ทางเลือกใหม่ของโรงงานน้ำตาล – ระบบ Mist Cooling ประหยัดพลังงาน ลดการใช้น้ำ เพิ่มประสิทธิภาพการผลิต

การหล่อเย็นด้วยน้ำมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิตโรงไฟฟ้าและอุตสาหกรรมน้ำตาลทุกประเภทนับตั้งแต่เริ่มมีการใช้งาน ประสิทธิภาพของโรงงานที่มีกระบวนการผลิตส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับความพร้อมของอุณหภูมิน้ำเย็นที่ออกแบบไว้ตลอดทั้งปี แต่ส่วนใหญ่แล้วจะเป็นช่วงฤดูร้อนและช่วงลมมรสุม ในช่วงเดือนเหล่านี้บ่อหล่อเย็นแบบสเปรย์ (Spray Ponds) / หอทำความเย็น (Cooling Towers) มักจะไม่สามารถทำอุณหภูมิน้ำเย็นตามที่ต้องการได้ ซึ่งส่งผลให้ค่าสุญญากาศ (Vacuum) ที่สถานีเคี่ยวน้ำตาล (Pan station) ของโรงงานน้ำตาลลดลง ทำให้ใช้เวลาในการเคี่ยวแต่ละครั้งนานขึ้นและสิ้นเปลืองไอน้ำมากขึ้น

เทคโนโลยีการสร้างพ่นหมอก (Mist creation technology) นำเสนอทางเลือกที่เหนือกว่า โดยสามารถทำค่าเข้าใกล้ (Approach) อุณหภูมิกระเปาะเปียก (Wet Bulb Temperature – WBT) ได้เพียง 1-2°C เทียบกับ 5-6°C ในระบบแบบดั้งเดิม สิ่งนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะมีอุณหภูมิน้ำเย็นที่คงที่ประมาณ 30°C (ที่ WBT 29°C) ตลอดทั้งปีในสภาพอากาศเขตร้อน ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของโรงงานน้ำตาลได้อย่างมีนัยสำคัญ บทความนี้จะเปรียบเทียบระบบหล่อเย็นต่างๆ และเน้นย้ำถึงข้อดีของเทคโนโลยีพ่นหมอก

ในโรงงานน้ำตาล เครื่องควบแน่นแบบสัมผัสโดยตรง (Direct contact condensers) ทำหน้าที่ควบแน่นไอน้ำจากหม้อเคี่ยวสุญญากาศ (Vacuum pans) และหม้อระเหย (Evaporators) พร้อมทั้งรักษาระดับสุญญากาศที่ 25-26 นิ้วปรอท (inch Hg)

ในโรงไฟฟ้าโคเจนเนอเรชั่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายใต้สุญญากาศ (Heat exchangers under vacuum) ทำหน้าที่ควบแน่นไอน้ำจากกังหัน (Turbine steam) ทำให้สามารถนำน้ำควบแน่น (Condensate) กลับมาใช้ใหม่ได้

ในอดีต การควบแน่นไอระเหย/ไอน้ำ ทำได้โดยใช้น้ำจากแม่น้ำหรือบ่อน้ำเป็นตัวกลางในการหล่อเย็น น้ำเย็นจะถูกสูบผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และน้ำที่ร้อนขึ้นจะถูกปล่อยกลับคืนสู่แหล่งน้ำ ระบบวงจรเปิด (Open-loop system) แบบนี้เรียกว่า ระบบหล่อเย็นแบบไหลผ่านครั้งเดียว (Once-Through Cooling System)

ระบบหล่อเย็นแบบไหลผ่านครั้งเดียวเป็นระบบวงจรเปิดที่ใช้น้ำปริมาณมากและก่อให้เกิดมลพิษทางน้ำ ด้วยปัญหาการขาดแคลนน้ำที่เพิ่มขึ้นและกฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดขึ้น จึงได้มีการพัฒนาระบบหล่อเย็นแบบเปียกชนิดวงจรปิด (Closed-loop wet cooling systems) ขึ้น ระบบเหล่านี้หมุนเวียนน้ำกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งช่วยลดทั้งการใช้น้ำและมลพิษ

ในระบบหล่อเย็นแบบเปียก (Wet cooling system) น้ำจะหมุนเวียนเพื่อควบแน่นไอน้ำหรือไอระเหยในเครื่องควบแน่น และแทนที่จะปล่อยน้ำอุ่นลงสู่แหล่งน้ำ แต่น้ำจะถูกทำให้เย็นลงโดยใช้อากาศในบ่อหล่อเย็นแบบสเปรย์หรือหอทำความเย็น การสูญเสียน้ำเนื่องจากการระเหย (Evaporation), ละอองน้ำที่ฟุ้งกระจาย (Drift) และการระบายน้ำทิ้ง (Blow-down) เท่านั้นที่ต้องมีการเติมน้ำทดแทน ซึ่งช่วยลดการใช้น้ำได้อย่างมาก

สำหรับการใช้งานแบบสัมผัสโดยตรง (Direct contact applications) ซึ่งไอระเหยผสมกับน้ำหล่อเย็นนั้น ระบบที่ออกแบบมาอย่างดีจะช่วยลดความต้องการน้ำเติมทดแทน (Make-up water) ให้น้อยที่สุด

ประเภทของระบบหล่อเย็นแบบเปียก

1. ระบบสเปรย์ (SPRAY SYSTEMS)

บ่อหล่อเย็นแบบสเปรย์ (Spray pond) คืออ่างเก็บน้ำที่น้ำอุ่น ซึ่งโดยทั่วไปมาจากโรงไฟฟ้า จะถูกทำให้เย็นลงก่อนนำกลับมาใช้ใหม่โดยการฉีดพ่นขึ้นไปในอากาศ การหล่อเย็นเกิดขึ้นส่วนใหญ่ผ่านการระเหย (85–90%) และการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน (Conductive heat transfer) การออกแบบช่วยให้มั่นใจได้ถึงการสัมผัสกันสูงสุดระหว่างน้ำและอากาศเพื่อการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ บ่อหล่อเย็นแบบสเปรย์นี้มีมาก่อนหอทำความเย็นแบบลมธรรมชาติ (Natural draft cooling towers) มีประสิทธิภาพต่ำกว่าและต้องการพื้นที่มากกว่า 25–50 เท่า แต่มีค่าก่อสร้างที่ต่ำกว่า

หัวฉีดในบ่อสเปรย์ (Nozzles in spray pond):
หัวฉีดสเปรย์ในบ่อสเปรย์จะถูกติดตั้งสูงจากผิวน้ำ 1.5–2.0 เมตร โดยมีความสูงของสเปรย์ 2.5 เมตรหรือมากกว่า ต้องการแรงดัน 50-75 kPa โดยหัวฉีดที่มีประสิทธิภาพจะสร้างละอองน้ำละเอียดรูปกรวย (ขนาดหยดน้ำ 3–6 มม.) ต้านทานการอุดตันและทำความสะอาดได้ง่าย หยดน้ำขนาดเล็กช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการหล่อเย็น แต่เพิ่มการสูญเสียแรงดันและการฟุ้งกระจายตามลม (Wind-drift)

ขนาดบ่อ (Basin size):
พื้นที่ผิวของบ่อสเปรย์อยู่ในช่วง 1.2 ถึง 1.7 ตร.ม. ต่อ ลบ.ม./ชม. ของน้ำที่ต้องการหล่อเย็น โดยมีช่องกันละอองฟุ้ง (Drift channels) กว้าง 3–4 เมตร เพื่อจัดการผลกระทบจากลมและป้องกันการสูญเสียน้ำจากละอองฟุ้งกระจาย บ่อควรมีลักษณะยาวและแคบ วางในแนวตั้งฉากกับทิศทางลมหลักเพื่อการถ่ายเทความร้อนที่เหมาะสมที่สุด ความลึกมีผลกระทบต่อการหล่อเย็นน้อย แต่ควรมีความลึก 0.9-1.5 เมตร เพื่อรองรับความต้องการของระบบ โดยทั่วไปการสูญเสียจากละอองฟุ้งกระจายและการระเหยจะอยู่ในช่วง 3-5%

ประสิทธิภาพเชิงความร้อน (Thermal performance):
ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของบ่อสเปรย์คำนวณจาก (TH – TC) / (TH – TW) โดยที่ TH และ TC คืออุณหภูมิน้ำร้อนและน้ำเย็นตามลำดับ และ TW คืออุณหภูมิกระเปาะเปียก (Wet bulb temperature) ของอากาศ ซึ่งโดยทั่วไปประสิทธิภาพจะอยู่ในช่วง 50% ถึง 70% รายละเอียดเพิ่มเติมมีอยู่ในเอกสารทางวิศวกรรม

2. ระบบหอทำความเย็น (COOLING TOWER SYSTEM)

หอทำความเย็นแบบเปียก (Wet cooling towers) ทำหน้าที่หล่อเย็นน้ำร้อนจากเครื่องควบแน่นแบบพื้นผิว (Surface condensers) ผ่านการระเหย โดยใช้อากาศไหลเวียนแบบอาศัยพัดลม (Mechanical draft) หรือแบบธรรมชาติ (Natural draft) หอทำความเย็นสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้พัดลม (Mechanical draft) เพื่อบังคับการไหลของอากาศ

ในหอทำความเย็นแบบพัดลมดูดอากาศออก/บังคับลม (Induced/forced draft towers) พัดลมที่อยู่ด้านบนจะดูดอากาศผ่านช่องระบายอากาศด้านข้าง (Side louvers) ทำให้น้ำเย็นลงขณะที่ไหลหยดลงมา หอทำความเย็นแบบพัดลมดูดอากาศออกที่ออกแบบมาอย่างดี สามารถทำค่าเข้าใกล้ (Approach) อุณหภูมิกระเปาะเปียกได้ที่ 4°C โดยมีค่าความแตกต่างของอุณหภูมิ (Temperature drop) 10°C อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพจะลดลงเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมหรือความชื้นสูงขึ้น

3. ระบบหล่อเย็นแบบพ่นหมอก (MIST COOLING SYSTEM – MCS)

(ความแตกต่างทางเทคนิคระหว่างระบบสเปรย์และระบบหล่อเย็นแบบพ่นหมอกปฏิวัติวงการของเรา):

ระบบหล่อเย็นแบบพ่นหมอก (Mist Cooling System – MCS) โดย MREPL เป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการจดสิทธิบัตร ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพการหล่อเย็นสูงสุดโดยใช้การหล่อเย็นแบบระเหย ระบบนี้สร้างละอองน้ำละเอียดพิเศษขนาด 5 ไมครอน โดยใช้แรงดันน้ำเพียงอย่างเดียว โดยไม่ต้องใช้ของเหลวอื่นเพิ่มเติม หัวฉีดสร้างหมอก (Mist creator nozzles) จะดูดอากาศเข้าไป ทำให้เกิดหมอกที่ลอยสูงขึ้น 6–8 เมตร และทำให้น้ำเย็นลงจนใกล้อุณหภูมิกระเปาะเปียก (WBT)

ระบบ MCS ทำงานที่แรงดันเพียง 1.0-2.5 กก./ตร.ซม. ทำให้มั่นใจได้ถึงค่าเข้าใกล้ (Approach) WBT ที่ 1–2°C ซึ่งเหนือกว่าระบบสเปรย์อย่างมาก (ค่าเข้าใกล้ 6-7°C) และแตกต่างจากระบบสเปรย์ที่มีหยดน้ำขนาด 5 มม. และมีปัญหาหัวฉีดอุดตันบ่อยครั้ง MCS มีการออกแบบที่ไม่อุดตัน (Choke-free) ด้วยช่องเปิดหัวฉีดขนาด 25 มม. นอกจากนี้ระบบ MCS ต้องการพื้นที่เพียงหนึ่งในสามของระบบสเปรย์ซึ่ง ช่วยลดต้นทุนงานโยธาได้อย่างมาก

MCS มีประสิทธิภาพอย่างไร:

เมื่อพิจารณาถึงค่าเข้าใกล้ (Approach) WBT

ประสิทธิภาพของหอทำความเย็นสามารถแสดงได้ดังนี้:

η = [(ti – to) / (ti – WBT)] × 100

โดยที่,
η = ประสิทธิภาพของหอทำความเย็น (%)
ti = อุณหภูมิน้ำเข้าหอทำความเย็น (°C)
to = อุณหภูมิน้ำออกจากหอทำความเย็น (°C)
WBT = อุณหภูมิกระเปาะเปียกของอากาศ (°C)

ลองดูตัวอย่างเปรียบเทียบประสิทธิภาพของหอทำความเย็นและระบบ MCS:

จากตารางจะเห็นได้ว่า ระบบ MCS มีประสิทธิภาพ 90% ซึ่งสูงกว่าหอทำความเย็นแบบเดิมๆ (69.23%) ด้วยค่าเข้าใกล้ WBT ที่ต่ำกว่า จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการหล่อเย็นและประหยัดน้ำได้อีกด้วย

รูปแบบต่างๆ ของระบบ/หอทำความเย็นแบบพ่นหมอก [MCS] เพื่อให้เหมาะกับสภาพหน้างานที่แตกต่างกัน:

MODEL-I: ระบบหล่อเย็นแบบพ่นหมอกชนิดเปิดสำหรับโรงงานน้ำตาล (OPEN TYPE MIST COOLING SYSTEM FOR SUGAR PLANT):

สำหรับรุ่นนี้ MCS ให้ค่าเข้าใกล้ (Approach) 1°C จาก WBT ที่ออกแบบไว้ โดยมีค่าความแตกต่างของอุณหภูมิ (ΔT) 12 ถึง 15°C และการสูญเสียน้ำเนื่องจากละอองฟุ้งกระจาย (Drift) อยู่ที่ 0.1 ถึง 0.25% ขึ้นอยู่กับความเร็วลม

MODEL-II: MCS แบบมีช่องระบายอากาศสำหรับโรงงานน้ำตาล / โรงไฟฟ้าโคเจนเนอเรชั่น (LOUVER TYPE MCS FOR SUGAR / CO-GENERATION POWER PLANT) (ตัวเลือกที่สมบูรณ์แบบสำหรับหอทำความเย็นชนิดพัดลมดูดอากาศออกแบบดั้งเดิม – Conventional Induced draft CT):

สำหรับรุ่นนี้ บ่อ MCS จะถูกปิดด้านข้าง สูงขึ้นไป 8 ถึง 10 เมตร ด้วยแผ่นปิดแบบบานเกล็ดหรือช่องระบาอากาศ (Louver type cover sheeting) ซึ่งช่วยลดขนาดพื้นที่ติดตั้ง (Plot size) ลง 60% เมื่อเทียบกับการออกแบบบ่อแบบเปิด โดยระบบ MCS ให้ค่าเข้าใกล้ (Approach) 2°C จาก WBT โดยมี ΔT 12 ถึง 15°C และการสูญเสียจากละอองฟุ้งกระจาย (Drift loss) ลดลงเหลือ 0.02% และยังลดความต้องการพื้นที่ลงได้อย่างมาก

คุณสมบัติเด่นของระบบหล่อเย็นแบบพ่นหมอก (MODEL-I & II): (รวม 2 รูปแบบข้างต้น)

1) อุณหภูมิน้ำเย็น (COLD WATER TEMPERATURE):
ระบบ MCS ให้ค่าเข้าใกล้ (Approach) 1°C จาก WBT โดยมีค่าความแตกต่างของอุณหภูมิ 12 ถึง 15°C

2) การประหยัดพลังงาน (ENERGY SAVINGS):
ด้วยค่าความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากกว่า ฝั่งกระบวนการผลิตจึงต้องการน้ำน้อยลง โดยระบบ MCS ทำงานที่แรงดันน้ำเท่ากับความสูงของหอทำความเย็น ช่วยลดพลังงานของปั๊มหมุนเวียน นอกจากนี้ ระบบ MCS ไม่จำเป็นต้องใช้พัดลม ทำให้ประหยัดพลังงานได้อย่างมากทั้งในการหมุนเวียนน้ำและการหล่อเย็น

3) ประโยชน์ต่อกระบวนการผลิต (PROCESS BENEFITS):

• ในโรงงานน้ำตาล: เนื่องจากอุณหภูมิน้ำเย็นที่ต่ำกว่า  ระบบ MCS จึงช่วยให้เกิดสุญญากาศที่ดีขึ้นที่สถานีเคี่ยว (Pan station) ด้วยการเดือดที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งช่วยประหยัดไอน้ำ (Steam economy) ได้ดีขึ้น ส่งผลต่อคุณภาพน้ำตาลที่ดีกว่าและการสกัดน้ำตาลออกจากโมลาส (Molasses exhaustion) ได้สูงขึ้น 

• ในโรงไฟฟ้า: เนื่องจากอุณหภูมิน้ำเย็นที่ต่ำกว่าจากระบบ MCS  จึงสามารถรักษาสุญญากาศที่สูงขึ้นได้ที่ด้านไอเสียของกังหันไอน้ำ (TG exhaust side) ทำให้มั่นใจได้ถึงความดันตกคร่อม (Pressure drop) ที่สูงขึ้นในระบบ ซึ่งส่งผลให้ได้พลังงานออกมามากขึ้น หรือใช้ไอน้ำป้อนเข้าระบบน้อยลง 

ดังนั้น การติดตั้ง MCS จะช่วยให้คุณได้รับประโยชน์เชิงพาณิชย์อย่างมหาศาลในรูปแบบของผลผลิตเพิ่มเติมที่สูงขึ้น

4) การบำรุงรักษา (MAINTENANCE):
ระบบ MCS ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว และทำจากโพลีเมอร์ซาราน (Saran polymer) เกรดพิเศษ ซึ่ง เป็นวัสดุที่ทนการกัดกร่อนสูง มีอายุการใช้งาน 10-15 ปี ทำให้ไม่ต้องบำรุงรักษา ในทางตรงกันข้ามหอทำความเย็นต้องการการบำรุงรักษาบ่อยครั้ง รวมถึงการเปลี่ยนบานเกล็ดหรือช่องระบายอากาศ [louvers] ใบพัดลมและแคลมป์ยึดเป็นประจำทุกปี

5) การออกแบบที่ไม่อุดตัน (CHOKELESS DESIGN):
ระบบ MCS มีการออกแบบที่ตระหนักถึงการอุดตัน ด้วยช่องเปิดที่ใหญ่กว่า 1 นิ้ว (25 มม.) ช่วยลดความเสี่ยงในการอุดตัน

6) ความยืดหยุ่นของระบบ (ความสามารถในการลดอัตราการทำงาน – CAPACITY TURN DOWN RATIO):
เรานำเสนอระบบ MCS พร้อมวาล์วแยกแต่ละไลน์ (Individual line isolation valve) MCS เป็นระบบเดียวที่ให้ความยืดหยุ่นในการทำงานสูงเช่นนี้

7) การบำบัดทางเคมี (CHEMICAL TREATMENT):
ความต้องการในการเติมสารเคมี (Chemical dosing) คล้ายคลึงกับหอทำความเย็น [cooling tower] เนื่องจากปริมาณน้ำที่กักเก็บไว้ในบ่อดูด (Suction pit) เท่ากันจากการออกแบบบ่อแบบ Tabletop Shape

8) ความต้องการน้ำเติมทดแทน (MAKE-UP WATER REQUIREMENT):
ด้วยการออกแบบแบบบานเกล็ดหรือช่องระบายอากาศ (Louver Type) ล่าสุดนั้น การสูญเสียจากละอองฟุ้งกระจายผ่านระบบ MCS ลดลงเหลือ 0.05% ขณะที่ยังคงรักษาค่าเข้าใกล้ (Approach) ประมาณ 2°C จากอุณหภูมิกระเปาะเปียก ดังนั้นปริมาณน้ำเติมทดแทนโดยรวมที่ต้องการจึงใกล้เคียงกับหอทำความเย็น [cooling tower]

9) ระยะเวลาคืนทุน (PAYBACK PERIOD):
ระยะเวลาคืนทุนภายในเวลาไม่ถึง 1 ปี เมื่อพิจารณาถึงประโยชน์ทั้งหมดของระบบ MCS ข้างต้น

MODEL-III: หอทำความเย็นแบบพ่นหมอกชนิดพัดลมดูดอากาศออก (INDUCED DRAFT MIST COOLING TOWER – IDMCT) (ออกแบบโดยไม่มี Fill – Fill less design):

Model-I และ Model-II ข้างต้นต้องการขนาดบ่อที่ใหญ่กว่า 3 ถึง 4 เท่าเมื่อเทียบกับหอทำความเย็นแบบพัดลมดูดอากาศออกแบบดั้งเดิม (Conventional IDCT) เพื่อขจัดข้อเสียนี้ เป็นครั้งแรกของโลก เราได้รวมเทคโนโลยีการสร้างหมอกพ่น (Mist Creation) เข้ากับพัดลมดูดอากาศออก (Induced draft Fan) ทำให้สามารถหล่อเย็นน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ระบบนี้ใช้เทคโนโลยีหัวฉีดสร้างหมอก (Mist Creator Nozzles) ที่จดสิทธิบัตรของเรา โดยหัวฉีดสร้างหมอกจะทำให้น้ำเป็นละอองขนาดไมครอน เพื่อให้ได้พื้นที่ผิวสูงสุดสำหรับการถ่ายเทความร้อน

เทคโนโลยีนี้ช่วยลดความจำเป็นในการใช้ Fill ในหอทำความเย็น ทำให้ไม่ต้องบำรุงรักษา และการไม่มี Fill ช่วยลดความดันตกคร่อมของอากาศ (Air pressure drop) ทำให้ลดการใช้พลังงานของพัดลมลง 30-50% เมื่อเทียบกับหอทำความเย็นแบบดั้งเดิม

มีรุ่นให้เลือกตั้งแต่ 50 ลบ.ม./ชม. ถึง 3000 ลบ.ม./ชม. โดยมีค่าเข้าใกล้ (Approach) 3°C จาก WBT ที่ออกแบบไว้ และมีค่าความแตกต่างของอุณหภูมิ (Temperature drop) สูงสุดถึง 15°C

คุณสมบัติเด่นของหอทำความเย็นแบบพ่นหมอกชนิดพัดลมดูดอากาศออก (MODEL-III):

1. มั่นใจได้ถึงค่าเข้าใกล้ (Approach) 3 ถึง 4°C จาก WBT ที่ออกแบบไว้ โดยมีค่าความแตกต่างของอุณหภูมิสูงสุดถึง 15°C 

2. ไม่ต้องใช้ FILLS เนื่องจากพื้นที่ผิวที่ต้องการ ถูกสร้างขึ้นโดยการก่อตัวของหมอกพ่น (Mist Formation) 

3. พื้นที่ติดตั้ง (Footprint) ที่ต้องการเท่ากับหอทำความเย็นแบบพัดลมดูดอากาศออกแบบดั้งเดิม (Conventional IDCT) 

4. โครงสร้างแข็งแรงด้วยวัสดุ Pultruded FRP / HDGI  MOC และโครงหุ้ม FRP พร้อมหัวฉีด    สแตนเลส 304 ทำให้มั่นใจได้ถึงอายุการใช้งานมากกว่า 15 ปี 

5. การออกแบบที่ไม่อุดตัน (Choke less design) ของหัวฉีดสร้างหมอกพ่นของเรา ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่ไม่ต้องบำรุงรักษาตลอดอายุการใช้งาน รับประกันประสิทธิภาพตามที่ออกแบบแม้ในฤดูร้อนและช่วงมรสุม 

6. ระบบ IDMCT ต้องการน้ำเติมทดแทนเท่ากันเมื่อเทียบกับระบบ IDCT แบบดั้งเดิม 

7. รับประกันประสิทธิภาพตามที่ออกแบบแม้ในฤดูร้อนและช่วงมรสุม