ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๗ Pyrolysis and waste heat recovery ภาค ๕ MO Memoir 2559 Mar 31 Thu

ทิ้งไปกว่าสองอาทิตย์ ฉบับนี้คงเป็นตอนสุดท้ายของ Pyrolysis and waste heat recovery section แล้ว เนื้อหาในส่วนนี้จะเป็นเรื่องเกี่ยวกับ operation guideline หรือแนวทางในการเดินเครื่อง
 

อนึ่ง ขอทบทวนหน่อยว่า เอกสารที่นำมาเล่าสู่กันฟังนี้เป็นเอกสารเมื่อ ๓๐ ปีเศษที่แล้ว ดังนั้นอาจมีบางอย่างแตกต่างไปจากวิธีการปฏิบัติปัจจุบันได้ แต่ยังเชื่อว่าหลักการในหลาย ๆ เรื่องนั้นยังคงอยู่

หลังจากที่ป้อน feed (วัตถุดิบ) จนได้อัตราการไหลตามต้องการ และปรับอุณหภูมิด้านขาออกจากขดท่อ (coil outlet temperature) ให้ได้ระดับความร้อนที่ต้องการแล้ว ขั้นตอนต่อไปจะเป็นการปรับแต่งปริมาณอากาศที่เหมาะสมสำหรับการเผาไหม้เชื้อเพลิง
 

ตรงนี้ต้องขออธิบายเพิ่มเติมเรื่องวิธีการป้อนอากาศเข้าสู่ห้องเผาไหม้หน่อย วิธีการป้อนอากาศเข้าสู่บริเวณที่ทำการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นมีอยู่ด้วยกัน ๒ รูปแบบ รูปแบบแรกใช้การอัดอากาศเข้าไปหรือที่เรียกว่า forced draft (เช่นใช้พัดลมเป่าอากาศ) วิธีการนี้จะทำให้ความดันในห้องเผาไหม้นั้น "สูงกว่า" ความดันด้านนอก ดังนั้นต้องระวังเวลาที่เปิดประตู (ที่เรียกว่า peep door) เพื่อตรวจสอบสภาพการเผาไหม้ภายในห้องเผาไหม้ เพราะเปลวไฟจะแลบออกมาช่องที่เปิดได้ วิธีนี้มีข้อดีตรงที่อุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมปริมาณอากาศ (คือตัวพัดลมอัดอากาศ) นั้นไม่ต้องเผชิญกับแก๊สร้อน
 

รูปแบบที่สองใช้การดูดอากาศออกทางด้านปล่อง ซึ่งอาจใช้พัดลมดูดแก๊สร้อนทางปากปล่อง (ดูตัวอย่างในรูปที่ ๑) หรือใช้คุณสมบัติของอากาศร้อนเองที่ลอยขึ้นสู่ด้านบนและใช้ประตูปิดเปิดที่เรียกว่า "damper" (ดูตัวอย่างในรูปที่ ๒) คุมความกว้างของช่องทางให้แก๊สร้อนไหลออก ซึ่งจะไปส่งผลต่ออัตราการไหลของอากาศเข้าห้องเผาไหม้อีกที รูปแบบที่สองนี้เรียกว่า induced draft วิธีการนี้ทำให้ความดันในห้องเผาไหม้นั้น "ต่ำกว่า" ความดันบรรยากาศข้างนอก ทำให้ลดโอกาสที่เปลวไฟในห้องเผาไหม้จะแลบออกมาเวลาที่เปิดประตูตรวจสอบสภาพการเผาไหม้ในห้องเผาไหม้ แต่จะมีข้อเสียคืออุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ควบคุมอัตราไหลของแก๊สร้อนนั้นต้องเผชิญกับแก๊สร้อนอยู่ตลอดเวลา
 

ในเอกสารที่ผมมีนั้นทาง Lummus ใช้วิธีการแบบ induced draft (คือให้ความดันในห้องเผาไหม้ต่ำกว่าความดันบรรยากาศข้างนอก) ในการควบคุมปริมาณอากาศสำหรับการเผาไหม้ โดยแนะนำให้รักษาความดันภายในห้องเผาไหม้นั้นให้ต่ำกว่าความดันอากาศข้างนอกในช่วง 0.05 - 0.1 นิ้วน้ำ หรือประมาณ 1.2 - 2.5 มิลลิเมตรน้ำ (คือความดันที่เทียบเท่ากับความสูงของน้ำ 0.05 - 0.1 นิ้ว) ถ้าค่าความดันนี้สูงเกินไป (หมายถึงต่ำกว่าความดันบรรยากาศมากขึ้นไปอีก) จะทำให้อากาศไหลเข้าไปมากเกินไป ในทางกลับกันถ้าค่าความดันนี้ต่ำกว่าไป (หมายถึงใกล้เคียงกับความดันบรรยากาศหรือสูงกว่า) จะเพิ่มโอกาสที่จะเกิดอันตรายจากเปลวไฟพุ่งออกมาเมื่อเปิดประตูตรวจสอบสภาพการเผาไหม้ภายใน โดยปริมาณออกซิเจนที่หลงเหลือจากการเผาไหม้ (ที่มาจากอากาศส่วนเกินที่เรียกว่า excess air) ในแก๊สร้อนที่ออกทางปากปล่อง ควรอยู่ในช่วงระหว่าง 2-3%
 

ในระหว่างการเดินเครื่องนั้นเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะมีการเกิด "coke" สะสมในระบบ ไม่ว่าจะเป็นในส่วนของขดท่อใน radiation zone เองหรือที่ตัว transfer line exchanger (TLE) และเมื่อ coke สะสมมากถึงระดับหนึ่งก็ต้องหยุดการเดินเครื่องเพื่อกำจัด coke ออก เพราะ coke ไปขัดขวางการส่งผ่านความร้อนผ่านผนังท่อ ทำให้ผิวท่อในส่วน radiation zone ร้อนจัดเกินไป หรือการลดอุณหภูมิที่ transfer line exchanger ทำได้ไม่ดี

รูปที่ ๑ ตัวอย่างของ Fired process heater ที่ใช้พัดลมดูดอากาศควบคุมปริมาณอากาศสำหรับการเผาไหม้

ตัวอย่างปัจจัยที่บ่งบอกว่ามีการสะสมของ coke ในระบบมากเกินไปได้แก่

- อุณหภูมิผิวท่อใน radiation zone นั้นสูงเกินไป (เช่นไต่ไปถึงระดับ 1100ºC)

- ความดันลดระหว่างทางเข้า radiant section และที่ทางออกของ TLE สูงเกิน 15 psi

- อุณหภูมิแก๊สด้านขาออกของ TLE นั้นสูงเกินกว่า 590ºC (อุณหภูมิแก๊สด้านขาออกของ TLE นี้ขึ้นอยู่กับวัตถุดิบที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตด้วยนะ ค่าตัวเลขนี้คิดว่าเป็นกรณีที่ใช้แนฟทาเป็นวัตถุดิบ)

รูปที่ ๒ ตัวอย่างของ Fired process heater ที่ใช้ "damper" ควบคุมปริมาณอากาศสำหรับการเผาไหม้

ระยะเวลาเดินเครื่องจนถึงเวลาที่ต้องทำการกำจัด coke นั้นเรียกว่า "Run length" ระยะเวลานี้ขึ้นอยู่กับชนิดของวัตถุดิบที่ใช้และรูปแบบการเดินเครื่อง เอกสารของ Lummus นั้นกล่าวว่าในกรณีที่ใช้ gasoline เป็นวัตถุดิบ ระยะเวลา Run length ที่ 30 วันถือว่ายอมรับได้ (คือต้องกำจัด coke ทุก ๆ ประมาณ 30 วัน) ในกรณีที่ใช้อีเทนเป็นวัตถุดิบนั้นสามารถยืดระยะเวลา Run length ไปได้ถึง 60 วัน แต่ทั้งนี้จะต้องคอยควบคุมปริมาณสารประกอบกำมะถัน (ทำหน้าที่เป็น catalsyt poison ที่ไปช่วยลดการเกิด coke บนผิวท่อ) ให้อยู่ที่ระดับ 100 ppm
 

การกำจัด coke ที่สะสมในท่อในส่วนของ radiation zone ทำได้ด้วยการป้อน ไอน้ำ+อากาศ หรือ ไอน้ำ เข้าแทนที่ไฮโดรคาร์บอน coke นั้นสามารถทำปฏิกิริยากับไอน้ำที่อุณหภูมิสูงกลายเป็นแก๊ส และเผาไหม้กับอากาศกลายเป็น CO₂ การใช้ ไอน้ำ+อากาศ นั้นจะนิยมกว่าเพราะทำได้ง่ายและใช้เวลาสั้นกว่า แต่สิ่งสำคัญที่ต้องคำนึงคือปฏิกิริยาระหว่าง coke กับออกซิเจนที่ป้อนเข้าไปนั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ที่อุณหภูมิต่ำเกินไปปฏิกิริยาจะไม่เกิด แต่ถ้าใช้อุณหภูมิสูงเกินไป ความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ coke ก็สามารถทำให้เนื้อโลหะของท่อนั้นเสียหายได้
 

ในเอกสารของ Lummus นั้นแนะนำให้ทำการกำจัด coke (ที่เรียกว่า decoking) ทันทีที่ตัดไฮโดรคาร์บอนออกจากระบบ (คือปิดการไหลของไฮโดรคาร์บอนที่ใช้เป็น feed และป้อน ไอน้ำ+อากาศ เข้าแทนที่ทันที) วิธีการนี้ช่วยลดเวลาในการให้ความร้อนแก่ขดท่อ ในระหว่างการเผาไหม้นี้จะคอยตรวจสอบอุณหภูมิแก๊สร้อนด้านขาออกจากขดท่อ (coil outlet temeperature) ให้อยู่ในช่วงระหว่าง 704 - 850ºC โดยค่าที่เหมาะสมคือที่ระดับ 800ºC ที่อุณหภูมิต่ำเกินไปการเผาไหม้ coke จะเกิดได้ไม่ดี แต่ถ้าอุณหภูมิสูงเกินไปจะมีอัตราการเผาไหม้ที่เร็วเกินไปจนอาจทำให้อุณหภูมิผิวโลหะของท่อสูงเกินกว่า 1100ºC ได้
 

ในช่วงเริ่มแรกนั้นจะผสมอากาศที่ความเข้มข้น 10% เข้ากับไอน้ำ และตรวจวัดปริมาณ CO₂ ที่เกิดขึ้นในแก๊สที่ออกมาจาก radiation zone ในช่วงแรกของการเผาไหม้จะมี CO₂ ออกมาในปริมาณมาก และค่อย ๆ ลดต่ำลง เมื่อปริมาณ CO₂ ที่วัดได้ลดต่ำกว่า 1% ก็ให้เพิ่มสัดส่วนอากาศอีก 10% เป็น 20% พอพบว่าปริมาณ CO₂ ที่เกิดขึ้นลดต่ำลงอีกก็ให้เพิ่มปริมาณอากาศขึ้นอีก 10% และทำอย่างนี้ไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งสัดส่วนของอากาศเป็น 60% ก็จะถือว่ากำจัด coke ได้สมบูรณ์

แต่เฉพาะ coke ในท่อในส่วนของ radiation zone เท่านั้นที่ถูกเผา coke ส่วนที่อยู่ใน TLE ยังคงอยู่

อุณหภูมิในส่วนของ transfer line exchanet (TLE) นั้นไม่มากพอที่จะทำให้ coke ที่สะสมที่นี่เกิดการลุกไหม้ได้ และที่สำคัญก็คือ TLE ไม่ได้ออกแบบมาให้รับอุณหภูมิสูง (ด้าน shell นั้นมีน้ำหล่อตลอดเวลา) การทำความสะอาด TLE จึงต้องใช้การเปิดออกเพื่อทำความสะอาด (เช่นใช้น้ำความดันสูงฉีดไล่ coke ที่เกาะอยู่) กล่าวคือพอเผา coke ในท่อใน raidation zone เสร็จแล้ว ก็หยุดการทำงานของ fired process heater แล้วค่อยทำความสะอาด TLE
 

อีกสิ่งหนึ่งที่ต้องพึงระลึกไว้ก็คือท่อในส่วน radiation zone ที่ต้องรับอุณหภูมิสูง และยังต้องแบกรับน้ำหนักของตัวเอง (โดยเฉพาะท่อที่วางตัวในแนวดิ่ง) มีโอกาสที่จะเสื่อมสภาพเนื่องจาก "creep - ความคืบ" creep เป็นความเสียเมื่อโลหะต้องรับแรง "ที่แม้ว่าจะไม่มากพอที่จะดึงให้เนื้อโลหะขาดจากกัน" แต่ต้องรับแรงนั้น "ต่อเนื่องกันเป็นเวลานาน" ที่อุณหภูมิสูงนั้นความสามารถในการรับแรงดึงสูงสุดที่ทำให้เนื้อโลหะขาดจากกันนั้นจะลดลง แต่น้ำหนักของท่อโลหะไม่ได้เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ ดังนั้นขนาดของแรง (คือน้ำหนักท่อ) ที่ตัวท่อโลหะต้องแบกรับ จะเข้าใกล้ขนาดของแรงดึงสูงสุดที่ท่อนั้นจะรับได้ ณ อุณหภูมินั้น โอกาสที่ท่อจะเสียหายเนื่องจากการเกิด creep ก็จะมากไปด้วย ยิ่งเป็นท่อที่ต้องรับความดัน เช่นท่อน้ำที่ใช้ในการผลิตไอน้ำความดันสูง โอกาสเกิดการฉีกขาดตามแนวยาวเนื่องจาก creep ก็จะมากขึ้น

อีกปัญหาหนึ่งที่เกิดจาก coke คือการที่ coke ที่เกาะอยู่บนผิวท่อนั้นหลุดร่อนออกมา ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาท่ออุดตัดได้โดยเฉพาะตำแหน่งข้องอที่อยู่ด้านล่าง การหลุดร่อนนี้มีโอกาสเกิดขึ้นถ้าตัวท่อนั้นมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เช่นเมื่อระบบมีปัญหา หรือต้องทำการหยุดการเดินเครื่องเป็นช่วงเวลาหนึ่ง (ปิดการให้ความร้อน) ก่อนที่จะกลับไปเริ่มการทำงานใหม่ (ให้ความร้อนใหม่) (หมายเหตุ : วิธีการหนึ่งในการกำจัดสนิมบนผิวท่อด้านในคือการใช้ไอน้ำให้ความร้อนแก่ท่อ สนิมเหล็กและเนื้อเหล็กนั้นมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวที่ไม่เท่ากัน อุณหภูมิที่เพิ่มสุงทำให้ทั้งสนิมเหล็กและเนื้อเหล็กขยายตัว แต่ด้วยอัตราการขยายที่ไม่เท่ากัน สนิมเหล็กจึงหลุดร่อนออกมาจากผิวท่อเหล็ก)
 

coke เป็นสารประกอบที่เป็นของแข็งที่มีค่าอัตราส่วนอะตอม C:H ที่สูง (คือมี C มากแต่ H น้อย) ส่วนค่านี้จะมากน้อยเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับวัตถุดิบที่นำมาใช้และสภาวะการทำงาน coke ที่มีอัตราส่วน C:H ต่ำ (คือมีอะตอม Hเยอะ) จะเผาไหม้ได้ง่ายกว่า coke ที่มีอัตราส่วน C:H สูง (ยิ่งสัดส่วน C:H เพิ่มสูงขึ้นหรือมีอะตอม H ลดลง coke จะมีโครงสร้างเข้าใกล้ graphite มากขึ้น จะเผาทำลายได้ยากขึ้น) ในกรณีของการใช้อีเทนเป็นสารตั้งต้น แม้ว่าจะเกิด coke น้อยกว่าการใช้สารตั้งต้นที่เป็นแนฟทาหรือ gas oil แต่ coke ที่เกิดจากอีเทนจะมีค่าอัตราส่วน C:H ที่สูงกว่า จึงมีความแข็งที่มากกว่าและเผาทำลายได้ยากกว่า และอาจทำให้ heater tube นั้นเสียหายได้ถ้าหาก heater tube มีอุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็วโดยที่ไม่ได้มีการกำจัด coke ก่อน ส่วน coke ที่เกิดจากแนฟทาและ gas oil นั้นมีค่าอัตราส่วน C:H ที่ต่ำกว่า (คือมีสัดส่วน H สูง) จึงมีความหนาแน่นที่ต่ำกว่าและเผาไหม้ได้ง่ายกว่า

เนื้อหาในส่วน Pyrolysis and waste heat recovery คงจะจบเพียงแค่นี้ ครั้งต่อไปก็จะเป็นส่วนของ Quench water system