เนื้อหาวันที่ : 2009-07-03 19:28:37 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 26441 views

การจัดการมลพิษของซัลเฟอร์ไดออกไซด์จากการเผาไหม้

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

ธนกร ณ พัทลุง 

.

.

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

.

เนื่องจากเกิดการกลั่นตัวเป็นกรด เพื่อลดผลกระทบดังกล่าวนั้นก็จะต้องมีแนวทางและมาตรการเข้ามาควบคุมได้หลายวิธี เช่น การควบคุมอุณหภูมิไอเสียไม่ให้ต่ำกว่าอุณหภูมิกลั่นตัวของกรด, วิธีการดูดซับ, วิธีการปรับปรุงการเผาไหม้ หรือวิธีการเติมสารเข้าไปทำปฏิกิริยาเพื่อควบคุมปริมาณ เป็นต้น โดยรายละเอียดจะกล่าวต่อไปในบทความนี้

.
มาตรการป้องกันการสึกกร่อนของผิวถ่ายเทความร้อน

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

.
มาตรการควบคุมก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์

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

.
สรุป

จากข้างต้นก็เป็นหลายแนวทางที่จะนำไปปรับปรุงแก้ไขเพื่อลดปัญหาที่เกิดจากก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ลงมีทั้งการปรับการเผาไหม้ให้อากาศน้อย , ใช้สารละลายด่างจับก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์, การดูดซับด้วยของแข็ง, การควบคุมอุณหภูมิปล่องหรือการปรับปรุงการเผาไหม้เป็นแบบฟลูอิไดซ์เบด เป็นต้น ก็พิจารณาดูถึงความเหมาะสมของแต่ละวิธีในการนำไปใช้  

.
อ้างอิง 

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

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด