淺談阿里山林鐵21號蒸汽機車使用的「生質煤炭」-王弘明撰

參加某次研習的先進，對阿里山林鐵21號蒸汽機車使用的新燃料很好奇，他得到的訊息，這種稱為「生質煤炭」新燃料，熱值是7006卡，並不遜於傳統煤炭，優點是不會冒出黑煙，只會「產生白煙」，缺點是因燃燒完全，因此不容易形成「火母」(台語)。

先進想知道為何「生質煤炭」不會產生黑煙，真的只「產生白煙」嗎？此種「生質煤炭」與現今學術界與農業單位所關注的「生質炭」(或稱「生物炭」)有何不同？蒸汽機車使用何種煤炭較適合？

下圖：蒸汽機車的冒煙聲勢驚人，仔細觀察是黑白夾雜，兩者來源不同。(Katie Hosmer，2014，Powerful Train Engines Chug Through Beautiful Landscapes)

首先要說明的，一般蒸汽火車冒出的黑煙，其成份主要是燃料內雜質，及因未完全燃燒而產生的碳粒所致。早在1911年(阿里山鐵路尚未全線通車)的1月14日，即有署名「阿里山鐵道之旅客」投書給當時的報紙《台灣日日新報》表示：「隧道孔多，如今日之焚石碳，則煤煙濃密，旅客之苦痛者自不少」，建議阿里山線之客車改用油車。(徐聖凱，2022，台灣史研究第29卷第4期)。

擷圖自：https://www.ith.sinica.edu.tw/quarterly_download.php?name=TWHRV29N4.pdf&filename=1724228113_37ec92a61e4eb0d4e59afede7c69fa1a.pdf

其實對這份資料提到客運部份，更感興趣！因為大部分研究都稱，從藤田組時代至全線完工之前，僅有嘉義至竹崎推出客運業務，竹崎以上之山地線仍是「不負搭乘者生命安全」的「有慘鐵道」。理論上在1911年，「客車」應僅在平地線行駛而已，一般旅客應不會有「隧道孔多」的經驗，甚至感受深刻到要投書報紙，顯然這一段時期的阿里山鐵路，還有許多待解謎題。

下圖：蒸汽機車從問世開始，最令人討厭的就是濃濃煙塵。(Joel Tarr，2007，Controlling Railroad Smoke)

個人並不清楚21號蒸汽機車目前使用的「生質煤炭」成份與製造方式，從媒體報導知道是「木屑與煤炭屑壓製碳化而成之煤磚，經SGS檢驗燃燒總熱值不遜於煙煤且含硫分、灰份、揮發物含量低於煙煤標準。」媒體也附有英文名稱是Biowood Brique，惟Biowood也指重組複合木材，並不一定僅供燃料用。

同樣也不清楚「生質煤炭」製程中，是否有去除雜質的工序，但既然檢驗結果，含硫、灰份及揮發物質的數據都低，自是雜質含量較低才是。

現今對燃料所產生之汙染定義，與往昔蒸汽機車「烏煙直直請」(林清月，1941，歌謠拾遺)不盡相同，更重視含硫量、氮的氧化物、一氧化碳、臭氧及不同粒徑的懸浮微粒(Pm2.5、Pm10)等。理論上以木、碳組成的「生質煤炭」，若是在不理想狀況下(譬如氧氣量不正常)燃燒，仍會產生游離碳而有黑煙。而若「生質煤炭」燃燒完全，其廢氣也不會是濃濃的白煙，而是若有若無接近透明的煙氣，所以21號煙囪冒出的濃濃白煙，主要成分應是水蒸汽，若白煙真的是由「生質煤炭」產生，那事情就大條了！

下圖：不同狀況下的蒸汽機車排汽成份，沒有黑煙不代表就無汙染物質。(D. T. RANDALL，1908，THE BURNING OF COAL WITHOUT SMOKEIN BOILER PLANTS)

至於當前農業、環保與學術界力推的「生質炭」(生物炭)，網路上資料頗多，如屏東科技大學的「農林副資材循環利用創值開發中心」，即介紹是將有機物（如木材、樹葉或枯死植物）在高溫下以很少或無氧的方式熱解產生木碳，因與傳統木碳生成方式不同，所以不會排放出甲烷及二氧化碳，仍將碳緊緊抓住。換句話說即是目前熱門的「固碳」，可減少大氣層的二氧化碳含量，減緩地球暖化。

這一類生質木碳，通常是製成顆粒狀，用途是肥料、土壤改良劑、活性碳等，是埋在地下的「碳匯」；而21號蒸汽機車的生質煤炭，因與氧化合燃燒，仍會排出二氧化碳，並無固碳效果，兩者截然不同，所以在未釐清不同「生質」定義狀況下，難免會與重視環保的搭乘者各說各話，牛頭不對馬嘴。

下圖：有固碳效果之生質碳，與阿里山火車使用之生質煤炭不同，請勿跟遊客爭辯。(姜唯，2019，環境資訊中心)

除此之外，尚有一種也是稱為「生質」燃料的壓縮材料，在歐洲廣為應用，這種生質燃料主要成分是將粉碎的木料，壓製成木粒稱為「pellet」。這種木製顆粒使用時，並非直接燃燒，而是以類似阿里山鐵路早期那幾輛七噸機車，將木料轉化為烴類之木氣瓦斯，與二戰時期缺少石油地區使用的「瓦斯」車輛原理相同，只是現在的技術更精進，可將燃料更有效的運用。

下圖：奧地利生產的pellet專用爐具，圖以透明方式展現木粒及燃燒過程，下方類似油罐車，則是運送pellet的卡車。

至於先進參加研習被告知的「7006」卡熱質，與傳統煤炭比較，確為屬於熱質較高等級。煤炭分類以含碳量多寡，有不同之分類方式，較簡明說法是分為四類：無煙煤(anthracite)，約有95%的成分是碳；煙煤(bituminous coal)，約有85%是碳；褐煤(lignite)，約有70%的成分是碳；泥煤(peat)，僅有50%的成分是碳。

您或許會認為阿里山火車的「生質煤炭」不會產生黑煙，應該是雜質較少之故，所以跟煤炭對比，含碳量最純的無煙煤，應是蒸汽火車首選！很不幸的，不少專業文獻都表明，無煙煤並不適合蒸汽機車！應使用煙煤最為適當。

例如在1942年南京武學書局發行的《機車講義》：「如所用煤為無煙煤，加煤進入火室時，最好於機車下傾斜軌道，或停於車站為之，……機車行進間，絕不可用火棒撥動，如須撥動，需待火勢恢復原狀，機車方可動作……」。此份資料並未說明緣由及影響。

而在石毓印的《蒸汽機車工程學》(1935，中國鐵路崇實學社)，則明確指出：「……無煙煤不適合作機車用煤，用之不但極不經濟，且效果最劣，根據實驗結果，鍋爐之壽命，尚不得其半，鍋內水銹之生成最烈，且所生成之水垢堅硬異常，極不易洗淨，而因硬質水垢黏著鍋壁，造成蒸氣不騰發而增加煤炭消耗量，損失亦甚烈，且因煤炭耗用量增加，火箱熱量增加，但鍋內熱量不增，水銹生成愈烈愈堅硬，鍋鈑容易損壞……」。

下圖：各種煤炭之熱質、灰份與硫份比較，煙煤之熱質最適合蒸汽機車。(資料來源：台灣電力公司 /泛科學再製)

由上述可知，顯然熱值過高的燃料，反而不利蒸汽機車，針對此點，曾向幾位耆老請教，惟彼等並無使用兩種煤炭之經驗，甚至不確定所接觸是何種煤炭，因而無法瞭解在臺灣各鐵道或阿里山的實務狀況，僅有部分人士表示，無煙煤點火不易。而由先進在研習時，聽到「不容易形成火母」，猜測或許「生質煤炭」之熱值趨近於無煙煤，是否也會產生相同負面影響，就得請教有實務經驗專家了。

除了成份之外，煤炭的形狀是塊狀或粉末，亦有極大影響，此部分之前曾藉由林業保育署嘉義分署內，多份相關檔案記載說明過，就不再重複。