ธนกร ณ พัทลุง

ในปัจจุบันนี้มีการนำเชื้อเพลิงชีวมวล (Biomass) มาใช้กันอย่างกว้างขวาง เช่น เศษไม้ ขี้เลื่อย แกลบ กะลาปาล์ม แต่เตาเผาที่ใช้เชื้อเพลิงดังกล่าวยังมีสมรรถนะที่ต่ำ คือ มีขนาดใหญ่ ราคาแพง ประสิทธิภาพต่ำและมลพิษมาก เนื่องจากเชื้อเพลิงชีวมวลมีค่าความร้อนต่ำ (Heating Value) และมีความชื้นสูง จึงมีแนวคิดที่จะพัฒนาเตาเผาที่ใช้เชื้อเพลิงดังกล่าวให้มีสมรรถนะสูงขึ้น คือ เผาไหม้เชื้อเพลิงชีวมวลได้ดี มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและสามารถควบคุมมลพิษได้ ทำให้เกิดเทคโนโลยี เตาเผาแบบ 2 ห้อง (Two-chamber Furnace) ซึ่งจะทำให้ได้ความร้อนที่มีคุณภาพสูงขึ้นรวมทั้งมลพิษลดลง

สำหรับเตาเผาที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ในการนำความร้อนไปใช้ประโยชน์นั้น ส่วนใหญ่จะเป็นในลักษณะห้องเดียว ซึ่งได้แก่ เตาฟืน เตาถ่าน เตาแกลบ เป็นต้น โดยเตาฟืนยังแบ่งออกได้อีก 2 ลักษณะ คือเตาฟืนที่ไม่มีปล่องกับเตาฟืนมีปล่อง (เตาอั้งโล่) ซึ่งประสิทธิภาพการเผาไหม้ต่ำ โดยมีสาเหตุมาจาก การเผาไหม้ที่เกิดขึ้นในเตาแบบนี้นั้นไม่ค่อยสมบูรณ์ (ทำให้เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ได้ค่อนข้างยาก) เนื่องจากปัจจัยหลายประการ

เช่น การผสมระหว่างอากาศและเชื้อเพลิงไม่ทั่วถึง, เวลาในการเผาไหม้ไม่นานเพียงพอ จึงทำให้เชื้อเพลิงที่ไม่เผาไหม้ติดไปกับอากาศส่วนเกิน, ผลจากความชื้นของเชื้อเพลิงและภาระความร้อนที่เปลี่ยนแปลงตลอด จึงส่งผลให้ความร้อนที่ได้มีคุณภาพต่ำ (อุณหภูมิไม่สูงเท่าที่ควร) และมีเขม่ามาก

เตาเผาจะออกแบบให้เผาเชื้อเพลิงที่มีความชื้นสูง ได้แก่ ชีวมวล โดยเตาประกอบด้วย 2 ห้องเผาไหม้ซึ่งจะมีการเผาไหม้ 2 ครั้ง ดังในรูปที่ 1 ส่วนแรกจะเป็นการเผาไหม้เชื้อเพลิงแข็งจนได้ Pyrolysis Gas (ยังไม่สมบูรณ์) แล้วทำการเผาไหม้แก๊สที่ได้อีกครั้งในส่วนที่ 2 ซึ่งเป็นการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ ทำให้ได้ความร้อนที่มีอุณหภูมิสูง และเตาเผาแบบ 2 ห้องสามารถควบคุมให้เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ได้ดีเนื่องจากในส่วนที่ 2 เชื้อเพลิงมีสภาพเป็นแก๊ส

1. Primary Chamber เป็นส่วนที่ทำการเผาไหม้เชื้อเพลิงในสภาพของแข็ง
2. Secondary Chamber เป็นส่วนที่ทำการเผาไหม้ Pyrolysis Gas
3. Blower ทำหน้าที่ป้อนอากาศเข้าสู่ Primary Chamber และ Secondary Chamber
4. Cyclone ทำหน้าที่ดักขี้เถ้าและอนุภาคต่าง ๆ ที่เกิดจากการเผาไหม้
5. Heat Exchanger เป็นส่วนที่นำความร้อนที่ได้มาใช้งาน

รูปที่ 1 แสดงส่วนประกอบของเตาเผาแบบ 2 ห้อง

ทำการเผาไหม้เชื้อเพลิงใน Primary Chamber โดยเชื้อเพลิงจะถูกทำให้แห้งและดึงความร้อนออกมา ซึ่งตำแหน่งทางเข้าของอากาศสู่ห้องเผาไหม้นั้นจะต้องมีทิศทางที่ทำให้อากาศผ่าน Fuel Bed อย่างเพียงพอที่จะทำให้เกิด Pyrolysis Gas จากนั้น Pyrolysis Gas ก็จะไหลเข้าสู่ Secondary Chamber ซึ่งมีอากาศที่มีความเร็วสูง (Jet) เข้าผสม เกิดการเผาไหม้ขึ้นอีกครั้ง (Very Efficient Combustion)

จากนั้นแก๊สที่ได้จากการเผาไหม้ (Product of Combustion) ก็จะไหลผ่านท่อไปยังไซโคลน ซึ่งทำให้ขี้เถ้าและอนุภาคต่าง ๆ ตกลงสู่ส่วนล่างของเตาแล้วความร้อนที่ได้ก็สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ทั้งทางตรงและทางอ้อม เช่น กระบวนการอบแห้ง, Boiler หรือ Stirling Engine เป็นต้น ดังในรูปที่ 3

รูปที่ 2 แสดงรูปแบบจำลองเตาเผาแบบ 2 ห้อง

รูปที่ 3 แสดงลักษณะเตาเผาแบบ 2 ห้องที่ใช้ในเครื่องบิน

การเผาไหม้ คือ ปฏิกิริยาเคมีชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วระหว่างออกซิเจนกับสารเผาไหม้ได้ (Combustible Element) ของเชื้อเพลิงชนิดหนึ่ง ๆ ซึ่งสารเผาไหม้ได้หลัก 3 ตัว คือ คาร์บอน ไฮโดรเจนและซัลเฟอร์ แล้วจะปลดปล่อยพลังงานความร้อนออกมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีซึ่งเป็นการรวมตัวของออกซิเจนเข้ากับคาร์บอน ไฮโดรเจนและซัลเฟอร์เกิดสารประกอบใหม่คือ คาร์บอนไดออกไซด์ ไอน้ำและซัลเฟอร์ไดออกไซด์

ปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของคาร์บอนจะช้าที่สุดและเกิดยากกว่าของไฮโดรเจนและกำมะถัน จุดติดไฟ คือ 407 oC โดยปกติในการสันดาป โดยทั่วไปมักจะสมมุติว่าไฮโดรเจนและกำมะถันจะเผาไหม้หมดก่อนคาร์บอน ซึ่งจะค่อย ๆ ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในขั้นแรกจะเกิดเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ จากนั้นจึงรวมตัวกับออกซิเจนต่อไปอีกกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ ฉะนั้นในการสันดาปของเชื้อเพลิงแข้ง ถ้าปฏิกิริยาเกิดไม่สมบูรณ์ ท้ายที่สุดจะสมมุติว่าองค์ประกอบที่เหลืออยู่ก็คือคาร์บอนที่ยังไม่ถูกเผาไปอย่างเดียว

เชื้อเพลิงแข็งนั้น มีองค์ประกอบส่วนใหญ่ คือ คาร์บอนคงที่ ฉะนั้น เมื่อเผาไหม้สารระเหยง่ายและกำมะถันจะทำปฏิกิริยาไปจนหมดก่อน เหลือคาร์บอนเผาไหม้ไปเรื่อย ๆ จะถึงจุดสมบูรณ์หรือไม่ขึ้นกับปริมาณอากาศและเวลาทำปฏิกิริยาโดยทั่วไปมักพบว่ามีส่วนของคาร์บอนหลงเหลืออยู่กับขี้เถ้าด้วยเสมอ 

ถ้าพิจารณาจากสารประกอบสำคัญของเชื้อเพลิงคือ คาร์บอน ไฮโดรเจนหรือไฮโดรคาร์บอน ศึกษาปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น เมื่อสารดังกล่าวทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้ดังนี้

 จากปฏิกิริยาเคมีนี้ เมื่อใช้คาร์บอน 12 กิโลกรัม จะสามารถทำปฏิกิริยาการสันดาปได้สมบูรณ์ (Complete Combustion) ต้องใช้ออกซิเจน 32 กิโลกรัม จะได้ผลจากากรสันดาปในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์ 44 กิโลกรัม
 ในทำนองเดียวกัน สำหรับการสันดาปไฮโดรเจนให้ผลสันดาปสมบูรณ์ ดังสมการ

การสันดาปอย่างสมบูรณ์ของเชื้อเพลิงจะเกิดขึ้นได้เมื่อมีปริมาณของออกซิเจนหรืออากาศเพียงพอที่จะทำให้สารในเชื้อเพลิงเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นกับออกซิเจนได้จนหมดสิ้นพอดี ปริมาณอากาศดังกล่าวเรียกว่า ปริมาณอากาศทางทฤษฎี อัตราส่วนระหว่างมวลของอากาศทางทฤษฎีกับมวลเชื้อเพลิง เรียกว่า Stoichiometric Ratio

ในการสันดาปเชื้อเพลิงส่วนใหญ่ของการใช้งานจะไม่ใช้ออกซิเจนล้วน ๆ เพราะสิ้นเปลืองจะใช้อากาศซึ่งหาได้ง่ายในราคาถูกมาใช้สันดาปกับเชื้อเพลิง ในบรรยากาศของพื้นผิวโลกอากาศจะประกอบด้วยสารประกอบหลายชนิด แต่ที่เป็นตัวประกอบที่สำคัญได้แก่ ออกซิเจนกับไนโตรเจน ถ้าตัดสารประกอบอื่น ๆ ที่มีปริมาณน้อยออกไป อากาศจะประกอบด้วยดังนี้ 

โดยมวลอากาศ ประกอบด้วย ออกซิเจน 23% ไนโตรเจน 77 %
โดยปริมาตรอากาศประกอบด้วย ออกซิเจน 21 % ไนโตรเจน 79 %

จากสมการดังกล่าว จะสามารถคำนวณได้ว่าถ้าต้องการสันดาปให้มีเทน 16 กิโลกรัม ต้องใช้มวลของอากาศ 274.6 กิโลกรัม หรือมีเทน มวล 1 กิโลกรัม ต้องใช้อากาศประมาณ 17.2 กิโลกรัม จึงจะทำให้เกิดการสันดาปมีเทนได้อย่างสมบูรณ์

ในการหาปริมาณของอากาศที่ใช้ในการสันดาปกับเชื้อเพลิง นอกจากจะหาเป็นมวลหรือน้ำหนักแล้ว ยังนิยมหาเป็นปริมาตรของอากาศ เช่น ลูกบาศก์เมตรหรือลูกบาศก์ฟุต ซึ่งก็สามารถหาได้โดยใช้ความหนาแน่นของอากาศที่มีอุณหภูมิและความดันบรรยากาศที่ต้องการ มาหารเปลี่ยนเป็นหน่วยปริมาตรของอากาศต่อมวลของเชื้อเพลิง

ในขบวนการสันดาปเชื้อเพลิง ถ้าต้องการให้เกิดปฏิกิริยาที่ดีและได้การสันดาปที่สมบูรณ์หรือเกือบสมบูรณ์ จะต้องมีการดูแลควบคุมสภาวะการสันดาปให้เหมาะสมซึ่งจะมีปัจจัยสำคัญ 4 ประการ คือ

1. เวลาต้องนานเพียงพอ เพื่อให้เชื้อเพลิงเผาไหม้หมดโดยไม่ถูกอากาศส่วนเกินนำออกทางปล่องควันก่อนเผาไหม้
2. อุณหภูมิในการเผาไหม้ต้องสูงพอที่จะทำให้เกิดการเผาไหม้อย่างต่อเนื่อง
3. การผสมผสานระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศต้องอยู่ในลักษณะของการไหลผสมแบบปั่นป่วน

4. ปริมาณอากาศที่เข้ารวมสันดาปกับเชื้อเพลิงได้เพียงพอในทางปฏิบัติ เป็นการยากที่จะควบคุมสภาวะการสันดาปของเชื้อเพลิงให้ได้ครบถ้วนทุกประการตามที่การสันดาปต้องการในเตาเผาโดยทั่วไปได้

ดังนั้นเพื่อที่จะให้เกิดปฏิกิริยาการสันดาปของเชื้อเพลิงอย่างสมบูรณ์ จึงต้องใช้การเพิ่มปริมาณอากาศเข้าไปจนเพียงพอ ทำให้อากาศที่ใช้มากกว่าความต้องการทางทฤษฎี อากาศส่วนที่เกินไปนี้เรียกว่า ปริมาณอากาศเกิน (Excess Air) ซึ่งมักจะบอกเป็นเปอร์เซ็นต์ของปริมาณอากาศทางทฤษฎี เช่น ถ้าใช้อากาศจริงในปริมาณ 1.5 เท่าของอากาศพอดีเผาไหม้สมบูรณ์ซึ่งคิดเป็น 150% อากาศทฤษฎี บางครั้งเรียกว่า 50% อากาศเกินพอ

1. เนื่องจากการผสมระหว่างอากาศและเชื้อเพลิงไม่ทั่วถึง ทำให้การเผาไหม้สมบูรณ์ได้ยาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณใกล้กับผนังเตาหรือผนังห้องเผาไหม้ จำเป็นต้องใช้อัตราส่วนอากาศกับเชื้อเพลิงในสภาวะมีอากาศเกินพอ

2. ภาระความร้อนเปลี่ยนแปลงอยู่เสมอ จึงทำให้ปริมาณความต้องการอากาศและเชื้อเพลิงเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย การควบคุมให้ได้อัตราส่วนในปริมาณเผาไหม้อย่างสมบูรณ์นั้นจึงเป็นไปได้ยาก

3. เนื่องจากอากาศที่ใช้ในการเผาไหม้จริง ในทางปฏิบัตินั้นมีความชื้นเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย ปริมาณอากาศที่ใช้เพื่อให้การเผาไหม้เป็นไปอย่างสมบูรณ์นั้นจะมากกว่ากรณีของการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์เชิงทฤษฎีโดยใช้อากาศแห้ง

4. เวลาในการเผาไหม้ไม่นานเพียงพอจึงมีเชื้อเพลิงที่ไม่เผาไหม้ติดไปกับอากาศส่วนที่เหลือ (ในกรณีที่ใช้ภาวะของอากาศเกินพอในการเผาไหม้)

ค่าความร้อน หมายถึง ปริมาณความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ของเชื้อเพลิง 1 หน่วย ซึ่งจะได้ก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) และน้ำ (H₂O) ออกมา ค่าความร้อนที่ใช้วัดจะมีอยู่ 2 แบบ คือ 

1. ค่าความร้อนสูง (Higher Heating Value) ซึ่งเป็นค่าความร้อนของเชื้อเพลิงที่วัดได้ในภาวะที่น้ำที่เกิดจากการเผาไหม้ถูกควบคุมให้กลั่นกลายเป็นของเหลว ซึ่งจะให้ความร้อนแฝงของการกลั่นตัวออกมา ทำให้วัดความร้อนได้มากขึ้น
2. ค่าความร้อนต่ำ (Lower Heating Value) เป็นค่าความร้อนของเชื้อเพลิงที่น้ำที่เกิดจากการเผาไหม้ปล่อยให้มีสภาพเป็นไอน้ำ

ในการหาค่าความร้อนนั้น ถ้าทราบองค์ประกอบของเชื้อเพลิง (C, H, Oและ S) จะหา HHV ของเชื้อเพลิง จากสมการของดูลอง (Dulong‘s Equation) หน่วย MJ/kg
   HHV = 33.7C + 144{H- (O/8)} + 9.4S…………… (1)

ไม้ประกอบด้วยลิกนิน, เยื่อเซลลูลาร์เป็นส่วนใหญ่และอาจมีไขมันและน้ำตาลปนอยู่บ้าง ธาตุที่ประกอบเป็นเยื่อเซลลูลาร์และลิกนิน มีโดยประมาณดังนี้

ความชื้นของไม้สด  25 – 60%
คาร์บอน (C) ในไม้แห้ง 50 - 53%
ไฮโดรเจน (H) ในไม้แห้ง 5.8 - 7.0%
ไนโตรเจน (N) ในไม้แห้ง 0 - 0.03%
กำมะถัน (S) ในไม้แห้ง 0 – 0.1%
ออกซิเจน (O) ในไม้แห้ง 38 - 44%
เถ้า   0.1 – 2.0%
ค่าความร้อนสูงของไม้แห้ง HHV, MJ/kg 19.8 – 21.0%
ความหนาแน่น, kg/m₃  500 – 1100%

* ลักษณะของเปลวไฟจากไม้
     ลักษณะของเปลวไฟที่เกิดจากการเผาไหม้ไม้ ขึ้นอยู่กับปริมาณของไขมันในไม้ ซึ่งถ้ามีมากเปลวจะเข้มและสว่างมาก ถ้าน้อยเปลวจะจางและใส

* อุณหภูมิติดไฟ
     มีค่าต่ำติดไฟง่ายจึงใช้สะดวก อุณหภูมิติดไฟมีค่าประมาณ 295 ^oC สำหรับไม้และการเผาไหม้มีอุณหภูมิ 400-800 ^oC

กระบวนการเผาไหม้มีขั้นตอนดังนี้
1. Drying เป็นการกำจัดความชื้นในอนุภาคชีวมวลขณะเริ่มต้นรับความร้อนในเตาเผา
2. Devolatilization เป็นขั้นตอนการสลายตัวของชีวมวลเกิดเป็นสารระเหย
3. Ignition of Volatile เป็นขบวนการที่ทำให้เกิดการจุดประกายของสารระเหยที่ถูกปล่อยออกมา และอยู่ล้อมรอบอนุภาคชีวมวล
4. Combustion of Volatile เป็นขบวนการเผาไหม้สารระเหย ทำให้เกิดเปลวไฟขึ้นรอบอนุภาคชีวมวล
5. Ignition of Char Particle เป็นขบวนการจุดประกายบนผิวหน้าของถ่านที่เหลือ โดยเริ่มจากเป็นจุดเล็ก ๆ ที่ผิวด้านนอก แล้วค่อย ๆ ขยายออกไปจนเกิดทั่วทั้งอนุภาค
6. Combustion of Residual Char Particle เป็นขบวนการเผาไหม้อนุภาคถ่านที่เหลือหลังจากที่สารระเหยระเหยออกจากอนุภาคชีวมวลบางส่วนหรือหมดแล้ว เมื่อเผาไหม้หมดจะเหลือขี้เถ้า 

การเผาไหม้เชื้อเพลิง ถ้าไม่มีการสูญเสียความร้อนเลยพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจะไปเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซเผาไหม้ให้สูงขึ้นแต่เพียงอย่างเดียว กรณีนี้จะได้อุณหภูมิสูงสุดที่เรียกว่า อุณหภูมิเปลวสูงสุดหรืออุณหภูมิอะเดียบาติก

ก๊าซเผาไหม้จะถูกปล่อยออกไปที่อุณหภูมิเปลวสูงสุด ถ้าไม่มีการสูญเสียความร้อนในอุปกรณ์ของเตาเผาไหม้เลย แต่ในการปฏิบัติงานจริง ๆ ย่อมมีการสูญเสียความร้อนมากน้อยเท่าใดขึ้นอยู่กับจุดประสงค์ของการออกแบบ ปกติอุณหภูมิของก๊าซเผาไหม้จะต่ำกว่าอุณหภูมิเปลวสูงสุดเสมอ ความร้อนที่ออกไปกับก๊าซเผาไหม้ซึ่งปกติก็ถือว่าเป็นการสูญเสียความร้อนที่ปล่อยทิ้งออกไป

การใช้เตาเผาแบบ 2 ห้อง จะเป็นการเพิ่มคุณภาพของพลังงานความร้อนที่ได้จากชีวมวล ซึ่งถือว่าเป็นเชื้อเพลิงคุณภาพต่ำและเป็นการใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่จากชีวมวล เนื่องจากเตาเผาแบบ 2 ห้องสามารถควบคุมให้เกิดการเผาไหม้สมบูรณ์ได้ดีในสภาวะไม่มีอากาศเกิน (Excess Air) เพราะในส่วนที่ 2 เชื้อเพลิงมีสภาพเป็นแก๊ส

บรรณานุกรม

* ปรีดา วิบูลย์สวัสดิ์, เชื้อเพลิงและการเผาไหม้ ตอนที่ 1, คณะพลังงานและวัสดุ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี, กรุงเทพฯ, 2525.
* มนตรี พิรุณเกษตร, เทอร์โมไดนามิกส์, บริษัทซีเอ็ด จำกัด, กรุงเทพ, 2536.
* แสวง กะระณา, หม้อไอน้ำ, ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์, หาดใหญ่, 2542.
* M. Necati OZISIK, Heat Transfer A Basic Approach, Mc Graw– Hill, Inc, United state, 1985.
* Pojanie Khummongkol (1986). REVIEW OF STANDARD METHODS OF TESTING STOVE EFFICIENCY, SCNCER.
* Bruce R. Munson, Donald F. Young and Theodore H. Okiishi, Fundamentals of Fluid Mechanics, John Wilew & Sons, Inc, Canada, 1990.
* A. Dadkhah-Nikoo, Graduate Student and D.J. Bushnell, Analysis of Wood combustion based on the first and second laws of thermodynamics , Department of Mechanical Engineering Oregon State University, Oregon, 1990.
* Naksitte Coovattanachai, Biomass gasification Research and Field Developments by the Prince of Songkhla University, Department of Mechanical Engineering Prince of Songkhla University, 1988.