จากประสบการณ์ที่ได้ไปเป็นกรรมการสอบหัวข้อวิทยานิพนธ์หรือสอบปกป้องวิทยานิพนธ์ มักพบว่าผู้ทำวิทยานิพนธ์ส่วนใหญ่นั้นเห็นหรือสนใจแต่ภาพหัวข้องานที่ตนเองทำ (ทำนองว่าทำตามอาจารย์บอกให้ทำนั่นแหละ โดยไม่ได้สนใจเลยว่าอาจารย์นั้นเขาคิดอะไรอยู่) ไม่ได้เห็นภาพกว้างหรือที่มาที่ไปของหัวข้องานที่ตัวเองทำ ทำให้ไม่สามารถตอบคำถามได้ว่าสิ่งที่กำลังทำอยู่หรือได้ทำไปนั้นมีประโยชน์อะไร นำไปใช้ประโยชน์อะไรได้ (ในด้านวิชาการหรือประยุกต์ใช้งานจริง) ทำไมจึงต้องทำการทดลองที่ภาวะการทดลองดังกล่าว ฯลฯ และที่สำคัญคือไม่สามารถอธิบายให้กรรมการสอบที่ไม่ได้ทำวิจัยลึกในเรื่องนั้นสามารถมองเห็นภาพของงานที่ผู้เข้าสอบกำลังนำเสนออยู่ได้
บันทึกฉบับนี้จึงขอเล่าเรื่องราวเกี่ยวกับการเผาไหม้เชื้อเพลิง เพื่อให้ผู้ที่ทำการวิจัยเกี่ยวกับการกำจัด NOx ในแก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้ของแหล่งอยู่กับที่ (stationary source) ทราบที่มาที่ไปของงานที่กำลังทำอยู่
องค์ประกอบหลักของแก๊สธรรมชาติคือมีเทน (methane - CH4) ซึ่งหาทางนำไปใช้ประโยชน์ได้ยาก ทั้งนี้เพราะพันธะ C-H ของมีเทนมีความแข็งแรงสูงมาก (มากกว่าพันธะ C-H ในสารประกอบตัวอื่น) ทำให้มีเทนมีความเฉื่อยในการทำปฏิกิริยา ที่เห็นเอาไปใช้งานกันเยอะในอุตสาหกรรมก็คือเอาไปใช้ผลิตไฮโดรเจนด้วยปฏิกิริยาที่เรียกว่า steam reforming
ด้วยการที่มีเทนเอาไปใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับอุตสาหกรรมปิโตรเคมีได้ยาก จึงทำให้มีเทนส่วนใหญ่ถูกใช้เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งการใช้มีเทนเป็นเชื้อเพลิงนั้นมีรูปแบบการเผาอยู่ ๒ รูปแบบด้วยกันคือ เผาในเตาเผา (furnace) และเผาในเครื่องยนต์กังหันแก๊ส
การเผาเชื้อเพลิงในเตาเผานั้น (ไม่ว่าจะเป็นน้ำมันหรือแก๊สธรรมชาติ) จะใช้ประโยชน์จากความร้อนที่เกิดจากการเผาเชื้อเพลิง ความร้อนที่ได้นั้นอาจอยู่ในรูปของการแผ่รังสีความร้อน (เช่นในเตา cracker ต่าง ๆ) หรือการนำความร้อนจากแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ ดังนั้นเพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากเชื้อเพลิงให้มากที่สุดจึงต้องหาทางเผาเชื้อเพลิงให้ได้แก๊สร้อนที่มีอุณหภูมิสูงที่สุด
ในทางทฤษฎีแล้ว ความร้อนของเปลวไฟที่ได้จากการเผาไหม้จะมีอุณหภูมิสูงสุดก็ต่อเมื่อปริมาณอากาศที่ใช้เผานั้น "พอดี" กับปริมาณเชื้อเพลิงที่ใส่เข้าไป (ลองกลับไปค้นดูในตำราเทอร์โมไดนามิกดูเอง) ถ้าใส่อากาศน้อยเกินไป ก็จะทำให้เผาไหม้เชื้อเพลิงได้ไม่สมบูรณ์ กล่าวคือดึงพลังงานออกมาจากเชื้อเพลิงได้ไม่หมด ในทางตรงกันข้ามถ้าใส่อากาศมากเกินไปจะทำให้ความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ส่วนหนึ่งต้องเฉลี่ยไปให้อากาศส่วนเกิน ทำให้อุณหภูมิของแก๊สร้อนที่ได้ลดลงไป ยิ่งมีอากาศส่วนเกินมากก็ยิ่งทำให้อุณหภูมิแก๊สร้อนลดต่ำลงไปมาก
ในทางปฏิบัตินั้นจะใช้อากาศ "มากเกินพอเล็กน้อย" ทั้งนี้เพื่อป้องกันการเกิดการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ พึงสังเกตว่าการเผาเชื้อเพลิงในแหล่งกับที่นั้นจะไม่มีปัญหาเรื่องเชื้อเพลิงเผาไหม้ไม่สมบูรณ์หรือมี CO ในแก๊สปล่อยทิ้งเพราะว่ามีการใช้อากาศมากเกินพอและเชื้อเพลิงมีเวลาเผาไหม้ได้นานในเตาเผา แต่ภาวะที่ได้แก๊สร้อนที่มีอุณหภูมิสูงสุดนี้ เป็นภาวะที่ทำให้แก๊สไนโตรเจนในอากาศทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจนกลายเป็นสารประกอบไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ต่าง ๆ ได้ดีเพราะปฏิกิริยานี้ชอบเกิดที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นภาวะการเผาเชื้อเพลิงที่ทำให้ประสิทธิภาพของเตาเผาสูงสุด จึงเป็นภาวะที่ทำให้เกิดมลพิษ (NOx) สูงสุดเช่นเดียวกัน
ถ้าเราคิดค่าใช้จ่ายโดยรวมของระบบการเผาไหม้คือตัวเตาเผาและระบบกำจัด NOx ถ้าเตาเผาทำงานในภาวะที่มีประสิทธิภาพสูงสุด เราใช้ประโยชน์จากเชื้อเพลิงได้มากที่สุด ค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิงก็จะต่ำสุด แต่ภาวะนี้จะเกิด NOx มากที่สุด จึงทำให้ค่าใช้จ่ายด้านการกำจัด NOx ก็สูงสุดด้วย แต่ถ้าเราลดประสิทธิภาพการเผาเชื้อเพลิงลง (เช่นลดอุณหภูมิการเผาไหม้ลง) ค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิงของเตาเผาก็จะเพิ่มขึ้น แต่ปริมาณ NOx ที่ลดลงก็ทำให้ค่าใช้จ่ายด้านการกำจัด NOx ลดลง ดังนั้นเรื่องนี้จึงเป็นโจทย์ให้คิดกันว่าควรทำงานที่ภาวะใดจึงจะให้ค่าใช้จ่ายโดยรวมต่ำสุด
ในการใช้ประโยชน์จากแก๊สร้อนให้มากที่สุดนั้น จำเป็นต้องมีการดึงเอาความร้อนออกจากแก๊สร้อนให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ก่อนที่จะปล่อยแก๊สร้อนออกสู่บรรยากาศ ปัจจัยที่เป็นตัวกำหนดอุณหภูมิต่ำสุดของแก๊สร้อนที่จะปล่อยทิ้งได้คืออุณหภูมิที่ทำให้ไอน้ำในแก๊สร้อนนั้นเกิดการควบแน่น (dew point) เพราะถ้าไอน้ำในแก๊สร้อนเกิดการควบแน่นเมื่อใด แก๊ส NOx SOx และ CO2 ก็จะละลายลงไปในน้ำนั้น กลายเป็นสารละลายที่เป็นกรดและกัดกร่อนระบบท่อที่แก๊สร้อนนั้นไหลผ่านได้ ปริมาณ ความชื้น NOx SOx และ CO2 ในแก๊สปล่อยทิ้งนั้นขึ้นอยู่กับชนิดเชื้อเพลิงที่ใช้ ถ่านหินนั้นมีปริมาณไฮโดรเจนในเชื้อเพลิงต่ำ (แต่อาจมีความชื้นในรูปของน้ำที่ถ่านหินดูดซับเอาไว้) จึงทำให้เกิดน้ำน้อย ส่วนแก๊สธรรมชาตินั้นมีสัดส่วนไฮโดรเจนในเชื้อเพลิงสูง จึงทำให้มีปริมาณไอน้ำสูงในแก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้
การนำแก๊สธรรมชาติไปใช้เป็นเชื้อเพลิงอีกรูปแบบหนึ่งนั้นคือการนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับกังหันแก๊ส (gas turbine) เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยวัฏจักรกำลังที่มีชื่อว่า Brayton cycle (ดูรูปที่ 1 และรูปที่ 2 ประกอบ) ในวัฏจักรนี้แก๊สจะถูกอัดให้มีปริมาตรลดลงและความดันสูงขึ้น (จุด 1 ไปยังจุด 2) จากนั้นจึงให้ความร้อนแก๊สแก๊สนั้นเพื่อให้มีปริมาตรมากขึ้นที่ความดันคงที่ (จุด 2 ไปยังจุด 3) และให้แก๊สความดันสูงที่ได้นั้นขยายตัว ซึ่งการขยายตัวของแก๊สจะไปหมุนกังหันแก๊สได้พลังงานออกมา (จุด 3 ไปยังจุด 4) พลังงานที่ได้มานั้นส่วนหนึ่งจะถูกนำกลับไปใช้หมุนกังหันของเครื่องอัดแก๊ส (compressor) ที่ใช้ในขั้นตอนการอัดแก๊ส และพลังงานส่วนที่เหลือจึงถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างอื่น งานที่ได้จากวัฏจักรดังกล่าวคือบริเวณที่ล้อมรอบด้วยรูปปิด 1-2-3-4-1 หรือบริเวณที่แรงเงาใน P-V diagram ของรูปที่ 1
ถ้าเราสามารถเพิ่มพื้นที่รูปปิด 1-2-3-4-1 ดังกล่าวได้ เราก็จะได้ประโยชน์จากวัฏจักรกำลังดังกล่าวมาขึ้น (กล่าวอีกนัยหนึ่งคือเครื่องยนต์มีประสิทธิภาพสูงขึ้น) ขนาดของพื้นที่ดังกล่าวถูกจำกัดด้วยความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของแหล่งระบายความร้อนกับแหล่งให้พลังงานความร้อน แหล่งระบายความร้อนที่สามารถระบายความร้อนจากแก๊สร้อนในปริมาณมากได้ทันเวลาก็มีแต่น้ำหล่อเย็น ดังนั้นอุณหภูมิของแหล่งระบายความร้อนจึงถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็น (ซึ่งขั้นกับสภาพอากาศในแต่ละวัน) ส่วนอุณหภูมิสูงสุดของแก๊สร้อนนั้นถูกจำกัดด้วยตัวเชื้อเพลิงที่ใช้หรือตัววัสดุ (โลหะ) ที่ใช้ทำกังหันแก๊ส แต่ดูเหมือนว่าวัสดุที่ใช้ทำกังหันแก๊สจะเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิสูงสุดของแก๊สร้อนที่จะผลิตได้ ใบพัดของกังหันแก๊สนั้นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว (tip speed) ที่สูงมาก (ถ้าจำไม่ผิดดูเหมือนว่าจะอยู่ในระดับความเร็วเสียง) ซึ่งทำให้เกิดความเค้นบนตัวใบพัดสูงมาก และอุณหภูมิที่สูงก็ทำให้ความแข็งแรงของวัสดุที่ใช้ทำใบพัดลดลงไปอีก วิธีการหนึ่งที่สามารช่วยลดความร้อนของแก๊สที่ร้อนเกินไปคือการผสมไอน้ำเข้าไป ซึ่งไม่เพียงแต่จะช่วยป้องกันความเสียหายให้กับใบพัดแล้วก็ยังช่วยลดการเกิด NOx ลงด้วย
รูปที่ 1 Brayton cycle (ซ้าย) P-V diagram (ขวา) T-S diagram(ภาพจาก http://www.powerfromthesun.net/chapter12)
ถ้าแก๊สร้อนที่ออกมาจากกังหันแก๊สนั้นถูกลดอุณหภูมิให้เย็นตัวลงจนมีปริมาตรลดลง และนำกลับไปอัดเพิ่มความดันใหม่ Brayton cycle ก็จะมีลักษณะเป็นวงจรปิด (รูปบนของรูปที่ 2) แต่ในเครื่องยนต์กังหันแก๊สนั้นการให้ความร้อนกระทำโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงกับอากาศที่ถูกอัดโดยตรง จึงไม่สามารถนำแก๊สที่ออกมาจากกังหันแก๊สเวียนกลับไปใช้ใหม่ได้ (เพราะไม่มีออกซิเจนสำหรับการเผาไหม้เหลืออยู่แล้ว) จึงจำเป็นต้องระบายแก๊สที่ออกจากกังหันแก๊สออกไปจากระบบ Brayton cylce ก็จะมีลักษณะเป็นวงจรเปิด (รูปล่างของรูปที่ 2)
รูปที่ 2 เครื่องจักรวัฏจักรกังหันแก๊สอย่างง่าย (Brayton cycle) รูปบนเป็นวัฏจักรวงจรปิด ส่วนรูปล่างเป็นวัฏจักรวงจรเปิดที่ใช้กันในการผลิตกระแสไฟฟ้าทั่วไป (ภาพจาก http://www.powerfromthesun.net/chapter12)แต่เนื่องจากแก๊สร้อนที่ออกมาจากกังหันแก๊สนั้นยังมีอุณหภูมิสูงอยู่ จึงมีการหาทางเอาแก๊สร้อนนั้นไปใช้ประโยชน์ต่อไปอีก หนทางที่นิยมนำไปใช้กันคือนำไปให้ความร้อนแก่น้ำเพื่อผลิตไอน้ำไปขับเคลื่อนกังหันไอน้ำต่อไป กลายเป็นระบบการผลิตไฟฟ้าที่เรียกว่า combined-cycle
ก่อนที่เราจะไปรู้จักกับ combined-cycle นั้น ลองมาทำความรู้จักกับ Rankine cycle ซึ่งเป็นวัฏจักรกำลังของการผลิตไฟฟ้าด้วยเครื่องยนต์กังหันไอน้ำกันก่อน
รูปที่ 3 วัฏจักร Rankine อย่างง่ายของเครื่องยนต์กังหันไอน้ำ (ซ้าย) แผงผังของวัฏจักร (ขวา) T-S diagram ของวัฏจักร (รูปจาก http://www.powerfromthesun.net/chapter12)ตามวัฏจักร Rankine นั้น น้ำที่เป็นของเหลวจะถูกเพิ่มความดันให้มีความดันสูงขึ้น (จาก 1 ไปยัง 2 ในรูปที่ 3) จากนั้นน้ำจะถูกทำให้ร้อนจนเดือดกลายเป็นไอน้ำอิ่มตัว (2-2'-3') หรือ saturated steam ไอน้ำอิ่มตัวนั้นเหมาะสมสำหรับการนำไปใช้เป็นตัวกลางในการให้ความร้อน เพราะค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนเนื่องจากการควบแน่นนั้นสูงมาก แต่ไม่เหมาะที่จะนำมาใช้ขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ เพราะเครื่องยนต์กังหัน (ไม่ว่าจะเป็นกังหันแก๊ส กังหันไอน้ำ หรือ compressor แบบกังหัน) นั้นถูกออกแบบมาเพื่อทำงานกับของไหลที่เป็นแก๊สที่ "ไม่มี" หยดของเหลวหรือของแข็งผสมอยู่ด้วย เพราะจะทำให้ใบพัดกังหันเสียหายได้ (เว้นแต่ว่าจะมีการออกแบบมาเป็นพิเศษ เช่นพวกที่ใช้กับโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียส์) ดังนั้นจึงต้องมีการให้ความร้อนแก่ไอน้ำอิ่มตัวให้กลายเป็นไอน้ำร้อนยิ่งยวด (บางที่เรียกว่า "ไอดง" หรือ superheated steam) ซึ่งคือไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของน้ำที่ความดันนั้น ๆ (3'-3) จากนั้นจึงให้ไอน้ำร้อนยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิและความดันสูงนั้นขยายตัวในกังหันไอน้ำก็จะได้พลังงานออกมา โดยให้ไอน้ำนั้นออกมาก่อนที่จะเกิดการกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ (3-4) ไอน้ำที่ออกมาจากกังหันน้ำจะเข้าสู่เครื่องควบแน่นเพื่อควบแน่นให้กลายเป็นของเหลวก่อนที่จะป้อนกลับเข้าสู่ปั๊มเพิ่มความดันอีกต่อไป (4-4'-1)
งานที่ได้จากกังหันไอน้ำนั้นคือพื้นที่รูปปิด 1-2-2'-3'-4-4'-1 ซึ่งขนาดของพื้นที่ดังกล่าวถูกจำกัดด้วยความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของแหล่งระบายความร้อนกับอุณหภูมิสูงสุดของไอน้ำที่สามารถผลิตได้ อุณหภูมิต่ำสุดถูกกำหนดด้วยอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นเช่นเดียวกันกับกรณีของวัฏจักร Brayton แต่อุณหภูมิสูงสุดนั้นถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature) ของน้ำ ซึ่งมีค่าต่ำกว่าขีดจำกัดอุณหภูมิสูงสุดของวัฏจักร Brayton อยู่มาก ดังนั้นจะว่าไปแล้วเครื่องยนต์กังหันไอน้ำจะมีประสิทธิภาพต่ำกว่าเครื่องยนต์กังหันแก๊ส แต่เครื่องยนต์กังหันไอน้ำก็มีข้อดีตรงที่สามารถใช้เชื้อเพลิงประเภทถ่านหินและน้ำมันเตาที่มีราคาถูกได้
การนำวัฏจักรกังหันแก๊สและวัฏจักรกังหันไอน้ำมารวมกันกลายเป็นวัฏจักรร่วม (combined-cycle) จะได้ประสิทธิภาพของวัฏจักรสูงกว่าการใช้วัฏกังหันแก๊สหรือกังหันไอน้ำตัวใดตัวหนึ่งเพียงตัวเดียว รูปแบบอย่างง่ายของวัฏจักรนี้แสดงในรูป 4 ซึ่งเป็นการนำเอาแก๊สร้อนที่ออกมาจากังหันแก๊สไปให้ความร้อนแก่น้ำให้กลายเป็นไอน้ำขับเคลื่อนกังหันไอน้ำต่อไป มีการกล่าวอ้างว่าประสิทธิภาพของวัฏจักรร่วมนี้สามารถสูงได้ถึง 60% โรงไฟฟ้าที่ใช้แก๊สธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงจึงมักใช้วัฏจักรร่วมนี้ในการผลิตไฟฟ้า
รูปที่ 4 วัฏจักรร่วม (combined-cycle) ของการผลิตไฟฟ้า(ภาพจาก http://www.cogeneration.net/Combined_Cycle_Power_Plants.htm)
Memoir ฉบับนี้คงเป็นฉบับสุดท้ายของปีพ.ศ. ๒๕๕๒ นับจากฉบับแรกที่ออกเมื่อวันอังคารที่ ๙ กรกฎาคม ๒๕๕๑ ก็ออกมาถึง ๙๔ ฉบับ รวมกันก็กว่า ๓๐๐ หน้าแล้ว ถัดจากฉบับนี้ก่อนสิ้นปีก็จะนำเอารายการ Memoir ทั้งหมดที่ออกในช่วงเดือนกรกฎาคม ๒๕๕๒-ธันวาคา ๒๕๕๒ มาทำเป็นหน้าดัชนีสำหรับให้สืบค้น
หวังว่าทุกคนคงจะไม่มาทำงานกันในคืนวันปีใหม่ (อย่าบ้างานมากถึงขนาดนั้นเลย) ขอให้ทุกคนเที่ยวปีใหม่กันให้สนุกก็แล้วกัน ผมเองก็จะไปนอนกางเต็นท์ดูจันทร์เต็มดวงบนเชิงเขาอยู่เหมือนกัน
สวัสดี
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น