Episode I สมการการเผาไหม้ (Combustion equation)-Part 1

         
          เชื้อเพลิง สำหรับการเผาไหม้ เปรียบได้เป็นต้นกำลัง เพราะหากไม่มีการต้นกำลัง แน่นอนว่าเราจะมีวิธีการแลกเปลี่ยนพลังงานหลักเพื่อให้ได้ผลลัพธ์คือ ไอน้ำ ได้อย่างไร จริงหรือไม่ครับพวกเรา ดังนั้นบ่อยครั้งที่พวกเราสอบถามกันเข้ามา หากเราจะเริ่มต้นศึกษาเกี่ยวกับ boiler อยากทำความรู้จักกับ boiler อยากจะออกแบบ boiler สักลูกหนึ่ง จะ fire tube boiler หรือว่า water tube boiler ก็ได้ เราต้องเตรียมตัวอย่างไรบ้าง ต้องไปหาหนังสือวิชาอะไรอ่านบ้าง สั้นๆง่ายๆ รวบรัด และกระชับเลย คือ วิชาการเผาไหม้ หรือว่า combustion เป็นสิ่งแรกที่เรา จำเป็นต้องศึกษาครับ ไม่ยาก และไม่ง่าย หากพวกเรามีพื้นฐาน ทางด้านวิศวกรรมเครื่องกล กันมาแล้ว เรามาทบทวนความรู้กันสักนิด โดยใน part นี้ จะเป็นเบสิค ของการเผาไหม้ก่อน จะเกี่ยวกับทฤษฎีล้วนๆ โดยเน้นไปที่การเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ ในทางทฤษฎีเป็นหลัก

ทำไมเราต้องเรียนวิชา การเผาไหม้ก่อน เป็นลำดับแรก

- เพราะเราต้องรู้ ปริมาณอากาศขั้นต่ำ O2 ขั้นต่ำ ที่มีในอากาศ ที่เข้าไปเผาไหม้ เพื่อเกิดการเผาไหม้อย่างสมบููรณ์
- เพราะเราต้องรู้ ปริมาณอากาศขั้นต่ำ O2 ขั้นต่ำ เพื่อนำมาออกแบบห้องเผาไหม้
- เพราะเราต้องรู้ ปริมาณอากาศขั้นต่ำ O2 ขั้นต่ำ ที่เข้าไปเผาไหม้ เพื่อนำมาออกแบบพัดลม(ID fan, FD fan) 
- เพราะเราต้องรู้ ปริมาณอากาศขั้นต่ำ ต่อเชื้อเพลิง ต่อ 1 หน่วยความร้อน เพื่อนำไปหาการถ่ายเทความร้อน สำหรับการออกแบบ capacity ของตัว boiler
- เพราะเราต้องรู้ ปริมาณอากาศขั้นต่ำ ต่อเชื้อเพลิง ต่อ 1 หน่วยความร้อน เพื่อไปออกแบบ ขนาดห้องเผาไหม้
- เพราะเราต้องรู้ ปริมาณอากาศขั้นต่ำ เพื่อนำไปคำนวณ ประสิทธิภาพทางความร้อน รวมถึง ความร้อนที่สูญเสียออกไปในตัว boiler 

          เชื้อเพลิง ที่เราจะนำมาพิจารณา เป็น input สำหรับต้นกำลัง ของการเผาไหม้ บนโลกนี้ ไม่ว่าจะเป็นเชื้อเพลิงอะไรก็ตามแต่ หากเรามองเปรียบเทียบโดยมวล(by mass) สิ่งที่เรากำหนดให้มองคือ ต่อเชื้อเพลิง 1 กก. หรือ คิดเทียบต่อจากนี้ไป ในวิชานี้ เราเปรียบเทียบกันที่ เชื้อเพลิง 1 กก. เรากำหนดให้ ประกอบไปด้วย C, H, O, N, S, (ash)ขี้เถ้า และ (moisture)ความชื้น (โดยเชื้อเพลิง ทุกชนิดบนโลก ส่วนประกอบตามนี้ ไม่ว่าจะถ่านอัดก้อนร้านหมูกระทะ, ถ่านหินเหมืองแม่เมาะ, ไม้ฟืนจากป่าโกงกาง, กะลาปาล์ม ฯลฯ โดยองค์ประกอบของธาตุพื้นฐานอยู่ที่ตัวไหนมาก, ตัวไหนน้อย หรือองค์ประกอบตัวไหน ไม่มีเลย ก็ขึ้นอยู่กับประเภท ของเชื้อเพลิง) แต่โดยภาพรวม กล่าวคือ จะมีสัดส่วน เชิงน้ำหนัก คือ

C + H + O + N + S + ash + (moisture) = 1unit                    (by mass)

ผู้เขียนอยากให้พวกเรา นึกภาพตามกันไปนะครับ สมมติว่าเรา กำลังถือ ถ่านหินลิกไนต์ในมืออยู่ 1 กิโลกรัม ดังนั้น ใน 1 กิโลกรัมที่เรามีอยู่นี้ จะต้องประกอบด้วย C + H + O + N + S + ash + (moisture)

แต่…ธาตุหลัก ที่เผาไหม้ แล้วให้ความร้อนกับเรา คือ C, H และ S เท่านั้น
***(ตรงนี้ต้องจำ ไม่มีวิธีอื่น)
อ้าว…แล้วส่วนที่เหลือล่ะนายช่าง มีไว้ทำไม? ตรงนี้ นายช่าง ตอบว่า O, N, ash และ moisture จะไม่นำมาเป็นนัยยะสำคัญ ในการได้พลังงานความร้อน)

Fire tube Boiler ในห้องเผาไหม้ ขณะที่ไฟกำลังวิ่ง (ช่วงจุดเตา) พวกเราจะสังเกตุเห็น บางส่วนเป็น incomplete combustion ครับ
- เชื้อเพลิง น้ำมันเตา-C

          โดย หากใน เชื้อเพลิงที่เราพิจารณา มีส่วนผสมของ O อยู่แล้วแต่เดิม นั่นจะทำให้ ก่อนการเผาไหม้หลัก O จะไปรวมตัวกับ H เกิดเป็น H2O จึงทำให้ เรามี H ที่เหลืออยู่จากการที่มันจะไปรวมกับ O ไม่หมดนั่นเอง (กล่าวคือ H ในบางส่วนจะไปรวมตัวกับ O ดังนั้นจึงมี H บางส่วนที่ไม่รวมตัวไม่หมดเหลืออยู่ โดย H ส่วนที่เหลือนี้ จะเตรียมเข้าห้องเผาไหม้ เป็นปริมาณอยู่จำนวนหนึ่งที่เราเรียกว่า free hydrogen นั่นเอง-ขอกล่าวในภายหลัง) ทุกตำรา combustion จะพิจารณา C, H, S จาก เชื้อเพลิง ที่เราจะทำการเผาไหม้ เท่านั้นครับ
          กลับเข้าสู่ ห้องเผาไหม้อีกครั้ง พวกเรากำลังจะเตรียมโยนถ่านหิน 1 กิโลกรัมที่ถือในมือ เข้าสู่ห้องเผาไหม้แล้ว จาก สัดส่วน เชิงน้ำหนัก เราจะแยก ธาตุหลัก ที่เผาไหม้ แล้วให้ความร้อนออกมา คือ

C + H + O + N + S + ash + (moisture) = 1  unit                                                                        (by mass)

พิจารณา การเผาไหม้ของ C โดยมวล

     C       +    O2          ------> CO2                        นั่นคือ
1mol C   +   1 mol O2 ------> 1 mol CO2              กล่าวคือ
(12kg) C +   (32kg) O2  ----> (44kg) CO2       

(จาก mol = น้ำหนัก/atomic weight)-บางตำราเรียก atomic mass จะได้
(1 kg) C + (2.667 kg) O2 --> (3.667 kg) CO2

           จะเห็นได้ชัดเจนว่า หากเราต้องการ ให้เกิดการเผาไหม้แบบสมบูรณ์ (complete combustion) กรณีนี้ ของเชื้อเพลิงเรา ที่มี C ต่อ 1 kg นั่นหมายความว่า เราจำเป็นต้องใช้ O2 จำนวน 2.667 kg ในการเผาไหม้ C  1 kg นี้ โดยที่เราจะได้ผลลัพธ์ออกมาเป็น CO2 จำนวน 3.667 kg. นี่เป็น step I ของการเผาไหม้ พวกเราต้องแม่นในสมการก่อนครับ ตรงนี้สำคัญมาก

และในทำนองเดียวกัน พิจารณา การเผาไหม้ของ H และ S ตามลำดับ ผู้เขียนอยากให้พวกเรา เขียนสมการพื้นฐานไปพร้อมๆกันครับ เราจะได้

           2H2 + O2 ---> 2H2O                                              S + O2 ---> SO2
           จะได้ (1kg)H2 + (8kg)O2 ---> (9kg) H2O          (1kg)S + (1kg)O2 ---> (2kg) SO2

หากเราต้องการเผาไหม้ C จำนวน 1 kg. เราต้องใช้ O2 จำนวน 2.667 kg

หากเราต้องการเผาไหม้ H จำนวน 1 kg. เราต้องใช้ O2 จำนวน 8 kg

หากเราต้องการเผาไหม้ S จำนวน 1 kg. เราต้องใช้ O2 จำนวน 1 kg

หรือ ดังนั้นเราจะเห็นได้ว่า เราต้องใช้ O2 ในการเผาไหม้เชื้อเพลิง ต่อ 1 kg สำหรับ complete combustion คือ

= (8H + 2.667C + S) kg./kg เชื้อเพลิง                            (by mass-กรณี ไม่คิด O เป็นส่วนผสมในเชื้อเพลิง)

หากแต่ ถ้าในกรณี ที่เชื้อเพลิงเรา มี O ในส่วนผสมหลักอยู่ก่อนแล้วนั้น จะได้ O2 ที่เราต้องใช้ ในการเผาไหม้เชื้อเพลิง ต่อ 1 kg คือ

= (8H + 2.667C + S – O) kg./kg เชื้อเพลิง                    (by mass)       

          ดังนั้น เมื่อเราทราบแล้วว่า ในการหาปริมาณ O2 ที่เราต้องการใช้ ในการเผาไหม้ เชื้อเพลิง kg/kg.เชื้อเพลิง เราสามารถนำ ปริมาณ O2 ที่เราใช้ไปเทียบเป็นสัดส่วน ของปริมาณอากาศ ที่ต้องใช้ในการเผาไหม้ได้นั่นคือ         

- ห้องเผาไหม้ ของ water tube boiler ขนาด 20 Tons/hr เชื้อเพลิงถ่านหิน
- ถ่ายที่ระดับ Grate ของ Manhole หน้าเตา ขณะเตรียมตัวหยุดเตา

          ในอากาศ(air) ที่พวกเราหายใจ (คืออากาศเดียวกัน ที่จะเข้าห้องเผาไหม้) คืออากาศบนโลกนี้ ที่สภาวะความดันบรรยากาศปกติ มี O2 เป็นส่วนผสม(by mass) 23.2%

          1 kg ของ O2 จะต้องมี(ประกอบไปด้วย) อากาศ = 100/(23.2) Kg.

          ดังนั้น พวกเราจะได้ ปริมาณอากาศที่น้อยที่สุด สำหรับการเผาไหม้ทางทฤษฎี(theoretical air) ต่อหน่วยเชื้อเพลิง คือ

          1 kg ของเชื้อเพลิง จะต้องมี(ประกอบไปด้วย) อากาศ
                      = 100/(23.2) x (8H + 2.667C + S – O) kg   

           นั่นแปลว่า เราจะสามารถ หาปริมาณอากาศที่น้อยที่สุด สำหรับการเผาไหม้ทางทฤษฎี(theoretical air) ต่อหน่วยเชื้อเพลิง ในหน่วย kg./kg เชื้อเพลิง โดยการเผาไหม้ทางทฤษฎี ตามที่กล่าวมาข้างต้น จากการเทียบสัดส่วน ของ O2 ที่เราต้องใช้ ในการเผาไหม้(รวม) ของ C, H และ S นั่นเอง พวกเราไม่สับสนกันนะครับ ตรงนี้เป็นพื้นฐานที่สำคัญมาก

           ก่อนที่จะไป part 2 พวกเราเริ่มอยากจิ้มเครื่องคิดเลขกันหรือยังครับ อ่านมาถึงตรงนี้ พวกเรามีคำถามกันหรือไม่ เราอยากจะลองคำนวณคร่าวๆดูเสียหน่อย ว่า boiler ที่โรงงานที่ใช้ กะลาปาลม์ ใช้ถ่านหิน หรือว่า ใช้น้ำมันเตา เป็นเชื้อเพลิง ของเราเนี่ย มันต้องใช้อากาศจำนวนเท่าไหร่ ต่อการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นทางทฤษฎี ต่อ 1 kg.ของเชื้อเพลิงเรา

          ดังนั้น สิ่งแรกที่เราต้องการทราบ คือ ในเชื้อเพลิงของเรา มีองค์ประกอบของธาตุอะไรบ้าง ในรูปแบบ %ของน้ำหนัก  เช่น C = xx%, H = xx%, O = xx% แบบนี้ถูกต้องหรือไม่ครับนายช่าง เพราะถ้าเรารู้ องค์ประกอบของธาตุ ตามสัดส่วนโดยมวลแล้ว เราก็สามารถที่จะนำมันเข้ามาในสมการการเผาไหม้ข้างต้นได้นั่นเอง แล้วเราจะรู้ได้อย่างไร หรือ เราจะทราบได้อย่างไรครับนายช่าง ว่าถ่านหินของผม, กะลาปาล์มของโรงงานเรา หรือว่า แกลบที่โรงงานเรารับซื้อมา มันมี C เท่าไหร่, H เท่าไหร่ เพราะนี่เป็นจุดเริ่มต้นแล้ว ของ boiler แต่ละที่ ก็แต่ละเชื้อเพลิง แต่ละเชื้อเพลิง ก็ต่าง chemical composition กัน แล้วเราจะทราบได้อย่างไร นี่คือคำถามที่ผู้เขียน พบเจอบ่อยมาก เวลาไปตรวจสอบ boiler ไปปรับจูน boiler หรือว่าเวลาไปตรวจสอบ boiler ให้เพื่อนสมาชิกตามโรงงานต่างๆ

          คำตอบคือ ส่งห้อง lab ทางเคมี ให้นักเคมีวิเคราะห์ละเอียด(ultimate analysis) แยกธาตุออกมา เป็นคำตอบสุดท้าย (ในส่วน detail เครื่องมือที่ใช้วิเคราะห์ รายละเอียดทางเทคนิค ขอไม่กล่าวถึงในที่นี้) พวกเราเป็นนายช่าง ไม่ใช่นักเคมี ดังนั้นหน้าที่พวกเราคือ เราจะนำค่าที่นักเคมีวิเคราะห์แยกธาตุออกมาให้เรา หารายละเอียด ในการคำนวณจุดเริ่มต้นนั่นเองครับ หลังจากนักเคมีทำหน้าที่ในห้อง lab เรียบร้อยแล้ว จึงเป็นหน้าที่ของพวกเราครับ จับรายงานทางเคมี มาเข้าสมการการเผาไหม้ พิจารณาค่าความร้อน ในเชื้อเพลิง พิจารณา % ของ chemical element ตัวต่างๆในเชื้อเพลิง เพื่อเตรียมตัวคำนวณในลำดับต่อไป

อยู่กรุงเทพฯ ส่งห้อง lab ที่ไหน…ส่งที่กรมวิทยาศาสตร์บริการ ถนนพระรามหก หรือ สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์ (วว.) คลองห้า รังสิต-นครนายก
อยู่เชียงใหม่ ส่งห้อง lab ที่ไหน…มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, มหาวิทยาลัยแม่โจ้
อยู่หาดใหญ่ ส่งห้อง lab ที่ไหน…มอ.สงขลานครินทร์

(บน) ตัวอย่าง Ultimate analysis ของกะลาปาลม์ ตัวนี้นำส่งที่ วว.คลองห้า รังสิต-นครนายก ครับพวกเรา
(ซ้าย) กะลาปาลม์ หรือ palm shell

(บน) Test report จากกรมวิทย์ ฯ ของ ไม้ลำไย-ฟืน ตัวนี้ อายุ 15 ปี ไม่ค่อยให้ผลผลิตแล้ว เลยเอามาเป็นเชื้อเพลิง
(ซ้าย) click ที่ภาพ เพื่อขยายใหญ่ๆ

          สรุปคือ ส่งห้อง lab ในมหาวิทยาลัยฯ ที่มีคณะทางด้านวิทยาศาสตร์/ วิศวกรรมศาสตร์(เคมี+เครื่องกล) ว่าอย่างนั้นครับ ใกล้ที่ไหนท่านไปส่ง ตัวอย่างเชื้อเพลิงได้เลย หรือให้วิศวกร ที่ทางโรงงาน โทรสอบถามก่อน ว่ามีบริการรับวิเคราะห์องค์ประกอบ ในเชื้อเพลิงหรือไม่ครับ ว่าเชื้อเพลิงมีธาตุอะไรบ้าง เพื่อที่เราจะนำมาคำนวณ โทรศัพท์ติดต่อทางห้อง lab ได้เลย ท่านไม่ต้องโทรมาที่ กาก้า นะครับ ทางเราไม่มีเครื่องมือวิเคราะห์ตัวนี้ เวลาที่เราจะวิเคราะห์การเผาไหม้ของ boiler ให้ลูกค้า เราก็จัดการนำส่ง ตัวอย่างเชื้อเพลิงที่ห้อง lab ดังกล่าวข้างบนนี้เหมือนกันครับ standard ในการวิเคราะห์เดียวกัน ทุก lab ทั่วโลกครับ

          โดยในการวิเคราะห์เชื้อเพลิง ที่เรานิยมใช้(ทั่วโลก) เราจะมีการวิเคราะห์ ตอนที่ส่งห้อง lab อยู่ 2 อย่าง หรือ 2 แบบด้วยกันคือ Proximate analysis และ Ultimate analysis โดยวิธีการที่เราต้องการ สำหรับกรณีนี้ ที่เราต้องการนำมาใช้ ในสมการการเผาไหม้คือ ultimate analysis หรือ วิเคราะห์ละเอียด (ดังนั้น เวลา พวกเราไปที่ห้อง lab ทุกที่ทั่วโลก พวกเราก็แจ้งความจำนงค์ ว่าเราต้องการ ultimate analysis กับทางห้อง lab นั่นเองครับ)-ตามต่อกันที่ episode II ผู้เขียนจะพาพวกเรา เจาะลึกเข้าเรื่องนี้อย่าง ละเอียดมากขึ้นครับ โดยใน episode I นี้ ผู้เขียนต้องการให้พวกเรา เน้นไปที่ความเข้าใจ และทำการหา theoretical air สำหรับการเผาไหม้ ว่าพวกเราต้องพิจารณา สิ่งไหนบ้างนั่นเอง นี่เป็นจุดเริ่มต้น หากพวกเรา ต้องศึกษาเรื่อง Boiler ครับ

Proximate analysis
การวิเคราะห์แบบง่าย

• ใช้ในการหา ปริมาณคาร์บอนคงที่ (fixed carbon), สารวาบไฟ (volatile matter), ความชื้น และ ขี้เถ้า ในเชื้อเพลิง
• ส่วนมากเราจะใช้ proximate analysis สำหรับการหา GCV
• มีความยุ่งยากในการวิเคราะห์ที่น้อยกว่า ultimate analysis

Ultimate analysis
การวิเคราะห์แบบละเอียด

• ใช้ในการหาสัดส่วนโดยมวล ในระดับธาตุ(ประกอบ) เช่น % Carbon, Hydrogen, Oxygen, Sulphur ในเชื้อเพลิง
  
• Ultimate analysis สามารถใช้ในการออกแบบ ห้องเผาไหม้, อุณหภูมิเปลวไฟ,ปล่องไอเสีย
  
• การวิเคราะห์ มีความซับซ้อน และใช้เวลาในการวิเคราะห์ในห้อง lab ที่นานกว่า (ประมาณ 2 สัปดาห์ ตามชนิดเชื้อเพลิง)
  

Example 1. พวกเราช่วยนายช่างจิ้มเครื่องคิดเลข กันหน่อยครับ
         
          ในการหาประสิทธิภาพทางความร้อน ของ Boiler ลูกหนึ่ง พวกเราจำเป็นจะต้องหาปริมาณอากาศที่เข้าห้องเผาไหม้ เพื่อไปคำนวณ loss ในลำดับถัดไป โดยลำดับแรก เราต้องคำนวณ ปริมาณอากาศขั้นต่ำที่สุด สำหรับ การเผาไหม้แบบสมบูรณ์ (minimum air requirement for complete combustion) ของไม้ฟืน ไม้ลำไย อายุ 15 ปี  ตาม ultimate analysis ในภาพด้านบน นี้ครับ C = 30%, H = 8.1%, S = 0.05%, O = 59.9%



(เฉลย: 3.66 kg/kg ไม้ลำไย)

ณัฐพงศ์   ไชยสิทธิ์
วก.958        
วุฒิวิศวกรเครื่องกล