เพลิงไหม้จากน้ำมันดีเซลหยดลงท่อไอเสียเครื่องยนต์ดีเซล MO Memoir : Wednesday 22 February 2566

เรื่องที่แล้วเป็นการใช้ปะเก็นที่ไม่เหมาะสม เรื่องวันนี้ก็ยังคงเกี่ยวข้องกับปะเก็น แต่เป็นเรื่องของการเอาปะเก็นเก่ามาใช้ซ้ำ โดยนำมาจากเรื่อง "Leakage and fire of fuel oil caused due to reuse of an old gasket at a diesel power generator" (ดาวน์โหลดบทความต้นฉบับได้ที่ https://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1000201.html)

ปะเก็นจะเป็นวัสดุที่อ่อนกว่าพื้นผิวที่มันทำการปิดกั้นการรั่วซึม โดยตัวมันจะถูกบีบอัดระหว่างพื้นผิวสองพื้นผิวและมีการเสียรูปร่างไปตามความไม่เรียบของพื้นผิวเพื่อปิดกั้นเส้นทางการไหลของของไหล วัสดุที่ใช้ทำปะเก็นมีความยืดหยุ่นที่ไม่เหมือนกัน พวกที่มีความยืดหยุ่น ถ้าเดิมนั้นมันไม่ถูกกดเอาไว้แรงเกินไป พอเอาแรงกดออกมันก็มีการคืนตัวกลับสภาพเดิมได้บางส่วน แต่ถ้าถูกกดเอาไว้แรงเป็นเวลานาน มันก็อาจจะไม่มีการคืนตัวกลับเลยแม้ว่าจะเอาแรงกดออกแล้ว

เหตุการณ์นี้เกิดที่เมือง Ube, Yamaguchi ประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๑๓ ตุลาคม ปีค.ศ. ๑๙๘๙ (พ.ศ. ๒๕๓๒) ในอาคารสำนักงาน โดยก่อนหน้านั้นเมื่อวันที่ ๒๔ สิงหาคม ปีเดียวกัน ได้มีการซ่อมบำรุงปั๊มเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้น้ำมันดีเซล และในวันที่เกิดเหตุพบว่ามีน้ำมันเชื้อเพลิงรั่วไหลออกจากหน้าแปลนบริเวณที่เคยทำการซ่อมบำรุง น้ำมันดังกล่าวลุกติดไฟจากความร้อนของท่อไอเสียของเครื่องยนต์ดีเซลที่ใช้ผลิตไฟฟ้า จากการตรวจสอบพบว่าสาเหตุการรั่วมาจากไม่ได้ทำการเปลี่ยนปะเก็นโลหะทองแดงเมื่อทำการซ่อมบำรุงปั๊ม (คือเอาปะเก็นตัวเดิมใส่กลับเข้าไป)

รูปที่ ๑ คำบรรยายเหตุการณ์ที่เกิด

บทความต้นฉบับกล่าวถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้เครื่องยนต์ "ดีเซล" ขับเคลื่อน แต่ในส่วนของ Substance ที่ก่อเหตุระบุว่าเป็น "Fuel oil" แต่คำแปลของ "Fuel oil" จะตรงกับ "น้ำมันเตา" ตรงนี้เข้าใจว่าในความเป็นจริงผู้เขียนบทความน่าจะหมายถึงน้ำมันดีเซล

น้ำม้นดีเซลที่เราเห็นกันทั่วไปที่ขายตามปั๊มน้ำมันสำหรับเติมรถยนต์รถบรรทุกต่าง ๆ เป็นชนิด High Speed Diesel (HSD) หรือน้ำมันดีเซลหมุนเร็ว แต่ยังมีน้ำมันดีเซลอีกกลุ่มหนึ่งที่มีจุดเดือดสูงกว่าที่เรียกว่า Low Speed Diesel (LSD) หรือน้ำมันดีเซลหมุนช้า ที่ใช้กับเครื่องยนต์บางชนิดเช่นเครื่องยนต์เรือและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ คุณสมบัติน้ำม้นดีเซลหมุนช้าจะมีส่วนคร่อมอยู่ก้บน้ำมันเตาพวกที่มีความหนืดต่ำสุด

การขึ้นรูปโลหะโดยไม่ได้ทำให้โลหะร้อนก่อนเรียกว่า (ที่เรียกว่า cold working) ส่งผลให้เนื้อโลหะมีความแข็งขึ้น เนื้อโลหะทองแดงที่นำมาทำเป็นปะเก็น ก่อนการใช้งานครั้งแรกจะยังคงมีความอ่อนอยู่ แต่เมื่อได้รับแรงบีบกดทิ้งไว้เป็นเวลานานจะทำให้เนื้อโลหะมีความแข็งขึ้น ทีนี้เมื่อนำเอาปะเก็นทองแดงที่ผ่านการใช้งานแล้วมาทำการบีบอัดอีกครั้ง ครั้งหลังนี้จะแตกต่างไปจากการบีดอัดครั้งแรกเพราะในครั้งหลังนี้ตัวปะเก็นมีความแข็งมากขึ้น จะไม่สามารถสูญเสียรูปร่างเพื่อเข้าไปเติมเต็มความไม่เรียบของพื้นผิวได้ดีเหมือนกับการใช้งานครั้งแรก

ในเหตุการณ์นี้หลังจากการซ่อมบำรุง (ที่ไม่ได้มีการเปลี่ยนปะเก็น) ก็ได้มีการทดสอบการรั่วไหล และตรวจไม่พบการรั่วไหล จนกระทั่งผ่านไปอีกเกือบ ๒ เดือนจึงเกิดการรั่วไหลขึ้น มีการสงสัยว่าการการสั่นสะเทือนเป็นสาเหตุที่ทำให้นอตเกิดการคลายตัวจนเกิดการรั่วไหล (เนื้อหาส่วนนี้ในบทความมีเครื่องหมายคำถาม "?" กำกับไว้ แสดงว่าเป็นเพียงแค่ข้อสงสัย โดยยังไม่มีการพิสูจน์) แต่บทความก็กล่าวว่าเหตุการณ์นี้แสดงให้เห็นว่าผลของการไม่เปลี่ยนปะเก็นนั้นอาจไม่ส่งผลให้เห็นทันที แต่ใช้เวลากว่าจะเกิดเรื่อง

ตรงนี้มีสิ่งที่น่าพิจารณาอยู่เรื่องหนึ่งคือ ถ้าการรั่วไหลเกิดจากการที่นอตคลายตัวที่เป็นผลจากการสั่น ดังนั้นการรั่วไหลแบบนี้ก็ควรที่จะเกิดขึ้นแม้ว่าจะมีการใช้ปะเก็นตัวใหม่ด้วยใช่หรือไม่ หรือว่าแรงบีบอัดที่หน้าแปลนระหว่างการใช้ปะเก็นใหม่กับปะเก็นเก่าไหม่เหมือนกัน ทำให้การใช้ปะเก็นเก่าได้รับผลกระทบจากการสั่นสะเทือนได้มากกว่า หรือปะเก็นที่มีความแข็งเพิ่มขึ้น (จากการผ่านการใช้งาน) มีความสามารถในการดูดซับการสั่นสะเทือนลดลง ตรงจุดนี้คงต้องขอบันทึกไว้เพื่อเก็บไว้เป็นข้อพิจารณา

สถานีรถไฟบ้านกล้วย MO Memoir : Monday 20 February 2566

ภาพถ่ายที่บันทึกเก็บเอาไว้เมื่อเดือนมิถุนายนปีที่แล้วยังลงไม่หมด ก็เลยต้องขอนำเอามาลงต่ออีก คราวนี้เป็นสถานที่ธรรมดาแห่งหนึ่งที่อยู่ระหว่างเจ็ดเสมียนกับราชบุรี ลองค้นราชกิจจานุเบกษาดูแล้ว แทบไม่มีการกล่าวถึงเลย ฉบับสุดที่ค้นเจอเป็นปีพ.ศ. ๒๔๖๑ ก็เมื่อกว่าร้อยปีแล้ว แต่ตอนนั้นบอกว่าตำบลท่าราบอยู่ในอำเภอหัวโพ (ซึ่งตอนนี้ไม่รู้เป็นอะไรไปแล้ว) จังหวัดราชบุรี

ในอดีต สมัยที่ทางรถไฟยังเป็นการคมนาคมหลักทางบกและยังใช้ระบบรางเดี่ยวอยู่ การมีสถานีรถไฟตามชุมชนต่าง ๆ เพื่อการเดินทางและเพื่อให้สับหลีกสวนทางกันได้ก็มีความจำเป็น แต่เมื่อมีการพัฒนาขึ้นเป็นระบบรางคู่ที่การสับหลีกนั้นไม่จำเป็นอีกต่อไป อีกทั้งการตั้งถิ่นฐานของชุมชนก็ย้ายไปอยู่ริมถนนและใช้การเดินทางโดยรถยนต์เป็นหลักแทน ก็เลยทำให้เกิดข้อสงสัยเหมือนกันว่าบรรดาสถานีเล็ก ๆ ที่ดูแล้วไม่น่าจะมีผู้ใช้บริการเท่าใดนัก (ดูจากจำนวนขบวนรถที่หยุด) จำเป็นไหมที่ต้องสร้างอาคารใหม่ที่มีขนาดใหญ่ทัดเทียมกับสถานีอื่นที่ยังมีคนใช้บริการมากอยู่ หรือว่าในอนาคตมีโครงการที่จะเดินรถไฟชานเมืองที่สามารถทำเวลาเดินทางไม่แพ้หรือดีกว่าการเดินทางโดยรถยนต์เพื่อดึงดูดให้คนกลับมาโดยสารรถไฟอีกครั้ง (ก็น่าจะดีนะถ้าสามารถนั่งรถไฟเที่ยวหัวหินแบบไปเช้าเย็นกลับได้)

สำหรับวันนี้ก็คงเป็นการบันทึกภาพสถานที่ธรรมดาแห่งหนึ่งเอาไว้เช่นเคย ว่าได้มีโอกาสแวะผ่านไป

รูปที่ ๑ แผนที่ British-India ปีค.ศ. ๑๙๔๕ (พ.ศ. ๒๔๘๘) บริเวณบ้านกล้วย (ในกรอบสีเหลือง) และราชบุรี จุดดำ ๆ คือที่ตั้งชุมชน จะเห็นว่ามีชุมชมอยู่ทั้งสองฝั่งลำน้ำแม่กลองตลอดแนว

รูปที่ ๒ ตัวสถานีอยู่ทางฝั่งตะวันตกของทางรถไฟ รูปนี้มองไปยังทิศใต้ (เส้นทางมุ่งหน้าไปราชบุรี)

รูปที่ ๓ เดินเข้ามาใกล้ตัวสถานีเก่าหน่อย ยังมาทันเห็นก่อนถูกรื้อ

รูปที่ ๔ ป้ายบอกรายชื่อสถานีถัดไป เก็บภาพเอาไว้ได้ก่อนถูกรื้อถอน

รูปที่ ๕ ตัวอาคารสถานีเก่า

รูปที่ ๖ ป้ายชื่อสถานีที่ตัวอาคาร

รูปที่ ๗ ตัวอาคารสถานีใหม่สร้างทางทิศใต้ของตัวอาคารเดิม

รูปที่ ๘ รูปนี้มองย้อนกลับไปยังทิศทางที่มาจากเจ็ดเสมียน

รูปที่ ๙ ป้ายชื่อสถานีที่อยู่ปลายชานชลาเก่าด้านทิศใต้ ตัวชานชลาหายไปแล้ว มีแต่ต้นไม้ขึ้นรกแทน บรรยากาศเก่าของตัวสถานีที่มีคนโพสไว้บน YouTube เมื่อ ๘ ปีที่แล้วดูได้ที่คลิปนี้ https://www.youtube.com/watch?v=6UmVJL0r34Q

รูปที่ ๑๐ เสารับ-ส่งห่วงทางสะดวกและตัวอาคารเก่า มองไปยังทิศทางที่มาจากเจ็ดเสมียน

รูปที่ ๑๑ จุดที่เป็นทางตัดของถนนเดิม ตอนนี้ต้องไปใช้สะพานกลับรถที่อยู่ทางด้านทิศเหนือแทน

รูปที่ ๑๒ ราชกิจจานุเบกษาปีพ.ศ. ๒๔๖๑ ระบุว่าตำบลท่าราบอยู่ในอำเภอหัวโพ จังหวัดราชบุรี ไม่รู้ตำบลหัวโพปัจจุบันคือบ้านหัวโพหรือเปล่า

เพลิงไหม้จากน้ำมันเตาหยดลงบนหม้อน้ำ MO Memoir : Friday 17 February 2566

ลองตอบคำถาม ๒ ข้อนี้เล่น ๆ กันก่อนไหมครับ

ข้อที่ ๑ ระหว่างน้ำมันเบนซินและน้ำมันดีเซล ที่รั่วออกมาจากถังน้ำมันที่เก็บน้ำมันที่อุณหภูมิห้อง ไหลลงสู่พื้นคอนกรีต อันไหนมีความเสี่ยงสูงที่จะเกิดเพลิงไหม้มากกว่ากัน

ข้อที่ ๒ ระหว่างน้ำมันเบนซินและน้ำมันดีเซล ที่รั่วออกมาจากถังน้ำมันที่เก็บน้ำมันที่อุณหภูมิห้อง ไหลลงไปบนท่อไอน้ำที่มีอุณหภูมิ 250ºC อันไหนมีความเสี่ยงสูงที่จะเกิดเพลิงไหม้มากกว่ากัน

ในการพิจารณาว่าสารเคมีหรือเชื้อเพลิงตัวไหนมีความเสี่ยงสูงที่จะเกิดเพลิงไหม้ได้ง่ายเมื่อมีการรั่วไหลออกสู่อากาศ มีพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องที่สำคัญอยู่ด้วยกัน 2 พารามิเตอร์คือ อุณหภูมิจุดวาบไฟ (Flash point) และอุณหภูมิลุกติดไฟได้ด้วยตนเอง (Autoignition temperature)

อุณหภูมิจุดวาบไฟนั้นคืออุณหภูมิต่ำสุดที่ทำให้ของเหลวระเหยกลายเป็นไอจนมีความเข้มข้นมากพอที่จะลุกติดไฟได้ถ้ามีแหล่งพลังงาน (เช่น เปลวไฟ, ประกายไฟ) มากระตุ้น ส่วนอุณหภูมิลุกติดไฟได้ด้วยตนเองนั้นเป็นอุณหภูมิที่ตัวเชื้อเพลิงเองเมื่อสัมผัสกับอากาศก็จะเกิดการลุกติดไฟได้เองทันที โดยไม่มีต้องเปลวไฟหรือประกายไฟมาช่วยจุดระเบิด

อันที่จริงยังมีอุณหภูมิจุดติดไฟ (Fire point) อีกตัวหนึ่ง ค่านี้จะอยู่ใกล้กับหรือสูงกว่าจุดวาบไฟอยู่ไม่มาก คือกลไกการลุกไหม้นั้นความร้อนจากเปลวไฟที่เกิดขึ้นส่วนหนึ่งจะส่งลงมายังเชื้อเพลิงที่ยังเป็นของเหลวอยู่ เพื่อให้เชื้อเพลิงนั้นระเหยขึ้นไปทดแทนส่วนที่ถูกเผาไหม้ไป ถ้าอัตราการระเหยต่ำกว่าอัตราการเผาไหม้ เปลวไฟก็จะดับ ในกรณีของจุดวาบไฟนั้น ความร้อนจากเปลวไฟที่เกิดขึ้นไม่สามารถเพิ่มอัตราการระเหยของเชื้อเพลิงให้ทันกับการเผาไหม้ ก็จะเกิดเปลวไฟลุกไหม้ขึ้นแล้วก็ดับไป แต่ถ้าเป็นกรณีของจุดติดไฟนั้น อัตราการระเหยของเชื้อเพลิงที่ได้รับพลังงานจากสิ่งแวดล้อม รวมกับที่ได้จากเปลวไฟที่ลุกไหม้อยู่นั้น จะสามารถชดเชยอัตราการเผาไหม้ได้ทันเวลา ไฟก็จะลุกติดอย่างต่อเนื่อง

ในกรณีของแก๊สจะมีเรื่องของความหนาแน่นเข้ามาร่วมวงอีก แก๊สที่ติดไฟได้ง่ายแต่เบากว่าอากาศมากเช่นไฮโดรเจน เมื่อรั่วไหลออกมาจะมีแนวโน้มที่จะฟุ้งกระจายออกไปโดยไม่สะสมจนมีความเข้มข้นสูงพอที่จะลุกติดไฟได้ ก็ถือได้ว่ามีความปลอดภัยที่ค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับพวกไฮโดรคาร์บอน

เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิจุดวาบไฟต่ำแต่อุณหภูมิลุกติดไฟได้ด้วยตนเองสูงนั้น ถ้าอุณหภูมิของเชื้อเพลิงเองสูงกว่าจุดวาบไฟแต่ต่ำกว่าจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเอง เมื่อรั่วไหลออกมาจะยังไม่ลุกติดไฟจนกว่าจะพบกับเปลวไฟ ประกายไฟ หรือพื้นผิวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเองของมัน

ส่วนเชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิจุดวาบไฟสูงแต่อุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเองต่ำ ถ้าอุณหภูมิของเชื้อเพลิงนั้นต่ำกว่าจุดวาบไฟ เชื้อเพลิงที่รั่วไหลออกมาจะไม่สามารถผลิตไอที่มีความเข้มข้นสูงพอที่จะเกิดการลุกไหม้ได้ แต่ถ้าเชื้อเพลิงนั้นเมื่อรั่วไหลออกมาได้ไปพบกับพื้นผิวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเอง เชื้อเพลิงนั้นก็จะเกิดการลุกไหม้ได้ทันที และถ้าอุณหภูมิของเชื้อเพลิงที่รั่วไหลออกมานั้นนั้นสูงกว่าจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเอง เชื้อเพลิงรั่วไหลออกมาก็จะลุกติดไฟได้ทันที

การจุดระเบิดของน้ำมันดีเซลในเครื่องยนต์ดีเซลเกิดจากการที่น้ำมันดีเซลมีอุณหภูมิลุกติดไฟได้ด้วยตนเองต่ำ ดังนั้นเมื่อฉีดน้ำมันดีเซลเข้าไปในอากาศร้อนที่เกิดจากการอัดของกระบอกสูบ น้ำมันดีเซลก็จะลุกติดไฟทันที

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Fire of gas oil leaked from a drain plug of a 3/8 inch Y type strainer for ignition of a boiler at a power generator" ที่เป็นกรณีเพลิงลุกไหม้จากน้ำมันเตาที่รั่วและหยดลงไปบนหม้อน้ำ (ดาวน์โหลดได้ที่ https://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1000156.html) โดยเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่โรงไฟฟ้าแห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ ๖ กรกฎาคม ปีค.ศ. ๑๙๙๕ (พ.ศ. ๒๕๓๘)

รูปที่ ๑ รูปบนสุดแสดงตำแหน่งติดตั้ง burner โดยรูปซ้ายเป็นภาพเมื่อมองจากด้านบนและรูปขวาเป็นภาพที่มองจากทางด้านหน้า (ตรงบริเวณชั้น ๓ และ ๔) รูปกลางแสดงตำแหน่งติดตั้ง strainer (ตัวกรอง) ที่เกิดการรั่วไหล โดยอยู่บนชั้นที่ ๔ ส่วนรูปล่างสุดแสดงโครงสร้างของ strainer และปะเก็นที่เกิดการฉีกขาด

เหตุการณ์เกิดขึ้นที่หม้อน้ำหมายเลข 4 ที่เริ่มเดินเครื่องเมื่อเวลา ๖.๐๐ น โดยเวลาประมาณ ๑๑.๑๒ น พนักงานรายหนึ่งสังเกตพบน้ำมันรั่วลงมาจากชั้นบนบนชั้นที่ ๓ ตามด้วยการพบว่ามีเพลิงลุกไหม้อยู่บนผนังหม้อน้ำที่ระดับชั้นที่ ๓ จึงได้ทำการดับเพลิงและหยุดเดินเครื่องฉุกเฉินหม้อน้ำหมายเลข 4

อุณหภูมิของผนังหม้อน้ำอยู่ที่ 320ºC ในขณะที่อุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองของน้ำมันเตาที่รั่วนั้นอยู่ที่ประมาณ 240ºC จึงทำให้น้ำมันเตาที่รั่วออกมา (ที่แม้ว่าจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดลุกติดไฟได้เอง) เมื่อหยดไปสัมผัสกับผนังหม้อน้ำ จึงลุกไหม้ได้เองทันที (แต่ถ้าน้ำมันเตาที่รั่วออกมานั้นมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดลุกติดไฟได้เอง มันจะลุกไหม้ตรงจุดที่มันรั่วออกมาสัมผัสกับอากาศ)

จากการตรวจสอบพบว่ามีน้ำมันเตา (Gas oil) รั่วออกมาจาก drain plug ของ Y-type strainer (ตัวกรองรูปตัว Y ดังแสดงในรูปที่ ๑) และเมื่อตรวจสอบต่อไปก็พบว่าปะเก็น (packing) ตรงตำแหน่งดังกล่าวที่เป็นชนิด asbestos ฉีกขาด (น้ำมันเตา ภาษาอังกฤษมีการเรียกว่า Gas oil หรือ Fuel oil เป็นน้ำมันส่วนที่มีจุดเดือดสูงกว่าน้ำมันดีเซล ในบ้านเราแบ่งน้ำมันเตาออกเป็น ๕ ประเภทตามค่าความหนืด)

รูปที่ ๒ คำบรรยายเหตุการณ์ที่เกิด

Y-type strainer จะมีช่องสำหรับสอดไส้กรองและมีฝาปิดช่องสำหรับสอดไส้กรอง ตัวฝาปิดช่องใส่ไส้กรองนั้นอาจถูกยึดเข้ากับตัว strainer ด้วยข้อต่อเกลียวหรือเป็นแบบหน้าแปลน และในกรณีของ strainer ตัวใหญ่ ตัวฝาปิดช่องใส่ไส้กรองก็อาจมี drain hole ที่มี plug อุดอยู่ เพื่อไว้สำหรับระบายของเหลวที่ค้างอยู่ภายในออกมาก่อนที่จะถอดตัวฝาปิด ตัวที่เกิดเหตุที่รูปร่างดังแสดงในรูปที่ ๑ นั้นตัวฝาปิดเป็นแบบขันเกลียว การป้องกันการรั่วใช้ปะเก็นรูปร่างวงแหวนที่จะถูกขันอัดระหว่างตัวฝาปิดกับลำตัวของ strainer ถ้านึกภาพไม่ออกก็ให้ลองนึกภาพเวลาเราขันนอตและมีการใช้แหวนรองหัวนอต โดยขนาดของหัวนอตเท่ากับขนาดของแหวน ตัวแหวนรองจะถูกอัดอยู่ระหว่างหัวนอตและพื้นผิวที่เราขันนอตอัดลงไป

วัสดุที่นำมาใช้ทำปะเก็นนั้นต้องอ่อนกว่าพื้นผิวที่มันถูกอัด เพื่อที่มันจะได้ยุบตัวเข้าไปอุดกั้นความไม่เรียบของพื้นผิวที่บีบอัดมัน นอกจากนี้ยังต้องทนต่ออุณหภูมิของระบบและสารเคมีที่ไหลอยู่ในระบบด้วย แอสเบสตอส (asbestos) หรือแร่ใยหินเป็นวัสดุตัวหนึ่งที่ในอดีตมีการนำมาใช้ทำปะเก็นและฉนวนความร้อนกันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมันทนอุณหภูมิได้สูงและเฉื่อยต่อการทำปฏิกิริยา แต่ปัจจุบันจะเลี่ยงไม่ใช้กันแล้วเนื่องจากอันตรายถ้าหายใจเอาใยหินนี้เข้าไป เพราะจะเข้าไปสะสมในปอดทำให้เกิดปัญหากับการทำงานของปอด

ปะเก็นจะทำงานได้ดีก็ต่อเมื่อมันถูกกดด้วยความดันที่เหมาะสมและสม่ำเสมอตลอดทั้งพื้นที่หน้าตัด (อัดไม่แน่นก็รั่ว อัดแน่นเกินไปก็รั่วได้เช่นกัน) ปะเก็นที่ได้จากการขึ้นรูปจากวัสดุที่มีความอ่อนเช่นแอสเบสตอสและพอลิเมอร์ต่าง ๆ ให้เป็นรูปวงแหวนนั้นมีข้อเสียคือมันมีโอกาสฉีกขาดในแนวรัศมี ที่ทำให้เกิดช่องทางการรั่วไหลจากด้านในออกมาสู่ด้านนอกที่ขยายตัวกว้างขึ้นได้ ทำให้เกิดการรั่วไหลเพิ่มมากขึ้น

ในเหตุการณ์นี้พบว่าตัวฝาปิดช่องสอดไส้กรองนั้นถูกขันไว้ไม่แน่นพอ ทำให้แรงดันภายในท่อค่อย ๆ ดันให้น้ำมันรั่วซึมออกมาจนปะเก็นขาด หลังจากที่ทำการดับเพลิงได้แล้วจึงได้ทำการซ่อมแซมด้วยการเปลี่ยนไปโช้ปะเก็นโลหะทองแดงแทน

เราสามารถใช้โลหะที่มีความอ่อนกว่าพื้นผิวที่ต้องการปิดกั้นการรั่วซึมมาทำเป็นปะเก็นได้ ทองแดงเป็นโลหะตัวหนึ่งที่อ่อนกว่าเหล็กและทนอุณหภูมิสูงในระดับหนึ่งได้ดี จึงมีการนำมาใช้เป็นปะเก็นในงานที่ไม่ต้องการให้เกิดปัญหาปะเก็นฉีกขาดในแนวรัศมีเช่นในกรณีนี้ (แต่อย่านำไปใช้กับระบบท่อที่มีอะเซทิลีนนะ เพราะม้นจะทำปฏิกิริยากันกลายเป็นสารประกอบที่ไม่เสถียรและระเบิดได้) ในกรณีของระบบที่มีความดันไม่มาก ตัวปะเก็นเองก็มีรูปร่างเป็นวงแหวนแบน แต่ถ้าเป็นกรณีของหน้าแปลนแบบ Ring Type Joint ที่ร่องสำหรับวางปะเก็น ตัวปะเก็นก็จะมีรูปร่างเป็นวงแหวนที่หนาที่มีรูปร่างพื้นที่หน้าตัดตามรูปร่างของร่องดังเช่นตัวอย่างที่นำมาแสดงในรูปที่ ๓ ข้างล่าง

รูปที่ ๓ ตัวอย่างรูปร่างพื้นที่หน้าตัดของปะเก็นโลหะ
(รูปจาก https://blog.enerpac.com/rtj-flange-ring-type-joint-definition-applications-and-repair/)

หวังว่าตอนนี้คงจะสามารถตอบคำถาม ๒ ข้อตอนต้นเรื่องได้แล้วนะ

ท่อฉีกขาดเพราะเศษก้อนอิฐ (Ethane cracker) MO Memoir : Saturday 11 February 2566

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Fire of cracked gas leaked from outlet piping of an ethane cracking furnace at an ethylene manufacturing plant" ที่เป็นเหตุการณ์เพลิงไหม้จากแก๊สที่รั่วออกมาจากรอยฉีกขาดของท่อ (อ่านบทความต้นฉบับได้ที่ https://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1000165.html)

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นที่เมือง Kawasaki ประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๙ พฤษภาคม ค.ศ. ๑๙๘๕ (พ.ศ. ๒๕๒๘) ที่ ethane cracking furnace แห่งหนึ่งที่ใช้อีเทน (ethane C₂H₆) เป็นสารตั้งต้นในการผลิตเอทิลีน (ethylene C₂H₄) โดยตัว furnace ตัวนี้มีการหยุดซ่อมบำรุงผนังอิฐด้านใน และเกิดเหตุเมื่อเริ่มต้นเดินอีเทนเข้าไปได้เพียงแต่สองชั่วโมงเศษ

กระบวนการผลิตเอทิลีนจะนำไฮโดรคาร์บอนมาให้ความร้อนที่อุณหภูมิที่สูงมากพอจนไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลงเรื่อย ๆ จนได้เอทิลีน อุณหภูมิที่ใช้นั้นขึ้นนอยู่กับขนาดโมเลกุลไฮโดรคาร์บอน ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่จะใช้อุณหภูมิที่ต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลเล็ก ถ้าเป็นพวก Fuel oil (ระดับน้ำมันเตา) ก็อาจอยู่ที่ระดับ 500-600ºC แต่ถ้าเป็นเอทิลีนจะต้องใช้อุณหภูมิระดับ 800ºC หรือสูงกว่า รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการผลิตเอทิลีนนี้สามารถอ่านได้ในบทความชุด "ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน" บน blog ที่มีด้วยกัน ๒๓ ตอน

การให้ความร้อนแก่ไฮโดรคาร์บอนนั้นจะใช้อุปกรณ์ที่เรียกกันหลายชื่อว่า Cracking furnace, Cracker, Fired Process Heater ฯลฯ คือแล้วแต่จะเรียก โดยไฮโดรคาร์บอนจะไหลอยู่ในท่อที่ได้รับความร้อนจากเปลวไฟที่อยู่ภายนอกท่อ ตัวผนังด้านในของ furnace จะบุไว้ด้วยอิฐทนไฟที่ทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อนป้องกันการสูญเสียความร้อน และป้องกันไม่ให้ผนังโลหะด้านนอกของตัว furnace ได้รับความร้อนสูงเกิน

รูปที่ ๑ ตำแหน่งท่อที่ฉีกขาดเป็นตรงข้องอ (Elbow) เชื่อมระหว่าง Quench boiler กับด้านขาออกของ furnace (ตรงที่เขียนว่า "crack" ในรูป)

แต่ตัวอิฐทนไฟถ้ามันร้อนเร็วเกินไป มันก็เกิดการแตกหักได้เนื่องจากการขยายตัวของฝั่งด้านร้อนและเย็นที่ไม่เท่ากัน มันจึงต้องการการซ่อมแซมเช่นกัน แบบเดียวกับชามแก้วที่ถ้านำไปตั้งบนเตาไฟฟ้าหรือเตาแก๊สมันก็แตกได้เอง เรื่องของ furnace นี้สามารถอ่านได้ในบทความชุด "ทำความรู้จัก Fired Process Heater" ที่มีทั้งสิ้น ๔ ตอน

การออกแบบแนววางท่อในตัว furnace มีหลายรูปแบบ แต่สำหรับ cracking furnace นั้นเห็นนิยมให้ท่อนั้นแขวนในแนวดิ่ง เพราะเมื่อโลหะร้อน โลหะจะขยายตัว (และความแข็งแรงของเนื้อโลหะจะลดลงด้วย) การให้ท่อแขวนอยู่ในแนวดิ่งทำให้ท่อสามารถยืดตัวได้อย่างอิสระ ส่วนการวางท่อในแนวนอนนั้นจำเป็นต้องมีฐานรองรับน้ำหนักท่อเป็นระยะ ความเสียดทานระหว่างฐานรองรับกับตัวท่อก็ก่อให้เกิดอุปสรรคในการขยายตัว และยังมีปัญหาเรื่องท่อ "ตกท้องช้าง (sagging)" ระหว่างฐานรองรับสองตัวด้วย (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ ท่อที่วางแนวนอนจะเกิดการตกท้องช้างเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ฐานรองรับตรงตำแหน่ง A ทำหน้าที่เพียงแค่รองรับน้ำหนักท่อ ในขณะที่ตำแหน่ง B ที่มีลักษณะเป็นช่องสอดทอดลอดเข้าไป จะป้องกันไม่ให้ท่อเคลื่อนตัวหล่นมาทางด้านซ้าย (รูปจาก https://whatispiping.com/fired-heaters/)

แต่การแขวนท่อในแนวดิ่งใช่ว่าจะปล่อยให้ท่อแขวนห้อยอย่างอิสระ จำเป็นต้องมีการควบคุมให้ท่อนั้นอยู่ในแนวที่กำหนด อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ดังกล่าวคือ "Guide sleeve" (รูปที่ ๓ และ ๔) ในรูปที่ ๓ จะเห็นว่าเมื่อท่อร้อนก็จะยืดตัวลงด้านล่าง โดยตัว guide ที่สอดอยู่ใน sleeve จะควบคุมให้ท่อยืดตัวลงในแนวตรง ไม่เฉไปทางด้านข้าง ทางด้านบน ณ ตำแหน่งท่อเข้า-ออก cracking furnace นั้นก็จำเป็นต้องมี guide sleeve เหมือนกัน แต่เนื่องจากแก๊สร้อนจะลอยตัวขึ้นบน ตัว guide sleeve ทางด้านบนจึงต้องมีความสามารถในการป้องกันไม่ให้แก๊สร้อนใน furnace รั่วไหลออกทางช่องเข้า-ออกของท่อด้วย (รูปที่ ๔)

ก่อนเกิดเหตุการณ์นั้นทางโรงงานได้มีการหยุด cracking furnace และมีการซ่อมแซมผนังด้านใน เวลาประมาณ ๑๔.๐๐ น จึงได้เริ่มทำการป้อนอีเทนเข้า cracking furnace

รูปที่ ๓ Guide sleeve ทางด้านล่างของท่อ โดยตัวแท่งสีส้มที่ถูกระบุว่าเป็น guide จะสอดอยู่ใน sleeve แบบหลวม ๆ เวลาท่อขยายตัว ตัว guide ที่สอดอยู่ใน sleeve จะควบคุมให้ท่ออยู่ในแนวเดิม ตามรูปนี้จะเห็นว่าเวลาที่ท่อขยายตัวท่อจะยืดตัวลงล่างได้อย่างอิสระ (รูปจาก https://whatispiping.com/fired-heaters/)

รูปที่ ๔ ตัว guide sleeve ใช่ว่าจะมีอยู่เฉพาะด้านล่าง ด้านบนตรงตำแหน่งที่ท่อเข้า-ออก furnace ก็ต้องมีด้วย รูปนี้เป็นตัวอย่าง guide sleeve สำหรับท่อที่เข้า-ออก furnace ทางด้านบน โดยยอมให้ท่อขยายตัวและหดตัวได้ตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปโดยที่แก๊สร้อนภายใน (สีแดง) ไม่รั่วไหลออกมาด้านนอก ในรูปนี้เป็นการขยายตัวขึ้นทางด้านบน (ภาพจาก https://www.klayenersol.com/products/furnace-boiler-seals/quilted-sleeves)

เวลาประมาณ ๑๔.๒๐ น อุปกรณ์วัดตรวจพบอุณหภูมิสูงผิดปรกติทางด้านขาออกของ furnace โอเปอร์เรเตอร์จึงออกไปตรวจและพบเปลวไฟออกมาจากท่อทางเข้าของ quenching boiler จึงรีบให้สัญญาณเตือน

ทางโรงงานสามารถดับไฟได้ในอีก ๕ นาทีถัดมา "ด้วยการฉีดไอน้ำไปยังตำแหน่งรอยรั่ว" (ประเด็นเรื่องการฉีดไอน้ำนี้มีหมายเหตุเพิ่มเติมตอนท้ายบทความ) หยุดการเดินเครื่อง furnace ฉุกเฉิน (emergency shutdown) และป้อนไนโตรเจนเข้าระบบ รายละเอียดเหตุการณ์ต่าง ๆ อยู่ในรูปที่ ๕

รูปที่ ๕ คำบรรยายเหตุการณ์ที่เกิด

การทำให้ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่แตกเป็นโมเลกุลเล็กลงต้องใช้อุณหภูมิที่สูงเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิด นอกจากนี้อุณหภูมิที่สูงก็ยังทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้นมากด้วย (ส่งผลดีในแง่การผลิตตรงที่สารตั้งต้นเกิดปฏิกิริยาได้รวดเร็ว) แต่อุณหภูมิสูงที่นี้ก็สามารถทำให้เอทิลีนที่เกิดขึ้นนั้นสลายตัวไปเป็นผลิตภัณฑ์อื่นที่ไม่ต้องการได้อีก (เช่นอะเซทิลีน มีเทน สารประกอบ polyaromatic ring โมเลกุลใหญ่ที่เรียกว่า coke) ดังนั้นเมื่อเกิดเอทิลีนแล้วจึงจำเป็นต้องทำให้แก๊สร้อนนั้นเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วเพื่อป้องกันไม่ให้เอทิลีนสลายตัว วิธีการที่ใช้กันคือติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเอาไว้ใกล้กับด้านขาออกของ cracking furnace โดยใช้น้ำภายใต้ความดันสูงเป็นแหล่งรับความร้อน ซึ่งจะเป็นการผลิตไอน้ำความดันสูงไปด้วยในตัว ในบทความนี้เรียกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตัวนี้ว่า "Quenching boiler" (คงเข้าใจแล้วนะครับว่าทำไมจึงเรียกมันว่าหม้อน้ำ) แต่บางผู้ออกแบบก็เรียกว่า "Transfer line exchanger"

เนื่องจากอุณหภูมิของแก๊สที่อยู่ในท่อนั้นสูงกว่า autoignition temperature ของทั้งเอทิลีนและอีเทน ดังนั้นเมื่อสารทั้งสองรั่วออกมาเจออากาศก็จะเกิดการลุกติดไฟได้ทันที ในเหตุการณ์นี้การดับไฟกระทำด้วยการฉีดไอน้ำ (คงเป็นเพราะว่ามันเป็นสิ่งที่มีอยู่ในบริเวณนั้นด้วย) เข้าไปบริเวณจุดรั่วไหล ไอน้ำจะเข้าไปไล่อากาศออกจากบริเวณนั้นซึ่งจะทำให้ไฟดับได้ และในขณะเดียวกันก็ทำการหยุดการป้อนไฮโดรคาร์บอนเข้าระบบ และป้อนไนโตรเจนเข้าไปแทน เพื่อเข้าไปไล่ไฮโดรคาร์บอนที่ตกค้างอยู่ในระบบและป้องกันไม่ให้อากาศภายนอกรั่วเข้าไปข้างในตรงรอยฉีกขาด

สาเหตุที่ทำให้ท่อฉีกขาดเป็นเพราะมีเศษอิฐทนไฟเข้าติดติดค้างอยู่ในช่องว่างระหว่างตัว guide กับ sleeve ทางด้านล่างของ furnace เศษอิฐที่เข้าไปขัดนี้ทำให้ตัว guide ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ ดังนั้นเวลาที่ท่อมีอุณหภูมิสูงขึ้น จึงไม่สามารถยืดตัวลงด้านล่างได้ ต้องยืดตัวขึ้นด้านบนแทน (ดูรูปที่ ๑) จึงไปทำให้ท่อด้านบนที่ไม่ได้ออกแบบให้รองรับการขยายตัวที่มาก เกิดการฉีกขาดจนแก๊สรั่วออกมา

หมายเหตุ (แก้ไขเพิ่มเติมว้นอาทิตย์ที่ ๑๒ กุมภาพันธ์ ๒๕๖๖)

หลังจากโพสบทความไปไม่นาน ได้มีท่านผู้มีประสบการณ์ท่านหนึ่ง (คุณ Direk) ได้กรุณาแบ่งปันความรู้เกี่ยวกับการแก้ปัญหาเมื่อ coil ของ cracking furnace แตก จึงขอนำมาเขียนเพิ่มเติมเอาไว้ดังนี้

๑. ถ้าอ่านเนื้อหาในบทความ (รูปที่ ๕ หัวข้อ Response บรรทัดที่ ๒) จะเข้าใจว่าเป็นการฉีดพ่นไอน้ำไปยังตำแหน่งที่เกิดการรั่วไหลเพื่อดับไฟ

๒. โดยปรกติจะมีการผสมไอน้ำเข้าไปกับ feed อยู่แล้ว (สัดส่วนประมาณ 0.3 เท่าของไฮโดรคาร์บอน)

๓. จากประสบการณ์ เมื่อเกิดปัญหา coil แตก ก็จะทำการตัด feed (คือไฮโดรคาร์บอน) แล้วเพิ่มไอน้ำเข้าไปทดแทนเพื่อไล่ไฮโดรคาร์บอนออกไปจนหมด จากนั้นจึงทำการ shut down ด้วยการลด fuel และ burner ไปพร้อมกัน

ขอขอบพระคุณที่ท่านได้แบ่งปันความรู้และประสบการณ์มาให้เป็นวิทยาทานครับ

 

ไฮโดรเจนสีเขียว (ตราบเท่าที่ไม่คิดพลังงานที่ต้องใช้ในการอัดแก๊ส) MO Memoir : Wednesday 8 February 2566

ช่วงเวลาที่ผ่านมามีการพูดถึงแก๊สไฮโดรเจน (H₂) ว่าเป็นพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เป็นพลังงานสะอาดแห่งอนาคต เพราะมันไม่ปลดปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ที่เป็นต้นเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดสภาวะโลกร้อนในปัจจุบัน ถึงขั้นมีการพูดถึงการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงแทนน้ำมันสำหรับรถยนต์ หรือใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมเคมี

แต่พอโดนตั้งคำถามถึงแหล่งที่มาของไฮโดรเจนว่ามาได้อย่างไร เพราะที่มาหลักของไฮโดรเจนที่ใช้กันอยู่ในอุตสาหกรรมได้มาจากไฮโดรคาร์บอน และยังต้องใช้อุณหภูมิสูงในการผลิตด้วย อีกส่วนหนึ่งก็ได้มาจากการผลิตโซดาไฟ (Sodium hydroxide NaOH) ที่ใช้ไฟฟ้าที่ได้มาจากการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลในการผลิต (ได้แก๊สไฮโดรเจนกับคลอรีน) ก็เลยต้องมีการแบ่งเกรดกันอีกว่าไฮโดรเจนนั้นได้มาด้วยวิธีการใด คือถ้าเป็นแก๊สไฮโดรเจนที่ได้จากพลังงานหมุนเวียนที่ไม่มีการปลดปล่อย CO₂ ก็จะเรียกว่าเป็น "ไฮโดรเจนสีเขียว (Green hydrogen)" เช่นไฮโดรเจนที่ได้จากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าที่ผลิตจากเซลล์แสงอาทิตย์หรือพลังงานลม

แต่การเก็บพลังงานในรูปสารเคมี (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสารเคมีที่เป็นแก๊ส เช่นเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในรูปแก๊สไฮโดรเจน) เพื่อที่จะนำเอาพลังงานในตัวสารเคมีนั้นไปเปลี่ยนเป็นพลังงานกล (เช่นการนำไปเป็นเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์สันดาปภายใน การนำไปเป็นเชื้อเพลิงให้กับเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตไฟฟ้าจ่ายให้กับมอเตอร์) มันยังมีปัจจัยที่สำคัญมากปัจจัยอื่นอีกให้พิจารณา อันได้แก่พลังงานที่ต้องใช้ในการจัดเก็บและขนส่ง และอัตราส่วนระหว่าง "พลังงานที่ได้" ต่อ "น้ำหนักของระบบกักเก็บพลังงาน + น้ำหนักของหน่วยขับเคลื่อน"

ตัวอย่างของ "น้ำหนักของระบบกักเก็บพลังงาน + น้ำหนักของหน่วยขับเคลื่อน" ได้แก่

ในกรณีของยานยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในก็คือ ผลรวมของน้ำหนักของ "ถังบรรจุเชื้อเพลิง + เชื้อเพลิงที่บรรจุได้ + เครื่องยนต์" หรือ

ในกรณีของยานยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงก็คือ ผลรวมของน้ำหนักของ "ถังเก็บแก๊ส + แก๊สที่บรรจุอยู่ + เซลล์เชื้อเพลิง + มอเตอร์ไฟฟ้า"

เราสามารถใช้การเพิ่มความดันในการอัดแก๊สให้เป็นของเหลวได้ก็ต่อเมื่ออุณหภูมิที่ทำการอัดแก๊สนั้นต่ำกว่าค่าอุณหภูมิวิกฤต (Critical temperature T_c) ของแก๊สนั้น พวกแก๊สหุงต้ม (โพรเพนและบิวเทน) จะมีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง เราจึงสามารถใช้ความดันในการอัดแก๊สนี้ให้เป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิห้อง กล่าวคือถ้าเรามีถังแก๊สเปล่าอยู่ใบหนึ่ง แล้วเราค่อย ๆ เติมแก๊สลงในถังใบนี้เรื่อยๆ ความดันในถังก็จะสูงขึ้น แต่พอถึงระดับหนึ่งแก๊สที่เติมเข้าไปจะเริ่มควบแน่นเป็นของเหลว ความดันในถังจะไม่เพิ่มสูงขึ้น และเนื่องจากของเหลวมีความหนาแน่นสูงกว่าแก๊สมาก ทำให้เราสามารถเก็บแก๊ส (ในรูปของเหลว) ได้มากโดยไม่ต้องใช้ถังที่มีขนาดใหญ่หรือใช้ความดันสูง (ความดันในถังแก๊สหุงต้มที่อุณหภูมิห้องจะอยู่ที่ประมาณ 7 เท่าของความดันบรรยากาศ แต่ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสัดส่วนของโพรเพนและบิวเทนด้วย)

แต่ในกรณีของแก๊สแก๊สธรรมชาติ (หรือมีเทน) นั้นแตกต่างกัน คือมันมีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง ที่อุณหภูมิห้องไม่ว่าเราจะอัดแก๊สด้วยอุณหภูมิเท่าใดก็ตาม มันจะไม่ควบแน่นเป็นของเหลว ดังนั้นถ้าต้องการเก็บแก๊สในปริมาณมาก ก็ต้องใช้ความดันที่สูง (แก๊สธรรมชาติใช้กับรถยนต์ที่บ้านเราเรียก NGV ในขณะที่สากลและในกฎหมายบ้านเราเขาเรียก CNG นั้น จะอัดใส่ถังที่ความดันประมาณ 200 เท่าของความดันบรรยากาศ) ถ้าจะใช้ถังขนาดใหญ่ขึ้นก็จะมีปัญหาเรื่องความหนาของวัสดุที่จะทนความดันได้ (ถังแก๊สเปล่าสำหรับรถยนต์ ถ้าเป็นแก๊สหุงต้มจะหนักประมาณ 20 กิโลกรัม แต่ถ้าเป็นแก๊สธรรมชาติจะหนักประมาณ 80-100 กิโลกรัม)

แก๊สไฮโดรเจนก็เป็นรูปแบบเดียวกับแก๊สมีเทน คือถ้าต้องการนำมาใช้งานต้องเก็บในถังความดันสูง แต่การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในจะวุ่นวายกว่าการใช้ไฮโดรคาร์บอน เนื่องจากลักษณะการจุดระเบิดของไฮโดรเจนนั้นคุมยากกว่าไฮโดรคาร์บอน การจะเอาไฮโดรเจนไปเป็นเชื้อเพลิงขับเคลื่อนยานพาหนะจึงมุ่งเน้นไปที่การใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell) ที่จะผลิตกระแสไฟฟ้าไปขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าอีกทีหนึ่ง

ทีนี้เราลองมาดูหน่อยว่าถ้าจะอัดแก๊สให้มีความดันสูงขึ้น ต้องใช้พลังงานเท่าใด โดยสมมุติว่าแก๊สที่จะอัดนั้นเป็นแก๊สอุดมคติ (ดูรูปที่ ๑ ข้างล่างประกอบ)

รูปที่ ๑ การอัดแก๊สในลูกสูบทรงกระบอกพื้นที่หน้าตัด A จากปริมาณ V1 จนเหลือปริมาตร V2

จากนิยาม งาน (W) คือผลคูณระหว่าง แรง (F) กับระยะทางการเคลื่อนที่ (s) หรือ W = F x s

แต่แรงคือผลคูณระหว่าง ความดัน (P) กับพื้นที่หน้าตัด (A) หรือ F = P x A

แทนค่า F ลงไปก็จะได้ว่า W = P x (A x s)

จากรูปที่ ๑ จะเห็นว่าค่า (A x s) คือปริมาตรที่เปลี่ยนไป (∆V) เมื่อแก๊สถูกอัดจากปริมาตร V1 เหลือ V2

ดังนั้นเราจะได้ W = P x ∆V

ในกรณีของการอัดแก๊สให้มีปริมาตรต่อโมลลดลง (คือมีความดันสูงขึ้นนั่นเอง) ∆V จะมีค่าเป็นลบ ดังนั้นในการอัดแก๊สให้มีความดันสูงขึ้น เพื่อให้ค่างานที่ต้องทำมีค่าเป็นบวก ก็ต้องใส่เครื่องหมาย (-) เข้าไป ในกรณีนี้เราก็จะได้ว่างานที่ต้องใส่เข้าไปเพื่อเพิ่มความดันให้กับแก๊สจะมีค่า W = P x (-∆V)

ในกรณีของแก๊สอุดมคตินั้น ผลคูณของค่า PV จะคงที่ กล่าวคือถ้าเราเริ่มจากแก๊สปริมาตร 1 หน่วยที่ความดันบรรยากาศ แล้วเราต้องการอัดแก๊สนั้นให้มีความดัน 100 เท่าของความดันบรรยากาศ ปริมาตรแก๊สจะลดเหลือ 1/100 เท่าของปริมาตรเดิม หรือเหลือเพียง 0.01 เท่าของปริมาตรเดิม

ที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ แก๊ส 1 โมลจะมีปริมาตรประมาณ 25 ลิตรหรือ 0.025 m³ (ขอปัดตัวเลขให้มันกลม ๆ นะครับ) ถ้าเราต้องการอัดแก๊สตัวนี้ให้มีความดัน 100 เท่าของความดันบรรยากาศ ปริมาตรแก๊สก็จะเหลือ 0.025/100 หรือ 0.00025 m³

ดังนั้นปริมาตรที่เปลี่ยนไป (∆V) คือ 0.025 - 0.00025 = -0.02475 m³

ค่าความดัน 100 เท่าของความดันบรรยากาศก็ประมาณ 1 x 10⁷ Pascal

ดังนั้นงานที่ต้องใช้ในการอัดแก๊ส W = (1 x 10⁷) x (0.02475) = 247500 J/mol

แก๊สไฮโดรเจน 1 mol ทำปฏิกิริยากับออกซิเจน 0.5 mol ได้น้ำ 1 mol จากค่า Enthalpy of formation จะได้ว่าปฏิกิริยานี้คายพลังงานออกมาประมาณ 286000 J

ดังนั้นหักลบพลังงานที่จะได้กับพลังงานที่ต้องใช้ในการอัดแก๊สแล้ว จะเหลือเพียง 38500 J/mol หรือประมาณ 13% ของพลังงานที่ควรได้ (นี่ขนาดยังไม่คิดว่าในความเป็นจริงยังมีการสูญเสียพลังงานระหว่างการอัดอีก) และถ้าอัดให้มีความดันมากกว่านี้ (เกินกว่า 115 เท่า) ก็พบว่าพลังงานที่ใช้ในการอัดจะมากกว่าพลังงานที่จะได้จากแก๊สเสียอีก

ในกรณีของแก๊สธรรมชาติ (มีเทน (CH₄) นั้น การเผาไหม้มีเทน 1 mol จะคายพลังงานออกมาประมาณ 890000 J หรือประมาณ 3 เท่าของพลังงานที่ได้จากไฮโดรเจน จึงทำให้เราสามารถเก็บแก๊สมีเทนได้ที่ความดันที่สูงกว่า (โดยที่ค่าพลังงานที่ต้องใช้ในการอัดแก๊สยังไม่สูงเกินค่าพลังงานที่จะได้จากแก๊ส) แต่นั่นก็ต้องแลกมาด้วยน้ำหนักของถังเก็บแก๊สที่เพิ่มมากขึ้น (และปริมาตรของถังเก็บที่กินพื้นที่มากขึ้นด้วย)

ตรงนี้ดูง่าย ๆ ได้จากกรณีรถยนต์นั่งส่วนบุคคล (เช่นขนาดที่เอามาทำรถแท๊กซี่) ที่บรรจุเชื้อเพลิวเต็มถัง ถ้าใช้น้ำมันจะวิ่งได้ไกล (แบบรถไม่ติดนะ) กว่า 600 กิโลเมตร ถ้าใช้แก๊สหุงต้มจะได้ประมาณ 400 กิโลเมตร แต่ถ้าใช้แก๊สธรรมชาติจะเหลือประมาณ 200 กิโลเมตร คือในบ้านเรารถใช้แก๊สหุงต้มหรือแก๊สธรรมชาติเป็นรถที่มีถังน้ำมันแล้วนำมาดัดแปลงติดถังแก๊สไว้ในกระโปรงหลัง ถ้าใช้ถังขนาดใหญ่ก็จะกินพื้นที่เก็บของท้ายรถมากขึ้น และมีน้ำหนักไปตกหลังล้อหลังมากขึ้นตลอดเวลา (คือน้ำหนักถังแก๊ส)

เทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์หรือพลังงานลมก็มีอยู่นานแล้ว

เทคโนโลยีการแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจนก็มีอยู่นานแล้ว

ประเด็นสำคัญคือแก๊สไฮโดรเจนที่ผลิตได้นั้นมันผลิตที่ความดันเริ่มต้นเท่าใด ถ้าแก๊สที่ผลิตได้มีความดันต่ำในขณะที่การนำไปใช้งานต้องการความดันสูง ก็จะต้องมีค่าใช้จ่ายด้านพลังงานที่ต้องใช้ในการอัดแก๊สให้มีความดันสูงขึ้น (ไม่ว่าจะเป็นการนำไปใช้กับยานพาหนะหรือในอุตสาหกรรม)

และในปัจจุบันเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่สามารถใช้เป็นแหล่งกักเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ ก็ยังมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง และในบางภาคส่วน (เช่นยานยาต์) อาจจัดได้ว่าเป็นคู่แข่งสำคัญตัวหนึ่งของเทคโยโลยีไฮโดรเจนก็ได้

ความพยายามหนึ่งที่จะแก้ปัญหาความดันที่ต้องใช้ในการเก็บไฮโดรเจนก็คือการใช้สารดูดซับช่วยในการดูดซับแก๊สไฮโดรเจนเอาไว้ ทำให้สามารถเก็บไฮโดรเจนได้มากขึ้นที่ความดันเดิม แต่วิธีการนี้ก็มีปัญหาคือ ตัวสารดูดซับเองเป็นวัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็ก (เพื่อให้มีพื้นที่ผิวดูดซับมา) และปฏิกิริยาการดูดซับเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน จึงมีปัญหาเรื่องอัตราการคายแก๊สออกมาเมื่อต้องการให้มันคายแก๊สมามาก ๆ เร็ว ๆ (เช่นต้องการเร่งเครื่องแซง) เพราะมันมีเรื่องของความล่าช้าในการที่โมเลกุลแก๊สจะแพร่ออกมาจากรูพรุนได้ และอุณหภูมิที่ต้องใช้อีก มันไม่เหมือนกับถังแก๊สความดันที่ทำเพียงแค่เปิดวาล์วให้กว้างขึ้น

ในปัจจุบันจึงมีการฉีกแนวออกไปเป็นการใช้แอมโมเนีย (Ammonia NH₃) เป็นเชื้อเพลิงแทนไฮโดรเจนเพราะการเผาไหม้แอมโมเนียไม่ทำให้เกิด CO₂ นอกจากนี้เราสามารถอัดแก๊สแอมโมเนียให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้เหมือนกับแก๊สหุงต้ม แต่คำถามก็คือแอมโมเนียได้มาจากไหน กระบวนการผลิตหลักในปัจจุบันได้จากการทำปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจน (ที่บอกว่าเป็นไฮโดรเจนสีเขียว) กับไนโตรเจนที่อุณหภูมิและความดันสูง ไนโตรเจนนั้นได้จากการกลั่นแยกอากาศ (ที่ต้องใช้พลังงานกับระบบทำความเย็นเพื่อให้อากาศกลายเป็นของเหลว) และต้องมีการใส่พลังงานเพื่อเพิ่มความดันและอุณหภูมิให้กับแก๊สทั้งสองชนิดเพื่อให้มันทำปฏิกิริยา ซึ่งก็นำมาสู่คำถามถัดมาคือแล้วพลังงานที่ต้องใช้ในการเพิ่มความดันและอุณหภูมินั้นได้มาจากไหน ผลิต CO₂ หรือไม่ พลังงานที่ต้องใช้ในการผลิตกับที่จะได้จากแอมโมเนียอันไหนมากกว่ากัน ประเด็นเหล่านี้กลุ่มที่นำเสนอเรื่องเศรษฐกิจสีเขียวหรือ Green Economy มักจะไม่กล่าวถึง

เรื่องเอาแอมโมเนียมาเป็นเชื้อเพลิงเอาไว้ว่าง ๆ ถ้ามีเวลาก็จะหาโอกาสเขียนสักที วันนี้คงพอแค่นี้ก่อน