Energy Conservation in Industrial Furnace (การอนุรักษ์พลังงานในระบบเตาเผาอุตสาหกรรม)

ในการพิจารณาการอนุรักษ์พลังงานของเตาเผาอุตสาหกรรม (Energy Conservation in Industrial Furnace) อย่างแรกที่ต้องเข้าใจคือ การคำนวณหาพลังงานที่ป้อนให้เตาและพลังงานเหล่านั้นว่าใช้ไปและสูญเสียอย่างไร เรียกว่า การคำนวณสมดุลความร้อน (Heat balance) ผลการคำนวณจะรู้ว่าเดินเครื่องเตาได้เหมาะสมหรือไม่ ใช้เชื้อเพลิงโดยสูญเปล่าหรือไม่ และยังสามารถเตรียมมาตรการลดความร้อนสูญเสียให้เหลือน้อยที่สุดได้อีกด้วย

ระยะเวลาตรวจวัดเตาเพื่อคำนวณสมดุลความร้อนจะขึ้นอยู่กับประเภทของเตา ในกรณีเดินเตาเผาแบบต่อเนื่อง ควรใช้ค่าเฉลี่ยไม่ต่ำกว่า 3 ชั่วโมงในการคำนวณ ในกรณีเดินเตาเผาไม่ต่อเนื่อง ควรใช้ค่าเฉลี่ยต่อการเดินเครื่อง 1 ครั้ง หรือแบ่งเป็นหลายๆ ขั้นแล้วตัดเอาเฉพาะกระบวนการที่สำคัญที่สุด ปริมาณที่ใช้แสดงสมรรถนะของเตา ได้แก่ ประสิทธิภาพความร้อน และความสิ้นเปลืองพลังงาน (หรือปริมาณความร้อน) ต่อหน่วย

ความร้อนที่ป้อนให้ในเตาเผาเพื่อคำนวณประสิทธิภาพของเตานี้จะคิดเฉพาะความร้อนจากเชื้อเพลิง ส่วนความร้อน effective ขึ้นอยู่กับวัตถุที่ให้ความร้อน โดยทั่วไปความร้อน effective ในการหลอมจะเท่ากับความร้อนแฝงของวัตถุรวมกับความร้อนสัมผัสของวัตถุซึ่งความร้อนสัมผัสนี้จะคิดอุณหภูมิสูงสุดของวัตถุในเตาหลอม

ความสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงต่อหน่วยหมายถึงปริมาณเชื้อเพลิงที่ป้อนให้ต่อวัตถุที่จะให้ความร้อนหนึ่งหน่วยมวล หากแสดงด้วยปริมาณความร้อนจะเรียกว่า ความสิ้นเปลืองความร้อนต่อหน่วย ส่วนอัตราส่วนเชื้อเพลิง (เชื้อเพลิง kg / เหล็ก (ton))

สมดุลความร้อนของเตาอุตสาหกรรม (Heat Balance)

เตาอุตสาหกรรมที่สำคัญสามารถแสดงสมดุลความร้อนได้ดังนี้

รูป ตัวอย่างสมดุลเตาเผา

รูป ตัวอย่างตารางสมดุลความร้อนของเตาเผา

จากตารางสมดุลความร้อนของเตาเผานั้น จะพบว่าความร้อนออกที่สำคัญของระบบได้แก่

1) ความร้อนสูญเสียในก๊าซไอเสีย

2) ความร้อนที่แผ่รังสีจากตัวเตา

3) ความร้อนสูญเสียในการระบายความร้อน

พื้นฐานของการอนุรักษ์พลังงานในเตาให้ความร้อน คือ จะลดความร้อนทั้ง 3 ข้อนี้ได้อย่างไร และนอกจากทั้ง 3 ข้อนี้แล้ว จะนำความร้อนกลับมาใช้ให้มากที่สุดอย่างไร

การอนุรักษ์พลังงานของเตาเผา 

การลดความร้อนสูญเสียในก๊าซไอเสีย

กรณีของเตาเผา ความสูญเสียที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้คือความสูญเสียในก๊าซไอเสีย กล่าวคือในจำนวนความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง ส่วนหนึ่งจะกลายเป็นความร้อนสัมผัสของก๊าซไอเสียซึ่งเมื่อระบายก๊าซไอเสียจากการเผาไหม้ออกไปจากเตา ความร้อนสูญเสียจะมีสัดส่วนสูงมากต่อความร้อนที่จำเป็นต้องใช้ในการให้ความร้อนเหล็ก การลดความร้อนสูญเสียนี้ ต้องใช้กลวิธีที่เป็นพื้นฐานของการอนุรักษ์พลังงาน ได้แก่ การควบคุมอัตราส่วนอากาศให้เหมาะสม ในการเผาไหม้เชื้อเพลิง ตามทฤษฎีแล้วเราสามารถเผาไหม้ได้ด้วยอัตราส่วนอากาศ 1.0 ก็เพียงพอแล้ว อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติเนื่องจากเชื้อเพลิงไม่ได้ผสมกับอากาศอย่างสมบูรณ์ จึงต้องเดินเครื่องด้วยปริมาณอากาศเกินจำเป็นไปบ้างเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดเขม่าขึ้น อย่างไรก็ตาม ยิ่งอัตราส่วนอากาศมีค่าสูงเท่าใด ปริมาณไอเสียที่จะต้องให้ความร้อนก็จะยิ่งเพิ่มขึ้นเท่านั้น แต่ก๊าซไอเสียที่เพิ่มขึ้นจากอากาศส่วนเกิน เป็นสิ่งที่ไม่มีความจำเป็นอย่างใดเลย ดังนั้นจึงต้องพยายามเผาไหม้ด้วยอัตราส่วนอากาศใกล้เคียงกับ 1.0 ให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ดังนั้น จึงมีการทำ cross limit ของการควบคุม cascade ของอุณหภูมิและอัตราไหล ทำการควบคุมความดันภายในเตาเพื่อลดอากาศที่ไหลเข้ามา รวมทั้งทำการควบคุม O₂ โดยอัตโนมัติเพื่อควบคุมอัตราส่วนอากาศอย่างเที่ยงตรง ทั้งในการเผาไหม้เต็มที่และเผาไหม้แบบ turn down

นอกจากนี้ในกรณีพิเศษ ยังมีการลดความร้อนสูญเสียในก๊าซไอเสียด้วยการเผาไหม้ด้วยออกซิเจนหรือเผาไหม้ด้วยออกซิเจนจำนวนมากอีกด้วย อย่างไรก็ตาม จะมีปัญหาเรื่องราคาออกซิเจน ปัจจุบัน ในเตาหลอมแก้วต่างๆ จะมีนำการเผาไหม้ด้วยออกซิเจนมาใช้กันมากขึ้นเนื่องจากต้องการลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่ นอกจากการลดปริมาณก๊าซไอเสียแล้ว ยังมีวิธีลดอุณหภูมิของก๊าซไอเสียเพื่อลดความสูญเสียในก๊าซไอเสียอีกด้วย

ในกรณีของเตาให้ความร้อนแบบดั้งเดิม ก๊าซไอเสียจะไหลเข้าจากทางออกวัตถุดิบไปออกที่ทางเข้าวัตถุดิบ กล่าวคือ ในเตาให้ความร้อนแบบดั้งเดิม อุณหภูมิที่ก๊าซไหลออกจากด้านทางเข้าวัตถุดิบจะเท่ากับอุณหภูมิก๊าซไอเสียของเตา อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิก๊าซไอเสียที่บริเวณทางออกวัตถุดิบจะต้องสูงกว่าอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ที่จะนำออกจากเตาอยู่บ้าง และในกรณีที่จะให้ความร้อน หากทำให้เตามีอุณหภูมิสูงขึ้น จะสามารถให้ความร้อนได้อย่างรวดเร็ว ทำให้เตาสั้นลงได้ ดังนั้น ในบริเวณให้ความร้อนจึงกำหนดอุณหภูมิไว้เท่ากับอุณหภูมิทนความร้อนสูงสุดของฉนวนความร้อนที่ใช้ ซึ่งมีค่าประมาณ 1,250-1,300°C ส่วนบริเวณทางเข้าวัตถุดิบจะพยายามกำหนดให้ต่ำที่สุดเพื่อลดความสูญเสียในก๊าซไอเสีย ตัวอย่างเช่น กำหนด heat pattern ของเหล็ก billet ให้มีอุณหภูมิที่ทางเข้าต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้ และจัดให้มีบริเวณ preheat ด้วยก๊าซไอเสียโดยไม่ติดตั้ง burner เพื่อให้แลกเปลี่ยนความร้อนกับเหล็ก billet และลดอุณหภูมิก๊าซไอเสีย อย่างไรก็ตาม สำหรับเตาที่มีความยาวเท่ากันหากค่อยๆ เพิ่มอุณหภูมิอย่างช้าๆที่สุดเท่าที่จะทำได้แล้ว แม้ว่าอุณหภูมิเฉลี่ยของหน้าตัดเหล็ก billet โดยเฉลี่ยจะสอดคล้องกับความสามารถในการเพิ่มอุณหภูมิก็ตาม ปัญหาเรื่องความเร็วในการถ่ายเทความร้อนภายในตัวเหล็ก billet จะทำให้เกิดการเบี่ยงเบนอุณหภูมิของตัวยึดมากขึ้น กล่าวคือ เกิด skid mark มากขึ้นนั่นเอง

การแก้ไขปัญหานี้จะต้องทำให้เตามีความยาวเพิ่มขึ้น กล่าวคือ ในเตาแบบดั้งเดิมหากต้องการลดอุณหภูมิของก๊าซไอเสีย จะต้องทำให้เตามีความยาวเพิ่มขึ้นโดยไม่มีทางเลี่ยง

ความยาวของเตาจะถูกจำกัดด้วยเหตุผลด้านความคุ้มทุน ได้แก่ ต้นทุนค่าเครื่องจักร ดังนั้น หากให้อุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ที่นำออกจากเตามีอุณหภูมิ 1,200°C แล้ว อุณหภูมิของก๊าซไอเสียที่ทางเข้าวัตถุดิบโดยทั่วไปจะเท่ากับ 1,150-1,000°C

จากเหตุผลข้างต้น ระยะหลังนี้ regenerative burner จึงได้รับความสนใจมากขึ้น รายละเอียดจะอธิบายในหัวข้อการนำก๊าซไอเสียกลับมาใช้

การลดความสูญเสียจากการแผ่รังสีจากตัวเตาและความสูญเสียในน้ำระบายความร้อน

ความสูญเสียนี้สามารถลดได้อย่างมากด้วยการเสริมฉนวนความร้อนที่ผนังเตาและตัวยึดในเตาที่ระบายความร้อนด้วยน้ำที่เรียกว่า skid beam หรือ post โดยทั่วไปในกรณีของเตาให้ความร้อน

ไม่ว่ากรณีใดฉนวนที่ใช้มักจะเป็นเซรามิกไฟเบอร์กันมาก แต่ระยะหลังจะมีการใช้เตาให้ความร้อนที่ใช้เซรามิกไฟเบอร์ทั้งตัวยกเว้นพื้นเตาเนื่องจากการใช้เซรามิกไฟเบอร์เป็นฉนวนความร้อนจะสามารถอนุรักษ์พลังงานได้มากกว่า

เตาควรจะกั้นความร้อนที่แลกเปลี่ยนกับภายนอกให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ อย่างไรก็ตาม ในการป้อนวัตถุดิบ นำวัตถุดิบออก และการลำเลียงวัตถุดิบ เตาจะต้องมีช่องเปิดเสมอ เพื่อลดความร้อนสูญเสียจากช่องเปิดและความสูญเสียจากเปลวไฟออกนอกเตา จะติดตั้งอุปกรณ์ปิดกั้นความร้อนที่สามารถปรับให้เปิดได้ อุปกรณ์ที่สำคัญได้แก่ ประตูสองชั้นทางด้านช่องนำวัตถุดิบออก และ movable beam post cover เป็นต้น

การนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้

ได้อธิบายไว้ในหัวข้อการลดความสูญเสียในก๊าซไอเสียแล้ว ว่าการจัดให้มีบริเวณ preheat ด้วยก๊าซไอเสียเป็นการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้ด้วยตัวเตาเอง ในที่นี้จะอธิบายการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้ด้วยอุปกรณ์นำกลับมาใช้ต่างๆ

ในการอุ่นอากาศสำหรับเผาไหม้ด้วย recuperator ความร้อนที่นำกลับมาใช้จะถูกหมุนเวียนกลับเข้าไปในเตาทันที จึงมีประสิทธิภาพการใช้งานสูง เครื่อง recuperator บางชนิดจะทำด้วยเซรามิกซึ่งสามารถใช้ก๊าซไอเสียอุณหภูมิสูงได้โดยตรง แต่จะมีประสิทธิภาพต่ำ อากาศที่อุ่นแล้วจะมีอุณหภูมิประมาณ 400°C แต่ในกรณีของ recuperator โลหะซึ่งมีประสิทธิภาพสูง ก๊าซไอเสียที่ป้อนให้ต้องมีอุณหภูมิไม่เกิน 900°C เนื่องจากข้อจำกัดเรื่องการทนความร้อนของโลหะ ดังนั้น โดยทั่วไปจะนำก๊าซไอเสียจากเตาไปเจือจางด้วยอากาศอุณหภูมิปกติก่อนป้อนให้ recuperator ในกรณีนี้จะสามารถอุ่นอากาศให้มีอุณหภูมิสูงถึง 600°C

รูป อัตราการประหยัดเชื้อเพลิงจากการอุ่นอากาศ

ในกรณีของเตาขนาดใหญ่ เช่น เตาให้ความร้อนเหล็ก billet ฯลฯ หลังจากนำความร้อนกลับมาใช้ด้วยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแล้ว ยังนำความร้อนที่เหลือกลับมาใช้ด้วยการติดตั้ง waste-heat boiler เพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานของเครื่องจักรอื่นอีกด้วย

ระยะหลังนี้ มีการอนุรักษ์พลังงานด้วยการเพิ่มอุณหภูมิของอากาศอุ่นให้สูงขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพสูงโดยใช้ regenerative burner ซึ่งจะเดินเครื่องเป็นคู่

รูป การทำงานของ Regenrator

จากรูปการทำงานของระบบ Regenerator สามารถอธิบายได้ดังนี้

เมื่อจุดไฟ burner A ก๊าซไอเสียจากการเผาไหม้จะถูกดูดเข้าไปใน burner B ซึ่งไม่ได้จุดไฟ ในขณะนั้นก๊าซจะแลกเปลี่ยนความร้อนโดยตรงกับ regenerator ที่ทำจากเซรามิก หลังจากนั้น 30-60 วินาทีจะใช้วาล์วสลับให้จุดไฟ burner B และดูดก๊าซไอเสียนั้นเข้าไปใน burner A โดยอากาศสำหรับเผาไหม้ของ burner B จะแลกเปลี่ยนความร้อนโดยตรงกับ regenerator ซึ่งได้รับความร้อนจากไอเสีย กรณีที่ก๊าซไอเสียจากเตาให้ความร้อนมีอุณหภูมิ 1200°C จะสามารถอุ่นอากาศให้มีอุณหภูมิสูงเกือบ 1100°C โดยเฉลี่ย

การลดกำลังไฟฟ้า

การลดกำลังไฟฟ้าสูญเสียโดยทั่วไปสามารถทำได้โดยเดินสายให้เหมาะสมที่สุด ลดความสูญเสียจากความต้านทานไฟฟ้าให้เหลือน้อยที่สุด และติดตั้งคาปาซิเตอร์เพื่อเพิ่มเพาเวอร์แฟกเตอร์ รวมทั้งทำให้เกิดสมดุลในวงจรไฟฟ้า 3 เฟส เป็นต้น อย่างไรก็ตาม วิธีที่ใช้กันมากในเตาให้ความร้อนเหล็ก billet ได้แก่ เดินเครื่อง blower สำหรับการเผาไหม้ และพัดลมดูดก๊าซไอเสียชนิดที่ใช้  สำหรับการเผาไหม้ และพัดลมดูดก๊าซไอเสียแบบ VVVF

นอกจากนี้ในการขับ walking beam มักจะใช้ซิลินเดอร์ไฮดรอลิกแบบก้านเดียวซึ่งกรณีที่จะเลื่อนด้านก้านสูบจะต้องใช้น้ำมันไฮดรอลิกปริมาณมาก ปริมาณน้ำมันที่ต้องใช้นี้จะเป็นตัวกำหนดขนาดของปั๊มไฮดรอลิกรวมทั้งมอเตอร์ด้วย เพื่อแก้ไขจุดนี้ จะมีการติดตั้งบายพาสทั้งด้านก้านสูบและด้านตรงข้ามก้านสูบ เพื่อลดปริมาณน้ำมันไฮดรอลิกที่ต้องใช้ให้น้อยลงและทำให้ปั๊มมีขนาดเล็กลง

การนำก๊าซไอเสียมาใช้ประโยชน์ระหว่างเตาหลายตัว

ตัวอย่างการนำก๊าซไอเสียมาใช้ประโยชน์ระหว่างเตาหลายตัวแสดงดังรูปด้านล่าง ซึ่งเป็นการใช้ก๊าซไอเสียของเตา carburizing furnace เป็นแหล่งความร้อนของเตา annealing furnace ในกรณีนี้ เตา annealing furnace จะไม่ต้องใช้แหล่งความร้อนอื่นอีกเลย การทำเช่นนี้จะต้องวางแผน layout เครื่องจักรให้ดี แต่สำหรับเตาอุณหภูมิต่ำจะเป็นการอนุรักษ์พลังงานที่ดีเลิศ นอกจากนี้ในกรณีของเตา carburizing furnace บรรยากาศในเตาจะเป็นก๊าซที่สามารถเผาไหม้ได้ ดังนั้น จึงสามารถนำก๊าซความดันบรรยากาศที่เป็นไอเสียมาเป็นเชื้อเพลิงของเตาอื่นเพื่ออนุรักษ์พลังงานได้

รูป การนำก๊าซไอเสียของเตา carburizing furnace มาใช้ในเตา annealing furnace

อ้างอิง

สำนักพัฒนาทรัพยากรบุคคลด้านพลังงาน. (2004).การอนุรักษ์พลังงานในระบบความร้อน . Retrieved from DEDE:http: www2.dede.go.th/bhrd/old/Download/file_handbook/Pre_Heat/pre_heat_9.pdf