1.บทนำ

การผลิตไฟฟ้าที่ใช้พลังงานความร้อนโดยส่วนใหญ่แล้วจะใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งมีอยู่มากกว่าครึ่งหนึ่งของโรงไฟฟ้าทั้งหมดทั่วโลกเลยทีเดียว แต่สำหรับในประเทศไทยมีการใช้แกลบเป็นเชื้อเพลิงอยู่บ้าง คุณสมบัติของถ่านหินนั้นไม่ค่อยคงที่สม่ำเสมอ ขึ้นอยู่กับสถานที่ที่แหล่งถ่านหินนั้นถูกขุดขึ้นมาใช้  ในบางครั้งถ่านหินจากแหล่งเดียวกันแต่อยู่ในระดับความลึกที่แตกต่างกันก็อาจมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันได้เช่นกัน คุณภาพของถ่านหินที่แตกต่างกันนั้น ได้แก่ คุณสมบัติทางเคมี ค่าความร้อนของถ่านหิน และขี้เถ้าที่เหลือจากการเผาไหม้ คุณสมบัติของขี้เถ้าที่เหลือจากการเผาไหม้นั้นยังขึ้นอยู่กับ การทำงานของหม้อไอน้ำ, ขบวนการสันดาป, ปริมาณอากาศที่ใช้ในการสันดาปอีกด้วย จากเหตุผลข้างต้นทำให้ขี้เถ้าที่ได้มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันไปทั้งส่วนประกอบทางเคมี ขนาดและปริมาณของขี้เถ้า ระบบที่ใช้สำหรับการขนถ่ายขี้เถ้านั้นจะต้องสามารถขนถ่ายขี้เถ้าที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันออกไป ดังนั้นการออกแบบระบบขนถ่ายขี้เถ้าที่ไม่สมบูรณ์อาจเป็นเหตุให้การทำงานของโรงไฟฟ้าหยุดชะงักลงได้

2.การเกิดขี้เถ้าจากการเผาไหม้

ถ่านหินจะอยู่ในรูปของ ถ่านหินที่ถูกบดจนมีขนาดเหมาะกับการเผาไหม้และในระหว่างการเผาไหม้จะเกิดเปลวของเถ้าถ่านกระเด็นกระดอนอยู่ภายในเตาเผา ซึ่งบางครั้งเถ้าถ่านเหล่านี้จะหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงแล้วรวมตัวกันเป็นตะกรัน(Slag)เมื่อรวมตัวกันมากขึ้นตะกรันเหล่านี้จะเป็นตัวต้านทานการถ่ายเทความร้อนทำให้ประสิทธิภาพของหม้อน้ำลดลง การป้องกันการรวมตัวกันของขี้เถ้าเป็นตะกรันทำได้โดยใช้พัดลมเป่าให้ตะกรันหลุดออกไป จากนั้นขี้เถ้าขนาดใหญ่จะตกลงไปสู่ถังเก็บขี้เถ้าที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งเรียกว่า “Furnace Bottom Ash” (FBA) ส่วนขี้เถ้าที่มีขนาดเล็กจะลอยไปกับก๊าซร้อน (Flue gas)  จะถูกอุปกรณ์ดักฝุ่นกักเก็บไว้ก่อนที่จะปล่อยก๊าซร้อนทิ้งทางปล่องควัน ขี้เถ้าที่ลอยไปกับอากาศร้อนนี้เรียกว่า “Palverised Fuel Ash” (PFA) หรือเถ้าลอย

รูปที่ 1 เส้นทางการไหลของก๊าซ (flue gas)

ปริมาณโดยประมาณของขี้เถ้าขนาดใหญ่ (FBA) จะมีประมาณ 8 -15% ส่วนที่เถ้าลอย (PFA) จะมีประมาณ 85-90% ซึ่ง เถ้าลอย จะถูกกักเก็บไว้ในส่วนต่าง ๆ ตามเส้นทางการไหลของก๊าซร้อนในปริมาณคือ

-  Economizer (อุปกรณ์อุ่นน้ำเลี้ยง)              5-12%

ปริมาณเถ้าลอยและเส้นทางเดินของก๊าซร้อน (flue gas) ได้แสดงไว้ในรูปที่ 1

ปริมาณของขี้เถ้านั้นจะขึ้นอยู่กับคุณภาพของถ่านหิน, ขบวนการสันดาปในหม้อน้ำ และตัวแปรอื่นที่กล่าวไว้ข้างต้น ขบวนการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์จะเป็นผลให้เกิดสารคาร์บอนที่ไม่ถูกเผาไหม้ในขี้เถ้าขึ้นโดยที่คาร์บอนที่อยู่ในขี้เถ้าจะทำให้ขี้เถ้ามีสีดำ ถ่านหินที่ดีจะมีปริมาณขี้เถ้า 6-8% ในขณะที่ถ่านหินคุณภาพต่ำจะมีปริมาณขี้เถ้าสูงถึง 45% ทีเดียว

3.1 คุณสมบัติทางเคมี ส่วนประกอบทางเคมีที่สำคัญของขี้เถ้าได้แก่

ซึ่งซิลิกอนออกไซด์อาจมีปริมาณสูงถึง 65% ในขณะที่อะลูมิเนียมออกไซด์จะมีค่าอยู่ระหว่าง 15-30% ซึ่งส่วนประกอบทั้ง 2 นี้ มีคุณสมบัติที่มีความแข็งคม โดยมีความคมสูงถึง 8 โมห์สเกล (8 Mhos scale hardness) ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ขี้เถ้าเป็นวัสดุที่แข็งคม และจะทำให้วัสดุที่สัมผัสกับขี้เถ้าเกิดการสึกหรอขึ้นได้ ส่วนประกอบของขี้เถ้า โดยประมาณได้แสดงไว้ดังตารางที่ 1

3.2 ขนาดและอุณหภูมิของขี้เถ้า ขนาดของเถ้าลอย (PFA) ที่ถูกดักไว้ด้วยอุปกรณ์ต่างๆ จะมีขนาดที่แตกต่างกันออกไป โดยขนาดของขี้เถ้าที่ถูกดักไว้ที่อุปกรณ์จะมีขนาดเล็กลงไปเรื่อยๆ จากต้นทางไปยังปลายทางที่ปล่อยควันดังรูปที่ 1 ฝุ่นที่ถูกดักไว้ที่ตัวดักฝุ่นแบบไฟฟ้าสถิต (EP) จะมีปริมาณ ประมาณ 70-85% ซึ่งจากที่กล่าวมาคุณสมบัติของถ่านหินที่แตกต่างกันไป ทำให้ขนาดของขี้เถ้าแตกต่างกันออกไปด้วย ดังนั้นในตารางที่ 2 เป็นขนาดของขี้เถ้าโดยประมาณ  ซึ่งขนาดเหล่านี้อาจเปลี่ยนแปลงได้ตามคุณสมบัติของถ่านหินและขบวนการเผาไหม้ที่แตกต่างกันไป

ตารางที่ 2 ขนาดและอุณหภูมิของขี้เถ้าลอย

3.3 รูปร่างและความหนาแน่น  ขี้เถ้าที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้ในหม้อน้ำ โดยทั่วไปจะมีลักษณะเป็นวงที่มีผิวลื่นเหมือนกระจก และจากการใช้กล้องขยายดังรูปที่ 2  พบว่ารูปร่างของขี้เถ้านั้น สามารถเปลี่ยนแปลงได้จากการหลอมเหลวและรวมตัวกันของขี้เถ้า

รูปที่ 2 ลักษณะของขี้เถ้า

ในกรณีที่วัสดุที่จะขนถ่ายโดยระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลมนั้นมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันมาก ดังนั้นความหนาแน่นที่ปรากฏ (Bulk Density) ของวัสดุก็จะมีค่าที่แตกต่างกันไปด้วย  ความหนาแน่นที่ปรากฏจะเป็นตัวกำหนดขนาดของอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลม ส่วนความหนาแน่นจริง (Particle Density) ของวัสดุจะมีอิทธิพลต่อความเร็วที่แตกต่างกันของความเร็วลมและความเร็ววัสดุ (Slip Velocity) ในระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลม โดยส่วนมากแล้วขี้เถ้าจะมีความหนาแน่นที่ปรากฏประมาณ 720 kg/m3 และมีความหนาแน่นจริง 1800 kg/m3

3.4 ถังเก็บสะสมขี้เถ้า  ขี้เถ้าจากการเผาไหม้ปริมาณ 75% จะถูกดักเก็บไว้ได้ด้วยตัวเก็บฝุ่นแบบไฟฟ้าสถิต โดยที่ลักษณะของถังเก็บสะสมขี้เถ้าที่เก็บไว้ได้นั้น จะมีหลายตำแหน่งตามตัวเก็บฝุ่น ตัวอย่างเช่น ตัวเก็บฝุ่นแบบไฟฟ้าสถิตมี 6 ส่วน ในแต่ละส่วนจะมีถังเก็บฝุ่น จำนวน 8 ใบ ซึ่งมีทิศทางการไหลของก๊าซดังรูปที่ 3

ในส่วนแรกของถังเก็บวัสดุจะสามารถเก็บฝุ่นไว้ได้มากที่สุดคือจะสามารถเก็บฝุ่นไว้ได้ 70-80% ของฝุ่นที่เก็บไว้ได้ด้วยตัวดักฝุ่นแบบไฟฟ้าสถิต สำหรับในส่วนที่ 2 ถึง 6 จะเก็บฝุ่นไว้ได้น้อยลงตามสัดส่วนไป ในกรณีที่ส่วนที่ 1 ของตัวดักฝุ่นเสียหายไม่สามารถทำงานได้ ส่วนที่ 2 จะต้องสามารถเก็บกักฝุ่นขี้เถ้าไว้ได้ในปริมาณที่ส่วนที่ 1 เก็บไว้ได้เช่นกัน ขนาดของถังเก็บสะสมขี้เถ้าจะต้องมีขนาดใหญ่เพียงพอที่จะเก็บฝุ่นขี้เถ้าได้อย่างน้อย 24 ชั่วโมงการทำงาน การออกแบบระบบขนถ่ายขี้เถ้าจะต้องพิจารณาปริมาณขี้เถ้าที่ถูกเก็บสะสมไว้ในแต่ละส่วนของตัวดักฝุ่นขี้เถ้าด้วย

รูปที่ 3  ถังเก็บสะสมขี้เถ้า

ทิศทางการขนถ่ายขี้เถ้าที่เก็บสะสมในถังเก็บขี้เถ้าสามารถทำได้ใน 2 ลักษณะ คือ ในทิศทางขนานกับการไหลของแก๊สและในทิศทางตั้งฉากกับการไหลของก๊าซ การขนถ่ายในทิศทางขนานกับการไหลของก๊าซจะทำให้ขี้เถ้าที่เก็บสะสมไว้ในส่วนต่างๆ ของตัวเก็บฝุ่น  ในแต่ละส่วนนั้นจะมีขนาดวัสดุที่แตกต่างกันไปจึงทำให้วัสดุมีการผสมกันของวัสดุที่มีขนาดแตกต่างกัน ส่วนการขนถ่ายในทิศทางตั้งฉากกับการไหลของก๊าซ  จะทำให้ขี้เถ้าที่มีขนาดใกล้เคียงกัน  เนื่องจากเป็นวัสดุที่ถูกกักเก็บไว้โดยตัวดักฝุ่นในส่วนเดียวกัน ทั้งนี้การขนถ่ายขี้เถ้าจะขึ้นอยู่กับการนำขี้เถ้าไปใช้ประโยชน์ต่อไป เช่น ขี้เถ้าที่มีความละเอียดมากอาจจะถูกนำไปผสมกับปูนซีเมนต์สำหรับงานก่อสร้างต่างๆ เป็นต้น  ดังนั้นการออกแบบระบบขนถ่ายขี้เถ้าจะต้องพิจารณาการนำขี้เถ้าไปใช้งานต่อไปด้วย

4 . การเลือกใช้อุปกรณ์ขนถ่ายวัสดุ

การเลือกใช้อุปกรณ์ขนถ่ายขี้เถ้านั้นจะต้องคำนึงถึง คุณสมบัติของขี้เถ้า, ปริมาณขี้เถ้า และการนำไปใช้งาน ซึ่งอุปกรณ์ขนถ่ายนั้น อาจใช้อุปกรณ์ขนถ่ายทางกล, การขนถ่ายด้วยของเหลวหรือการขนถ่ายด้วยลม  อธิบายในรายละเอียดต่อไป

4.1 การขนถ่ายด้วยของเหลว (Hydraulic Conveyor) การขนถ่ายขี้เถ้าด้วยของเหลวนั้น  เป็นการขนถ่ายที่สามารถขนได้ระยะทางไกลมาก   อาจมีระยะทางขนถ่ายสูงหลายกิโลเมตรเลยทีเดียว

ขั้นตอนการขนถ่ายวัสดุโดยใช้ของเหลว  ขี้เถ้าจากถังเก็บขี้เถ้าจะถูกนำมาผสมกับน้ำ  จากนั้นจะถูกปั๊มน้ำพาขี้เถ้าที่อยู่ในรูปของโคลน (slurry) ส่งผ่านช่องทางเปิดไปยังบ่อเก็บ จากบ่อเก็บจะทำการขนไปยังบ่อเก็บขนาดใหญ่อีกทีหนึ่ง การขนถ่ายด้วยน้ำนั้นควรให้มีความเข้มข้นของขี้เถ้าสูง  อาจสูงถึง 70% เพื่อให้ประหยัดน้ำและพลังงานที่ใช้ขน

การขนถ่ายขี้เถ้าด้วยของเหลวนี้จะทำให้เกิดมลภาวะที่บ่อเก็บขี้เถ้า  อีกทั้งยังทำให้การใช้ประโยชน์จากขี้เถ้าลดลงเนื่องจากการนำขี้เถ้าไปใช้งานส่วนใหญ่จะใช้ขี้เถ้าที่อยู่ในสภาพแห้งอีกด้วย

4.2 ระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลม (Pneumatic Conveyor)  ระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลมเป็นระบบที่มีความเหมาะสมสำหรับการขนถ่ายวัสดุที่แห้งและไหลได้ง่ายรวมไปถึงขี้เถ้าด้วย  ระบบจะประกอบไปด้วยส่วนที่สำคัญ 4 ส่วน คือ

4. ตัวแยกวัสดุกับอากาศ

รูปที่ 4  ส่วนประกอบของระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลม

การขนถ่ายวัสดุด้วยลมนั้นเราสามารถแบ่งตามลักษณะการไหลของวัสดุได้เป็น 2 แบบ คือ การไหลแบบเบาบาง และการไหลแบบหนาแน่น  ลักษณะการไหลของวัสดุเป็นดังรูปที่ 5

รูปที่ 5  การไหลแบบเบาบาง และการไหลแบบหนาแน่น

การแบ่งลักษณะการไหลของวัสดุในระบบนั้น เราจะใช้ความเร็วลมต่ำสุดในการพาวัสดุไปได้ในท่อตามแนวระดับ (Saltation velocity) เป็นตัวแบ่งคือ ถ้ามีความเร็วลมสูงกว่า Saltation velocity การไหลจะเป็นแบบเบาบาง แต่ถ้าความเร็วลมต่ำกว่า Saltation velocity จะเป็นการไหลแบบหนาแน่น ดังรูปที่ 6

รูปที่ 6  ความเร็วลมในการไหลของระบบ

ms  =  อัตราไหลของวัสดุ

ma  =  อัตราไหลของอากาศ

ตัวจ่ายวัสดุในระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลมถือว่าเป็นอุปกรณ์ที่มีความสำคัญมากที่สุดในระบบ ดังนั้นประสิทธิภาพในการจ่ายวัสดุเข้าไปในระบบได้ที่ความดันสูงๆ  จึงเป็นสิ่งที่ทำให้ระบบขนถ่ายวัสดุมีประสิทธิภาพมากขึ้น จากรูปที่ 7 จะเป็นชนิดของการขนถ่าย และขีดจำกัดต่างๆ ของระบบ  เพื่อเป็นข้อมูลในการเลือกใช้ต่อไป จากรูปที่ 7 ตัวอย่างเช่น ระบบสุญญากาศ(Suction) สามารถขนถ่ายวัสดุโดยมีความดันไม่เกิน –0.5 บาร์ ระยะทางขนถ่ายสูงสุด 100 เมตร อัตราการขนถ่ายสูงสุดประมาณ 100 ตัน/ชม. โดยมีมวลวัสดุ/มวลอากาศที่ไหลในระบบไม่เกิน 20 เท่า ข้อมูลต่างๆ ในรูปที่ 7 นี้เป็นข้อมูลโดยประมาณทั่วๆ ไป ตัวเลขบางค่าอาจมีการเปลี่ยนแปลงได้

รูปที่ 7  ข้อจำกัดของระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลมแบบต่าง ๆ

สำหรับพลังงานที่ใช้สำหรับการขนถ่ายวัสดุด้วยตัวจ่ายวัสดุแบบต่างๆ นั้น สามารถดูได้จากรูปที่ 8 จากรูปการใช้ตัวจ่ายวัสดุแบบ Jet feeder จะใช้พลังงานในการขนวัสดุ 4-5 kWh/(ton x 100 m.) ในขณะที่ตัวจ่ายวัสดุแบบ Pressure vessel จะใช้พลังงานในการขนวัสดุเพียง 4-5 kWh/(ton x 100 m.) เท่านั้น  ซึ่งการใช้ Jet feeder จะใช้พลังลานสูงกว่าการใช้ Pressure vessel 4-5 เท่าเลยทีเดียว

รูปที่ 8  พลังงานที่ใช้สำหรับการขนถ่ายวัสดุแบบต่างๆ

การพัฒนาระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลมในปัจจุบันทำให้ระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลมเป็นทางเลือกที่ดีกว่าระบบขนถ่ายวัสดุทางกล (Mechanical Conveyor) จากเดิมที่ระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลมแบบเบาบาง  ทำให้วัสดุแตกหักระหว่างการขนรวมไปถึงการสึกหรอของอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบเนื่องมาจากการชนของวัสดุที่มีความคมกับอุปกรณ์ต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งข้องอ  เป็นจุดที่มีการสึกหรอเร็วที่สุดจุดหนึ่ง ในปัจจุบันการขนถ่ายวัสดุด้วยลมที่มีการไหลของวัสดุแบบหนาแน่น  จะทำให้อัตราการขนถ่ายวัสดุได้สูง โดยใช้ความเร็วลมต่ำ ทำให้การสึกหรอของอุปกรณ์และการแตกหักของวัสดุลดลง จึงทำให้ระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลมเป็นทางเลือกที่ดีในการใช้งานสำหรับการขนถ่ายวัสดุชนิดต่างๆ โดยไม่มีปัญหาสิ่งแวดล้อมตามมา

ระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลมเป็นระบบขนถ่ายวัสดุที่อาจเกิดปัญหาขึ้นได้ เช่นเดียวกับระบบขนถ่ายวัสดุชนิดอื่นๆ ปัญหาที่อาจจะเกิดขึ้นได้ ได้แก่ การอุกตันของวัสดุภายในท่อขนถ่าย, การสึกหรอของอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบ และการเริ่มขนถ่ายวัสดุ หรือ การหยุดขนถ่ายวัสดุในขณะที่ระบบไฟฟ้าเกิดขัดข้อง ดังนั้นผู้ออกแบบระบบจึงควรหาวิธีป้องกัน และแก้ไขปัญหาต่างๆ ที่อาจจะเกิดขึ้นได้ ดังต่อไปนี้

5.1 การอุดตันของวัสดุภายในท่อขนถ่ายวัสดุ (Pipeline blockage) ปัญหาหนึ่งที่มักพบเจอกับระบบขนถ่ายวัสดุด้วยลม ก็คือ การอุดตันของวัสดุภายในท่อขนถ่ายวัสดุ  อาจเกิดจากสาเหตุของการออกแบบระบบที่เลือกใช้ขนาดท่อขนถ่ายวัสดุที่ไม่เหมาะสม, การเลือกขนาดของความดันและอัตราการไหลของลมที่ไม่เหมาะสมกับระยะทางขนถ่ายวัสดุ และการเลือกใช้ความเร็วลมที่จุดจ่ายวัสดุที่ต่ำเกินไป โดยที่ ขี้เถ้าหยาบจากอุปกรณ์อุ่นน้ำเลี้ยง (Economizer) สามารถใช้การขนถ่ายแบบเบาบาง(Dilute phase) โดยใช้ความเร็วลมไม่ต่ำกว่า 13 m/sec. ขึ้นไป และมีอัตราส่วนมวลวัสดุต่อมวลของอากาศที่ไหลในระบบไม่เกิน 15 เท่า ส่วนขี้เถ้าจากอุปกรณ์ดักฝุ่นแบบไฟฟ้าสถิต (ESP)ควรใช้การไหลแบบหนาแน่น (Dense phase) โดยความเร็วขนถ่ายไม่ต่ำกว่า 3 m/sec. และและมีอัตราส่วนมวลวัสดุต่อมวลของอากาศที่ไหลในระบบไม่เกิน 100 เท่า ซึ่งจะมีความดันสูญเสียประมาณ 20 mbar/m.  การเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์จะทำให้เกิดขี้เถ้าที่มีขนาดใหญ่ขึ้นและต้องใช้ความเร็วในการขนถ่ายสูงขึ้นด้วย

5.2 การสึกหรอของอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบ (Erosion of plant components) ขี้เถ้ามีส่วนประกอบหลัก คือ Silica และ Alumina มีคุณสมบัติแข็งคม ดังนั้นการออกแบบระบบจะต้องใช้ความเร็วขนถ่ายต่ำเพื่อลดการสึกหรอที่จะเกิดขึ้นรวมไปถึง การใช้อุปกรณ์ที่ผลิตจากวัสดุที่ทนทานต่อการสึกหรอโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ข้องอ และวาล์วเปลี่ยนทิศทาง (Diverter valve)

เอกสารอ้างอิง

1. Harder, J. Dry Ash Handling System for Advanced Coal-Fire Boilers, Bulk Solid Handling, pp.13-14 Vol.17, No.1, January/March 1997.

3. Milton N.Kraus. Pheumatic Conveying of Bulk Materials, the Romald Press Company 1968.

4.  H.A.Stoess, Jr. Pneumatic Conveying, John Wiley & Sons, New York 1970. R.D.Marcus, L.S.Leuge, G.E.Klinzing and F.Rizk, (1990). Pneumatic Conveying of Solids, Chapman and  Hall, London .