การออกแบบระบบออกซิเดชันด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา หรือการเผาที่อุณหภูมิต่ำ

 

          ระบบออกซิเดชันด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalytic Oxidation Process) มีหลักการกำจัดกลิ่นโดยอากาศเสียที่มีสารก่อให้เกิดกลิ่นถูกทำให้ร้อนอยู่ระหว่างอุณหภูมิ 250–350°C และผ่านคาตาลิสต์ เบด (Catalyst Bed) ดังนั้น สารที่ก่อให้เกิดกลิ่นจะอยู่ภายใต้สภาวะที่ถูกออกซิเดชัน (Catalytic Oxidation) บนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) ซึ่งจะถูกเผาไหม้ให้มีกลิ่นเจือจางหรือไม่มีกลิ่นเลย

 

รูปที่ 23 ระบบเผาไหม้แบบมีตัวเร่งปฏิกิริยา
ที่มา : US EPA, EPA Air Pollution Cost Control Manual, 6 th Ed US EPA, Research Triangle Park , NC , USA , January 2002

 

หลักการออกแบบระบบออกซิเดชันด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา หรือการเผาที่อุณหภูมิต่ำ

          ในการออกแบบ คือต้องการทราบว่าจะต้องใช้เชื้อเพลิงเท่าใดเข้าไปเพิ่ม ทำให้เกิดการเผาไหม้สารที่ปนเปื้อนได้สมบูรณ์ ซึ่งค่าในการออกแบบที่ต้องทราบคืออุณหภูมิและช่วงเวลาที่ต้องใช้ในการเผาไหม้ ระบบเผาไหม้โดยตรง หากมีขนาดเล็ก อาจไม่มีระบบการนำความร้อนที่ได้ไปใช้ แต่หากมีขนาดใหญ่พอก็ควรคำนึงถึงการนำความร้อนไปใช้ใหม่ด้วย

          เตาเผามีอุณหภูมิประมาณ 250 – 350°C และอย่างมากก็ไม่เกิน 480°C เมื่ออากาศที่มีสารปนเปื้อนผ่านคาตาลิสต์ เบด (Catalyst Bed) อุณหภูมิจะสูงขึ้นจากการสลายตัวของสารอีกประมาณ 100°C ขึ้นไป ก๊าซบางชนิดเช่น Hexane อาจต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่านี้ เมื่ออากาศถูกทำให้ร้อนในระดับที่ต้องการแล้วจะต้องการเวลาที่อุณภูมินี้ (Residence Time) เพื่อออกซิไดซ์สารที่มีกลิ่นให้เปลี่ยนเป็นสารอื่น

          ในกรณีที่จะนำความร้อนที่เกิดขึ้นไปใช้ เตาเผาก็จะมีลักษณะคล้ายหม้อต้มน้ำอุตสาหกรรม หัวฉีดจะเป็นลักษณะ Forced Draft Burner เพื่อให้มีประสิทธิภาพในการเผาไหม้สูงและคงที่ แล้วนำก๊าซร้อนที่ได้ไปแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำในท่อน้ำ

ข้อมูลที่ต้องทราบในการออกแบบ
  • อัตราการไหลของอากาศที่เข้า เป็นลบ.ฟุตหรือ ลบ.เมตรต่อนาที (คิดที่ 25°C และความดัน 1 บรรยากาศ)
  • อุณหภูมิอากาศขาเข้า
  • ปริมาณออกซิเจนในอากาศ (สัดส่วนในอากาศ ปกติ มีค่า 0.209)
  • ความเข้มข้นของสารที่เผาไหม้ได้ทุกชนิด แยกแต่ละชนิด (ppm)
  • ค่าความร้อน (เมื่อเผาไหม้) ของสารเหล่านั้น
  • ปริมาณการไหลของสารที่ไม่เผาไหม้
  • และประสิทธิภาพที่ต้องการ เช่น 99.99 %

ขั้นตอนการออกแบบ

ในกรณีเตาเผาชนิดมีตัวเร่งปฏิกิริยานั้นมีการคำนวณในขั้นตอนการออกแบบเหมือนกับในกรณีเตาเผาธรรมดาแต่อุณหภูมิที่ใช้จะน้อยกว่า

  1. คำนวณหาว่าสัดส่วนของความเข้มข้นของสารที่ปนเปื้อนในอากาศ
              คำนวณหาว่าสัดส่วนของความเข้มข้นของสารปนเปื้อนต่อค่าความเข้มข้นต่ำสุดที่ติดไฟได้เองของสารนั้น (LEL, Lower Explosive Limit) ค่า LEL สำหรับสารชนิดต่างๆเป็นค่าที่แสดงใน Material Safety Data Sheet เช่น เบนซีนมีค่า LEL=14,000 ppm ดังนั้น หากทราบความเข้มข้นในอากาศที่ปนเปื้อนก็จะคำนวณได้ (หากมีสารหลายชนิดในอากาศให้คิดสัดส่วนของสารแต่ละชนิดแล้วนำมารวมกัน)
              เช่น Metylene Chloride LEL = 82,500 ppm Benzene LEL = 14,000 ppm อากาศที่ปนเปื้อนมี
                    Methylene Chloride 1,000 ppm และ Benzene 1,000 ppm
                    สัดส่วนของความเข้มข้นสารต่อ LEL = 1,000/82,500 + 1,000/14,000 = 0.084 หรือ 8.4 %
              หากสัดส่วนมีค่า 1 หรือมากกว่า อากาศที่ปนเปื้อนนี้ย่อมติดไฟเองได้และไม่ควรให้สัดส่วนมีค่าสูงกว่า 0.25 หากจะใช้ระบบนี้
  2. ปริมาณความร้อนที่มีอยู่ในอากาศที่ปนเปื้อน
              คำนวณปริมาณความร้อนที่มีอยู่ในอากาศที่ปนเปื้อน ว่าหากสารที่อยู่ในอากาศเผาไหม้หมดจะได้ค่าความร้อนเท่าใด
    เช่น มีเบนซีน 1,000 ppm ในอากาศหมายถึงในอากาศ 1 ล้านลูกบาศก์ฟุตจะมีเบนซีน 1,000 ลูกบาศก์ฟุต ค่าความร้อนต่อลูกบาศก์ฟุตของเบนซีนจากตารางแสดงข้อมูลมีค่า = 9,698 calories/gram (แปลงเป็นค่า 3,475 บีทียูต่อลูกบาศก์ฟุตของเบนซีน เมื่อ 2.79 calories/gram เบนซีนมีค่าเท่ากับ 1 บีทียูต่อลูกบาศก์ฟุต)
              ค่าความร้อนที่มีอยู่ของเบนซีนในอากาศ = 3,475,000 บีทียูต่ออากาศล้านลูกบาศก์ฟุต หรือ 3.475 บีทียูต่ออากาศ 1
    ลูกบาศก์ฟุต
              หากมีสารอื่นก็คำนวณแบบเดียวกันแล้วเอาค่าที่ได้จากสารทุกชนิดมารวมกัน สารเคมีแต่ละชนิดจะถูกออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิและเวลาที่เหมาะสม ข้อมูลดังกล่าวจะได้จากผู้ผลิตสารเร่งปฏิกิริยา เพราะเป็นข้อมูลที่ได้จากการทดลอง ซึ่งต้องทราบเพื่อนำมาเลือกใช้ให้เหมาะสม
  3. การคำนวณหาปริมาณเชื้อเพลิงเสริม
           โดยปกติแล้ว ความเข้มข้นของสารที่ปนเปื้อนในอากาศไม่มากพอที่จะติดไฟเองได้ จึงต้องมีการคำนวณค่าความร้อนที่ต้องใช้เพิ่มเติมเพื่อให้เกิดการเผาไหม้ โดยใช้หลักการสมดุลมวลและความร้อน แล้วคำนวณเชื้อเพลิงที่ต้องการเพิ่ม

    ความร้อนที่ต้องการเพิ่ม = อัตราการไหลของอากาศ X ความร้อนจำเพาะของอากาศ X ความแตกต่างของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น –
                                       ความร้อนที่มีอยู่แล้วจากสารปนเปื้อนในอากาศ

    เมื่อได้ค่าความร้อนจากการคำนวณแล้วควรเผื่อค่าอีก 10 % เป็นค่าการสูญเสียความร้อนของเตา
    • ตัวอย่าง
                อากาศเข้าเตาเผาที่ 20,000 ลบ.ฟุต ต่อนาที จากห้องอบสีที่อุณหภูมิ 500 ฟาเรนไฮต์ ในอากาศมีเบนซีนเป็นสารปนเปื้อนซึ่งมีความเข้มข้น 1,000 ppm ต้องการออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิ 900 ฟาเรนไฮต์ (482°C ) โดยอากาศขาออกไม่ได้นำไปแลกเปลี่ยนความร้อนระบายทิ้งออกทางปล่องโดยตรง กำหนดให้ความร้อนจำเพาะอากาศมีค่า 0.255 บีทียูต่อปอนด์อากาศ x ฟาเรนไฮต์ วิธีคำนวณ
                ค่าความร้อนที่มีอยู่ของเบนซีนในอากาศได้คำนวณแล้วในข้อ 2 มีค่าเท่ากับ = 3,475,000 บีทียูต่ออากาศล้านลูกบาศก์ฟุต หรือ 3.475 บีทียูต่ออากาศ 1 ลูกบาศก์ฟุต
                อากาศ 1 ลูกบาศก์ฟุต หนัก 0.0739 ปอนด์ ดังนั้น อากาศ 20,000 ลบ.ฟุต ต่อนาที มีน้ำหนักเท่ากับ 1,478 ปอนด์ ความร้อนเพิ่มจากอุณหภูมิ (500 ฟาเรนไฮต์ เป็น 900 ฟาเรนไฮต์ คือเพิ่ม 400 ฟาเรนไฮต์)
                ความร้อนที่ต้องการเพิ่ม = 1,478 x 0.255 x 400 – ความร้อนที่มีอยู่แล้วในอากาศที่คำนวณข้างบน (3.475บีทียูต่ออากาศ 1 ลูกบาศก์ฟุตหรือ 69,500 บีทียูต่ออากาศ 20,000 ลูกบาศก์ฟุต) = 81,256 บีทียูต่อนาที
                หากใช้มีเทนเป็นเชื้อเพลิงเสริม มีเทนมีค่าความร้อนที่ 877 บีทียูต่อลูกบาศก์ฟุตมีเทน ต้องใช้มีเทน = 81,256/877 = 92.65 ลูกบาศก์ฟุตต่อนาที (ในกรณีนี้ยังไม่ได้เผื่อค่าอีก 10% สำหรับการสูญเสียความร้อนจากเตา) เทียบกับอากาศที่ 20,000 ลูกบาศก์ฟุตต่อนาที จะเห็นว่าใช้เชื้อเพลิงไม่มากนัก
                หากเชื้อเพลิงมีปริมาณมากการคำนวณจะซับซ้อนกว่านี้เพราะต้องคิดค่าความร้อนที่ให้กับอากาศที่เพิ่มขึ้นจากเชื้อเพลิงอีกด้วย โดยเฉพาะเตาที่ใช้เชื้อเพลิงที่มีอากาศปน เช่น ก๊าซชีวภาพ           หากมีการนำความร้อนไปใช้ เช่น อุ่นอากาศก่อนเข้าเตา อาจประหยัดเชื้อเพลิงได้มากถึง 80 %  

การคำนวณขนาดของห้องเผาไหม้
        ขนาดของห้องเผา
คำนวณได้จากข้อมูลความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านห้องเผา เวลาที่อากาศสัมผัสกับ Catalyst Bed ซึ่งขึ้นกับเวลาที่ต้องใช้ในการทำลายสารปนเปื้อนที่อุณหภูมิของห้องเผาไหม้ ควรขอคำแนะนำจากผู้ผลิตคาตาลิสต์โดยตรง
           ตัวอย่างการคำนวณ หากให้ความเร็วของก๊าซในห้องเผาเป็น 5 เมตรต่อวินาที (16.5 ฟุต/วินาที) เตาส่วนที่มีคาตาลิสต์ต้องยาว 0.5 เมตรหรือ 1.65 ฟุตเพื่อให้อากาศอยู่ใน Bed 0. 1 วินาที อัตราการไหลผ่านเตาที่อุณหภูมิ 900 ฟาเรนไฮต์จะขยายเพิ่ม 2.5 เท่า (ตามกฎของ Gas Laws) เป็น 50000 ลบ.ฟุตต่อนาทีหรือ 833ลบ.ฟุตต่อวินาที พื้นที่หน้าตัดของ Catalyst Bed สามารถหาได้
       พื้นที่หน้าตัด = อัตราการไหล/ความเร็ว = 833/16.5 = 50.5 ตร.ฟุต


ตารางที่ 14 อุณหภูมิที่ต้องการสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยา 2 ชนิด ในการออกซิไดซ์ 80% ของสารระเหย (VOCs)

ที่มา : US EPA, EPA Air Pollution Cost Control Manual, 6 th Ed US EPA, Research Triangle Park, NC, USA, January 2002

 

 

| หน้าแรก |การบำบัดกลิ่น | เลือกวิธีการบำบัด | ระบบสาธิต | อภิธานศัพท์ | ค้นหา | Site Map | ผู้จัดทำ |
กรมควบคุมมลพิษ กระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม