การออกแบบระบบเผาไหม้โดยตรง

 

หลักเกณฑ์ออกแบบระบบเผาไหม้โดยตรงเบื้องต้น 

          ระบบการเผาไหม้โดยตรง (Direct Combustion) ใช้หลักการกำจัดกลิ่นโดยให้ความร้อนกับอากาศที่มีสารปนเปื้อนที่อุณหภูมิสูงประมาณ 750-800°C เพื่อออกซิไดซ์และสลายสารที่เผาไหม้ได้ทำให้กลิ่นจางลงหรือไม่มีกลิ่นเลย

รูปที่ 22 การเผาแบบประหยัดพลังงาน โดยความร้อนที่ได้จะถูกเก็บไว้ที่อุปกรณ์เซรามิคส์ และเมื่อร้อนเพียงพอแล้วก็จะสลับให้อากาศที่มีกลิ่นไหลผ่านอุปกรณ์นี้ ทำให้เกิดการเผาไหม้หรือได้รับความร้อนโดยใช้เชื้อเพลิงน้อยลง
ที่มา : US EPA, EPA Air Pollution Cost Control Manual, 6 th Ed US EPA, Research Triangle Park , NC , USA , January 2002

ข้อมูลที่ต้องทราบในการออกแบบ

  • อัตราการไหลของอากาศที่เข้า เป็นลบ.ฟุตหรือ ลบ.เมตรต่อนาที ที่อุณหภูมิ 25°C และความดัน 1 บรรยากาศ
  • อุณหภูมิอากาศขาเข้า
  • ปริมาณออกซิเจนในอากาศ (สัดส่วนในอากาศ ปกติ มีค่า 0.209)
  • ความเข้มข้นของสารที่เผาไหม้ได้ทุกชนิด แยกแต่ละชนิด (ppm)
  • ค่าความร้อน เมื่อสารนั้นถูกเผาไหม้
  • ปริมาณการไหลของสารที่ไม่เผาไหม้
  • ประสิทธิภาพที่ต้องการบำบัด เช่น 99.99 %

ขั้นตอนการออกแบบ

  1. คำนวณหาว่าสัดส่วนของความเข้มข้นของสารที่ปนเปื้อนในอากาศ
               เป็นการคำนวณหาว่าสัดส่วนของความเข้มข้นของสารปนเปื้อนต่อค่าความเข้มข้นต่ำสุดที่ติดไฟได้เองของสารนั้น (LEL, Lower Explosive Limit) ค่า LEL สำหรับสารชนิดต่างๆเป็นค่าที่แสดงใน Material Safety Data Sheet เช่น เบนซีนมีค่า LEL= 14,000 ppm ดังนั้น หากทราบความเข้มข้นในอากาศที่ปนเปื้อนก็จะคำนวณ (หากมีสารหลายชนิดในอากาศให้คิดสัดส่วนของสารแต่ละชนิด แล้วนำมารวมกัน)
    เช่น Methylene Chloride LEL = 82,500 ppm
          Benzene LEL = 14,000 ppm
          อากาศที่ปนเปื้อนมี Methylene Chloride 1,000 ppm และ Benzene 1,000 ppm
          สัดส่วนความเข้มข้นของสารต่อ LEL = 1,000/82,500 + 1,000/14,000 = 0.084 หรือ 8.4 %
    หากสัดส่วนมีค่า 1 หรือมากกว่า อากาศที่ปนเปื้อนนี้ย่อมติดไฟเองได้และไม่ต้องคำนวณเชื้อเพลิงเสริม ตรงกันข้ามอาจต้องให้อากาศเสริมเข้าไปมิฉะนั้นการเผาไหม้จะขาดอากาศและมีควันดำ และอาจเป็นอันตรายได้
  2. คำนวณหาปริมาณความร้อนที่มีอยู่ในอากาศที่ปนเปื้อน
            
    เป็นการคำนวณปริมาณความร้อนที่มีอยู่ในอากาศที่จะกำจัดกลิ่น ว่าหากสารที่อยู่ในอากาศเผาไหม้หมดจะได้ค่าความร้อนเท่าใด เช่น มีเบนซีน 1,000 ppm ในอากาศ หมายถึงในอากาศ 1ล้านลูกบาศก์ฟุตจะมีเบนซีน 1,000 ลูกบาศก์ฟุต ค่าความร้อนต่อลูกบาศก์ฟุตของเบนซีนจากตารางแสดงข้อมูลเท่ากับ 9,698 calories/gram (แปลงได้เป็นค่า 3,475 บีทียูต่อลูกบาศก์ฟุตของเบนซีน
    เมื่อ 2.79 calories/gram เบนซีนมีค่าเท่ากับ 1 บีทียูต่อลูกบาศก์ฟุต)
              ค่าความร้อนที่มีอยู่ของเบนซีนในอากาศเท่ากับ 3,475,000 บีทียูต่ออากาศล้านลูกบาศก์ฟุต หรือ 3.475 บีทียูต่ออากาศ 1 ลูกบาศก์ฟุต
              หากมีสารอื่นก็คำนวณแบบเดียวกันแล้วเอาค่าที่ได้จากสารทุกชนิดมารวมกัน สารเคมีแต่ละชนิดจะถูกทำลายโดยการเผาไหม้ที่อุณหภูมิและเวลาที่เหมาะสม ข้อมูลในตารางแสดงว่าเบนซีนจะถูกทำลาย 99.99 % ใน 1 วินาที ที่อุณหภูมิ 1,350 ฟาเรนไฮต์ ข้อมูลของสารแต่ละชนิดจะแตกต่างกันไป และควรศึกษาข้อมูลจากแหล่งอ้างอิงหลายแห่ง เพราะบางการทดลองใช้อุณหภูมิสูง เวลาสั้นลง บางครั้งใช้เวลาไม่สูงมากแต่ใช้เวลานานขึ้น โดยมีประสิทธิภาพการทำลายใกล้เคียงกันเพื่อสามารถเลือกใช้ให้เหมาะสม
  3. การคำนวณเชื้อเพลิงเสริม
              โดยปกติแล้วความเข้มข้นของสารที่ปนเปื้อนในอากาศไม่มากพอที่จะทำให้เกิดการติดไฟหรือเกิดการเผาไหม้ได้เอง จึงต้องคำนวณหาค่าความร้อนที่ต้องใช้เพื่อทำให้ถึงอุณหภูมิเพื่อให้เกิดการเผาไหม้ในห้องเผาไหม้ โดยใช้หลักการสมดุลมวลและความร้อน
    ดังนี้
              ความร้อนที่ต้องการเพิ่ม = อัตราการไหลของอากาศ x ความร้อนจำเพาะของอากาศ x ความแตกต่างของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น–
                                                 ความร้อนที่มีอยู่แล้วจากสารปนเปื้อนในอากาศ
    เมื่อได้ค่าความร้อนจากการคำนวณแล้วควรเผื่อค่าอีก 10 % เป็นค่าการสูญเสียความร้อนของเตา

    ตัวอย่างการคำนวณ

    ต้องการนำอากาศที่อุณหภูมิห้องซึ่งปนเปื้อนด้วยเบนซีนความเข้มข้น 1,000 ppm มาเผาทำลาย ที่อุณหภูมิ 1,600 ฟาเรนไฮต์ อัตราการไหลของอากาศที่นำมาเข้าเตาเผามีค่า 20,000 ลบ.ฟุต ต่อนาที อากาศที่ผ่านเตาเผาแล้วได้ระเหยออกทางปล่องโดยตรง มิได้นำไปใช้แลกเปลี่ยนความร้อน กำหนดให้ ความร้อนจำเพาะของอากาศมีค่า 0.255 บีทียูต่อปอนด์อากาศ*ฟาเรนไฮต์ ให้คำนวณหาปริมาณเชื้อเพลิงที่ต้องใช้

    ค่าความร้อนที่มีอยู่ของเบนซีนที่ปนเปื้อนในอากาศได้คำนวณแล้วในข้อ 2 มีค่า = 3,475,000 บีทียูต่ออากาศล้านลูกบาศก์ฟุต หรือ 3.475บีทียูต่ออากาศ 1 ลูกบาศก์ฟุต ในกรณีนี้มีอากาศ 20,000 ลบ.ฟุต มีค่าความร้อนของเบนซีน 69,500 บีทียู

    อากาศ 1 ลูกบาศก์ฟุต หนัก 0.0739 ปอนด์ ดังนั้นอากาศ 20000 ลบ.ฟุต ต่อนาที มีน้ำหนัก 1,478 ปอนด์ต่อนาที
    ความร้อนเพิ่มจากอุณหภูมิ 100 ฟาเรนไฮต์ เป็น 1,600 ฟาเรนไฮต์ คือเพิ่ม 1,500 ฟาเรนไฮต์

    ความร้อนที่ต้องการเพิ่ม = 1,478 x 0.2555 x 1,500 – 69,500 = 495,835 บีทียูต่อนาที

    หากใช้มีเทนเป็นเชื้อเพลิงเสริม โดยมีเทนมีค่าความร้อน 877 บีทียู/ลบ.ฟุต ต้องใช้มีเทน= 495,835/877 = 565 ลบ.ฟุตต่อนาที (ในกรณีที่ยังไม่ได้เผื่อค่าสำหรับการสูญเสียความร้อนจากเตา) เทียบกับอากาศที่ 20,000 ลบ.ฟุตต่อนาที จะเห็นว่าใช้เชื้อเพลิงไม่มากนัก หากเชื้อเพลิงมีปริมาณมากการคำนวณจะซับซ้อนกว่านี้เพราะต้องคิดค่าความร้อนที่ให้กับอากาศที่เพิ่มขึ้นจากเชื้อเพลิงอีกด้วย โดยเฉพาะเตาที่ใช้เชื้อเพลิงที่มีอากาศปน เช่น ก๊าซชีวภาพ

    หากมีการนำความร้อนไปใช้ เช่น อุ่นอากาศก่อนเข้าเตา อาจประหยัดเชื้อเพลิงได้มากถึง 80%
    กรณีเตาที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา การคำนวณเหมือนกันแต่อุณหภูมิที่ต้องการในการออกซิเดชันจะต่ำกว่า ความร้อนที่ต้องการใช้มีค่าน้อยกว่า
  4. การคำนวณขนาดของห้องเผาไหม้
               ขนาดของห้องเผา คำนวณได้จากข้อมูลความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านห้องเผาโดยทั่วไป ควรมีความเร็ว 6-12 เมตรต่อวินาที และเวลาที่อากาศอยู่ในห้องเผา 0.2-2.0 วินาที ทั้งนี้ขึ้นกับว่าสารในอากาศต้องใช้เวลานานเท่าใดในการถูกทำลายที่อุณหภูมิของห้องเผา สำหรับตัวทำละลายในอุตสาหกรรมอาจใช้ค่า 0.2 วินาที สัดส่วนความยาว/เส้นผ่าศูนย์กลางของห้องเผาไหม้เป็น 2.0-3.0

               จากตัวอย่าง หากให้ความเร็วของก๊าซในห้องเผาเป็น 10 เมตรต่อวินาที (33 ฟุต/วินาที) เตาต้องยาว 10 เมตรเพื่อให้อากาศอยู่ในเตา 1 วินาที อัตราการไหลผ่านเตาที่อุณหภูมิ 1,600 ฟาเรนไฮต์จะขยายเพิ่ม 3.8 เท่า (ตามกฎของ Gas Laws) เป็น 76,000 ลบ.ฟุตต่อนาทีหรือ 1,266 ลบ.ฟุตต่อวินาที พื้นที่หน้าตัดของเตาสามารถหาได้
               หน้าตัด = อัตราการไหล/ความเร็ว = 1,266/33 = 38.4 ตร.ฟุต
               เส้นผ่าศูนย์กลาง (เตารูปท่อกลม) = 2 x (38.4/3.14)0.5= 7 ฟุต

 

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