เชื้อเพลิงและการเผาไหม้

เชื้อเพลิงและการเผาไหม้ ประเภทเชื้อเพลิง แบ่งออกเป็น 3 ชนิด  เชื้อเพลิงแข็ง  เชื้อเพลิงเหลว  เชื้อเพลิงก๊าซ

เชื้อเพลิงแข็ง เชื้อเพลิงที่มีสถานะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง เช่น ไม้ ฟืน ถ่านไม้ แกลบ หินน้ำมัน ถ่านหิน ลิกไนต์ ถ่านโค้ก เชื้อเพลิงอัดแท่ง (fuel briquetts) เป็นต้น เป็นเชื้อเพลิงที่สมารถใช้ประโยชน์ได้แพร่หลาย เช่น เป็นเชื้อเพลิงของหม้อน้ำในโรงงานอุตสาหกรรม โรงจักรกังหันไอน้ำ ตลอดจนเป็นเชื้อเพลิงในครัวเรือน โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ่านโค้กซึ่งนิยมใช้ในอุตสาหกรรมผลิตเหล็ก

เชื้อเพลิงเหลว เชื้อเพลิงที่มีสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง เช่น ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกลั่นน้ำมันปิโตรเลียม ได้แก่ น้ำมันเบนซิน น้ำมันก๊าด น้ำมันดีเซล น้ำมันเตา (fuel oil) เป็นต้น ตลอดจนแอลกอฮอล์ซึ่งได้จากกรรมวิธีการผลิตจากพืชผลทางการเกษตร เชื้อเพลิงเหลวเป็นเชื้อเพลิงที่นิยมใช้กันมากในอุตสาหกรรมต่างๆ และยานพาหนะ เพราะสะดวกในการใช้และให้ค่าความร้อนสูง

เชื้อเพลิงก๊าซ เชื้อเพลิงที่มีสถานะเป็นก๊าซที่อุณหภูมิห้อง เช่น ก๊าซธรรมชาติ ก๊าซหุงต้ม (LPG) ก๊าซชีวภาพ ก๊าซชีวมวล เป็นต้น เป็นเชื้อเพลิงที่นิยมใช้ในครัวเรือน ยานพาหนะ และอุตสาหกรรม

การเปรียบเทียบเชื้อเพลิง

การสันดาปของเชื้อเพลิง คือ การเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างองค์ประกอบของเชื้อเพลิง เช่น คาร์บอน ไฮโดรเจน กำมะถัน กับออกซิเจน แล้วกลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และก๊าซซัลเฟอร์ออกไซด์ (SOx) เป็นต้น พร้อมกับคายความร้อนจำนวนมากออกมา ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ โดยปฏิกิริยาเคมีพื้นฐานของการสันดาป สามารถแสดงได้ดังนี้

การสันดาปของเชื้อเพลิง C + O2 CO2 + 97,000 kcal / kmol C + 1O2 CO2 + 29,400 kcal / kmol 2 S + O2 SO2 + 80,000 kcal / kmol H2 + 1O2 H2O2(g) + 57,600 kcal / kmol C + 1O2 CO2 + 67,600 kcal / kmol H2 + 1O2 H2O2(1) + 68,300 kcal / kmol

ค่าความร้อนสูงจากการสันดาปขององค์ประกอบที่สำคัญของเชื้อเพลิง สาร ผลที่ได้จากการสันดาป สมการเคมี ค่าความร้อนสูง kcal/kg คาร์บอน คาร์บอนไดออกไซด์ C + O2 CO2 8,080 คาร์บอน คาร์บอนมอนนอกไซด์ C + 1/2 O2 CO 2,450 คาร์บอนมอน คาร์บอนไดออกไซด์ C + 1/2 O2 CO2 2,400 นอกไซด์ ไฮโดรเจน น้ำ (ของเหลว) H2 + 1/2 O2 H2O 34,200 น้ำ (ไอน้ำ) 28,000 กำมะถัน ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ S + O2 SO2 2,500

ค่าความร้อนของเชื้อเพลิงแข็ง เชื้อเพลิง ค่าความร้อนสูง (kcal/kg) ถ่านหิน 4,500 - 7,500 ลิกไนต์ 3,000 - 5,000 ถ่านโค้ก 6,000 - 7,000 เชื้อเพลิงอัดแท่ง 5,000 - 7,500 ถ่านไม้ 6,700 - 7,500 ฟืน 3,000 - 4,000

ค่าความร้อนของเชื้อเพลิงเหลว เชื้อเพลิง ค่าความร้อนสูง (kcal/kg) Volatile oil 11,000 - 11,500 น้ำมันปิโตรเลียม 10,000 - 10,500 น้ำมันก๊าด 10,500 - 11,000 light oil 10,500 - 11,000 น้ำมันเตา 10,000 - 10,800

ค่าความร้อนของเชื้อเพลิงก๊าซ เชื้อเพลิงก๊าซประกอบด้วยส่วนผสมของก๊าซ H2, CO และก๊าซไฮโดรคาร์บอน (CmHn) ต่างๆ ถ้าเราทราบองค์ประกอบของเชื้อเพลิงก๊าซ จะสามารถคำนวณหาค่าความร้อนของเชื้อเพลิงได้

ค่าความร้อนของเชื้อเพลิงก๊าซ เมื่อเชื้อเพลิงปริมาตร 1 Nm3 มีปริมาตรของ H2, CO และ CmHn = h2, co และ cmhn Nm3 ตามลำดับ จะได้ HHV = 3,020 co + 3,050 h2 + 9,520 ch4 + 16,850 c2h6 + 15,290 c2h4 + 24,160 c3h8 + 31,590 c4h10 kcal / Nm3 LHV = HHV – 480 (h2 + 2 ch4 + 3 c2h6 + 2 c2h2 + 4 c3h8 + 5 c4h10 +………. n Cmhn kcal / Nm3 2

ค่าความร้อนของเชื้อเพลิงก๊าซ เชื้อเพลิง ค่าความร้อนสูง (kcal/kg) ไฮโดรเจน H2 3,050 คาร์บอนมอนนอกไซด์ CO 3,020 มีเธน CH4 9,520 อีเธน C2H6 16,850 เอทธิลีน C2H4 15,290 โพรเพน C3H8 24,160 โพรพิลีน C3H6 22,350 บิวเธน C4H10 31,590 บิวธิลีน C4H8 29,810

ค่า (CO2)max โดยประมาณของเชื้อเพลิง ก๊าซธรรมชาติชื้น 10.6 ก๊าซธรรมชาติแห้ง 11.5 oil gas 11.4 - 12.2 LPG 13.8 - 15.1 Coal gas 11 น้ำมันเชื้อเพลิง 15 - 16 ถ่านหินแอนทราไซด์ 19 - 20 ถ่านโค้ก 20.6 คาร์บอน 21

การสันดาปของเชื้อเพลิงก๊าซชนิดต่าง ๆ ชนิดของก๊าซ ปฎิกิริยาเคมี สำหรับก๊าซ 1 Nm3 O2 ที่ใช้ไป Nm3 ไฮโดรเจน H2 + 1/2O2 H2O 0.5 คาร์บอนมอนนอกไซด์ CO + 1/2O2 CO2 0.5 มีเธน CH4 + 2O2 CO2+ 2H2O 2 อีเธน C2H6 + 7/2O2 2CO2+ 3H2O 3.5 เอทธิลีน C2H4 + 3O2 2CO2+ 2H2O 3 อะเซติลีน C2H2 + 5/2O2 2CO2+ H2O 2.5 โพรเพน C3H8 + 5O2 3CO2+ 4H2O 5

การสันดาปของเชื้อเพลิงก๊าซชนิดต่าง ๆ (ต่อ) การสันดาปของเชื้อเพลิงก๊าซชนิดต่าง ๆ (ต่อ) ชนิดของก๊าซ ปฎิกิริยาเคมี สำหรับก๊าซ 1 Nm3 O2 ที่ใช้ไป Nm3 โพรพิลีน C3H6 + 9/2O2 3CO2+ 3H2O 4.5 บิวเธน C4H10 + 13/2O2 4CO2+ 5H2O 6.5 บิวธิลีน C4H8 + 6O2 4CO2+ 4H2O 6 ก๊าซไฮโดรคาร์บอนทั่วไป CmHn + (m + n)O2 mCO2+ nH2O 5 4 2

ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความร้อนต่ำ LHV และ Ath , Go (โดย Rosin) เชื้อเพลิงแข็ง 1.01 LHV + 0.5 Nm3/kg 0.89 LHV + 1.65 Nm3/kg (LHV ; kcal/kg เชื้อเพลิง) 1,000 เชื้อเพลิง 1,000 เชื้อเพลิง เชื้อเพลิงเหลว 0.85 LHV + 2.0 Nm3/kg 0.89 LHV + 1.65 Nm3/kg

ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความร้อนต่ำ LHV และ Ath , Go (โดย Rosin) (ต่อ) เชื้อเพลิงก๊าซชนิดค่าความร้อนต่ำ 0.875 LHV Nm3/ Nm3 0.725 LHV + 1.0 Nm3/ Nm3 (LHV500-3,000 kcal/ Nm3เชื้อเพลิง 1,000 เชื้อเพลิง 1,000 เชื้อเพลิง เชื้อเพลิงก๊าซชนิดค่าความร้อนสูง 1.09 LHV - 0.25 Nm3/ Nm3 1.14 LHV + 0.25 Nm3/ Nm3 (LHV4,500-7,000 kcal/ Nm3เชื้อเพลิง 1,000 เชื้อเพลิง 1,000 เชื้อเพลิง

การเลือกใช้เชื้อเพลิงให้เหมาะสม การเลือกชนิดของเชื้อเพลิงให้เหมาะสม จะเป็นวิธีช่วยลดค่าใช้จ่ายในการซื้อเชื้อเพลิงลง อย่างไรก็ตามก็ดีมีปัจจัยอื่น ๆ ที่จะต้องพิจารณาควบคู่ไปด้วย เช่น ราคาที่จะต้องเปลี่ยนระบบการป้อนเชื้อเพลิงของเครื่องจักร อุปกรณ์ดังฝุ่นเพื่อลดภาระสิ่งแวดล้อม การขนส่งการเก็บสต็อคเพื่อป้องกันการโดนความชื้นจากน้ำฝน ค่าความร้อนของเชื้อเพลิง ราคาของเชื้อเพลิงต่อหน่วยความร้อน จึงจะสามารถเปรียบเทียบการคุ้มทุนในการเปลี่ยนเชื้อเพลิง โดยตารางข้างล่างกับตัวอย่างจะแสดงถึงการประหยัดเชื้อเพลิง ซึ่งการประหยัดเชื้อเพลิงโดยการชนิดของเชื้อเพลิงอาจจะเป็นการเปลี่ยนชนิดของน้ำมันเตา จากเกรด A มาเป็นเกรด C หรือ D

เปรียบเทียบเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ ถ.พ. 60 / 66 OF API 60 OC ค่าความร้อน kJ / kg. ราคา บาท/ลิตร บาท / GJ ก๊าซหุงต้ม 0.5280 136.5 49,7400 6.13 123.24 น้ำมันก๊าด 0.7883 48.0 43,143 8.33 193.04 น้ำมันเตา A 0.9334 20.1 39,248 3.42 84.14 น้ำมันเตา B 0.9433 18.5 3.18 81 น้ำมันเตา C 0.9503 16.2 39,106 2.95 76.20 น้ำมันเตา D 0.9570 2.92 74.67 ลิกไนท์ 16,748 0.75 บาท/กก. 45 แกลบ 12,561 0.30 บาท/กก. 24 ไม้ฟืนและขี้เลื่อย 14,654 0.50 บาท/กก 34

เปรียบเทียบเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ เปรียบเทียบค่าความร้อนระหว่างน้ำมันกับลิกไนต์ได้ Hu’ ค่าความร้อนของน้ำมัน 39,106 KJ / kg B’ ประสิทธิภาพของหม้อน้ำที่ใช้น้ำมัน 80 % Bu ค่าความร้อนของลิกไนต์ 16,748 KJ / kg B ประสิทธิภาพของหม้อน้ำที่ใช้ลิกไนต์ 70 % (Hu’ x B’) / (Hu x B) = (39,106 x 0.80) / (16,748 x 0.70) = 2.66 kg.

เปรียบเทียบเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ เปรียบเทียบค่าใช้จ่ายในการผลิตไอน้ำต่อ 1 ตัน ราคาน้ำมันเตาในกรุงเทพฯ = 3.08 บาท / กก. ราคาลิกไนต์ในกรุงเทพฯ = 0.75 บาท / กก. E = ค่าความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 ลิตร กลายเป็นไอ = 2.65 KJ / kg.

เปรียบเทียบเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ ค่าใช้จ่ายในการผลิตไอน้ำ 1 ตัน ถ้าใช้น้ำมัน = (ราคาน้ำมัน x 1,000 x E) / (Hu’ x B) = (3.08 x 1,000 x 2,654) / (39,106 x 0.80) = 260 บาท / ตันไอน้ำ ค่าใช้จ่ายในการผลิตไอน้ำ 1 ตัน ถ้าใช้ลิกไนต์ = (ราคาลิกไนต์ x 1,000 x E) / (Hu x B) = (0.75 x 1,000 x 2,654) / (16,784 x 0.70) = 169 บาท / ตันไอน้ำ ในการผลิตไอน้ำ 1 ตัน ถ้าใช้ลิกไนต์เป็นเชื้อเพลิงจะประหยัดได้ = 260 -169 = 91 บาท

เปรียบเทียบเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ ตัวอย่าง การคำนวณค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิงที่ลดลงจากการใช้ลิกไนต์แทนน้ำมันเชื้อเพลิงเกรด C ในหม้อน้ำขนาด 8 ตัน / ชม. ความดัน 10 บาร์ เวลาทำงาน 24 ชม./วัน ใน 1 ปี ทำงาน 280 วัน น้ำมัน = 4,437,888 กก. / ปี x 3.08 บาท / กก. = 13,668,695 บาท ลิกไนต์ = 10,228,446.72 กก. / ปี x 0.75 บาท / กก. = 7,671,335 บาท ฉะนั้น การประหยัดเมื่อใช้ลิกไนต์ = 5,997,360 บาทต่อปี

เปรียบเทียบเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ จะเห็นได้ว่าหากโรงงานอุตสาหกรรมเปลี่ยนหม้อน้ำใหม่ขนาด 8 ตัน / ชม. ความดัน 10 บาร์โดยใช้ลิกไนต์เป็นเชื้อเพลิงจะประหยัดค่าใช้จ่ายลงได้กว่า 5 ล้านบาท ต่อปี อย่างไรก็ตามจะต้องคำนึงถึงค่าลงทุนสำหรับหม้อน้ำที่ใช้ลิกไนต์ ซึ่งมักจะสูงกว่าหม้อน้ำขนาดเดียวกัน ที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงด้วย

จบการบรรยาย