เครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียมีความเหมาะสมมากกว่าเครื่องอุ่นอากาศหรือไม่สำหรับการกู้ความร้อนในหม้อไอน้ำ

หม้อไอน้ำที่ใช้กากอ้อยเป็นเชื้อเพลิงเป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบโคเจนเนอเรชั่นในโรงงานน้ำตาล ส่วนประกอบอื่น ๆ ของระบบนี้ ได้แก่ กังหันไอน้ำ เครื่องควบแน่น กระบวนการระเหย และส่วนประกอบย่อยต่าง ๆ ส่วนประกอบที่สำคัญของหม้อไอน้ำคือ เตาเผา เครื่องระเหย กลุ่มท่อผลิตไอน้ำ เครื่องทำไอน้ำยวดยิ่ง และเครื่องประหยัดเชื้อเพลิง การเผาไหม้เชื้อเพลิงในเตาเผาทำให้เกิดพลังงานความร้อนที่ใช้ผลิตไอน้ำในเครื่องระเหย การถ่ายเทความร้อนโดยก๊าซเสียส่งผลให้มีการผลิตไอน้ำเพิ่มเติมในกลุ่มท่อผลิตไอน้ำ การเพิ่มอุณหภูมิไอน้ำในเครื่องทำไอน้ำยวดยิ่ง และการเพิ่มอุณหภูมิน้ำป้อนในเครื่องประหยัดเชื้อเพลิง ประสิทธิภาพหม้อไอน้ำหมายถึง อัตราส่วนระหว่างพลังงานความร้อนที่เพิ่มขึ้นเมื่อน้ำป้อนกลายเป็นไอน้ำยวดยิ่งหารด้วยพลังงานความร้อนที่ได้จากเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ในเตาเผา ประสิทธิภาพหม้อไอน้ำเท่ากับ 100% ลบด้วยเปอร์เซ็นต์การสูญเสียพลังงานในหม้อไอน้ำด้วยสาเหตุต่าง ๆ เทียบกับพลังงานความร้อนที่ได้จากเชื้อเพลิง สาเหตุหลักของการสูญเสียพลังงานในหม้อไอน้ำคือ การที่ก๊าซเสียที่ไหลออกจากหม้อไอน้ำมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของอากาศแวดล้อมมาก ถ้าอุณหภูมิก๊าซเสียลดลง ประสิทธิภาพหม้อไอน้ำจะเพิ่มขึ้น และประสิทธิภาพเชิงพลังงานของระบบโคเจนเนอเรชั่นก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย มีทางเลือกสองทางสำหรับการลดอุณหภูมิก๊าซเสีย ทางเลือกแรกคือ ติดตั้งเครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียถัดจากเครื่องประหยัดเชื้อเพลิง ทางเลือกที่สองคือ ติดตั้งเครื่องอุ่นอากาศถัดจากเครื่องประหยัดเชื้อเพลิง ทั้งสองทางเลือกนี้ควรได้รับการประเมินอย่างรอบด้านเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด

ศ. ดร. สมชาติ ฉันทศิริวรรณ

1. เครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสีย

กากอ้อยหรือชานอ้อยเป็นสิ่งที่เหลือของกระบวนการหีบอ้อย การหีบอ้อยต้องใช้น้ำปริมาณมาก ดังนั้นกากอ้อยจึงมีความชื้นสูง โรงงานน้ำตาลโดยทั่วไปป้อนกากอ้อยที่มีความชื้นสูงเข้าเตาเผาโดยปราศจากการลดความชื้น ความชื้นในกากอ้อยจะกลายเป็นไอน้ำหลังจากการเผาไหม้ ไอน้ำมีค่าความจุความร้อนสูงกว่าก๊าซอื่น ๆ ในเตาเผา ดังนั้นไอน้ำจึงมีพลังงานความร้อนสูงกว่าก๊าซอื่น ๆ ที่มีอุณหภูมิเท่ากันและทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานในหม้อไอน้ำมากกว่าก๊าซอื่น ๆ ถ้ากากอ้อยมีความชื้นลดลง ปริมาณไอน้ำในก๊าซเสียก็จะลดลง ประสิทธิภาพหม้อไอน้ำก็จะเพิ่มขึ้น

การลดความชื้นในกากอ้อยต้องใช้พลังงานความร้อนซึ่งอาจได้มาจากก๊าซเสียถ้าก๊าซเสียมีอุณหภูมิสูงพอ การผสมกันระหว่างก๊าซเสียกับกากอ้อยในเครื่องอบแห้งส่งผลให้มีการถ่ายเทความร้อนจากก๊าซเสียไปกากอ้อยซึ่งทำให้กากอ้อยมีอุณหภูมิสูงขึ้น ความชื้นในกากอ้อยลดลง และก๊าซเสียมีอุณหภูมิลดลง กากอ้อยจะแยกออกจากก๊าซเสียตรงทางออกของเครื่องอบแห้งก่อนที่กากอ้อยจะป้อนเข้าเตาเผาของหม้อไอน้ำ เครื่องอบแห้งสองแบบที่ใช้อบแห้งกากอ้อยในโรงงานน้ำตาล ได้แก่ เครื่องอบแห้งแบบโรตารีและเครื่องอบแห้งแบบนิวแมติก เครื่องอบแห้งแบบโรตารีประกอบด้วยถังอบรูปทรงกระบอกวางแนวนอนหรืออาจวางเอียงเล็กน้อย ถังอบมีกลไกให้หมุนรอบตัวเองอย่างช้า ๆ ภายในถังติดตั้งครีบที่ช่วยให้ก๊าซเสียผสมกับกากอ้อยอย่างทั่วถึง ก๊าซเสียกับกากอ้อยจะไหลเข้าทางเดียวกันและออกทางเดียวกัน ทางเข้าและทางออกติดตั้งกลไกที่ป้องกันไม่ให้อากาศไหลเข้าถังอบเพื่อป้องกันการเผาไหม้ของกากอ้อย เครื่องอบแห้งแบบนิวแมติกประกอบด้วยท่อยาวหลายท่อวางแนวตั้ง ก๊าซเสียและกากอ้อยไหลเข้าทางด้านล่างและออกทางด้านบน ก๊าซเสียต้องมีความเร็วเพียงพอที่จะลำเลียงกากอ้อยไปด้วยกัน การถ่ายความร้อนเกิดขึ้นระหว่างการไหล เครื่องอบแห้งชนิดนี้มีอัตราการอบแห้งสูง ใช้เวลาอบแห้งน้อย และอบแห้งกากอ้อยอย่างทั่วถึง

2. เครื่องอุ่นอากาศ

การเผาไหม้กากอ้อยโดยสมบูรณ์ต้องใช้อากาศในปริมาณที่มากพอ การเผาไหม้โดยสมบูรณ์ในทางทฤษฎีใช้ปริมาณอากาศต่ำสุดซึ่งขึ้นกับส่วนประกอบของกากอ้อย แต่การเผาไหม้ที่เกิดขึ้นจริงต้องใช้อากาศส่วนเกินซึ่งหมายถึงปริมาณอากาศเพิ่มเติมเมื่อเทียบกับปริมาณอากาศต่ำสุด ถ้ามีอากาศส่วนเกินน้อยเกินไปการเผาไหม้อาจจะยังไม่สมบูรณ์เพราะจะมีก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ในก๊าซเสียและเศษกากอ้อยที่ไม่เผาไหม้ตกค้างในขี้เถ้า การเผาไหม้โดยสมบูรณ์มีความเป็นไปได้มากขึ้นถ้ามีอากาศส่วนเกินมากขึ้น อย่างไรก็ตาม อากาศส่วนเกินที่มากเกินไปทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานของหม้อไอน้ำโดยไม่จำเป็น ปริมาณอากาศส่วนเกินที่เหมาะสมขึ้นกับอุณหภูมิอากาศและปัจจัยอื่น ๆ ถ้าอากาศมีอุณหภูมิสูงขึ้นปริมาณอากาศส่วนเกินสำหรับการเผาไหม้โดยสมบูรณ์จะลดลง ดังนั้นจึงควรเพิ่มอุณหภูมิอากาศก่อนการเผาไหม้ อุปกรณ์ที่ใช้เพิ่มอุณหภูมิอากาศเรียกว่า เครื่องอุ่นอากาศ

rotary drum dryer

เครื่องอุ่นอากาศมีสองแบบคือ รีเจนเนอเรเตอร์และรีคูปเพอเรเตอร์ เครื่องอุ่นอากาศแบบรีเจนเนอเรเตอร์มีลักษณะเป็นวงล้อที่หมุนช้า ๆ ภายในวงล้อบรรจุวัสดุพรุนที่มีค่าความจุความร้อนสูงซึ่งเรียกว่าเมทริกซ์ ก๊าซเสียและอากาศไหลผ่านสองด้านของเมทริกซ์ในทิศทางตรงข้ามกัน ด้านเย็นของวงล้อดูดกลืนความร้อนของก๊าซเสียซึ่งทำให้ด้านเย็นกลายเป็นด้านร้อนและก๊าซเสียมีอุณหภูมิลดลง ด้านร้อนของวงล้อถ่ายเทความร้อนให้อากาศซึ่งทำให้ด้านร้อนกลายเป็นด้านเย็นและอากาศมีอุณหภูมิสูงขึ้น เครื่องอุ่นอากาศแบบรีคูปเพอเรเตอร์ประกอบด้วยท่อจำนวนมากบรรจุอยู่ในโครงหุ้มโลหะขนาดใหญ่ ก๊าซเสียไหลภายในท่อและอากาศไหลภายนอก ความร้อนที่ถ่ายเทจากก๊าซเสียผ่านผนังท่อไปยังอากาศทำให้อากาศมีอุณหภูมิสูงขึ้นและก๊าซเสียมีอุณหภูมิลดลง เครื่องอุ่นอากาศแบบรีเจนเนอเรเตอร์มีขนาดเล็กกว่าและราคาถูกกว่าเครื่องอุ่นอากาศแบบรีคูปเพอเรเตอร์ที่มีความสามารถถ่ายเทความร้อนเท่ากัน อย่างไรก็ตามเครื่องอุ่นอากาศแบบรีเจนเนอเรเตอร์มีข้อเสียเปรียบคือ อาจมีการอุดตันในเมทริกซ์ถ้ามีฝุ่นละอองจำนวนมากในก๊าซเสีย หม้อไอน้ำที่เผาไหม้กากอ้อยทำให้เกิดก๊าซเสียที่มีฝุ่นละอองจำนวนมาก ดังนั้น เครื่องอุ่นอากาศที่นิยมใช้ในโรงงานน้ำตาลคือ เครื่องอุ่นอากาศแบบรีคูปเพอเรเตอร์

3. การเปรียบเทียบ

การใช้เครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียเทียบเท่าการเพิ่มพื้นที่ผิวของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในหม้อไอน้ำในมุมมองของการเพิ่มประสิทธิภาพหม้อไอน้ำ เนื่องจากเครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียและเครื่องอุ่นอากาศเพิ่มประสิทธิภาพหม้อไอน้ำเท่ากันถ้าก๊าซเสียที่ไหลออกจากอุปกรณ์ทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน ดังนั้นการเปรียบเทียบเครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียกับเครื่องอุ่นอากาศจึงต้องพิจารณาราคาและปัจจัยอื่น ๆ

3.1 การใช้งานและการซ่อมบำรุง
วิศวกรในโรงงานน้ำตาลคุ้นเคยกับเครื่องอุ่นอากาศเพราะการทำงานของอุปกรณ์นี้คล้ายกับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนอื่นๆ ในโรงงาน เครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียมีกลไกที่ซับซ้อนกว่า ความปลอดภัยในการใช้งานเครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียควรได้รับการเอาใจใส่ค่อนข้างมากเนื่องจากมีความเสี่ยงที่กากอ้อยจะติดไฟภายในเครื่องอบแห้ง การบำรุงรักษาเครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียก็ยุ่งยากกว่าเครื่องอุ่นอากาศเนื่องจากการสึกกร่อนของผิวโลหะในเครื่องอบแห้งซึ่งเกิดจากการปะทะกันระหว่างกากอ้อยที่มีความเร็วสูงกับผิวโลหะ

Bagasse boiler retrofitted by installing (a) flue-gas dryer, (b) air heater

3.2 การใช้พลังงาน
เครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียและเครื่องอุ่นอากาศต้องใช้พัดลมเพื่อทำให้ก๊าซเสียและอากาศไหลผ่านอุปกรณ์ เครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียต้องใช้พัดลมที่มีขนาดใหญ่กว่าเพราะมีความดันสูญเสียมากกว่า นอกจากนี้อาจต้องมีการติดตั้งไซโคลนตรงทางออกของเครื่องอบแห้งเพื่อแยกกากอ้อยออกจากก๊าซเสีย ไซโคลนก็ต้องใช้พลังงานมากเช่นกัน

3.3 อุณหภูมิก๊าซเสีย
อุณหภูมิก๊าซเสียตรงทางออกของหม้อไอน้ำไม่ควรต่ำกว่าอุณหภูมิจุดน้ำค้าง ไม่เช่นนั้นจะเกิดกรดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง แต่ถึงแม้ว่าอุณหภูมิก๊าซเสียตรงทางออกของหม้อไอน้ำจะสูงกว่าอุณหภูมิจุดน้ำค้าง การกัดกร่อนก็อาจจะเกิดขึ้นได้ในกรณีของเครื่องอุ่นอากาศ สาเหตุคือ อุณหภูมิโดยประมาณของท่อเครื่องอุ่นอากาศเท่ากับค่าเฉลี่ยของอุณหภูมิอากาศภายนอกท่อและอุณหภูมิก๊าซเสียภายในท่อ ถ้าอากาศมีอุณหภูมิต่ำเกินไปก็มีความเป็นไปได้ที่อุณหภูมิท่อจะต่ำกว่าอุณหภูมิจุดน้ำค้างและเกิดการควบแน่นของไอน้ำในก๊าซเสียที่ผิวท่อ ดังนั้น อุณหภูมิก๊าซเสียตรงทางออกของเครื่องอุ่นอากาศจะต้องมากเพียงพอที่จะไม่ให้เกิดเหตุการณ์นี้ เครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียจึงอาจมีอุณหภูมิก๊าซเสียต่ำกว่าเครื่องอุ่นอากาศ และเครื่องอบแห้งจะมีศักยภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพหม้อไอน้ำมากกว่าเครื่องอุ่นอากาศ

3.4 ค่าใช้จ่าย
ราคาของเครื่องอุ่นอากาศขึ้นกับพื้นที่ผิวของเครื่อง วัสดุที่ใช้สร้างเครื่องอุ่นอากาศมีราคาไม่แพงเนื่องจากเครื่องอุ่นอากาศทำงานที่ความดันต่ำและมีความเสี่ยงต่ำที่จะเกิดการกัดกร่อน อย่างไรก็ตาม เครื่องอุ่นอากาศจะต้องมีพื้นที่ผิวมากเพราะอากาศและก๊าซเสียมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนต่ำ ดังนั้นเครื่องอุ่นอากาศจึงอาจมีขนาดใหญ่ ราคาของเครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียเพิ่มขึ้นตามอัตราการอบแห้งและลดลงเมื่ออุณหภูมิก๊าซเสียเพิ่มขึ้น มีความเป็นไปได้ที่จะทำการวิเคราะห์เชิงเศรษฐศาสตร์เพื่อเปรียบค่าใช้จ่ายของการติดตั้งเครื่องอุ่นอากาศและเครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียที่เพิ่มประสิทธิภาพหม้อไอน้ำเท่ากัน การวิเคราะห์ดังกล่าวจะบอกได้ว่า ค่าใช้จ่ายของเครื่องอบแห้งด้วยก๊าซเสียควรเป็นเท่าไรเมื่อเทียบกับเครื่องอุ่นอากาศเพื่อให้การติดตั้งเครื่องอบแห้งมีความคุ้มค่า