1. การใช้งานเตาอุตสาหกรรม เตาอุตสาหกรรมจัดเป็นอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานความร้อนมากอุปกรณ์หนึ่งในโรงงานอุตสาหกรรม เตาอุตสาหกรรมมีใช้งานในโรงงานหลายประเภท เช่น โรงงานถลุงเหล็ก โรงงานหล่อ โรงงานรีดเหล็ก โรงงานแก้ว โรงงานปูนซีเมนต์ โรงงานเคมี ตลอดจนโรงงานกำจัดขยะ เป็นต้น เตาอุตสาหกรรมที่ใช้งานในโรงงานอุตสาหกรรมแต่ละประเภท จะมีลักษณะและการทำงานแตกต่างกันไป เช่น เตาถลุงเหล็ก (BLAST FURNACE) มีลักษณะเป็นปล่อง สินแร่และถ่านโค้ก ถูกป้อนจากด้านบน ขณะที่อากาศเข้าเผาไหม้ช่วงกลาง น้ำเหล็กลงสู่ถาดด้านล่าง เตาอุ่นเหล็กก่อนรีด แท่งเหล็กถูกเลื่อนเข้าไปในเตาอย่างต่อเนื่อง เตาเผาเซรามิคส์ ชิ้นงานจะบรรจุบนรถเข็นเคลื่อนที่เข้าไปในเตา หรือเตาเผาซีเมนต์ที่เป็นทรงกระบอกหมุน มีหัวเผาอยู่ที่แกนกลาง เป็นต้น เตาอุตสาหกรรมประเภทต่างๆ แสดงในรูปที่ 2-1

เตาอุตสาหกรรมมีโครงสร้างและการทำงานแตกต่างกันมาก แต่เมื่อพิจารณาถึงองค์ประกอบพื้นฐานแล้ว เตาอุตสาหกรรมจะมีองค์ประกอบ 6 ส่วน ได้แก่ • ฐานเตา เปลือกเตา เป็นโครงสร้างเพื่อยึดฉนวนความร้อน • ฉนวนความร้อน ได้แก่อิฐทนไฟ ฯลฯ • ห้องเผาไหม้ • ส่วนลำเลียงชิ้นงาน มีทั้งแบบต่อเนื่อง และแบบทำงานเป็นรอบ • ส่วนควบคุม ทำหน้าที่ควบคุมอุณหภูมิ ความดัน และลำเลียงชิ้นงาน • อุปกรณ์นำความร้อนทิ้งกลับมาใช้ พลังงานที่ใช้กับเตาอุตสาหกรรม เตาอุตสาหกรรมแต่ละประเภทจะทำงานที่อุณหภมิแตกต่างกันตามลักษณะการใช้งาน ดังตารางที่ 2-1 ซึ่งจะส่งผลให้มีการใช้พลังงานที่แตกต่างกัน โดยเตาอุตสาหกรรมที่ต้องการอุณหภูมิสูงจะเกิดการสูญเสียความร้อนสูงกว่าเตาที่ใช้อุณหภูมิต่ำ ตารางที่ 2-1 อุณหภูมิทำงานของเตาอุตสาหกรรม ประเภทเตา อุณหภูมิภายในเตา (OC) เตาอบเหล็ก เตาหลอมแก้ว เตาเผาเซรามิคส์ เตาเผาซีเมนต์ เตาเผากำจัดของเสีย 600 -1,100 1,000 -1,300 700 -1,100 650 -700 650 -1,000

อุณหภูมิที่สูงมีผลให้ก๊าซไอเสียที่ปล่อยทิ้งมีอุณหภูมิสูงตามไปด้วย ส่งผลให้เตาอุตสาหกรรมมีประสิทธิภาพต่ำ โดยทั่วไปเตาอุตสาหกรรมมีประสิทธิภาพเพียงร้อยละ 20-40 เท่านั้น หมายความว่า พลังงานที่ป้อนให้เตาอุตสาหกรรม 100 ส่วน จะให้ความร้อนกับชิ้นงาน 20-40 ส่วน ที่เหลือเป็นพลังงานสูญเสีย รูปที่ 2-2 แสดงการใช้พลังงานของเตาอบเหล็กซึ่งมีประสิทธิภาพร้อยละ 20-25 โดยสูญเสียพลังงานไปกับก๊าซไอเสียและความชื้นที่ปล่อยทิ้งร้อยละ 51-54 สูญเสียทางพื้นผิวร้อยละ 3 และการสูญเสียผ่านช่องเปิดร้อยละ 9 และการสูญเสียอื่นๆ ร้อยละ 8-15 รูปที่ 2-2 สมดุลพลังงานของเตาอบเหล็ก เชื้อเพลิง + อากาศ พลังงานที่ชิ้นงานได้รับ + พลังงานที่สูญเสียไปกับก๊าซ ไอเสีย + พลังงานสูญเสียผ่านพื้นผิว + พลังงานสูญเสีย ทางช่องเปิด + พลังงานสูญเสียจากน้ำระบายความร้อน + พลังงานสูญเสียจากสายพานลำเลียงชิ้นงาน + พลังงานสูญเสียอื่นๆ จากสมดุลพลังงานข้างต้นจะเห็นได้ว่า แนวทางการประหยัดพลังงานของเตาอุตสาหกรรม ก็คือ การทำให้การเผาไหม้สมบูรณ์ที่สุด การถ่ายเทความร้อนไปสู่ชิ้นงานให้มากที่สุด และการลดการสูญเสียพลังงานในรูปต่างๆ ให้เหลือน้อยที่สุด 2.2 แนวทางการปรับปรุงประสิทธิภาพเตาอุตสาหกรรม เราสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพเตาอุตสาหกรรมได้ดังนี้ (1) แนวทางการปรับปรุงประสิทธิภาพการเผาไหม้ (2) แนวทางการลดการสูญเสียความร้อนทางปล่องไอเสีย (3) แนวทางการลดการสูญเสียความร้อนผ่านพื้นผิว (4) แนวทางการลดการสูญเสียความร้อนจากช่องเปิดหรือรูรั่วของเตา (5) แนวทางการลดการสูญเสียความร้อนจากน้ำระบายความร้อน (1) แนวทางการปรับปรุงประสิทธิภาพการเผาไหม้ รูปที่ 2.1 -1 การเผาไหม้ เตาอุตสาหกรรมใช้หลักการของการเผาไหม้เช่นเดียวกับหม้อไอน้ำ กล่าวคือประสิทธิภาพของการเผาไหม้ ขึ้นอยู่กับ ชนิดของเชื้อเพลิง ปริมาณอากาศเข้าเผาไหม้ และลักษณะการเผาไหม้ ปริมาณอากาศเข้าเผาไหม้ที่เหมาะสม และเทคโนโลยีการเผาไหม้เชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ ได้กล่าวถึงในบทที่ 1 หม้อไอน้ำและระบบส่งจ่ายไอน้ำ หัวข้อ 1.2 (1) ในที่นี้จะขอเพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวเผาประสิทธิภาพสูงที่มีใช้เฉพาะในเตาอุตสาหกรรม ลักษณะของหัวเผาประสิทธิภาพสูง ปัจจุบันมีการพัฒนาหัวเผาให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น เพื่อใช้กับการเผาไหม้อุณหภูมิสูง เช่น เตาอุตสาหกรรม โดยอาศัยหลักการนำความร้อนเหลือทิ้งจากก๊าซไอเสียกลับมาอุ่นอากาศก่อนเข้าเผาไหม้ หัวเผาประเภทนี้มี 2 แบบ คือ แบบอุ่นตัวเอง (Self Recuperative Burner) ซึ่งจะดึงก๊าซร้อนจากการเผาไหม้ไหลสัมผัสผิวท่อของอากาศใหม่ที่เข้าเผาไหม้ หัวเผาแบบนี้ติดตั้งทดแทนหัวเผาเดิมได้ง่าย และสามารถประหยัดเชื้อเพลิงได้ถึงร้อยละ 30 ( ดูรูปที่ 2.1- 2 ก ) และอีกแบบหนึ่งคือ แบบรีเจนเนอร์เรทีฟ (Regenerative Burner) ซึ่งจะเป็นหัวเผาคู่ทำงานสลับกัน ขณะที่หัวเผาชุดที่ 1 ทำงาน ก๊าซไอเสียจากชุดที่ 1 จะถูกดูดเข้าไปอุ่นอากาศก่อนเข้าเผาไหม้ของชุดที่ 2 ซึ่งจะมีอุปกรณ์สะสมความร้อนไว้ใช้เมื่อหัวเผาชุดที่ 2 ติดขึ้น และทำงานสลับกันไปมา ( ดูรูปที่ 2.1-2 ข ) หัวเผาแบบนี้จะประหยัด เชื้อเพลิงได้ถึงร้อยละ 50 แต่จะมีใช้เฉพาะในเตาขนาดใหญ่ เช่น เตาหลอมแก้ว เตาหลอมเหล็ก เป็นต้น ดูรูปที่ 2.1-2 ข ) หัวเผาแบบนี้จะประหยัด เชื้อเพลิงได้ถึงร้อยละ 50 แต่จะมีใช้เฉพาะในเตาขนาดใหญ่ เช่น เตาหลอมแก้ว เตาหลอมเหล็ก เป็นต้น ก . หัวเผาแบบอุ่นตัวเอง ข . หัวเผาแบบรีเจนเนอร์เรทีฟ รูปที่ 2.1-2 หัวเผาประสิทธิภาพสูง ก๊าซไอเสียจากการเผาไหม้มีผลต่อสิ่งแวดล้อมดังนี้ ก๊าซไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้และมีผลต่อสิ่งแวดล้อมมี 4 ชนิด ดังนี้ • ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO 2 ) เป็นก๊าซที่เกิดจากการเผาไหม้สมบูรณ์ หลีกเลี่ยงไม่ได้ ก๊าซนี้จะทำให้โลกร้อนขึ้น หรือที่เรียกว่าก๊าซเรือนกระจก • ก๊าซคาร์บอนมอนนอกไซด์ (CO) เป็นก๊าซที่เกิดเฉพาะการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ ซึ่งเป็นอันตรายต่อผู้สูดดม • ก๊าซออกไซด์ของซัลเฟอร์ (SOx) เกิดจากเชื้อเพลิงที่มีกำมะถัน ( ซัลเฟอร์ ) เป็นองค์ประกอบ เช่น น้ำมันเตา น้ำมันดีเซล ถ่านหิน ก๊าซนี้มีผลให้เกิดฝนกรด สามารถแก้ไขโดยการใช้เชื้อเพลิงที่มีกำมะถันต่ำหรือติดตั้งระบบบำบัดก๊าซ • ก๊าซออกไซด์ของไนโตรเจน (NOx) เกิดจากการเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูง หรือ มีก๊าซออกซเจนเข้าเผาไหม้มาก ก๊าซนี้จะทำให้เกิดฝนกรดเช่นเดียวกัน และมีผลต่อสุขภาพประชาชน สามารถแก้ไขโดย หลีกเลี่ยงสภาวะที่ทำให้เกิด NOx หรืออาจใช้หัวเผาพิเศษชนิด NOx ต่ำ การควบคุมการเผาไหม้เตาอุตสาหกรรม โดยทั่วไปเตาอุตสาหกรรมจะมีระบบควบคุมการทำงาน โดยจะวัดอุณหภูมิภายในเตา เมื่ออุณหภูมิถึงค่าที่ตั้งไว้ ตัวควบคุมอุณหภูมิจะสั่งให้ลดการจ่ายเชื้อเพลิง พร้อมกันนี้ตัวควบคุมอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง ซึ่งมีหน้าที่ปรับให้อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงมีค่าตามที่ตั้งไว้ ก็จะสั่งลดอากาศเข้าเผาไหม้ให้สอดคล้องกัน นอกจากนั้นยังมีการควบคุมความดันภายในเตา โดยเซนเซอร์วัดความดันจะส่งสัญญาณไปยังบานปรับ (Damper) ของปล่องไอเสีย เพื่อควบคุมความดันภายในเตาให้มีค่าตามที่ต้องการ รูปที่ 2.1 - 3 ระบบควบคุมเตาอุตสาหกรรม การปรับปรุงประสิทธิภาพการเผาไหม้ให้ดีขึ้น เราสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการเผาไหม้ให้ดีขึ้นได้ ด้วยวิธีการต่อไปนี้ • ทำความสะอาดหัวเผาเชื้อเพลิงน้ำมันทุกสัปดาห์ และเชื้อเพลิงก๊าซทุกเดือน เขม่าหรือสิ่งสกปรกจะทำให้เชื้อเพลิงและอากาศไหลไม่สะดวก ไม่สามารถฉีดเป็นละอองได้ • ตรวจสอบสภาพการเผาไหม้ และปรับตั้งอากาศให้เป็นไปตามเกณฑ์ที่กล่าวถึงในตาราง 1.1- 1 ทุกเดือน • ควรทำเครื่องหมายไว้ที่เกจวัดความดันน้ำมันเชื้อเพลิง และหมั่นตรวจสอบว่าความดันยัง ใกล้เคียงค่าเดิม • ควบคุมอุณหภูมิน้ำมันเชื้อเพลิงที่เข้าเผาไหม้ให้เหมาะสม เชื้อเพลิงที่หนืดเกินไปจะกระจายเป็นละอองได้ไม่ดี ส่งผลให้ประสิทธิภาพการเผาไหม้ลดต่ำลง ขณะเดียวกันอุ่นร้อนเกินไปก็จะสิ้นเปลืองพลังงาน และส่วนประกอบในเชื้อเพลิงจะกลายเป็นไอก่อนเข้าเผาไหม้ อีกทั้งทำให้หัวเผาสกปรก ตารางที่ 2.1-1 อุณหภูมิอุ่นน้ำมันเชื้อเพลิงที่เหมาะสม เชื้อเพลิง อุณหภูมิอุ่นเชื้อเพลิงที่เหมาะสม (oC) น้ำมันเตาเอ น้ำมันเตาซี 90 -100 110 -120 • ล้างกรองน้ำมันเชื้อเพลิงเป็นประจำ และปล่อยน้ำก้นถังอย่างน้อยปีละครั้ง • กรณีเชื้อเพลิงแข็ง ควรลดความชื้นและขนาดของเชื้อเพลิงก่อนเข้าเผาไหม้ • ควรลดขนาดหัวเผา หากพบว่าหัวเผาทำงานที่ภาระต่ำอยู่ตลอด หรือหยุดบ่อย • ปรับตั้งทิศทางของหัวเผาให้เหมาะสม อย่าให้เปลวไฟสัมผัสวัตถุภายในเตาโดยตรง เพื่อไม่ให้เกิดปัญหาเขม่า และปรับความยาวของเปลวให้เหมาะสม อย่าให้ลอดออกทางปล่องควันหรือประตู • ถ้าใช้งานหัวเผาแบบธรรมดา ควรพิจารณาเปลี่ยนเป็นหัวแบบรีคูปเปอเรทีฟหรือรีเจนเนอร์เรทีฟที่มีการนำความ เ ชื้อเพลิงที่ป้อนให้เตาอุตสาหกรรมให้ความร้อนเท่าใด พลังงานความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้เชื้เพลิงในเตาอุตสาหกรรมจะขึ้นอยู่กับปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้และค่าความร้อนของเชื้อเพลิง ซึ่งเชื้อเพลิงแต่ละชนิดจะมีค่าความร้อนที่แตกต่างกันดังตารางที่ 1.1-5 Q C = x HL 2.1-1 เมื่อ Q C = ปริมาณความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ ; MJ/month = อัตราการใช้เชื้อเพลิง ; LJ/month หรือ kg/month HL = ค่าความร้อนต่ำของเชื้อเพลิง ; MJ/L หรือ MJ/kg หรือ Nm 3 /kg ตัวอย่างการหาปริมาณความร้อน โรงงาน ECON มีการใช้น้ำมันดีเซลกับเตาอบเหล็ก 12,000 ลิตรต่อเดือน จะคิดเป็นพลังงานความร้อนที่ป้อนให้เตาอบเหล็ก = 12,000 L x 36.415 MJ/L คิดเป็นพลังงาน = 436,980 MJ/month อัตราส่วนอากาศ อัตราส่วนอากาศ (Air Ratio) เป็นค่าที่บอกว่าอากาศเข้าเผาไหม้มากกว่าอากาศที่พอดีเท่าไร หรือกี่เท่า เช่น เชื้อเพลิงเหลวเราควบคุมให้อากาศส่วนเกินจากพอดีมาร้อยละ 20 หมายความว่า อัตราส่วนอากาศเท่ากับ 120/100 =1.2 เป็นต้น ซึ่งสามารถคำนวณจากร้อยละของปริมาณก๊าซออกซิเจนในก๊าซไอเสียดังนี้ m = 2.1-2 เมื่อ m = อัตราส่วนอากาศ O 2 = ร้อยละของก๊าซออกซิเจนในก๊าซไอเสีย (%) ตัวอย่างการหาอัตราส่วนอากาศ โรงงาน ECON ใช้เตาอบชุบเหล็กแบบทำงานต่อเนื่อง ซึ่งจากการตรวจวัดก๊าซออกซิเจนในก๊าซไอเสียพบว่า มีปริมาณก๊าซออกซิเจน 8% จงหาอัตราส่วนอากาศว่าเกินมาตรฐานของเตาหรือไม่ m = 21/(21-O 2 ) = 21/(21-8) = 1.615 ค่าอัตราส่วนอากาศ 1.615 เกินมาตรฐานอัตราส่วนอากาศ จากตารางที่ 2.2-1 ควรมีค่าไม่เกิน 1.3 ดังนั้นโรงงานควรลดปริมาณอากาศที่เข้าเผาไหม้ลง