114 專技高考高等考試 環境工程技師 空氣污染與噪音工程 考古題詳解

核心觀念

本題考查固定床化學吸附處理含硫臭味氣體時的兩件事：吸附劑如何藉化學反應去除 $H_2S$，以及操作期間如何確認反應與氣流仍在設計狀態。

化學吸附是氣相污染物先由氣流傳送至吸附劑表面，再擴散進入孔隙，並與吸附劑表面的活性成分發生化學反應，形成穩定或低揮發性的固體產物。它不同於單純物理吸附：去除效果主要仰賴化學反應，選擇性與容量通常較高，但吸附劑耗盡後須更換或再生。

以常見含鹼性或金屬氧化物的吸附劑為例，$H_2S$ 可與活性成分反應生成硫化物；反應型態依吸附劑配方而異。以氧化鐵吸附劑為例，可用下式表示：

實際反應產物與再生方式仍取決於吸附劑種類及操作條件。題目未指定吸附劑配方，因此以下以固定床化學吸附系統的一般設計與操作原則作答。

（一）化學吸附原理與吸附劑特性

化學吸附原理

含 $H_2S$ 廢氣通過填充吸附劑的床層時，污染物依序經歷：

1. 氣相傳質：$H_2S$ 隨主氣流移動至吸附劑顆粒外表面。
2. 孔隙擴散：$H_2S$ 由顆粒表面進入孔隙，接觸活性反應位。
3. 表面化學反應：$H_2S$ 與吸附劑活性成分反應，轉化為硫化物或其他較穩定產物，因而留存在床層中。
4. 床層逐漸耗盡：反應區由入口端逐步向出口端推進；出口濃度開始上升表示床層接近穿透，達到設定穿透標準時須切換床層、更換或再生吸附劑。

設計與操作時須同時顧及反應速率、氣體與床層接觸時間、傳質阻力及床層容量。入口濃度約 $10\ \mathrm{ppm}$ 雖屬低濃度臭味氣體，仍須依實際氣量與處理目標確認所需吸附劑量與更換週期；僅憑濃度無法算出床層尺寸或壽命。

選擇化學吸附劑應具備的特性

• 對 $H_2S$ 具高反應性與選擇性：能在預定操作條件下有效去除硫化氫，且不易被其他共存成分優先消耗。
• 有效容量高、穿透時間長：單位吸附劑質量可處理較多污染物，降低更換頻率與廢棄物量。
• 反應與傳質速率適當：孔隙結構及比表面積足以使 $H_2S$ 接觸活性位，避免反應只發生於顆粒外層。
• 適用於廢氣的溫度、濕度及組成：吸附劑應在實際含水量與共存氣體條件下保持效能；濕度過高可能造成孔隙堵塞或壓降上升，過低也可能降低需要水分參與的反應效率。
• 機械強度高、粉化率低：顆粒須耐磨耗、不易破碎，避免粉塵夾帶、床層沉陷及壓降增加。
• 床層壓降合理、氣流分布均勻：顆粒形狀與粒徑應兼顧接觸面積及通氣阻力，並配合適當布氣設計。
• 熱穩定及操作安全性佳：反應熱應可由系統承受，並避免吸附劑於正常操作下自燃、分解或產生危險副產物。
• 再生或處置可行、總成本合理：評估吸附劑單價、使用壽命、再生能耗、廢吸附劑處理及更換作業成本。

（二）運轉階段應監控的操作參數與目的

固定床系統應以入口、出口濃度和床層狀態監測去除效能及穿透情形，並搭配流量、壓力、溫濕度等參數判別異常原因。

核心觀念

本題考查固定煙囪點源的高斯煙流模式，以及執行 ISC 模式前如何蒐集、推估與整理模式輸入資料。ISC（Industrial Source Complex）以穩態高斯煙流為基礎，依排放、氣象、地形與受體位置，估算地面及其他受體處的污染物濃度。

（一）點排放源高斯擴散式

在風向沿下風向 $x$ 軸、側風向為 $y$ 軸、鉛直方向為 $z$ 軸的座標系中，連續點源的高斯煙流式為：

式中第二個鉛直方向的指數項為地面反射項；此式假設地面不吸收污染物，故以鏡像源表示反射效果。對地面受體 $z=0$，可化為：

各參數定義如下：

• $C(x,y,z)$：受體位置的污染物濃度，常用質量／體積表示。
• $Q$：污染物排放率，常用質量／時間表示。
• $u$：煙流有效高度處的平均風速，單位為長度／時間。
• $x$：自煙囪向下風向的距離；穩態煙流式通常取 $x>0$。
• $y$：受體相對煙流中心線的側風向距離；中心線上 $y=0$。
• $z$：受體離地高度。
• $\sigma_y$、$\sigma_z$：煙流在側風向與鉛直方向的濃度分布標準差，會隨下風距離及大氣穩定度改變。
• $H$：煙流有效排放高度，通常為實際煙囪高度與煙流抬升量之和，即 $H=h_s+\Delta h$。如考慮受體地形高度，須以源與受體的相對高程處理。

（二）ISC 模式所需輸入參數及取得方法

取得資料時，先界定模擬範圍、污染物、平均時間及評估受體，再依資料類別調查或處理。短期 ISC 模擬常使用逐時氣象資料；長期模式則使用相應的長期氣象統計資料。

核心觀念

濾袋材料的選擇，核心在於讓濾材同時承受廢氣的溫度、化學環境與機械作用，並能有效捕集粉塵、維持合理壓差及使用壽命。選材不只看纖維本身的耐熱性，也要考量濾布結構、表面處理與清灰方式。

本題不涉及特定法條或數值計算；作答宜先按「廢氣特性」與「粒狀污染物特性」列出選材條件，再比較三種常用人造纖維的性能。

（一）選擇濾袋材料應考量的特性

1. 廢氣特性

• **溫度與溫度變化：**須符合連續操作溫度與短時間尖峰溫度，並能承受開機、停機或製程波動造成的熱循環；超過纖維耐熱範圍會造成收縮、脆化或強度下降。
• **化學成分與腐蝕性：**檢視酸性、鹼性氣體及氧化性或還原性成分，確認纖維不會被水解、氧化或化學侵蝕。酸露點附近的凝結亦可能加速濾袋劣化。
• **含濕量與結露風險：**高濕或接近露點的廢氣容易使粉塵受潮、黏結甚至糊袋；應考量濾材的耐水解性、拒水處理及系統溫度控制。
• **流速、壓力及磨耗：**氣布比、袋內流速與局部紊流會影響濾袋受力及磨損，應選擇足夠的強度與耐磨性。
• **其他製程條件：**如廢氣中是否含油霧、溶劑或易燃成分，以及系統使用脈衝噴吹、逆洗或振動等清灰方式；濾袋須與相應清灰強度及設備條件相容。

2. 粒狀污染物特性

• **粒徑與粒徑分布：**細微粒較難捕集，濾材需能形成適當的纖維網絡或粉塵層，以達到所需效率。
• **粒子形狀與硬度：**尖銳、堅硬或高磨蝕性粉塵容易磨穿濾袋，應重視耐磨、抗撕裂及表面耐損能力。
• **粉塵濃度與負荷：**高濃度或高負荷會加快粉塵層增厚，造成壓差升高並增加清灰頻率，須配合適當的濾材結構與清灰性能。
• **黏性、吸濕性與潮解性：**容易黏附、吸水或結塊的粉塵會造成堵塞、糊袋及清灰困難；需避免氣體結露，並選用適當表面處理。
• **比電阻與靜電特性：**高電阻粉塵或易帶電粉塵可能造成靜電累積，必要時採用導電或抗靜電濾材，並配合設備接地及防爆設計。
• **磨蝕性與清灰殘留：**粉塵若容易嵌入纖維或難以剝離，會使壓差逐漸升高；

核心觀念

本題考查工業風扇抽風機與馬達的噪音來源辨識及工程控制。作答時先把聲音分成空氣動力噪音、機械振動噪音與電磁噪音，再依「源頭控制、傳播途徑控制、設備安裝與維護」提出對策。

風扇噪音常見來源包括氣流紊流、葉片通過噪音、葉輪不平衡及軸承振動；馬達噪音則包括冷卻風扇與通風噪音、轉子與軸承等機械噪音，以及電磁力引起的振動噪音。本題為工程措施題，沒有特定法條或數值公式需要套用。

解題方法

依設備分成兩部分作答。每部分先指出噪音來源，再將控制技術對應到來源：

1. 風扇：控制葉輪與流場、改善風管系統、降低振動傳遞，必要時在進排氣路徑消音。
2. 馬達：分別控制電磁激振、機械振動與冷卻通風噪音，並兼顧散熱需求。

這樣寫能交代措施的作用機制，也能避免只列「加裝隔音罩」而漏掉噪音源頭與結構傳音。

（一）抽風機風扇產生噪音之控制技術（10 分）

1. 降低空氣動力噪音

• 選用適當型式與尺寸的風扇：依所需風量、靜壓及系統阻力選型，使風扇在高效率、穩定的工作區運轉，避免風量不足而以過高轉速補償。
• 降低葉尖速度與轉速：在設備能力允許時，選擇較大直徑、較低轉速的風扇，或採變頻調速，以降低葉片附近的氣流速度及氣動噪音。
• 改善葉片設計與葉輪狀態：採用效率較佳、氣動外形平順的葉片；保持葉片清潔，避免積塵、腐蝕或變形造成氣流分離與不平衡。
• 減少入口與出口的紊流：風扇入口、出口附近避免急彎、突然縮擴管、障礙物或不均勻進氣；適當增加直管段，使氣流分布較均勻。入口流場不良會增加紊流噪音，也可能使風扇性能下降。
• 避免風扇在失速或不穩定區運轉：重新檢討風管阻力、風門及風量設定，使工作點回到穩定區域；風門不宜以過度節流方式長期控制風量。

2. 降低機械噪音與結構傳音

• 葉輪動平衡及軸系校正：校正葉輪平衡，確保軸與聯軸器對心，降低旋轉不平衡與偏心造成的振動。
• 維護軸承與傳動部件：定期檢查軸承磨耗、潤滑狀況、皮帶張力及皮帶輪對心；鬆動、磨耗或潤滑不足都可能產生異音及振動。
• 設置適當的隔振措施：風扇底座可使用隔振器或彈性墊，並在風扇與風管間設置柔性接頭，降低振動沿基礎、牆面或風管傳遞。
• 檢查管路與底座固定：支撐不足或接觸鬆動的風管、護罩及底座可能受振動激發而輻射噪音，應加強固定或採取適當阻尼處理。

3. 控制風管傳播噪音

• 在進氣或排氣管路視需要設置消音器，或採用具吸音內襯的風管，降低噪音沿氣流路徑傳出。
• 消音器與風管配置須兼顧壓力損失及風量；消音器不宜緊貼風扇出口或直接造成不良流場，否則可能增加紊流與噪音。

（二）馬達產生噪音之控制技術（15 分）