Episode II (Fuel analysis and Heating Value)
จากความเดิม ตอนที่แล้ว Theoretical air จะเป็นจุดเริ่มต้นในการคำนวณ ทางด้านสมการ การเผาไหม้ อันเป็นปัจจัยหลักสำหรับ boiler แล้วนั้น พวกเราพอทราบ แหล่ง ที่มา ที่ไป ถึงค่าของตัวแปรต่างๆ ของเชื้อเพลิงหลัก ที่มีความจำเป็นนำมาใช้งาน ในการออกแบบ รวมถึงการคำนวณต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับ boiler
โดยใน episodeที่แล้ว พวกเราเน้นไปที่องค์ประกอบของธาตุหลัก ที่ทำปฏิกริยากับ O แล้วได้พลังงานความร้อนออกมา (oxidation reaction) อันได้แก่ C, H และ S มาถึงในภาคนี้ เราจะพูดถึง ค่าของความร้อนที่เราได้ออกมานั่นเอง โดยจะขยายความ ในบางส่วนจากภาคแรก คือ ค่าพลังงานความร้อน (heating value) ของเชื้อเพลิง เพราะนี่คือสิ่งที่เราจะได้รับรายงาน จาก report นั้นๆที่พวกเราส่งวิเคราะห์ (ทุกที่ทั่วโลก เหมือนกันหมดครับ ใน report ของ Ultimate analysis จะมีบอก ค่าความร้อนให้กับเราหมด) โดยในบางครั้ง ที่ผู้เขียนพบเห็น ค่าพลังงานความร้อนที่ทางห้อง lab ลงรายงานมา มีทั้ง Gross Calorific Value หรือบางที่ report ให้เรามีทั้ง High Heating Value/ Low Heating Value ก็มี แล้วตกลงเราจะใช้ ค่าพลังงานความร้อน ตัวไหนที่ได้ จากการวิเคราะห์ มาใช้งาน ในการคำนวณลำดับต่อไป
ทำไมนายช่าง ถึงเน้นไปที่ค่าพลังงานความร้อน
- ก่อนที่พวกเราจะออกแบบ boiler สักลูก ให้ลูกค้า แน่นอนครับ คำถามแรก พี่จะใช้ boiler กับเชื้อเพลิงอะไร? Boiler capacity เท่าไหร่? พวกเราได้ออกแบบถูก
- ผมมี boiler มือสองซื้อต่อมา เป็นหัว burner ใช้น้ำมันดีเซล ตอนนี้น้ำมันดีเซล แพงเหลือเกินนายช่าง เราอยากปรับเปลี่ยนไปใช้น้ำมันเตา capacity ของเราจะเหลือเท่าไหร่ครับ
- โรงงานของเราที่จะสร้างใหม่ อยู่ใกล้โรงสีข้าว มีแกลบ ที่ได้จากการสีข้าวมากมายเลยนายช่าง เถ้าแก่จึงมีความคิด อยากรับซื้อแกลบ เอามาจุดเตา ผลิตกระแสไฟฟ้า สัก 1-2 MWatt ได้หรือไม่ครับ
- และอีกหลายคำถาม ที่จุดเริ่มต้น คือ เชื้อเพลิงครับพวกเรา
กลับมาที่ค่าพลังงานความร้อน ที่หลังจากพวกเรา ได้รับจากการวิเคราห์ในห้อง lab มาแล้วนั้น โอ้โห…ทำไม รายงานนี้มีค่าเดียว ทำไมรายงานนี้มีหลายค่า บางท่านยังสับสน บาง report บาง lab บางรายงาน มีทั้งค่า HHV และ LHV มีค่าที่ได้ มาจากการวิเคราห์ทั้งแบบ moisture free base และ as received base หรือ บางรายงานไปเจอแบบ dry ash base ผสม as received base แบบนี้ เราต้องพิจารณา ค่าไหนที่เราสนใจครับนายช่าง เข้าประเด็นกันก่อน อย่าเพิ่งปวดหัวกัน จับหลักให้ได้ ก่อนที่พวกเราจะตั้งคำถามในใจออกมา ว่า ค่าพลังงานความร้อน ตัวไหน ในรายงานที่เราต้องนำมาพิจารณา ?
ความเดิมตอนที่แล้ว พวกเราทราบกันดีอยู่แล้วว่า เชื้อเพลิงทุกชนิดบนโลก จะมีสัดส่วน เชิงน้ำหนัก คือ
C + H + O + N + S + ash + (moisture) = 1 Unit (by mass) และในการวิเคราะห์เชื้อเพลิง ที่เราส่งห้อง lab ก็จะมีอยู่ในรูปแบบของ ultimate analysis และ proximate analysis โดยทั้งคู่ เราจะได้ ค่าความร้อนออกมาเหมือนกัน หากแต่แตกต่างกันที่ สภาวะของการวิเคราห์เชื้อเพลิง ในขณะนั้นๆ ตามรูปที่เขียนด้านบน โดยจำแนกสภาวะ ในการวิเคราะห์ ที่นิยม ออกเป็น 3 รูปแบบ คือ 1.Dry ash free 2.Moisture free base 3.As received base |
Ultimate analysis VS Proximate analysis (***จัดว่าเด็ด)
|
พิจารณา ตามสภาวะ การวิเคราะห์ สิ่งที่เราสนใจ มีดังนี้
Dry ash free ค่าความร้อนนี้ที่ได้ ในสภาวะนี้ จะไม่นำค่าความร้อนในส่วน ash หรือ ขี้เถ้ามาพิจารณา(ไม่ว่าจะเป็น เถ้าลอย, เถ้าจม) พี่ไม่สนใจ พี่ตัดทิ้งหมด รวมถึง ความชื้นเช่นกัน หากพิจารณาจาก Proximate analysis พวกเราจะพบว่า ค่าความร้อนที่เราได้จากสภาวะนี้ มันคือค่าความร้อนที่มาจากสองแหล่งคือ คาร์บอนคงที่ (fixed carbon) + สารวาบไฟ (volatile matter) เท่านั้น-พิจารณา ภาพประกอบ
Moisture free base คือ ค่าความร้อนที่ได้ ในสภาะที่เราไม่พิจารณาความชื้นในเชื้อเพลิง (เช่น สำหรับเชื้อเพลิงแข็ง เราจะเอาไปอบแห้ง จะเอาไปตากแดดก่อนสักสามวัน หรืออย่างถ่านหิน ก็จะมีการบดให้ละเอียด เอามาผ่านลมแห้งก่อนการวิเคราะห์เป็นต้น) ค่าที่ได้เปรียบเสมือนมีความชื้นที่น้อยมาก(ในทางทฤษฎี)
As received base คือ มาอย่างไร ส่งไปอย่างนั้น เข้าห้อง lab เลย ไม่มีพิธีรีตองมาก (รับกะลาปาลม์มา รับไม้ฟืนมา สภาพอย่างไร ส่งไปวิเคราะห์อย่างนั้นเลย ไม่ต้องตากแห้ง ไม่ต้องอบแห้ง ก่อนส่ง หรือ ไม่ต้องผ่านกรรมวิธีใดๆก่อนส่ง) ไม่ต้องลีลาเยอะ
Moisture free base คือ ค่าความร้อนที่ได้ ในสภาะที่เราไม่พิจารณาความชื้นในเชื้อเพลิง (เช่น สำหรับเชื้อเพลิงแข็ง เราจะเอาไปอบแห้ง จะเอาไปตากแดดก่อนสักสามวัน หรืออย่างถ่านหิน ก็จะมีการบดให้ละเอียด เอามาผ่านลมแห้งก่อนการวิเคราะห์เป็นต้น) ค่าที่ได้เปรียบเสมือนมีความชื้นที่น้อยมาก(ในทางทฤษฎี)
As received base คือ มาอย่างไร ส่งไปอย่างนั้น เข้าห้อง lab เลย ไม่มีพิธีรีตองมาก (รับกะลาปาลม์มา รับไม้ฟืนมา สภาพอย่างไร ส่งไปวิเคราะห์อย่างนั้นเลย ไม่ต้องตากแห้ง ไม่ต้องอบแห้ง ก่อนส่ง หรือ ไม่ต้องผ่านกรรมวิธีใดๆก่อนส่ง) ไม่ต้องลีลาเยอะ
ดังนั้น พวกเราพอจะมองภาพกันออกแล้วว่า ค่าความร้อน(heating value) ที่เราจะได้ จากสภาวะการวิเคราะห์นั้น Dry ash free จะมีค่ามากที่สุด > Moisture free base เป็นลำดับถัดมา > As received base คือค่าที่ใกล้เคียงความเป็นจริงที่สุด ดังนั้น ในการออกแบบ ให้ใกล้เคียงความเป็นจริง ในการถ่ายเทความร้อน ของ boiler พวกเราควรเลือกค่าไหน ในการนำมาใช้ครับ Dry ash free หรือ Moisture free base หรือว่า As received base ดีครับ สำหรับการคำนวณ? นี่คือ คำถามของวิศวกร ตอบนายช่างหน่อยครับ
กลับมาที่คำถามยอดฮิต ของพวกเรา GCV, NCV, HHV, LHV
Gross Calorific Value (GCV) คือ ค่าความร้อนสุทธิ หรือ ปริมาณความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ อย่างสมบูรณ์ (Complete combustion) ใน 1 หน่วยปริมาณเชื้อเพลิง โดย GCV จะเป็นค่าความร้อนที่ได้ โดยรวมความร้อนที่มาจากการกลั่นตัวของไอน้ำ(Heat of vaporization) ที่มาจากความชื้นในเชื้อเพลิง รวมกับ น้ำที่เป็นผลผลิตจากการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ รวมไปในตัวด้วยนั่นเอง
Net Calorific Value (NCV) คือ ค่าความร้อน ที่ได้จากการเผาไหม้ อย่างสมบูรณ์ (complete combustion) ใน 1 หน่วยปริมาณเชื้อเพลิง โดยหักค่าความร้อน สำหรับการกลั่นตัวของไอน้ำออกไป (เพราะค่าความร้อนในส่วนนี้ ไม่สามารถนำมาใช้ ในทางปฏิบัติได้-มันคือความร้อนแฝงตามที่พวกเราเรียนฟิสิกส์ ม.4 มานั่นเอง)
ดังนั้น พวกเราจะเห็นได้ว่า ค่าพลังงานความร้อนของเรา Gross Calorific Value (GCV) > Net Calorific Value (NCV) โดย เราสามารถกล่าวได้ว่า GCV สามารถเรียกได้ว่า HHV (higher heating value); และ NCV นิยมเรียกกันว่า LHV (lower heating value.) นั่นเอง หรือ ในบางตำรา Gross Calorific Value ก็สามารถที่จะใช้คำว่า Gross heat of combustion ได้เช่นเดียวกัน meaning เหมือนกัน หน่วย เป็นหน่วยพลังงาน/มวล เหมือนกัน ไม่ผิดกติกาสากล แต่ประการใด หรือเรียกได้ว่า เอาที่สบายใจครับ จะเรียกแบบไหน ใช้ตัวย่อแบบไหน ตำราไหนก็ได้ แต่ขออย่างเดียว definition ให้ไปในทิศทางเดียวกัน |
โดย สรุป คือ Gross Calorific Value (GCV) = Net Calorific Value (NCV) + Heat of vaporization (หน่วยพลังงาน/มวล)
หรือ Heat of vaporization = HHV – LHV (หน่วยพลังงาน/มวล)
หรือ Heat of vaporization = HHV – LHV (หน่วยพลังงาน/มวล)
Dulong’s Formula for GCV Calculation
ทิ้งท้าย ในส่วนของ part 2 นี้ด้วย Dulong’s Formular หรือ สูตรของดูลองก์ เพราะเกี่ยวพันธ์กับค่าความร้อน ของเชื้อเพลิงที่เราพิจารณาโดยตรง กล่าวคือ นอกจากการที่พวกเรา จะทราบค่าความร้อนที่ได้ของเชื้อเพลิง จากการส่งวิเคราะห์ในห้อง lab แล้วนั้น พวกเรายังสามารถ หาค่าความร้อนตรงจุดนี้ ได้ด้วยวิธี อีกวิธีหนึ่ง (หรือ หากเป็นเพื่อนชาวต่างชาติ จะเรียกว่า Alternative method) กล่าวคือ เราจะคำนวณค่าความร้อนสุทธิ-GCV ทางทฤษฎี (theoretical) จากส่วนผสมที่ได้ของธาตุพื้นฐาน ใน Ultimate analysis ที่พวกเราวิเคราะห์เชื้อเพลิงมา โดยใช้ Dulong’s formula นั่นเอง (รู้สัดส่วนโดยมวล ของธาตุ หรือว่า element ในเชื้อเพลิง พวกเราสามารถประเมิน GCV ได้แล้ว)
สำหรับที่มานั้น เราตั้งชื่อตาม คุณดูลองก์ (นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส เมื่อร้อยกว่าปีที่แล้ว ประมาณปี ค.ศ.18XX โดยเป็น ผู้ที่คิดค้นความสัมพันธ์ของ พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นมา-ไม่ต้องไปจำมาก***) โดยสิ่งที่น่าสนใจใน Dulong’s formula ตามประสบการณ์ผู้เขียนเอง คือ หากปริมาณ O ในเชื้อเพลิงของเรา ยิ่งต่ำกว่า 10% โดยมวลเมื่อไหร่ ค่า GCV ที่เราหาได้โดย สูตรของคุณดูลองก์ จะค่อนข้างแม่นยำ ชนิดที่ว่า error ไปเพียง 2-3% กับค่าที่ได้ทางห้อง lab ครับ ค่อนข้างน่าสนใจเลยทีเดียว
Dulong’s Formula GCV = [80.8C + 344.9(H - O/8) + 22.5S] (kCal/kg) หรือ = 145.44C + 620.28(H - O/8) + 40.5S BTU/lb โดยที่ C, H, O และ S ในหน่วยของ % โดยมวล (by mass) ขอ 1 ตัวอย่าง สำหรับ episode II ภาคนี้ เอางานจริงมาดูกันเลย พวกเราเตรียมเครื่องคิดเลข แล้วจิ้มไปพร้อมๆกันกับนายช่างครับ…ใน Test report ห้อง lab วิเคราะห์ค่าความร้อนมาให้พวกเราแล้ว เราลองมาเปรียบเทียบค่าที่ได้กับ สูตรของคุณดูลองก์
ตัวอย่างที่ 1 : จากการวิเคราะห์ ส่วนผสมทางเคมี ในสัดส่วนโดยมวล ของน้ำมันเตา(Heavy oil) ที่ใช้สำหรับ boiler ลูกหนึ่ง ค่าที่ได้ จากการวิเคราะห์ในห้อง lab ตามค่าของ Ultimate analysis เป็นไปตาม Test report ในรูปที่แนบมา คือ มีส่วนประกอบดังนี้ -Carbon (C) 86.6% -Hydrogen (H) 11.5% -Nitrogen (N) 0.25% -Sulfer (S) 1.5% -Oxygen (O) 0.10% พวกเราลองหาค่า GCV หรือ ค่าความร้อน โดยประมาณ จากการใช้ Dulong’s formula ครับ ได้ค่าเท่าไหร่? แล้วพวกเรา ลองเทียบกับค่า GCV ที่ทางห้อง lab วิเคราะห์มาครับ ค่าที่ได้ error ไปมาก-น้อย อย่างไร เพราะในตอนต่อไป เราจะมาวิเคราะห์กันต่อว่า ในการออกแบบทางความร้อน ของหม้อไอน้ำ สักหนึ่งลูก มันจะมีความสำคัญ ตั้งแต่การเลือกเชื้อเพลิงที่นำมาใช้ จนกระทั่งสัดส่วน element ในเชื้อเพลิง ที่มีผลต่อไปนั่นเอง Ans : ให้พวกเรา เปรียบเทียบค่าที่ได้ กับ Test report จาก Ultimate analysis ในรูปขวามือครับ |
Ultimate analysis ของ Heavy oil ในตัวอย่างที่ 1พวกเราจิ้มเครื่องคิดเลขครับ
|
มิงกาละบา ตัวอย่างที่ 2 พวกเราช่วยนายช่าง หา GCV ให้นายจ้างชาวพม่า หน่อยครับ
|
ตัวอย่างที่ 2 นี่ก็งานจริงเหมือนกัน : พวกเราต้องเดินทาง เพื่อไปดูหน้างาน ที่เมืองมะละแหม่ง ประเทศพม่า สอบถามทาง มิสเตอร์ หม่อง วิน ผู้ที่เป็น owner ได้ความว่า boiler ที่ มิสเตอร์ หม่อง วิน อยากได้นั้น ใช้เชื้อเพลิงเป็นถ่านหิน ซื้อมาจากอินโดนีเซีย แต่ยังไม่มีการวิเคราะห์ค่าความร้อน ว่าประมาณเท่าไหร่ (กี่กิโลแคล, กี่กิโลจูล/กิโลกรัม ว่าอย่างนั้น) แต่ทางบริษัทผู้ผลิตถ่านหินทางอินโดนีเซีย ยืนยันกับทาง มิสเตอร์หม่อง วิน ว่าถ่านหินของเขา มี Carbon (C) 56%, Hydrogen (H) 5%, Oxygen (O) 31% Nitrogen+Sulfer (N+S) < 1.6%, ที่เหลือเป็น Ash + moisture อย่างแน่นอน พวกเราลองหาค่า GCV หรือ ค่าความร้อน โดยประมาณ จากการใช้ Dulong’s formula ให้ มิสเตอร์ หม่อง วิน แทนนายช่างหน่อยครับ Ans : 4,930 kcal/kg ณัฐพงศ์ ไชยสิทธิ์ วก.958 วุฒิวิศวกรเครื่องกล |