การจัดการมลพิษของซัลเฟอร์ไดออกไซด์จากการเผาไหม้

ธนกร ณ พัทลุง 

สารมลพิษอากาศที่มีในไอเสียที่พบอยู่บ่อยครั้งในกระบวนการเผาไหม้จากการใช้เชื้อเพลิงประเภทฟอสซิล เช่น น้ำมันเตา ถ่านหิน เป็นต้น นั่น คือ ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) และออกไซด์ของไนโตรเจน (NO_x) ซึ่งเป็นสารมลพิษหลักที่ถูกควบคุมด้วยกฎหมาย โดยเฉพาะก๊าซซัลเฟอร์นี้จะส่งผลกระทบทั้งเป็นมลพิษอากาศ แล้วยังจะทำให้เกิดการเสียหายจากการกัดกร่อนต่ออุปกรณ์ต่าง ๆ ได้ด้วย   

เนื่องจากเกิดการกลั่นตัวเป็นกรด เพื่อลดผลกระทบดังกล่าวนั้นก็จะต้องมีแนวทางและมาตรการเข้ามาควบคุมได้หลายวิธี เช่น การควบคุมอุณหภูมิไอเสียไม่ให้ต่ำกว่าอุณหภูมิกลั่นตัวของกรด, วิธีการดูดซับ, วิธีการปรับปรุงการเผาไหม้ หรือวิธีการเติมสารเข้าไปทำปฏิกิริยาเพื่อควบคุมปริมาณ เป็นต้น โดยรายละเอียดจะกล่าวต่อไปในบทความนี้

ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) ในไอเสียจากการเผาไหม้ตามปกติจะมีค่าต่ำกว่า 0.2% แต่ 1–5% ของไอเสียจะออกมาในรูปของซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ (SO₃) ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับไอน้ำเกิดเป็นกรดซัลฟูริกและไอกรดซัลฟูริกในไอเสียจากการเผาไหม้จะทำให้อุณหภูมิจุดน้ำค้างของกรดสูงขึ้น ซึ่งจะแตกต่างกันไปตามปริมาณกำมะถันในเชื้อเพลิง อากาศส่วนเกิน ปริมาณไอน้ำและวิธีการเผาไหม้

แต่บางครั้งอุณหภูมิอาจสูงขึ้นได้ถึง 160 ^oC เมื่ออุณหภูมิของก๊าซที่เผาไหม้สูงขึ้นจนถึงจุดน้ำค้างของกรด กรดซัลฟูริกก็จะเริ่มควบแน่นโดยปริมาณการควบแน่นจะสูงสุดที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดน้ำค้าง 15–40 ^oC ทำให้เกิดการกัดกร่อนรุนแรงที่สุดด้วย 

อุณหภูมิที่ก่อให้เกิดการกลั่นตัวดังกล่าวจะขึ้นอยู่กับปริมาณของกำมะถันที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงซึ่งจะเป็นตัวกำหนดหรือข้อจำกัดในการออกแบบอุปกรณ์ ดังรูปที่ 1

รูปที่ 1 แสดงอุณหภูมิการกลั่นตัวของกรดกำมะถัน

หรือสามารถหาอุณหภูมิกลั่นตัวของไอน้ำจากการคำนวณดังตัวอย่างต่อไปนี้
ตัวอย่าง หม้อไอน้ำตัวหนึ่งใช้น้ำมันเป็นเชื้อเพลิงโดยใช้อากาศเกินทฤษฎี 20% เชื้อเพลิงสามารถแทนด้วยสูตรโมเลกุล C₁₂H₂₆ จงหาอุณหภูมิต่ำสุดของปล่องไอเสียเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการกลั่นตัวของไอน้ำ สมมติไอเสียที่จะออกจากปล่องมีความดัน 45 psia 

เขียนสมการสำหรับการเผาไหม้โดยอากาศ 100% ทางทฤษฎีได้ดังนี้ (ถือว่าอากาศประกอบด้วย 3.76 โมลของ N₂ ต่อ 1 โมลของ O₂)
 C₁₂H₂₆ + 18.5O₂ + 69.56N₂   12CO₂ + 13H₂O + 69.56N₂
     สำหรับการเผาไหม้โดยอากาศเกินทฤษฎี 20% จะเป็น
 C₁₂H₂₆ + 22.2O₂ + 83.47N₂   12CO₂ + 13H₂O + 3.7O₂ + 83.47N₂
     จะได้ ความดันย่อยของไอน้ำในก๊าซ
  = (45 x 13)/(12+13+3.7+83.472)
  = 5.215 psia
     เปิดตารางคุณสมบัติจะได้อุณหภูมิอิ่มตัวของน้ำที่ 5.215 psia = 164 ^oF หรือ 76.3 ^oC
     ดังนั้น อุณหภูมิของปล่องไอเสียจะต้องมีค่าสูงกว่า 73.3 ^oC เพื่อป้องกันการกลั่นตัวของไอน้ำ 

ในกรณีของหม้อไอน้ำสำหรับปั่นไฟที่มีอุณหภูมิที่ทางออกของไอเสียจากการเผาไหม้ต่ำหรืออุปกรณ์ให้ความร้อนต่าง ๆ ที่การไหลของก๊าซในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนไม่สม่ำเสมอ ก๊าซบางส่วนจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดน้ำค้างจึงเกิดการควบแน่นและเกิดการกัดกร่อนผิวถ่ายเทความร้อน ซึ่งเรียกว่าการกัดกร่อนในอุณหภูมิต่ำ มาตรการป้องกันกรณีดังกล่าวมีดังต่อไปนี้

1..ต้องใช้เชื้อเพลิงที่มีปริมาณกำมะถันต่ำและต้องทำให้อุณหภูมิพื้นผิวของเครื่องอุ่นอากาศหรือ Economizer ไม่ลดลงต่ำกว่าจุดน้ำค้างของกรดด้วย
2. ถ้าการไหลของก๊าซในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนไม่สม่ำเสมอสามารถติดตั้ง Baffle ไว้ที่ทางอากาศเข้าเพื่อทำให้การไหลสม่ำเสมอได้

3. นำสารออกไซด์ของแมกนีเซียมที่มีลักษณะเป็นผงละเอียด Dolomite แมกนีเซียมคาร์บอเนตหรือซิงค์ออกไซด์มาผสมกับอากาศทุติยภูมิแล้วพ่นเข้าไปในห้องเผาไหม้ซึ่งสารเหล่านี้จะดูดซับ SO3 ในก๊าซจากการเผาไหม้หรือทำให้เป็นกลางทางเคมี นอกจากนี้ในกรณีของน้ำมันเตา ถ้าผสมแอมโมเนียประมาณ 0.06% (ของมวล) หรือ Heterocyclic Amine ประมาณ 0.04% เข้าไปกับก๊าซจากการเผาไหม้จะช่วยให้การกัดกร่อนลดลงได้อย่างมาก

4. ถ้าอากาศส่วนเกินน้อย ปริมาณออกซิเจนในไอเสียจากการเผาไหม้ก็จะน้อยจึงสามารถลดปริมาณ SO2 ที่จะกลายเป็น SO3 ลงได้ ดังนั้นถ้าสามารถทำการเผาไหม้ให้สมบูรณ์ได้ด้วยอากาศในปริมาณใกล้เคียงทฤษฎีมากที่สุด ปริมาณการเกิดไอกรดซัลฟูริกก็จะน้อยลง วิธีการนี้เรียกว่าการเผาไหม้ด้วยอัตราอากาศต่ำ ซึ่งมีการนำไปใช้อยู่ในอุปกรณ์ขนาดใหญ่ เช่น หม้อไอน้ำของโรงไฟฟ้า

5. หุ้มปล่องไอเสียเพื่อป้องกันการสูญเสียความร้อนออกไปอันจะทำให้ผิวปล่องเย็นกว่าจุดกลั่นตัวของไอกรดหรือทาด้วนสารกันการกัดกร่อนของกรดทั้งด้านในและด้านนอกตรงส่วนปลายของปล่อง

1. การใช้ด่างแบบคืนสภาพ (Regenerative Alkaline) ทำโดยการใช้ตัวกลางสารละลายที่มีสภาพเป็นด่างจับก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์โดยการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ตามด้วยการคืนสภาพซึ่งจะให้สารละลายสามารถนำกลับมาใช้ได้อีก ส่วนก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์จะกลายสภาพเป็นของเหลวเนื่องจากทำปฏิกิริยากับน้ำในสารละลานกรดซัลฟูริก (H2SO4) สารละลายที่นิยมใช้ เช่น Magnesium Oxide, Magnesium Dioxide และ Sodium Sulfite เป็นต้น

2. การใช้ด่างแบบไม่คืนสภาพ (Non Regenerative Alkaline) ใช้เมื่อสามารถหาตัวกลางที่มีราคาถูกมากได้ง่ายและมีความคุ้มทุนมากกว่าการใช้ด่างแบบคืนสภาพ ตัวกลางที่ใช่ เช่น ปูนขาวหรือหินปูน เป็นต้น เมื่อทำปฏิกิริยากับก๊าซแล้วจะไม่คืนสภาพ ต้องนำไปกำจัดต่อไป วิธีการใช้ด่างแบบไม่คืนสภาพนิยมใช้กันทั่วไปดังแสดงในรูปที่ 1 ถึง 4              

รูปที่ 2 แสดงการกำจัด SO2 ด้วยวิธีการใช้ด่างแบบไม่คืนสภาพโดยใช้ Wet Scrubber      

รูปที่ 3 แสดงการกำจัด SO2 ด้วยวิธีการใช้ด่างแบบไม่คืนสภาพโดยใช้ Spray Dryer

รูปที่ 4 แสดงการกำจัด SO2 ด้วยวิธีการใช้ด่างแบบไม่คืนสภาพโดยใช้ Dry Injection

3..การฉีดเข้าเตาเผา (Furnace Injection) เป็นการสันดาปก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ภายในเตาเผาให้อยู่ในรูปของซัลเฟตและใช้น้ำดูดจับซัลเฟตที่เกิดขึ้น
4. การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalysis) ทำให้ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์อยู่ในรูปของ SO3 และได้กรดซัลฟูริกใช้ได้ดีกับก๊าซที่มีอุณหภูมิสูง

5. การดูดซับด้วยของแข็งแบบคืนสภาพ (Regenerative Solid Adsorption) ใช้ของแข็งในการดูดซับก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์แล้วนำของแข็งดังกล่าวไปฟื้นสภาพกลับมาใช้ใหม่และได้กรดซัลฟูริกจากการฟื้นสภาพ

 6. การเผาไหม้แบบฟลูอิไดซ์เบด (Fluidized-Bed Combustion) เป็นการเผาไหม้เชื้อเพลิงขณะลอยตัวและหมุนเวียนโดยจะมีการแยกเอากำมะถันออกระหว่างการเผาไหม้และการเผาไหม้

ฟลูอิไดซ์เบดจะประกอบไปด้วยอนุภาคของแข็งอยู่ในสภาวะผสมเข้ากับของไหลที่ไหลผ่านตัวมันด้วยความเร็วสูงพอที่จะทำให้อนุภาคแยกออกจากกันและสามารถลอยตัวอยู่ได้ด้วยของไหลนั้นดังรูปที่ 5 

รูปที่ 5 การเผาไหม้แบบฟลูอิไดซ์เบด (a) Collapsed (b) Fluidized State

ในการเผาไหม้แบบฟลูอิไดซ์เบดเชื้อเพลิงก้อนเล็กขนาดระหว่าง 1/4 และ 3/4 นิ้วจะถูกป้อนเข้าสู่เบดเหนือตะแกรง (Air Distribution Grid) อากาศจะถูกเป่าเข้าสู่ด้านล่างตะแกรงทำให้เชื้อเพลิงลอยขึ้นมาและทำการเผาไหม้ในก๊าซที่ได้จากการเผาไหม้จะมีคาร์บอนส่วนที่ยังเผาไหม้ไม่หมดปนออกไปจะถูกแยกโดยเครื่องแยกแบบไซโคลนและส่งกลับมายังเบดเพื่อเผาไหม้ต่อให้สมบูรณ์ดังรูปที่ 6

ข้อดีที่สำคัญของการเผาไหม้แบบฟลูอิไดซ์เบดก็คือ การเผาไหม้จะมีการแยกเอาซัลเฟอร์ไดออกไซด์ซึ่งมักจะเกิดในการเผาไหม้ทั่วไปและเป็นก๊าซพิษออกได้ การลดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ทำได้โดยการเติมหินปูนเข้าไปกับเชื้อเพลิงแข็ง เช่น ถ่านหิน โดยตรง หินปูนจะประกอบไปด้วย CaCO3 และในบางครั้งก็มี MgCO3 ซึ่งจะทำหน้าที่ร่วมกับอากาศส่วนที่เหลือจากการเผาไหม้ดูดซับซัลเฟอร์ไดออกไซด์

ส่วนหินปูนเมื่อถูกเผาที่อุณหภูมิประมาณ 800 - 850oC จะเป็นแคลเซียม จากนั้นจึงทำปฏิกิริยากับซัลเฟอร์ไดออกไซด์เกิดเป็นยิปซั่ม (ที่สัดส่วนที่ใช้ระหว่างแคลเซียม/กำมะถัน เท่ากับ 2 และอุณหภูมิของการเผาไหม้ที่ 800oC ประสิทธิภาพการกำจัดกำมะถันอยู่ที่ประมาณ 80%)

ข้อดีอีกอย่างของการเผาไหม้แบบนี้ก็คือเผาไหม้ที่อุณหภูมิไม่สูงมาก ทำให้สามารถใช้โลหะที่มีราคาถูกกว่าเป็นอุปกรณ์ได้และมี NOx ที่เกิดจากการเผาไหม้น้อย  

รูปที่ 6 ไดอะแกรมของหม้อไอน้ำที่มีการเผาไหม้แบบฟลูอิไดซ์เบด

จากข้างต้นก็เป็นหลายแนวทางที่จะนำไปปรับปรุงแก้ไขเพื่อลดปัญหาที่เกิดจากก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ลงมีทั้งการปรับการเผาไหม้ให้อากาศน้อย , ใช้สารละลายด่างจับก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์, การดูดซับด้วยของแข็ง, การควบคุมอุณหภูมิปล่องหรือการปรับปรุงการเผาไหม้เป็นแบบฟลูอิไดซ์เบด เป็นต้น ก็พิจารณาดูถึงความเหมาะสมของแต่ละวิธีในการนำไปใช้  

1. www.psnh.com/.../images/img-illust-boiler.gif
2. www.epa.gov/.../sulfur/control/control.htm
3. M. M. EL-Wakil, Power Plant Technology, McGraw-Hill Book Co., Singapore, 1984.
4. ผศ.แสวง กะระณา, เอกสารประกอบการฝึกอบรมหลักสูตร “การผลิตและการใช้ไอน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ”, 2547
5. รศ.ดร.นพภาพร พานิชและคณะ, ตำราระบบบำบัดมลพิษอากาศ, ศูนย์บริการวิชาการแห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, กรุงเทพฯ, 2547