111 高普考普通考試 環境工程 空氣污染與噪音控制技術概要 考古題詳解

核心觀念

本題測驗「濕式石灰石排煙脫硫系統」（Wet Limestone Flue Gas Desulfurization, Wet FGD）之質傳反應平衡、操作化學及反應槽水力結晶設計。

1. $SO_2$ 去除效率之主控機制（質傳與吸收反應）：

• 氣相 $SO_2$ 溶於水形成亞硫酸，並進一步解離： $SO_2(g) + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3(aq) \rightleftharpoons H^+ + HSO_3^-$
• 石灰石（$CaCO_3$）溶解中和酸性： $CaCO_3(s) + 2H^+ \rightleftharpoons Ca^{2+} + H_2O + CO_2(g)$
• 總吸收驅動力取決於氣液接觸面積、液氣比（$L/G$）及漿液 pH 值（pH 愈高，氣液介面 $SO_2$ 分壓愈低，吸收驅動力愈大）。

2. 結垢與堵塞機制（過飽和度與結晶沉澱）：

• 軟垢（Soft scale / 亞硫酸鈣結垢）： 未充分氧化時，生成亞硫酸鈣半水合物： $Ca^{2+} + SO_3^{2-} + \frac{1}{2}H_2O \rightleftharpoons CaSO_3 \cdot \frac{1}{2}H_2O(s)$ 溶解度低，易附著於管壁形成鬆軟垢層或造成石灰石顆粒「盲化」（Blinding）。
• 硬垢（Hard scale / 硫酸鈣結垢）： 氧化生成的石膏若超過其臨界過飽和度（Relative Saturation, $RS > 1.3 \sim 1.4$），將在金屬壁面、噴嘴等異相成核，生成堅硬的二水硫酸鈣： $Ca^{2+} + SO_4^{2-} + 2H_2O \rightleftharpoons CaSO_4 \cdot 2H_2O(s)$
• 防垢核心原理： 藉由「強制氧化」將亞硫酸鹽完全轉化為易脫水的硫酸鹽，並利用「高懸浮固體晶種」讓石膏優先在漿液晶體上均相析出，避免在塔壁及管件異相成核。

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解題方法

本題為典型的公職工程技術論述題。解題必須鎖定「提升去除率」與「防範結垢堵塞」兩大目標，並將其分別落實於「設備設計面」與「操作控制面」，形成結構對稱、邏輯嚴謹的答題矩陣：

1. 設計對策： 著重於反應器流場構造、氣液接觸型式、水力停留時間、氧化風管配置及噴嘴除霧系統防堵設計。
2. 操作對策： 著重於化學平衡控制（pH 視窗）、化學計量比（Ca/S 比）、過飽和度控制（晶種維持）與石灰石反應活性控制。

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關鍵機制與參數剖析

一、 設備設計面之處理對策

1. 反應塔型選型：採用空塔式噴霧塔（Open Spray Tower）

• 防堵考量： 嚴禁使用填料塔（Packed Tower）或多孔板塔，避免含固體懸浮物之漿液在填料表面沉積而引發不可逆堵塞。
• 效率考量： 採用空塔多層噴淋設計（通常 3～5 層），配合交錯式噴嘴排列，提供均勻重疊的液滴覆蓋率，消除氣流短流現象，確保氣液充分接觸。

2. 高液氣比（Liquid-to-Gas Ratio, $L/G$）設計

• 設計適度之高液氣比（一般設計值為 $10 \sim 25 \text{ L/m}^3$）。
• 雙重效益： 提高 $L/G$ 不僅增加氣液接觸介面以提升 $SO_2$ 去除率（可達 95% 以上），同時能稀釋吸收進入液相中的溶質濃度，降低單次循環吸收過程中石膏過飽和度的增量，直接抑制沉澱結垢。

3. 反應槽（Reaction Tank）容量與固體滯留時間設計

• 充足滯留時間： 塔底漿液槽（Reaction Tank）需設計足夠的固體停留時間（Solid Residence Time, 建議 4～8 小時，液體停留時間約 3～6 分鐘）。
• 晶種防垢機制： 充足的體積提供足夠時間使石灰石溶解，並讓石膏微晶在槽中完全長大，使溶液過飽和度釋放於漿液懸浮顆粒上，防止過飽和漿液回流至噴霧段結垢。

4. 原位強制氧化系統（In-situ Forced Oxidation）設計

• 在反應槽底部裝設微細氣泡空氣噴灑歧管（Sparger）或搭配攪拌機之曝氣系統。
• 徹底氧化： 提供化學計量數 2.0 倍以上的空氣量，確保亞硫酸根（$SO_3^{2-}/HSO_3^-$）氧化率達 98% 以上，徹底避免難以脫水且易堵塞的亞硫酸鈣軟垢生成。

5. 抗磨防堵型噴嘴配置

• 選用碳化矽（SiC）材質之大開口、空心錐形（Hollow Cone）或螺旋型防堵噴嘴，降低噴嘴內部剪切沉積與顆粒卡滯。

核心觀念

本題評量靜電集塵器（Electrostatic Precipitator, ESP）的核心設計理論——多伊奇—安德森方程式（Deutsch-Anderson Equation）。

1. 基本方程式： $\eta = 1 - \exp\left(-\frac{wA}{Q}\right)$ 式中：

• $\eta$：集塵效率（無因次，以小數表示）
• $w$：有效漂移速度（migration velocity 或 drift velocity，$\mathrm{m/s}$）
• $A$：集塵板總集塵面積（$\mathrm{m^2}$）
• $Q$：處理廢氣體積流量（$\mathrm{m^3/s}$）

2. 穿透率（Penetration, $P$）與對數轉換： 穿透率定義為未被捕集粒狀物的比例： $P = 1 - \eta = \exp\left(-\frac{wA}{Q}\right)$ 兩邊取自然對數（$\ln$）： $\ln(1 - \eta) = -\frac{wA}{Q} \quad \implies \quad \frac{wA}{Q} = -\ln(1 - \eta) = \ln\left(\frac{1}{1 - \eta}\right)$ 在氣體流量 $Q$ 與微粒漂移速度 $w$ 維持定值之前提下，集塵板面積 $A$ 與 $-\ln(1 - \eta)$ 成正比。

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解題方法

第一部分：求解靜電集塵器之漂移速度 $w$

已知條件：

• 初始集塵面積 $A_1 = 6000\ \mathrm{m^2}$
• 廢氣流量 $Q = 200\ \mathrm{m^3/s}$
• 初始集塵效率 $\eta_1 = 97\% = 0.97$

將條件代入公式： $1 - 0.97 = \exp\left(-\frac{w \times 6000}{200}\right)$ $0.03 = \exp(-30w)$

兩端取自然對數： $\ln(0.03) = -30w$ $-3.5066 = -30w$ $w = \frac{3.5066}{30} \approx 0.1169\ \mathrm{m/s}$

第二部分：集塵效率提升至 $98\%$ 時之集塵板面積

欲使效率提升至 $\eta_2 = 98\% = 0.98$。設此時所需的集塵板總面積為 $A_2$：

方法一：以多伊奇方程式直接求解 $1 - 0.98 = \exp\left(-\frac{wA_2}{Q}\right)$ $0.02 = \exp\left(-\frac{0.1169 \times A_2}{200}\right)$ $\ln(0.02) = -\frac{0.1169 \times A_2}{200}$ $-3.9120 = -0.0005845 \times A_2$ $A_2 = \frac{3.9120 \times 200}{0.1169} \approx 6693.8\ \mathrm{m^2} \approx 6694\ \mathrm{m^2}$

方法二：利用對數比值法（推薦，可避免中間捨入誤差） 由於 $Q$ 與 $w$ 不變，面積比等於對數比： $\frac{A_2}{A_1} = \frac{\ln(1 - \eta_2)}{\ln(1 - \eta_1)} = \frac{\ln(0.02)}{\ln(0.03)} = \frac{-3.91202}{-3.50656} \approx 1.1156$

核心觀念

本題評量燃燒工程與空氣污染防制之基本計算，主要涵蓋以下核心觀念與定義：

1. 燃燒化學計量與反應方程式平衡： 含碳、氫、氮之有機燃料完全燃燒時，碳轉化為二氧化碳（$CO_2$），氫轉化為水（$H_2O$）。題目特別設定燃料中之氮（Fuel-N）全部轉化為一氧化氮（$NO$），因此需將燃料氮氧化所需之氧量納入理論需氧量計算。 一般通式反應為： $C_aH_bN_c + \left(a + \frac{b}{4} + \frac{c}{2}\right) O_2 \to a\,CO_2 + \frac{b}{2}\,H_2O + c\,NO$
2. 理論空氣量與空燃比（Air-Fuel Ratio, AFR）： 空氣中氧氣之莫耳分率通常以 $21\%$ 計算（$O_2 : N_2 = 21 : 79$，莫耳比約 $1 : 3.762$）。空燃比在工程上常指質量空燃比（$\mathrm{kg\text{-}air / kg\text{-}fuel}$），亦可表示為莫耳空燃比（$\mathrm{mol\text{-}air / mol\text{-}fuel}$）。
3. 過量空氣比（Excess Air, EA）與排氣組成： 過量空氣百分比為 $20\%$ 時，實際供給空氣量為理論空氣量之 $1.2$ 倍。排氣成分包含生成的 $CO_2$、$H_2O$、$NO$、剩餘的未反應 $O_2$（理論需氧量的 $20\%$），以及伴隨空氣進入且未參與反應的 $N_2$。
4. 標準狀態（STP）氣體體積與濃度表示： 在標準狀態（$0^\circ\mathrm{C},\ 1\ \mathrm{atm}$）下，理想氣體之莫耳體積為 $22.4\ \mathrm{L/mol}$（或 $22.414\ \mathrm{Nm^3/kmol}$）。 氣體之 $\mathrm{ppm}$ 濃度定義為體積分率（或莫耳分率）乘上 $10^6$： $\mathrm{ppm} = \frac{n_{NO}}{n_{\text{total}}} \times 10^6$

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解題方法

基本物性與計量數據設定

• 各元素原子量取標準整數：$C = 12$、$H = 1$、$N = 14$、$O = 16$。
• 油品分子量： $M_F = 8 \times 12 + 14 \times 1 + 0.1 \times 14 = 96 + 14 + 1.4 = 111.4\ \mathrm{g/mol}$
• 空氣成分以體積比（莫耳比）$21\%\ O_2$、$79\%\ N_2$ 計算，空氣平均分子量取： $M_{\text{air}} = 0.21 \times 32 + 0.79 \times 28 = 28.84\ \mathrm{g/mol} \quad (\text{工程常採 } 29\ \mathrm{g/mol})$

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(一) 計算理論空氣燃料比（AFR）

1. 列出完全燃燒化學反應方程式： 每莫耳油品 $C_8H_{14}N_{0.1}$ 燃燒時：

• $C \to CO_2$：需 $8\ \mathrm{mol}\ O_2$
• $H \to H_2O$：需 $\frac{14}{4} = 3.5\ \mathrm{mol}\ O_2$
• $N \to NO$：需 $\frac{0.1}{2} = 0.05\ \mathrm{mol}\ O_2$

總理論需氧量 $n_{O_2,\text{theo}}$： $n_{O_2,\text{theo}} = 8 + 3.5 + 0.05 = 11.55\ \mathrm{mol\ O_2 / mol\ fuel}$

配平反應式如下： $C_8H_{14}N_{0.1} + 11.55\ O_2 \to 8\ CO_2 + 7\ H_2O + 0.1\ NO$

2. 計算理論空氣量： 每莫耳油品所需之理論空氣莫耳數： $n_{\text{air,\ theo}} = \frac{11.55}{0.21} = 55.0\ \mathrm{mol\ air / mol\ fuel}$

3. 計算空燃比（AFR）：

• 質量基準（標準定義）： 若取空氣平均分子量 $M_{\text{air}} = 28.84\ \mathrm{g/mol}$： $\mathrm{AFR}_{\text{mass}} = \frac{55.0 \times 28.84}{111.4} = \frac{1586.2}{111.4} \approx 14.24\ \mathrm{kg\text{-}air / kg\text{-}fuel}$ （若取空氣平均分子量 $M_{\text{air}} = 29\ \mathrm{g/mol}$，則 $\mathrm{AFR}_{\text{mass}} = \frac{55.0 \times 29}{111.4} \approx 14.32\ \mathrm{kg\text{-}air / kg\text{-}fuel}$）
• 莫耳基準（或體積基準）： $\mathrm{AFR}_{\text{mole}} = \frac{55.0\ \mathrm{mol\ air}}{1\ \mathrm{mol\ fuel}} = 55.0\ \mathrm{mol\text{-}air / mol\text{-}fuel}$

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(二) 計算過量空氣 $20\%$ 下，每燃燒 $1\ \mathrm{kg}$ 油品產生之排氣體積

1. 計算實際通入空氣量（過量空氣比 $EA = 20\%$，即空氣比 $m = 1.2$）： 每莫耳燃料供給之實際空氣： $n_{\text{air,\ act}} = 1.2 \times 55.0 = 66.0\ \mathrm{mol\ air / mol\ fuel}$ 其中包含：

• 通入之 $O_2$：$66.0 \times 0.21 = 13.86\ \mathrm{mol}$
• 通入之 $N_2$：$66.0 \times 0.79 = 52.14\ \mathrm{mol}$

2. 計算燃燒產物之莫耳數（每莫耳燃料燃燒產出）：

• $CO_2$：$8.0\ \mathrm{mol}$
• $H_2O$：$7.0\ \mathrm{mol}$
• $NO$：$0.1\ \mathrm{mol}$
• 剩餘未反應 $O_2$：$13.86 - 11.55 = 2.31\ \mathrm{mol}$（亦即 $0.2 \times 11.55$）
• 空氣中未反應 $N_2$：$52.14\ \mathrm{mol}$

核心觀念 本題考查移動污染源（交通運具）之綜合空氣污染防制管理策略。都會區交通源所排放的主要空氣污染物包含一氧化碳（$\text{CO}$）、氮氧化物（$\text{NO}_x$）、非甲烷碳氫化合物（$\text{NMHC}$）及細懸浮微粒（$\text{PM}_{2.5}$）。交通管制對策（Transportation Control Measures, TCMs）在環境工程與管理學理上，主要依管制工具屬性劃分為三大層面：

1. 大眾交通工具（結構性替代）：藉由提升大眾運輸供給量能與服務品質，誘發運具轉移（Modal Shift），並推動公共載具低碳/零排放化，由源頭抑低私人運具使用率及行駛里程（VMT, Vehicle Miles Traveled）。
2. 經濟誘因／處罰（市場機制工具）：運用庇古稅（Pigouvian Tax）或補貼機制，將空氣污染之環境外部成本內部化（Internalization of Externalities），改變用路人之運具選購與行車行為。
3. 立法限制（命令管制工具，Command-and-Control）：依據《空氣污染防制法》（以命題當年民國 111 年法規為準），以公權力訂定具強制約束力之標準、規範及行駛限制，違者直接處以行政罰鍰或限制行使權利。

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解題方法 本題為標準申論題，作答時須嚴格呼應題目所給定之「大眾交通工具」、「經濟誘因／處罰」與「立法限制」三大類別。各類別必須明確列出兩項具體管制對策，並依照「對策名稱」、「執行機制」及「空污減量效益」之三段式架構詳加闡述，展現結合理論與台灣環保防制實務的論述深度。

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選項分析 本題為申論題，非選擇題，故無個別選項供逐一指正。答題重點在於範疇劃分必須涇渭分明：

• 補助購車或徵收費用不得混入立法限制；
• 劃設管制區或強制定檢屬於法定命令管制，不可列於經濟處罰；
• 大眾交通工具對策須聚焦於公共運輸之路網優化與車隊清潔化，切忌泛論一般私人運具。

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解題技巧

1. 作答模板化：每一類別採「$2 \times 3$」架構（兩項措施，每項皆交代管制作法、技術機制與空污減量效益）。
2. 法條與政策援引：適度帶入台灣現行實務法規，如《空氣污染防制法》第 16 條（空氣污染防制費）、第 40 條（空氣品質維護區）及第 44 條（排氣定期檢驗），可大幅提升答案的專業度與說服力。
3. 對症下藥指明污染物：論及柴油車時主攻「$\text{PM}_{2.5}$ 與 $\text{NO}_x$」；汽油車主攻「$\text{CO}$ 與 $\text{NMHC}$」；全面電動化則主攻「都會區現地零排放（Zero Tailpipe Emissions）」。

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【答案】

一、大眾交通工具類之管制對策

（一）對策一：布建高涵蓋率綠色公共運輸路網與微型轉乘整合

1. 具體作法： 加速都會區大眾捷運系統（MRT/LRT）、公車專用道（BRT 系統）的興建與路網縫合，並配合智慧型公車動態系統提升準點率；同時於交通節點廣設公共自行車租賃系統（如 YouBike）與轉乘接駁設施，補足運輸「第一哩路與最後一哩路」。
2. 空污防制效益： 透過提供便捷、平價且高效率之公共運輸，促使用路人由高排放強度之私人運具（機車、自用小客車）轉移至大眾運輸（Modal Shift），有效減少車輛總行駛里程（VMT），從源頭大幅削減市區 $\text{CO}$、$\text{NO}_x$ 與揮發性有機物（$\text{VOCs}$）之排放總量。

核心觀念

本題旨在評量考生對「航空噪音物理特性」與「機場噪音綜合防制策略」之掌握程度，涵蓋環境聲學與法規實務：

1. 航空噪音分類與聲學物理特性：航機在不同運作狀態下，發動機推力、氣流動態及機械運轉差異所致之噪音頻譜、音壓級（$L_{\max}$）與暴露時間特性。
2. 防制措施之工程與管理策略：依循「音源減阻、傳播途徑衰減、運作程序管制、受體保護」四道防線，並扣合國際民航組織（ICAO）「平衡作法（Balanced Approach）」及我國《噪音管制法》（以命題當年民國 111 年法規為準，如第 15 條及《機場周圍地區航空噪音防制辦法》）之實務管制規範。

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解題方法

本題為標準申論題，解題結構切入點分為兩大部分：

1. 三類噪音特性比較：針對「起飛／降落噪音」、「滑行噪音」及「作業環境噪音」，分別從發生機制（發動機狀態與氣動力學）、聲學特徵（音量大小、頻率特性、持續時間）與影響範圍三個維度進行系統化剖析。
2. 航空站防制措施擬定：立足於航空站管理機構立場，從「航機飛行操作管制」、「機場地面設施改善」、「監測與經濟誘因管理」及「周邊土地受體防護」四個維度，條列具體且可行的防制手段。

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解題技巧

1. 特性論述四要素：答題時緊扣「發動機推力狀態」、「瞬時 vs. 連續」、「頻率特徵（高頻噴射 vs. 低頻機械）」及「空間涵蓋面」，能使內容立體且完整。
2. 防制措施分類法：切勿雜亂堆疊點子，應善用工程防制架構「音源 $\to$ 操作 $\to$ 路徑／設施 $\to$ 受體／管理」，條理分明能顯著提升閱卷給分。
3. 名詞精準度：寫出專有名詞如「輔助動力單元（APU）」、「防音試車棚（GRE）」、「降噪飛行程序（NADP）」與「氣密窗補助」，可展現專業深度。

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【答案】

一、航空噪音之三類特性說明

1. 起飛／降落噪音（Takeoff and Landing Noise）

• 發生機制：起飛時發動機處於全推力（Takeoff Thrust）狀態，高溫高速噴射氣流與大氣劇烈剪切產生噴氣噪音（Jet Noise）；降落時發動機處於低推力進場，主要以壓縮機、風扇進氣高頻音及機體展開襟翼、起落架產生之氣動阻力噪音（Airframe Noise）為主，著陸滑跑時則包含反推力（Reverse Thrust）瞬時高噪。
• 聲學特徵：為高強度、高衝擊性、間歇性噪音。起飛時音壓級（$L_{\max}$）最高，能量集中於中低頻寬頻帶；降落時音壓級略低於起飛，但高頻指向性顯著，且飛機離地高度低，噪音作用時間較長。
• 影響範圍：隨航道向機場外圍數公里至數十公里長條狀空域擴散，為機場周邊居民陳情與航空噪音防制區劃定之主要來源。

2. 滑行噪音（Taxiing Noise）

• 發生機制：航機於跑道與停機坪之間的滑行道低速慢行時產生，發動機維持低轉速慢車推力（Ground Idle），伴隨機輪與跑道道面滾動之機械摩擦聲。
• 聲學特徵：音壓級中等（顯著低於起飛噪音），但因航機移動速度緩慢，噪音具有持續時間長、移動性線音源之特徵；頻譜多偏向發動機低頻運轉嗡鳴聲與壓縮機高頻哨音。