etcthailand.com

ความร้อน เป็นพลังงานที่สำคัญอย่างหนึ่ง ที่ใช้ในขบวนการผลิตของอุตสาหกรรมต่างๆ โดยทั่วไปพลังงานความร้อนจะได้จากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงในที่ที่มี ออกซิเจนเพียงพอและอุณหภูมิเหมาะสม การนำความร้อนไปใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ ให้เกิดประโยชน์สูงสุด (ประสิทธิภาพสูงสุด) จะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบที่สำคัญ 2 ส่วนคือ ส่วนของการเผาไหม้ และ ส่วนของการนำความร้อนไปใช้งาน

การเผาไหม้ถือเป็นองค์ประกอบที่มีผลต่อการนำความร้อนไปใช้งานมาก เพราะหากการเผาไหม้เกิดไม่สมบูรณ์ก็เท่ากับว่าเชื้อเพลิงบางส่วนถูกทิ้งไป โดยไม่เกิดการเผาไหม้ ดังนั้น เป้าหมายของ ประสิทธิภาพสูงสุดในส่วนของการเผาไหม้คือ การทำให้เชื้อเพลิงที่ใช้ถูกเผาไหม้หมด

การนำความร้อนไปใช้งาน ในอุตสาหกรรมความร้อนที่ได้จาก การเผาไหม้เชื้อเพลิงสามารถนำไปใช้ทั้งทางตรงคือ การให้ความร้อนกับเครื่องจักรโดยตรงหรือทางอ้อมคือ มีตัวกลางในการพาความร้อนไปสู่เครื่องจักร เช่น ไอน้ำ น้ำร้อน น้ำมันร้อน อากาศร้อน เป็นต้น ดังนั้น เป้าหมายของประสิทธิภาพสูงสุดในส่วนของการนำความร้อนไปใช้งาน คือ ความสามารถในการใช้ความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ได้สูงสุด

เชื้อเพลิงและการเผาไหม้

การเผาไหม้ เป็นปฏิกิริยาเคมีประเภทหนึ่ง ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างสารต่าง ๆ กับออกซิเจนในอากาศ เกิดเป็นสารประกอบของออกซิเจน (ออกไซด์) ซึ่งในการเกิดปฏิกิริยาเคมีนี้ จะให้ความร้อนออกมา

โดยทั่วไปเชื้อเพลิงจะประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังนี้ คาร์บอน (C), ไฮโดรเจน (H₂), ออกซิเจน (O), ซัลเฟอร์ (S), ไนโตรเจน (N), น้ำ H₂O และเถ้า

การเผาไหม้จะเกิดดังต่อไปนี้

สำหรับไนโตรเจน สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเกิดเป็นสารประกอบไนโตรเจนออกไซด์ แต่เกิดในปริมาณที่น้อยมากคือ ในล้านส่วน ดังนั้น ในแง่การเผาไหม้ ถือว่าไม่เกิดการเผาไหม้

จากสมการการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงจะเห็นว่าไอเสียที่เกิดขึ้นจะประกอบด้วย คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂), น้ำ (H₂O) และซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) ในทางปฏิบัติอาจเกิดการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงไม่สมบูรณ์ ทำให้สารคาร์บอนในเชื้อเพลิงเกิดเป็นเขม่า ซึ่งเป็นคาร์บอนที่ไม่เผาไหม้หรือคาร์บอนมอนน็อกไซด์ (CO) ซึ่งเป็นสารประกอบของคาร์บอนที่ยังเผาไหม้ไม่สิ้นสุด ผลผลิตทั้งสองตัวนี้ถือเป็นเชื้อเพลิงส่วนที่เผาไหม้ไม่หมดที่เกิดจากการเผา ไหม้ไม่สมบูรณ์

การตรวจวัดการเผาไหม้

สภาวะที่เหมาะสมในการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงที่เป็นของเหลวและก๊าซควรมี ออกซิเจนส่วนเกิน 10–30% ถ้ามีออกซิเจนน้อยจะทำให้การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ เกิดเขม่าคาร์บอนมาก แต่ถ้าใช้ออกซิเจนมากจะทำให้ปริมาณไอเสียมากเกินความจำเป็นทำให้ความร้อนบาง ส่วนสูญเสียไปกับไอเสียส่วนเกิน ดังนั้น ในการตรวจวัดการเผาไหม้จะทำการวัดค่าต่างๆ ดังนี้

1) วัดปริมาณเขม่า

เป็นการตรวจวัดเขม่าคาร์บอนที่เหลือจากการเผาไหม้ โดยการใช้เครื่องสูบก๊าซไอเสียผ่านแผ่นกรอง (รูปที่ 1) เขม่าคาร์บอนที่ตกค้างในไอเสียจะถูกจับอยู่บนแผ่นกรอง จากนั้นนำแผ่นกรองที่ผ่านการตรวจวัดไปเทียบกับแผ่นตัวอย่างมาตรฐาน ซึ่งให้ค่าระดับคาร์บอนตกค้างบนแผ่นกรอง ตั้งแต่ระดับ 0 ซึ่งเป็นระดับที่มีเขม่าคาร์บอนตกค้างน้อยมาก จนถึงระดับ 9 ซึ่งเป็นระดับที่มีการตกค้างมาก เกณฑ์การยอมรับ ถ้าค่าเปรียบเทียบอยู่ในระดับ 0 ถึง 1 ถือว่าการเผาไหม้อยู่ในเกณฑ์ดี ถ้าค่าเปรียบเทียบอยู่ในระดับ 2 ถึง 3 ถือว่าการเผาไหม้อยู่ในเกณฑ์พอใช้ ถ้าสูงกว่า 3 ถือว่าใช้ไม่ได้ โดยทั่วไป การเผาไหม้ควรปรับให้ค่าเขม่าที่ตรวจวัดได้อยู่ในระดับ 0 ถึง 1 ในกรณีที่ค่าเขม่าสูงกว่าระดับ 3 อาจเกิดจากสาเหตุ 2 ประการ คือ

1. ออกซิเจนไม่เพียงพอ แก้ไขโดยการเพิ่มอากาศ แต่อากาศส่วนเกินไม่ควรสูงกว่า 30%
2. อุปกรณ์ที่เกี่ยวเนื่องกับการเผาไหม้ผิดปรกติหรือชำรุดสึกหรอ แก้ไขโดยการซ่อมแซมอุปกรณ์ หรือเปลี่ยนใหม่

รูปที่ 1 อุปกรณ์ตรวจวัดเขม่า

2) วัดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์

เป็นการตรวจวัดปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ในไอเสีย โดยวิธีทางเคมี (รูปที่ 2) หรือวิธีทางอิเล็คทรอนิกส์ (รูปที่ 3 ) ค่าที่วัดได้จะนำไปใช้ในการคำนวณหาปริมาณอากาศ (ออกซิเจน) ส่วนเกินของการเผาไหม้ซึ่งสามารถใช้สูตรอย่างง่าย คือ

กรณีตัวอย่าง

ถ้าใช้น้ำมันเตาเป็นเชื้อเพลิงเผาไหม้แล้ววัดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในไอ เสียได้ 12.5% สามารถคำนวณหาปริมาณอากาศส่วนเกินได้ คือ

รูปที่ 2 อุปกรณ์ตรวจวัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทางเคมี

รูปที่ 3 อุปกรณ์ตรวจวัดไอเสียทางอิเล็คทรอนิกส์

3) วัดอุณหภูมิไอเสีย

เป็นการวัดอุณหภูมิของไอเสียที่ปล่อยทิ้งสู่อากาศ ค่าอุณหภูมิของไอเสียจะสัมพันธ์กับปริมาณความร้อนที่สูญเสียไปกับไอเสีย

ประสิทธิภาพการเผาไหม้

ในการเผาไหม้เชื้อเพลิงจะมีการสูญเสียความร้อนไปกับไอเสียที่ปล่อยทิ้ง ปริมาณความร้อนสูญเสียจะขึ้นอยู่กับอัตราปริมาณไอเสียที่ปล่อยทิ้งและ อุณหภูมิของไอเสีย ดังนั้น การปรับแต่งอากาศส่วนเกินสำหรับการเผาไหม้ให้เหมาะสมเป็นการลดอัตราปริมาณไอ เสียที่ปล่อยทิ้งเท่ากับเป็นการลดการสูญเสียความร้อน

test

รูปที่ 4 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างเปอร์เซ็นต์การสูญเสียกับอุณหภูมิไอเสียและอากาศ ส่วนเกินของน้ำมันเตา

สรุป

แนวทางการประหยัดพลังงานเบื้องต้น ในส่วนของการเผาไหม้มีขั้นตอนอย่างง่าย 3 ขั้นตอน คือ

1) ดูแลการเผาไหม้ให้เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์โดยการตรวจวัดระดับเขม่าคาร์บอนในไอ เสียให้อยู่ในเกณฑ์มาตรฐาน ถ้าระดับเขม่าคาร์บอนสูงเกินกำหนด อาจเกิดจากการปรับแต่งอากาศไม่ถูกต้องหรืออุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับการเผา ไหม้ชำรุด, เสียหาย, ผิดปกติ

2) ปรับแต่งอากาศส่วนเกินให้ถูกต้องเหมาะสมกับเชื้อเพลิงแต่ละชนิด โดยการตรวจวัดปริมาณเปอร์เซ็นต์คาร์บอนไดออกไซด์ สำหรับเชื้อเพลิงของเหลวอากาศส่วนเกินที่เหมาะสมมีค่า 20–25%, เชื้อเพลิงก๊าซอากาศส่วนเกินที่เหมาะสมมีค่า 15–20%

3) ตรวจวัดอุณหภูมิไอเสียที่ปล่อยทิ้ง ควรตรวจสอบเครื่องจักรหรืออุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีที่อุณหภูมิไอ เสียสูงขึ้น