การเผาไหม้ หรือ Combustion เป็นส่วนหนึ่งของวิชาเรียนในสาขา หรือภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล แน่นอนว่า ทฤษฎีการเผาไหม้ (combustion theorem) มีบทบาทเป็นอย่างยิ่งกับแนวทาง หรือ ปริมาณการใช้เชื้อเพลิง ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับหม้อน้ำ หม้อต้มน้ำมัน ของโรงงานเราๆท่านๆ อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ครับ ลองตั้งสมมติฐาน หรือ assumption ดูครับ 1 ปีที่ผ่านมา ปริมาณการใช้เชื้อเพลิงเข้าหม้อน้ำ/ หม้อต้ม ของเรามีค่าเท่านี้ xxx ลิตร(ค่าสมมติ) มาปีนี้จะสิ้นปีแล้ว น่าแปลกใจ ทำไมปริมาณการใช้เชื้อเพลิงของเรา มีค่าเพิ่มมากขึ้น ทั้งๆที่ปริมาณ steam หรือ ปริมาณความร้อนที่เรานำมาใช้งานจริง มีค่าไม่แตกต่างไปจากเดิม…..แน่นอนครับว่าทฤษฎีการเผาไหม้ เข้ามาเกี่ยวข้องอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
ทฤษฎีการเผาไหม้ หรือ Combustion theorem
[C + H (fuel)] + [O2 + N2 (Air)] -> (Combustion Process) -> [CO2 + H2O + N2 (Heat)]
ขอกล่าวอย่างสรุป หากเราพิจารณาถึง สถานะของเชื้อเพลิงที่เราใช้ในการเผาไหม้ หรือที่เราใช้สำหรับหม้อน้ำ สามารถที่จะจำแนกได้เป็น 3 ประเภท ตามสถานะของมัน หลักๆด้วยกัน ได้แก่ เชื้อเพลิงแข็ง เชื้อเพลิงเหลว และ แกส เป็นหลักๆ โดยที่พื้นฐานของการเผาไหม้ในเชื้อเพลิงนั้นๆ องค์ประกอบหลักๆ หรือธาตุ ที่เผาไหม้ แล้วมันให้ความร้อนของเรา ได้แก่ C, H และ S ที่อยู่ในเชื้อเพลิงนั้นๆนั่นเอง (ไม่ว่าเชื้อเพลิงที่เอาเข้าหม้อน้ำของท่าน จะเป็น กะลาปาลม์ ซังข้าวโพด ฟางข้าว แกลบ น้ำมันเตาA น้ำมันเตาC แกสLPG แกสธรรมชาติ หรือว่า Biogas หรือว่าอะไรก็ตามแต่…แค่ 3 ธาตุหลักนี้เท่านั้นที่ให้ค่าความร้อนออกมา องค์ประกอบตัวอื่น เช่น O หรือ N หรือว่า ขี้เถ้า ในการเผาไหม้เราจะไม่ได้ค่าความร้อนมันออกมา) ตามหลักการทางทฤษฎี
H + 1/2 O2 à H2O ผลที่ออกมา น้ำ
S + O2 à SO2 ผลที่ออกมา ซัลเฟอร์ไดออกไซด์
กลับเข้าสู่โลกของความเป็นจริง หรือภาคปฏิบัติครับ เราไม่สามารถทำให้การเผาไหม้เป็นไปได้ตามค่าทางทฤษฎี หรือไม่สามารถทำให้เกิดการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ (Stoichiometric combustion) ได้โดยที่ใช้ปริมาณอากาศจากทางทฤษฎีได้ เพราะในโลกแห่งความเป็นจริงนั้น การเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ จำเป็นจะต้องดึงอากาศเพิ่มเติมเข้ามา หรือใช้อากาศมากกว่า อากาศที่ใช้ในทางทฤษฎีนั่นเอง…..เพราะอะไรครับ
C + 1/2 O2 à CO
ลองพิจารณาให้เห็นภาพอย่างง่าย นึกถึง Boiler ลูกหมูที่ใช้เชื้อเพลิงเหลว (น้ำมัน) ขอยกตัวอย่าง พิจารณาห้องเผาไหม้ (combustion chamber) แล้วนึกถึงห้องเผาไหม้ในเครื่องยนต์ ลักษณะการเผาไหม้ การวิ่งของไฟไปในแนวทางเดียวกันเลยครับ
- ฉีดน้ำมันออกมา อากาศผสม คลุกเคล้าส่วนผสม แน่นอนว่าโอกาสที่จะคลุกเคล้ากันไปทั่ว ไม่ 100% แน่นอนครับ ดังนั้นการผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศไม่สมบูรณ์แล้วหากเป็นเชื้อเพลิงแข็ง ยิ่งไปกันใหญ่ครับ ช่วงหรือ Range ของการคลุกเคล้าส่วนผสม ควบคุมได้ Stable หรือไม่ครับ
- เครื่องยนต์มี pre ignition หรือเผาไหม้หลอก ก่อนเผาไหม้จริง Boiler ของเรา หัวฉีด/หัวเผาของเรา ก็เช่นกัน ต้องใช้เวลาในการเผาไหม้ หรือในการทำปฏิกิริยา เช่นเดียวกัน(อย่างเครื่องยนต์ ดีเซล ในโตโยต้า วีโก้ ก็มี pilot injection หรือว่าฉีดนำร่อง เพื่อให้เผาไหม้ ดึงสัดส่วนของเวลา ก่อนฉีดจริง ลักษณะเดียวกัน)
- สภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนไป หน้าร้อน/หน้าฝน/หน้าหนาว อากาศมีอุณหภูมิไม่เท่ากันแน่ หน้าร้อน อุณหภูมิอากาศสูง มวลอากาศเบา ในขณะที่พัดลมอัดอากาศเข้าคงที่ ไม่ว่าจะร้อน/ฝน/หนาว condition ต่างกันแน่นอน
- น้ำมันเตา A หมด ของมาส่งไม่ทันติดน้ำท่วม ใช้น้ำมันเตา C ไปก่อนแล้วกันหัวหน้า หรือหนักกว่านั้น...แน่นอนครับ viscosity ต่างกัน หัวฉีดตัวเดิม เบอร์เดิม การกระจายตัวของเปลวไฟ หรือ Flame propagation ที่ได้ย่อมต่างกัน ความร้อนที่ส่งผ่านล่ะครับ ต่างกันแน่นอน หรือ อย่างเชื้อเพลิงแข็ง ยกตัวอย่าง ถ่านหิน Sub bituminous เหมือนกัน ลองเปลี่ยนยี่ห้อ/ เปลี่ยน supplier แน่นอน...ค่าความร้อนที่ออกมา เพี้ยนแน่ๆครับ
ดังนั้นเมื่อเราทราบแล้วว่า เราต้องการที่จะเผาไหม้เชื้อเพลิงให้มันหมด หมดจดจริงๆว่าอย่างนั้น เราก็จัดการทำให้ Excess air หรือว่าอากาศส่วนเกิน มันเข้าไปเยอะๆเลยดีหรือไม่ ให้มันเลยจุดที่เหมาะสม หรือว่าจุดที่มันควรจะอยู่ดีหรือไม่
คำตอบคือไม่ดีครับ เพราะเหตุผลที่ว่าเจ้า excess air ที่มันมากเกินความจำเป็นเนี่ย มันจะพาความร้อนสูญเสียออกไปเปล่าๆครับ เป็น Flue gas loss อันเป็น main หลักของการสูญเสีย ซึ่งมีผลโดยตรงกับเจ้า Boiler efficiency ตามที่เรียนกล่าวมาแล้วข้างต้น…..แล้วถ้าหากว่า ในเมื่อเยอะเกินก็ไม่ดี ถ้าอย่างนั้นเราก็ให้มันอยู่ ในตำแหน่งที่ น้อยกว่าจุดเหมาะสมล่ะ เป็นอย่างไร คำตอบตามที่เรียนไว้ข้างต้น คือ เผาไหม้ไม่สมบูรณ์(incomplete combustion) อากาศไม่เพียงพอต่อการเผาไหม้เชื้อเพลิงได้หมด แทนที่จะเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา กลับกลายเป็น คาร์บอนมอนนอกไซด์ หรือ CO หลุดออกมา พร้อมกับพลังงานความร้อนบางส่วน loss อีกแล้วครับ
คำตอบคือ ขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิงหลักๆ ของท่านล่ะครับ ว่า Boiler ท่าน เชื้อเพลิงหลักเป็นอะไรครับ หากพิจารณา อากาศเกิน เป็น % โดยปริมาตร อ่านมาถึงบรรทัดนี้ก็เดากันไม่ยากแล้วครับ หากเป็นเชื้อเพลิงก๊าซ (การคลุกเคล้า ระหว่าง Fuel กับ air ทำได้โดยง่าย) อากาศเกินก็จะอยู่ในช่วง 5-15% by volume หากเป็นเชื้อเพลิงเหลว อากาศเกินก็จะอยู่ในช่วง 10-20% by volume หรือ หากเป็นเชื้อเพลิงแข็ง (เจ้าปัญหา, จะ Fixed fuel หรือจะ Mixed fuel หรือว่า ระบบการเผาไหม้ การป้อนเชื้อเพลิงที่แตกต่างกัน) อากาศเกินก็จะอยู่ในช่วง 15-60% by volume ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัยครับตัวนี้.....หรือว่าเรามามองในมุมของ O2บ้าง อาจจะคุ้นเคยมากกว่า โดยที่ทั้งนี้และทั้งนั้น O2ส่วนเกิน ควรจะน้อยที่สุด ที่ทำให้ ปริมาณ CO ไม่เกิน 200 ppm(ประกาศกระทรวงอุตสาหกรรม กำหนด ห้ามเกิน 690 ppm นะครับสำหรับเจ้า CO ตัวนี้) โดยขอสรุปอย่างรวบรัดเลยครับ O2 ส่วนเกิน ที่ออกจากห้องเผาไหม้ สำหรับเชื้อเพลิงก๊าซ ไม่ควรเกิน 2% หากเป็นเชื้อเพลิงเหลว ไม่ควรเกิน 4% และหากเป็นเชื้อเพลิงแข็งเจ้าปัญหา ก็ขึ้นอยู่กับสภาพเชื้อเพลิงเป็นหลักตามที่กล่าวไว้ข้างต้นครับ ทีนี้เราตอบได้แล้วนะครับ Boiler ที่โรงงานของเรา เจ้า O2ส่วนเกิน มันควรจะอยู่ที่เท่าไหร่ดี
วัดสิครับ ใช้เครื่องมือวัด เครื่องมือทดสอบ(Flue gas analyzer) อ่านค่า O2ส่วนเกินที่มันออกมาจาก Boiler ของเรา อันเป็นตัวตั้งต้น หรือตัวแม่ ก็ไม่ผิดครับ ตรวจวัดปริมาณ O2ที่ออกมา เปรียบเทียบกับเชื้อเพลิง ค่าความร้อน เปรียบเทียบ CO2 ที่ออกมา CO ที่ออกมา อุณหภูมิไอเสียที่ออกมา รวมถึง loss ที่มันสูญเสียออกมาจากการเผาไหม้เนี่ย มีค่าเท่าไหร่ เหมาะสม ไม่เหมาะสม อย่างไร.....ท่านต้องวัด เท่านั้นครับ ถึงจะรู้ค่าที่ exactly จริงๆ
บางท่านอาจจะบอกว่า....เอ๊ะ นายช่าง ผมดูเปลวไฟเอาก็ได้นี่ครับ เปลวไฟสม่ำเสมอ สีของเปลวสดใส/ หรือบางท่านอาจจะกล่าวว่า ผมดูสีของควันไฟ ที่มันออกทาง ปล่องควัน หรือ Stack เอาก็ได้นี่ครับ ควันออกสีเทาจางๆ ตรงตามหลักทฤษฎีการเผาไหม้เป๊ะๆ จะไปวัดทำไมล่ะครับนายช่าง....ถูกต้องในส่วนหนึ่งครับ รถยนต์ เครื่องยนต์แกสโซลีน หรือเครื่องยนต์เบนซิล มีออกซิเยน เซนเซอร์ ที่ทางออกท่อไอเสียไว้เพื่อเป็น Feed back control สำหรับ กล่อง ECU ควบคุมการส่งจ่ายน้ำมันเข้าห้องเผาไหม้ในจุดที่เหมาะสม คือ ประหยัดน้ำมันที่สุด ฉันใดก็ฉันนั้น หากเราควบคุมจุดของการเผาไหม้ใน Boiler ของเราให้อยู่ในช่วงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ผลลัพธ์ก็คือ การประหยัดที่เกิดขึ้นในระบบ ทั้งในระบบการเผาไหม้ และระบบไอน้ำ ส่งผลโดยตรงแน่นอนครับ เรียกได้ว่า หากเราเป็นช่างรุ่นใหม่ เราต้องเรียนรู้ ก้าวทันเทคโนโลยีในงานของเรานั่นเอง
ส่วนจะวัดเมื่อไหร่ดี ปีละครั้งดีมั้ย หรือ หกเดือนครั้งดีกว่า หรือว่าหยุดตรวจสอบ boiler ประจำปี เปิดเครื่องมาอีกทีค่อยทำการวัด ก็สุดแล้วแต่ทางโรงงาน ทางผู้บริหารครับ แต่ถ้าถามทางกาก้า เราแนะนำให้วัดทุกครั้งเมื่อท่านทำการปรับปรุงแก้ไขระบบ หรืออุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับระบบเชื้อเพลิง เช่น หัว burner ตัน/ ชำรุด เปลี่ยนตัวใหม่ เปลี่ยนเบอร์ใหม่ หรือว่า เปลี่ยนปั้มน้ำมันใหม่ หรือว่าหากเป็นเชื้อเพลิงแข็ง เปลี่ยนถ่านหินชนิดใหม่ เปลี่ยน supplierเปลี่ยนตะกรับใหม่ ฯลฯ หรือหากเราไม่ได้ไปยุ่ง ไปทำอะไรเลยกับระบบ ก็แนะนำว่า ตรวจวัดเถอะครับ ปีละครั้ง แล้วนำค่าที่ได้นี่ล่ะครับ เก็บเพื่อเปรียบเทียบปริมาณการใช้เชื้อเพลิงของ boiler ท่านในแต่ละเดือน/ แต่ละปี ต่อเจ้าค่า combustion analysis ที่กล่าวมายืดยาวข้างต้น รับรองว่าเห็นผลแน่นอนครับ หากว่ามีการปรับตั้ง หรือว่าแก้ไขระบบ หรืออุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องตามเรียนข้างต้น ซึ่งส่วนต่างค่าเชื้อเพลิงตรงนี้ เงินๆทองๆ ทั้งนั้นครับ ส่วนจะปรับตั้ง boiler ของเรา หรือว่า Boiler tune up กันตรงไหน อย่างไร ก็อย่างที่เรียนครับ ขึ้นอยู่กับนิสัยของ boiler เราเป็นหลัก ว่าจะปรับอากาศเข้าหาเชื้อเพลิง หรือว่าปรับเชื้อเพลิงเข้าหาอากาศ หรือว่าเป็นแบบอัตโนมัติ tune up กันแบบ feedback control ทั้งอากาศ ทั้งเชื้อเพลิงก็ไม่ผิดกติกาแต่ประการใดครับหากอ่านถึงจุดนี้แล้วทางเรามั่นใจว่าเราๆท่านๆ สามารถตอบโจทย์เกี่ยวกับ การเผาไหม้ของ boiler ของพวกเรา ได้อย่างไม่ยากแล้วครับ