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