การใช้หัวเผาแบบ Oxy-Fuel (Oxy-Fuel Fired Burner)
OXY-FUEL COMBUSTION คืออะไร
11111โดยปกติ การเผาไหม้ (Combustion) เกิดขึ้นได้ระหว่างการทำปฏิกิริยาเคมีระหว่างเชื้อเพลิง (Fuel) และก๊าซออกซิเจน (Oxygen) ที่อยู่ในอากาศที่ใช้ในการเผาไหม้ (Combustion Air) ซึ่งปริมาณออกซิเจนในอากาศจะมีเพียง 21 % โดยปริมาตรเท่านั้น โดยสัดส่วนที่เหลือจะเป็นก๊าซไนโตรเจน (Nitrogen) ซึ่งมีถึงประมาณ 78 % โดยปริมาตร ดังนั้น การสูญเสียความร้อนจากการเผาไหม้ (Sensible Heat Loss) โดยส่วนใหญ่จึงเกิดขึ้นจากความร้อนที่ก๊าซไนโตรเจนเก็บไว้ในก๊าซไอเสียที่ปล่อยออกมา
11111การเผาไหม้แบบ Oxy-Fuel Combustion เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ในการลดความสูญเสียดังกล่าว โดยใช้หัวเผาแบบ Oxy-Fuel (Oxy-Fuel Fired Burner) ซึ่งเป็นหัวเผาที่ใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์เพื่อให้เกิดการเผาไหม้ (Combustion) ได้อย่างเต็มที่ โดยสามารถลดปริมาณอากาศที่ใช้ในการเผาไหม้แบบทั่วไป (ลักษณะคล้ายกับหัวเผาชนิดอื่นๆ แต่สามารถให้เปลวไฟอุณหภูมิสูงได้) มีทั้งแบบที่ใช้ก๊าซธรรมชาติและน้ำมันเตาเนื่องจากคุณสมบัติที่สามารถให้อุณหภูมิสูงกว่าหัวเผาอื่นๆได้ หัวเผาชนิดนี้จึงมักนำไปใช้ในงานเตาหลอมแก้ว หลอมโลหะ เตาให้ความร้อนซ้ำกับโลหะ (Metal Reheating) และเตาให้ความร้อนเพิ่มสูงขึ้นตามลำดับขั้น (Ladle Reheating)
รูป Oxygen Fuel Burner
การใช้ทดแทนเทคโนโลยีเดิม
11111หัวเผาแบบ Oxy-Fuel สามารถใช้ทดแทนเทคโนโลยีหัวเผาแบบเดิม (Conventional Combustion) ที่ใช้อากาศ (Air) เป็น Primary Oxidant ในปฏิกิริยาการเผาไหม้ โดยมีจุดเด่น ดังต่อไปนี้
-
-
ลดปริมาณความสูญเสียจากปริมาณก๊าซไอเสีย (Exhaust Gas) ที่ลดลงได้ถึง 75 %
-
ที่มา : Tokyo Gas Co.,Ltd, High Efficiency Furnace with Oxy-Fuel Combustion and Zero-Emission by CO2 Recovery
รูป แสดงปริมาณ Flue Gas เทียบกับปริมาณออกซิเจนในการเผาไหม้
11111จากกราฟข้างต้น จะเห็นได้ว่า เมื่อใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์เป็นอากาศเผาไหม้ (Oxygen-Enriched = 100 %) ปริมาณก๊าซไอเสีย (Exhaust Gas) จะลดลงจากเดิมที่ประมาณ 100 % เหลือเพียง 25-30 % (เส้นกราฟ m=1.0) อันเนื่องมาจากปริมาณก๊าซไนโตรเจนที่ไม่ได้ถูกใช้ในการเผาไหม้
-
-
อุณหภูมิเปลวไฟสูงขึ้นกว่าเทคโนโลยีเดิม จากประมาณ 1,950 องศาเซลเซียส เป็นประมาณ 2,800 องศาเซลเซียส
-
11111การใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์เป็นอากาศเผาไหม้ (Oxygen-Enriched =100 %) ส่งผลให้อุณหภูมิเปลวไฟสูงขึ้น และประสิทธิภาพเชิงความร้อน (Thermal Efficiency) สูงขึ้น
ที่มา : Tokyo Gas Co.,Ltd, High Efficiency Furnace with Oxy-Fuel Combustion and Zero-Emission by CO2 Recovery
รูป แสดงอุณหภูมิเปลวไฟ เทียบกับปริมาณออกซิเจนในการเผาไหม้
-
-
เพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน
-
11111หากพิจารณาช่วงอุณหภูมิก๊าซเสีย (Exhaust Gas Temperature) ในช่วง 800- 1400 °C ผลการประหยัดพลังงานจากเชื้อเพลิงที่ลดลงจะอยู่ในช่วงประมาณ 25-50 %
ที่มา : Tokyo Gas Co.,Ltd, High Efficiency Furnace with Oxy-Fuel Combustion and Zero-Emission by CO2 Recovery
รูป แสดงผลประหยัดเชื้อเพลิง เทียบกับปริมาณออกซิเจนในการเผาไหม้
-
-
ลดปริมาณก๊าซ NOx ซึ่งเป็นก๊าซที่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม และความปลอดภัย
-
ที่มา : Tokyo Gas Co.,Ltd, High Efficiency Furnace with Oxy-Fuel Combustion and Zero-Emission by CO2 Recovery
รูป แสดงปริมาณการเกิดก๊าซ NOx เทียบกับปริมาณออกซิเจนในการเผาไหม้
11111ปริมาณก๊าซ NOx เกิดขึ้นภายหลังจากปฏิกิริยาการเผาไหม้ โดยที่อุณหภูมิเปลวมีผลต่อการเกิดปริมาณก๊าซ NOx กล่าวคือที่อุณหภูมิเปลวสูงขึ้นจะส่งผลให้มีปริมาณ NOx สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม ที่ค่า Oxygen-Enriched มากกว่า 60 % จะทำให้ปริมาณไนโตรเจนในการเผาไหม้ลดลงซึ่งแนวโน้มก็คือจะลดลงเรื่อยๆ จนเป็นศูนย์ ในกรณีที่ Oxygen-Enriched = 100 %
ศักยภาพการประหยัดพลังงาน
11111ผลการประหยัดพลังงานประมาณ 30-50 % โดยจากรูปด้านล่างนี้ แสดงถึงการใช้เทคโนโลยีหัวเผาแบบ Oxy-Fuel กับอุตสาหกรรมแก้ว โดยมีการใช้พลังงานที่น้อยกว่า 800 Kcal/kg สำหรับ 60 % Cullet ในเตาเผาขนาด 111 ตารางเมตร ซึ่งหากมีการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้ใหม่จะทำให้ผลการใช้พลังงานอยู่ในระดับต่ำสุด คือ ที่ประมาณ 625 Kcal/kg สำหรับ 60 % Cullet (Oxy Batch/Cullet PH)
ที่มา : Praxair, Inc. , Advances in Oxy-Fuel Fired Glass Melting Technology
รูป แสดงผลประหยัดพลังงานจากการใช้ Oxy-Fuel Burner
สภาพที่เหมาะสมกับการใช้เทคโนโลยี
11111ถึงแม้ว่าที่ผ่านมาได้มีการใช้ออกซิเจนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้และเพิ่มประสิทธิภาพในลักษณะที่เรียกว่า “Oxygen-Enriched Combustion” ก็ตาม (เพิ่มออกซิเจนในสัดส่วนประมาณ 30 %) อย่างไรก็ตาม การใช้ Oxy-Fuel Burner 100 % จะช่วยให้เกิดผลประหยัดพลังงานมากยิ่งขึ้น
11111นอกจากนี้ หลักการของการใช้เทคโนโลยี Oxy-Fuel สามารถประยุกต์ใช้กับ Conventional Furnace โดยใช้ระบบที่ออกแบบเรียกว่า “Forced Flue Gas Recirculation System” โดยที่ออกซิเจน และ Recirculated Flue Gas จะถูกผสมเข้าด้วยกันเพื่อให้มีปริมาณไนโตรเจนในอากาศต่ำสุด โดยเรียกว่า “Pseudo-air” ซึ่งประกอบด้วย CO2, H2O และ N2 ในปริมาณเล็กน้อย ดังแสดงในไดอะแกรมด้านล่าง
ที่มา : : Tokyo Gas Co.,Ltd, High Efficiency Furnace with Oxy-Fuel Combustion and Zero-Emission by CO2 Recovery
รูป แนวคิดของการประยุกต์ระบบ Oxy-Fuel Combustion Technology กับ Conventional Furnace
โดยหลักการของการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี Oxy-Fuel Combustion ข้างต้น จะเกิดประโยชน์ดังต่อไปนี้
- ลดค่าใช้จ่ายในการผลิตหรือซื้อก๊าซออกซิเจนจำนวนมากในการเป็นเชื้อเพลิง
- ลดปัญหาอันเนื่องมาจากอุณหภูมิเปลวที่สูงขึ้นมาก ในขณะที่เตาเดิมไม่ได้ออกแบบมาเพื่อ รองรับสภาวะดังกล่าว
- ลดค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนหัวเผาชุดเดิม เป็นแบบ Oxy-Fuel Burner
ตัวอย่างการใช้งานในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิตเหล็ก
11111กรณีตัวอย่างการประยุกต์ใช้อื่นๆ ได้แก่ ในช่วงของการหลอมเหล็ก เศษเหล็กจะถูกหลอมในเตาหลอมอาร์คไฟฟ้าที่อุณหภูมิสูง เศษเหล็กถูกหลอมอย่างรวดเร็วในช่วงการหลอม หัวเผาแบบ Oxy Fuel จะให้ความร้อนเพิ่มเติมเพื่อช่วยหลอมเศษเหล็กในบริเวณที่อาร์กไฟฟ้าหลอมไม่ทั่วถึง (Cold Spot)
รูป การใช้ Oxy-Fuel Burner เสริมในบริเวณ Cold Spot
รูป การใช้ Oxy-Fuel Burner สำหรับ EAF
กลุ่มเป้าหมายการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีและความคุ้มค่าในการลงทุน
กลุ่มของโรงงานอุตสาหกรรมที่สามารถประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้ ได้แก่
• โรงงานอุตสาหกรรมแก้ว
• โรงงานอุตสาหกรรมเหล็กขั้นกลาง
• โรงงานอุตสาหกรรมเหล็กขั้นปลาย
11111ราคาของอุปกรณ์ประมาณ 1,500,000 บาทต่อชุด (ทั้งนี้ขึ้นกับขนาดอัตราการใช้เชื้อเพลิง MMBtu/hr) ทั้งนี้มีระยะเวลาในการคืนทุนประมาณ 2-4 ปี
11111
Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2012, May 16). DEDE. Retrieved from www.dede.go.th: http://www2.dede.go.th/Advancetech/Vol2/04Sample/PDF/01oxy.pdf
Leave a Reply
Want to join the discussion?Feel free to contribute!