，除有助於符合國際淨零減碳趨勢的潮流，並能進一步推動國產自主化取代進口，引領關聯產業升級。
【內文精選】
國內石化設備沸騰管市場趨勢
國內石化產業的需求對於使用國外UOP這種高導熱沸騰管材High Flux Tube的目的非常明確，主要應用石化產品為乙二醇(Ethylene Glycol; EG)，特別聚焦在EG產品製程之再沸器塔管材。依據業者各自生產設備尺寸大小與空間環境的不同，管材也會各有不同，一般來說最直接的差異就是管材的長度與數量，長度會介於1公尺到7公尺之間，數量的部分從1,700支/每座到8,000支/每座都有，取決於製程設備的需求與設計規劃而定。
本計畫藉由實際產業需求盤點國內主要生產乙二醇(EG)廠商，統計台灣現況約有65座EG產品使用高效再沸器，保守估計以1,700支/每座來計算，光是EG產品對於高導熱管材的需求量就達11萬支以上。
高熱傳銅鎳合金材料與製備技術發展
銅鎳合金(Copper-Nickel Alloy)材料市場正處於穩定增長的趨勢。2021年銅鎳合金產值市場規模達到41.4億美元，預計到2028年將成長至59.9億美元，年複合成長率達5.7%；同樣地，產量也呈現增長趨勢，2021年的銅鎳合金產量為81.9萬噸，預計到2028年將增長至114.4萬噸，年複合成長率達5.2%。主要驅動力包含如於石化產業應用，高熱傳鎳銅合金表現出多項卓越特性，包括優異的熱和電導性、耐腐蝕性、可加工性和耐孔蝕性，這些特性使得高熱傳銅鎳合金成為在嚴苛環境下的優先選擇。
高熱傳材料多孔結構塗佈與孔隙控制燒結技術
在多孔塗佈燒結技術產業應用上，高效率熱傳沸騰管之材料與製造技術掌握在美、中，而我國的相關零件長期仰賴國外進口。金屬中心技術團隊透過多孔燒結技術的開發，控制孔隙尺寸，使液體流動與汽化達最好效率，沸騰管熱傳效率達6,000 W/m2·K；並藉由銅鎳合金的新材料開發，提升沸騰管耐蝕壽命，完成難成形管材及鍍層製程技術建立，可再提高沸騰管使用年限。
開發高導熱多孔結構製程技術，建立技術之流程示意圖如圖六，主要涵蓋漿料粉材混合技術、內管旋轉塗佈技術、氣氛燒結技術、多孔層結構分析與產品性質提升。藉由建立之內管旋轉塗佈技術，以高壓氣體帶動銅90/鎳10之混合粉末製成的漿料噴塗於管內壁，再藉由高溫爐通入惰性與還原氣體進行氣氛保護燒結，最終完成高熱傳材料多孔結構塗佈與孔隙控制燒結之流程。
圖六、高導熱多孔結構製程技術開發建立技術之流程示意圖
金屬中心在高熱傳鎳銅合金材料產業推動應用案例介紹
在管材成形技術推動案例上，金屬中心以C70600鑄錠(銅錠250 kg)透過中心模具技術(包含模具設計、模具製作)，圓錠製作與鑫綠泰公司合作，水平連續鑄造以及穿孔擠製與國晟公司合作。銅管長度2,000 mm、外徑31~33 mm、壁厚≦2 ± 0.18 mm~ 2.5 ± 0.18 mm，以材料與設備互補方式與業者共同合作，克服材質不易加工之困難點。建立銅鎳合金管抽製技術，並藉由控制微觀組織結構及晶粒尺寸大小，開發石化業管式熱交換器之銅鎳合金外管，探討管材成形參數，如：初始外徑、厚度、擠壓比、擠壓溫度/速度、模具應力等技術參數對管材之影響，與鑫綠泰及國晟公司共同合作，以達到產業最終產品訴求。管材成形技術產業推動應用案例示意圖如圖九。
圖九、管材成形技術產業推動應用案例示意圖
國內廠商認為，過往以EG產品使用為主，近年減碳使新廠建置有機會應用，其他應用機會包含氣體廠蒸發器、汽化器與冷凝器等；而化工業其他產品如芳香烴產品(Aroma)因製程系統條件更換，可能有嘗試新熱沸騰管之需求以及未來有提高熱交換效率、設備面積縮小減少土地空間的需求，將來若規劃蓋新工廠，具備減碳效益也較有機會通過環評標準 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》444期，更多資料請見下方附檔。