เมื่อไทเทเนียมทำให้สแตนเลสสตีลลุกติดไฟ MO Memoir : Sunday 21 March 2564

ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับออกซิเจนเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนสูง โลหะในหมู่ IA (คือกลุ่มพวกลิเทียม Li, โซเดียม Na, โพแตสเซียม K ฯลฯ) จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนอย่างรวดเร็วจนไม่สามารถนำมาใช้ในรูปของโลหะบริสุทธิ์ โลหะบางตัวก็สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้อย่างรุนแรงและรวดเร็ว เช่นแมกนีเซียม Mg ที่สามารถลุกติดไฟและลุกไหม้ได้อย่างต่อเนื่องในอากาศถ้าได้รับความร้อนสูงมากพอเป็นตัวเริ่มต้น อะลูมิเนียม Al ในรูปแบบที่เป็นผงก็มีการนำมาใช้เป็นส่วนประกอบของวัตถุระเบิดบางชนิด ไทเทเนียม Ti ในรูปแบบที่เป็นผงฟุ้งกระจายในอากาศก็สามารถเกิดการระเบิดแบบ Dust Explsion ได้เช่นกัน การที่รูปแบบผงนั้นทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้รุนแรงก็เพราะมันมีพื้นที่ผิวสัมผัสกับอากาศสูงมาก

ในกรณีของโลหะเหล่านี้เมื่อนำมาขึ้นรูปเป็นชิ้นงานต่าง ๆ พื้นที่ผิวที่สัมผัสกับอากาศต่อจำนวนอะตอมโลหะทั้งหมดจะต่ำมาก มีเฉพาะอะตอมโลหะที่อยู่บนพื้นผิวที่สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศเกิดเป็นสารประกอบโลหะออกไซด์ สารประกอบโลหะออกไซด์ของโลหะหลายตัวจะก่อตัวเป็นชั้นฟิล์มปกคลุมผิวโลหะที่อยู่ข้างใต้ไม่ให้สัมผัสกับอากาศอีก (เช่นชั้นออกไซด์ของอะลูมิเนียม) การทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศก็จะหยุด ในขณะที่ชั้นออกไซด์ของโลหะบางตัวเช่นเหล็ก Fe นั้นมันไม่ก่อตัวเป็นชั้นฟิล์มปกคลุม ผิวบนทำปฏิกิริยาเกิดเป็นสนิมเหล็กที่มีความพรุน (แถมยังหลุดร่อนได้ง่ายอีก) เปิดช่องทางให้ออกซิเจนในอากาศเข้าสัมผัสกับเนื้อเหล็กที่อยู่ลึกลงไปตลอดเวลา การกัดกร่อนจึงเกิดได้ต่อเนื่อง

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เรื่องแรกเป็นเหตุการณ์ที่เกิดในมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่น ที่เกิดกับอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง โดยมีโลหะเป็นเชื้อเพลิง (การลุกไหม้ของไทเทเนียมนำไปสู่การลุกไหม้ของสแตนเลสสตีล - รูปที่ ๑) ส่วนเรื่องที่สองเป็นบทความที่เกี่ยวข้องกับโอกาสที่จะเกิดการลุกไหม้ของโลหะในสภาวะที่มีความเข้มข้นออกซิเจนสูง ที่มีการนำมาใช้เพื่อการรักษาทางการแพทย์ (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๑ เหตุการณ์เพลิงไหม้ที่มีตัวโลหะของอุปกรณ์ทดลองเป็นเชื้อเพลิง ที่เกิดที่มหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๔ มิถุนายน พ.ศ. ๒๕๓๙ (จาก http://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1200066.htm)

ไทเทเนียม (Titanium - Ti) เป็นโลหะที่นำมาใช้งานในทางวิศวกรรมตัวหนึ่งเนื่องจากการที่มันทนการกัดกร่อนและทนอุณหภูมิได้สูงกว่าเหล็ก ในขณะที่มีน้ำหนักเบากว่า แต่ในบางกรณีโลหะ Ti ก็ลุกติดไฟได้ง่ายเหมือนกัน โดยเฉพาะเมื่อเจอกับคลอรีน (Chlorine - Cl) ที่ "แห้ง"

คลอรีนเป็นตัวออกซิไดซ์ที่แรงว่าออกซิเจน สารประกอบคลอไรด์ของโลหะนั้นมักจะเป็นของแข็ง แต่ของไทเทเนียมจะแปลกอยู่หน่อยตรงที่มันเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องและยังมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับสารหลายตัวเช่นน้ำ ในกรณีของแก๊สคลอรีนที่มี "ความชื้น" (ซึ่งก็คือน้ำ) ปนอยู่ ไทเทเนียมเททระคลอไรด์ (Titanium tetrachloride TiCl₄) ที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยาต่อกับน้ำได้ กลายเป็นสารประกอบออกไซด์ปิดคลุมผิวโลหะส่วนที่เหลือเอาไว้ การทำปฏิกิริยาก็จะหยุด ดังนั้นอุปกรณ์ที่ทำจากโลหะไทเทเนียมจึงไม่มีปัญหาเมื่อใช้งานกับคลอรีนที่ "ชื้น" แต่จะลุกไหม้ได้เมื่อเจอกับคลอรีนที่แห้ง

ออกซิเจนที่ความเข้มข้นสูงขึ้นจะมีความสามารถในการทำปฏิกิริยาที่รุนแรงมากขึ้น และค่าพลังงานกระตุ้นที่ต้องใช้ในการเกิดปฏิกิริยาก็อาจลดลงมามากด้วย ดังนั้นโลหะที่ไม่ทำปฏิกิริยาเมื่อสัมผัสกับอากาศแม้ว่าจะมีอุณหภูมิสูงก็ตาม ก็อาจลุกไหม้ติดไฟได้ถ้าหากสัมผัสกับออกซิเจนที่มีความเข้มข้นสูงและมีพลังงานกระตุ้นที่มากพอ

คำว่า "ความเข้มข้นที่สูงขึ้น" ในที่นี้คือเมื่อคิดในหน่วย "ปริมาณ (ที่อาจเป็นโมลหรือน้ำหนัก) ต่อหน่วยปริมาตร" นะ เพราะในบางหน่วยเช่น "สัดส่วนโมล - mole fraction" ความเข้มข้นในรูปสัดส่วนโมลนี้จะไม่เปลี่ยนไม่ว่าแก๊สจะมีความดันเท่าใด แต่ถ้าคิดในหน่วย "ปริมาณต่อหน่วยปริมาตร" ที่ความดันสูงขึ้นก็จะมีความเข้มข้นสูงขึ้นด้วย

เหตุการณ์ที่เกิดในห้องทดลองแห่งหนึ่งของมหาวิทยาลัยในประเทศญี่ปุ่นนั้นเกิดขึ้นระหว่างการทดลองสังเคราะห์ตัวนำยิ่งยวด (superconductor) ที่ทดลองด้วยการเอาสารตั้งต้นนั้นมาทำปฏิกิริยากับออกซิเจนบริสุทธิ์ที่ความดันต่าง ๆ ด้วยเครื่อง thermal analysis กล่าวคือนำตัวอย่างมาบรรจุในภาชนะปิด เพิ่มความดันออกซิเจนให้ได้ตามต้องการ จากนั้นก็เพิ่มอุณหภูมิตัวอย่างให้สูงขึ้นและเฝ้าดูน้ำหนักที่เปลี่ยนไป (จะลดลงถ้ามีการสูญเสียออกซิเจน และจะเพิ่มขึ้นถ้ามีการทำปฏิกิริยากับออกซิเจน) ตัวอุปกรณ์นั้นเพิ่งจะเริ่มใช้งานได้ประมาณ ๒ เดือนและมีการทำการทดลองแบบเดียวกันไปแล้วประมาณ ๑๔-๑๕ ครั้งโดยไม่เกิดเรื่องอะไร

ในวันที่เกิดเหตุนั้นหลังจากเพิ่มอุณหภูมิไปจนถึง 600ºC และคงไว้นานกว่า 100 นาทีก็ไม่เกิดปัญหาอะไร และเนื่องจากผลการทดลองที่ได้ไม่ได้แสดงว่ามีการเปิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วในระหว่างกาารทดลอง สมมุติฐานเรื่องปฏิกิริยาเกิดการ runaway จึงถูกตัดไป สาเหตุที่คาดว่าเป็นตัวทำให้เกิดเพลิงไหม้ก็คือการเกิดไฟฟ้าลัดวงจร (ตัวอุปกรณ์วัดน้ำหนักต้องมีวงจรไฟฟ้าต่อเข้าไปอยู่แล้ว) และด้วยการที่เป็นบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์จึงทำให้วัสดุที่ไม่เป็นโลหะนั้นลุกติดไฟได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งนำไปสู่การลุกติดไฟของโลหะไทเทเนียมที่ใช้ทำชิ้นส่วนบางชิ้นของตัวอุปกรณ์ ความร้อนที่เกิดขึ้นทำให้โลหะหลอมเหลวและทำปฏิกิริยากับสแตนเลสสตีลที่เป็นวัสดุใช้ทำชิ้นส่วนของตัวอุปกรณ์เช่นกัน เกิดการระเบิดและเพลิงลุกไหม้ภายในช่องบรรจุตัวอย่างจนมีผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการลุกไหม้นี้ฉีดพ่นออกมาทางช่องทางที่ใช้เดินสายไฟเข้าไปข้างใน

เหตุการณ์ที่ประเทศญี่ปุ่นนี้ดูเผิน ๆ อาจเป็นเรื่องไกลตัว แต่จะว่าไปมันก็มีคนคำนึงถึงโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์ทำนองเดียวกันนี้ในสภาพการณ์ที่ใกล้กับตัวเราก็ได้ นั่นคือการรักษาอาการหรือความเจ็บป่วยต่าง ๆ ด้วยการให้ผู้ที่ต้องการได้รับการรักษานั้นได้เข้าไปอยู่ในบรรยากาศที่มีออกซิเจนสูง ที่อาจเข้าไปอยู่ทั้งตัว (ที่สามารถเอาหนังสือเข้าไปนอนอ่านได้) หรือเพียงแค่ส่วนใดส่วนหนึ่ง (เช่นใส่ hood ครอบศีรษะเอาไว้) ที่ปัจจุบันในบ้านเราก็มีบางโรงพยาบาลนำมาใช้ในการรักษา

บทความที่นำมาแสดงในรูปที่ ๒ เป็นการกล่าวถึงความเป็นไปได้ที่จะเกิดการลุกไหม้ของโลหะไทเทเนียมในระหว่างการรักษาด้วยการใช้ออกซิเจนความเข้มข้นสูง (Hyperbaric oxygen) ในกรณีเช่นนี้ถ้าจะบอกว่าถ้าเช่นนั้นก็ไม่ให้ใช้โลหะไทเทเนียมในการผลิตอุปกรณ์ดังกล่าวก็น่าจะสิ้นเรื่อง แต่ประเด็นที่ผู้เขียนตั้งเป็นข้อกังวลไม่ได้อยู่ตรงนั้น มันไปอยู่ตรงที่ในช่วงเวลานั้น (คือปีพ.ศ. ๒๕๔๖) และจะว่าไปก็สืบเนื่องมาจนถึงปัจจุบัน มันมีการนำเอาโลหะไทเทเนียมนี้มาใช้ทำเป็นทั้งกรอบแว่นตาและเครื่องประดับกันอย่างแพร่หลาย และสิ่งเหล่านี้มักจะเป็นสิ่งที่ทางโรงพยาบาลยอมให้ติดตัวคนไข้ไว้ในระหว่างการรักษาด้วย

รูปที่ ๒ บทความเกี่ยวกับความเสี่ยงที่จะเกิดเพลิงไหม้ในระหว่างการรักษาด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์ความดันสูงที่มีการตีพิมพ์ในวารสาร Aviation, Space, and Environmental Medicine, Vol 74, No. 12 เดือนธันวาคม ปีค.ศ. ๒๐๐๓ หน้า 1301-1302 หน่วย ATA ที่เป็นปรากฏคือ Atmospheric Absolute ความดัน 1 ATA ก็คือความดันบรรยากาศปรกติ (0 atm ที่เป็นความดันเกจ) ความดัน 2 ATA ก็จะมีค่าเป็น 2 เท่าของความดันบรรยากาศปรกติ (หรือ 1 atm ที่เป็นความดันเกจ)

ที่เล่ามาตอนต้นเรื่องว่าโลหะหลายตัวนั้นเมื่อสัมผัสกับอากาศมันก็จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนกลายเป็นสารประกอบออกไซด์ปิดคลุมผิวเอาไว้ ทำให้ปฏิกิริยาเกิดต่อไม่ได้ และเนื่องจากไม่ว่าจะเป็นเครื่องประดับหรือกรอบแว่นตาที่ติดตัวผู้ป่วยมานั้นมันก็สัมผัสกับอากาศมานานแล้ว แล้วมันจะก่อเรื่องได้อย่างไร ประเด็นที่ผู้เขียนบทความชี้ให้ควรพิจารณาก็คือการเกิดพื้นผิวใหม่ที่ยังไม่เคยสัมผัสกับอากาศมาก่อน เช่นการขีดข่วนที่เป็นการกำจัดพื้นผิวออกไซด์ที่ปกคลุมอยู่เดิมนั้นออกไป หรือการฉีกขาด (เช่นกรอบแว่นตาหัก) ที่จะเปิดพื้นผิวโลหะใหม่ตรงรอยฉีกขาดนั้น และด้วยบรรยากาศที่เป็นออกซิเจนบริสุทธิ์ ความรุนแรงของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นก็จะทำให้ตัวโลหะนั้นลุกติดไฟต่อเนื่องได้

กรณีการลุกไหม้ของโลหะไทเทเนียมเมื่อสัมผัสกับแก๊สคลอรีนแห้งที่เกิดในโรงงานก็มีการบันทึกเอาไว้หลายครั้ง ส่วนกรณีการลุกไหม้ของโลหะไทเทเนียมในบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์ และการลามไปสู่การลุกไหม้ของสแตนเลสสตีลเนี่ยเพิ่งจะมีโอกาสได้รับรู้เป็นครั้งแรก ซึ่งก็ไม่รู้ว่ามันเคยมีการเกิดขึ้นที่ไหนอีกหรือเปล่า คงต้องค่อย ๆ ค้นคว้ากันต่อไป

ส่วนเรื่องการลุกไหม้ของโลหะต่าง ๆ ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและ/หรือออกซิเจนความเข้มข้นสูง จะว่าไปก็มีการศึกษากันมานานแล้วเหมือนกัน โดยเฉพาะกลุ่มที่ทำงานเกี่ยวกับจรวด (ที่บางทีก็ใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์เป็นตัวออกซิไดซ์) และอากาศยาน โดยเฉพาะเครื่องยนต์กังหันแก๊สหรือ jet engine ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงและมีแก๊สร้อนไหลผ่านด้วยความเร็วสูง และมีการนำเอาโลหะผสมไทเทเนียมมาผลิตเป็นชิ้นส่วนต่าง ๆ เพราะมันมีน้ำหนักที่เบากว่าและทนอุณหภูมิได้สูงกว่าโลหะอื่น แต่ไทเทเนียมมันก็มีพฤติกรรมที่แปลกอย่างหนึ่งคือ มันสามารถลุกติดไฟได้ในบรรยากาศ "ไนโตรเจน" บริสุทธิ์

รูปที่ ๓ สมการที่ (8) เป็นปฏิกิริยาระหว่างไทเทเนียม (ที่หลอมเหลว) กับไนโตรเจน (จากบทความเรื่อง "Interaction of powdery Al, Zr and Ti with atmospheric nitrogen and subsequent nitride formation under the metal powder combustion in air" โดย Alexander Alexandrovich Gromov และคณะ ในวารสาร Powder Technology เดือนธันวาคม ค.ศ. 2011)

รูปที่ ๔ เครื่องยนต์ของเครื่องบิน (น่าจะเป็นเครื่องบินทหาร) ที่ตกเนื่องจากเกิดโลหะไทเทเนียมในเครื่องยนต์ลุกติดไฟ และลามออกสู่ภายนอกเครื่องยนต์ (จากเอกสาร "Titanium Fire in Jet Engines" โดย T. Uihlein และ H. Schlegel เอกสารนี้ค้นเจอเป็นไฟล์ pdf ทางอินเทอร์เน็ต แต่ไม่มีรายละเอียดว่าเผยแพร่ครั้งแรกที่ไหนและเมื่อใด)

ปัจจุบันมีการนำเอาเครื่องยนต์กังหันแก๊สมาใช้ในการผลิตไฟฟ้ากันอย่างแพร่หลาย ผมเองก็ไม่รู้ว่าโครงสร้างและวัสดุที่ใช้ในการผลิตนั้นแตกต่างกับที่ใช้กับอากาศยานมากน้อยแค่ไหน เพราะเครื่องยนต์ที่ตั้งอยู่บนพื้นมันไม่ได้มีข้อจำกัดด้านน้ำหนักมากเหมือนกรณีของอากาศยาน และน่าจะทำงานที่สภาวะค่อนข้างจะคงที่มากกว่าด้วย

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๓ (ตอนที่ ๑๑) MO Memoir : Thursday 5 January 2555

เนื้อหาในเอกสารฉบับนี้เป็นข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำงานของโรงไฟฟ้า ซึ่งผมคิดว่าอาจเป็นประโยชน์สำหรับผู้ที่จะทำการสอบโครงร่างในบ่ายวันนี้และเช้าวันพรุ่งนี้ (ถ้ามีโอกาสได้เห็นก่อนสอบ)

เมื่อวานในระหว่างงานสวดศพ ผมมีโอกาสได้พูดคุยกับวิศวกรอาวุโสท่านหนึ่งที่มีประสบการณ์การปฏิบัติหน้าที่ดูแลเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้าราชบุรีและพระนครเหนือ เลยมีข้อมูลเหล่านี้มาฝาก

๑. ในกรณีของโรงไฟฟ้าที่ใช้น้ำมันเตาหรือถ่านหิน ปริมาณมากออกซิเจนส่วนเกินในอากาศที่ใช้ในการเผาไหม้สามารถคุมให้อยู่ที่ระดับประมาณ 0.9% ได้

๒. ในกรณีของโรงไฟฟ้ากังหันแก๊ส (gas turbine) จากรูปแบบการทำงานของกังหันแก๊สที่ต้องมีการใช้คอมเพรสเซอร์อัดกาศให้มีความดันสูงก่อนการจุดระเบิด แก๊สขาออกจะมีออกซิเจนเหลืออยู่ประมาณ 12-13% ดังนั้นตัวเลข 15% ที่เราใช้อยู่จึงเป็นตัวเลขที่เป็นไปตามความเป็นจริง

๓. ปริมาณ NOx ในแก๊สขาออกจากเครื่องยนต์กังหันแก๊ส ในช่วงระหว่าง start up อาจสูงถึง 120 ppm ซึ่งทำให้เห็นควันที่ออกจากปล่องมีสีเหลืองอยู่ชั่วขณะหนึ่ง เป็นเวลาประมาณ ๒ ชั่วโมง จากนั้นเมี่อเครื่องเดินเข้าที่แล้วความเข้มข้นของ NOx ในแก๊สขาออกจะลดลงเหลือประมาณ 30 ppm

๔. การลด NOx ในส่วนของโรงไฟฟ้าเองยังไม่มีการใช้ระบบ NH₃-SCR แต่ใช้การเลือกใช้เครื่องจักรที่มีการออกแบบระบบการเผาไหม้ที่ทำให้เกิด NOx ต่ำ ปริมาณ NOx ที่เกิดขึ้นจะขึ้นอยู่กับชนิดเครื่องจักรที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้าซึ่งไม่ได้เหมือนกันทุกโรง (ตามอายุการใช้งานและยี่ห้อที่ซื้อ)

๕. ท่านได้ตั้งข้อสังเกตว่า ระบบ NH₃-SCR นั้นเป็นระบบที่ทางญี่ปุ่นพัฒนาขึ้นมา เพราะการควบคุม NOx ในประเทศญี่ปุ่นนั้นเข้มงวดกว่าในประเทศอื่น กล่าวคือต้องการให้เหลือเพียงเลขหลักเดียว (ถ้าจะแปลคือต่ำกว่า 10 ppm) ในขณะที่ประเทศอื่น ๆ (รวมทั้งประเทศไทย) ยังยอมให้สูงได้ถึง 120 ppm สำหรับโรงไฟฟ้าที่ใช้แก๊สธรรมชาติ สูงได้ถึง 180 ppm สำหรับโรงไฟฟ้าที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิง และ 200 ppm สำหรับโรงไฟฟ้าถ่านหินและเชื้อเพลิงชนิดอื่น (ดูเอกสารแนบใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๘๐ วันศุกร์ที่ ๓๐ ธันวาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัศ ๕๓ (ตอนที่ ๑๐)" เรื่อง "กำหนดมาตรฐานควบคุมการปล่อยทิ้งอากาศเสียจากโรงไฟฟ้าใหม่") ซึ่งจากสิทธิบัตรที่ก่อนหน้าเคยค้นมานั้นก็ดูเหมือนว่ายุคแรก ๆ ผู้จดสิทธิบัตรจะเป็นทางญี่ปุ่นซะเป็นส่วนใหญ่ด้วย

๖. แต่ทางโรงไฟฟ้าเองก็ได้ตั้งเป้าควบคุมให้ NOx ที่ออกมานั้นอยู่ในระดับตัวเลข 2 หลัก ทั้งนี้เพราะเวลานำไปคำนวณผลกระทบทางด้านสิ่งแวดล้อม จะทำให้ได้ภาพที่ดีขึ้นไปอีก

๗. ข้อมูลอีกตัวหนึ่งที่ได้มาคือ "ความชื้นสัมพัทธ์" ในอากาศส่งผลถึงการเกิด NOx ถ้าอากาศที่ใช้ในการเผาไหม้มีความชื้นสัมพัทธ์ต่ำ จะเกิด NOx มาก แต่ถ้าอากาศที่ใช้เผาไหม้มีความชื้นสัมพัทธ์สูง จะเกิด NOx น้อย เหตุผลตรงนี้ทางวิศวกรท่านนั้นบอกว่าท่านก็ไม่ทราบเหมือนกันว่าเป็นเพราะเหตุใด

การเผาแก๊สธรรมชาติ MO Memoir : Sunday 27 December 2552

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