อะไรทำให้การเผาไหม้แบบเตียงไหล (fluidized bed combustion) มีความมั่นคงสูงในขณะทำงานที่โหลดต่ำ

การเผาไหม้แบบเตียงไหล (fluidized bed combustion) ถือเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการแปลงพลังงานความร้อนที่เชื่อถือได้มากที่สุดสำหรับการผลิตไฟฟ้าในภาคอุตสาหกรรมและการกู้คืนความร้อน ต่างจากระบบการเผาไหม้แบบใช้ตะแกรงแบบดั้งเดิม การเผาไหม้แบบเตียงไหลสามารถรักษาความมั่นคงในการทำงานได้อย่างโดดเด่นในช่วงการปฏิบัติงานที่กว้างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งขณะทำงานที่โหลดต่ำ ซึ่งหม้อไอน้ำแบบดั้งเดิมหลายชนิดมักประสบปัญหาการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์และสูญเสียประสิทธิภาพ ดังนั้น การเข้าใจกลไกที่ทำให้เกิดความมั่นคงนี้จึงมีความสำคัญยิ่งต่อผู้ปฏิบัติงานที่ต้องการประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ ลดการปล่อยมลพิษ และมีความยืดหยุ่นในการใช้เชื้อเพลิงอย่างคาดการณ์ได้ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่ท้าทาย

ข้อได้เปรียบพื้นฐานของหม้อไอน้ำแบบไหลเวียนที่ใช้เตียงแบบไหล (circulating fluidized bed boiler) อยู่ที่ความสามารถในการรักษาความเข้มของการเผาไหม้และความสม่ำเสมอของการถ่ายเทความร้อน แม้เมื่อปริมาณเชื้อเพลิงที่ป้อนเข้าลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับกำลังการผลิตสูงสุด ความมั่นคงนี้เกิดจากคุณลักษณะการผสมแบบโดยธรรมชาติของเตียงแบบไหลเอง ซึ่งอนุภาคเชื้อเพลิงแข็งยังคงลอยตัวอยู่ในกระแสอากาศที่เคลื่อนที่ขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดการสัมผัสอย่างต่อเนื่องกับอากาศสำหรับการเผาไหม้ และสามารถทำให้เกิดการออกซิเดชันเกือบสมบูรณ์ ไม่ว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงภาระงานอย่างไรก็ตาม

หลักฟิสิกส์ของความมั่นคงของเตียงในระหว่างการปฏิบัติงานที่ภาระต่ำ

การผสมอย่างสม่ำเสมอและมวลความร้อน

ในหม้อไอน้ำแบบไหลเวียนแบบชั้นของแข็งที่ถูกทำให้เป็นของเหลว (circulating fluidized bed boiler) สารผสมที่หนาแน่นของเชื้อเพลิง เถ้า หินปูน และของแข็งเฉื่อย จะสร้างมวลความร้อนขนาดใหญ่ซึ่งทำหน้าที่ดูดซับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเมื่ออัตราการเผาไหม้ลดลง มวลความร้อนสำรองนี้ช่วยป้องกันไม่ให้อุณหภูมิลดลงอย่างฉับพลัน ซึ่งมักเกิดขึ้นในระบบเตาแบบตะแกรงคงที่ (fixed-grate systems) ขณะลดโหลด การหมุนเวียนของของแข็งอย่างต่อเนื่องจากไซโคลนกลับเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ทำให้อนุภาคที่ร้อนจัดผสมผสานกับอากาศเย็นที่ไหลเข้ามาอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้อุณหภูมิของชั้นวัสดุ (bed temperature) ค่อนข้างสม่ำเสมอในช่วง ๘๐๐ ถึง ๙๕๐ องศาเซลเซียส แม้ในขณะที่อัตราการป้อนเชื้อเพลิงจะลดลงเหลือเพียง ๓๐ หรือ ๔๐ เปอร์เซ็นต์ของโหลดเต็ม

การกระจายอากาศส่วนเกินและความพร้อมใช้งานของออกซิเจน

ระบบการเผาไหม้แบบเตียงไหล (fluidized bed combustion) ทำงานด้วยอากาศเกินร้อยละ 20 ถึง 35 ซึ่งทำให้มีออกซิเจนพร้อมใช้งานทั่วทั้งโซนการเผาไหม้เสมอ แม้จะมีการเปลี่ยนแปลงอัตราการป้อนเชื้อเพลิงในขณะใดขณะหนึ่งก็ตาม ขอบเขตของอากาศที่มากเกินนี้ช่วยป้องกันไม่ให้เกิดบริเวณที่มีเชื้อเพลิงเข้มข้นเกินไปซึ่งอาจก่อให้เกิดผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ และยังช่วยให้สามารถปลดปล่อยความร้อนได้อย่างรวดเร็วเมื่อปริมาณเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน แบบของการออกแบบหม้อไอน้ำแบบเตียงไหลวงจร (circulating fluidized bed boiler) จัดให้มีการจ่ายอากาศสำหรับการเผาไหม้ผ่านช่องเปิดหลายตำแหน่งตามความสูงของห้องเผาไหม้ ทำให้เกิดโซนที่แยกชั้นกัน โดยสารระเหยจะถูกเผาไหม้อย่างรวดเร็วในส่วนล่าง ในขณะที่การออกซิเดชันของถ่านจะดำเนินต่อไปในระดับที่สูงขึ้น ซึ่งช่วยรักษาความเข้มของการเผาไหม้ไว้แม้ในช่วงที่โหลดต่ำและมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

การควบคุมการปล่อยมลพิษจากกระบวนการเผาไหม้แบบเตียงไหลในช่วงโหลดบางส่วน

การฉีดหินปูนและการดักจับกำมะถัน

หนึ่งในข้อได้เปรียบสำคัญที่สุดของการควบคุมการปล่อยมลพิษด้วยการเผาไหม้แบบชั้นของวัสดุที่ไหลได้ คือ ความสามารถตามธรรมชาติของระบบในการจับก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ตลอดช่วงการโหลดทั้งหมด โดยไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ขั้นตอนปลายที่ซับซ้อน อนุภาคหินปูนที่ฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้จะทำปฏิกิริยาโดยตรงกับก๊าซ SO2 ที่อุณหภูมิ ๘๕๐ องศาเซลเซียส และอัตราการเกิดปฏิกิริยานี้ยังคงค่อนข้างคงที่ไม่ว่าเตาเผาจะทำงานที่กำลังการผลิตเต็มที่หรือเพียงร้อยละ ๔๐ ก็ตาม เวลาที่ของแข็งค้างอยู่ภายในหม้อไอน้ำแบบชั้นไหลเวียน (circulating fluidized bed boiler) ที่ยาวนาน ทำให้มั่นใจได้ว่าแม้แต่ปริมาณหินปูนเพียงเล็กน้อยก็สามารถจับก๊าซซัลเฟอร์ได้อย่างเพียงพอ ส่งผลให้ระดับการปล่อยก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ยังคงต่ำกว่า ๒๐๐ มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (mg/Nm³) โดยไม่จำเป็นต้องใช้ระบบกำจัดก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์จากไอเสีย (flue-gas desulfurization scrubbers)

การเกิดและยับยั้งก๊าซไนโตรเจนออกไซด์

การควบคุมการปล่อยมลพิษจากการเผาไหม้แบบชั้นของไหล (fluidized bed combustion) จัดการกับการเกิด NOx ผ่านกลไกสามประการ ได้แก่ อุณหภูมิการเผาไหม้ที่ต่ำซึ่งยับยั้งการเกิด thermal NOx การจัดสรรอากาศอย่างควบคุมเพื่อลดการเกิด fuel NOx และการผสมอย่างรวดเร็วซึ่งป้องกันไม่ให้เกิดบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ ในภาวะการเดินเครื่องที่โหลดต่ำ การลดปริมาณเชื้อเพลิงที่ป้อนเข้าไปโดยธรรมชาติทำให้อุณหภูมิสูงสุดต่ำลง โดยทั่วไปต่ำกว่าสภาวะโหลดเต็ม 100 ถึง 150 องศาเซลเซียส ส่งผลให้การผลิต NOx ลดลงโดยตรง 40 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับหม้อไอน้ำถ่านหินแบบบดละเอียด (pulverized coal boilers) แบบดั้งเดิม หม้อไอน้ำแบบชั้นของไหลที่หมุนเวียน (circulating fluidized bed boiler) สามารถควบคุมระดับการปล่อยออกไซด์ของไนโตรเจนให้อยู่ในช่วง 150 ถึง 250 มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เมตรมาตรฐาน (mg/Nm³) โดยไม่จำเป็นต้องใช้ระบบลดสารเคมีแบบเลือกสรรด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา (selective catalytic reduction) จึงสามารถปฏิบัติตามมาตรฐานสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดได้อย่างมีประสิทธิภาพทางต้นทุน

การปรับปรุงประสิทธิภาพของการเผาไหม้แบบชั้นของไหลภายใต้กำลังการผลิตที่ลดลง

ความสมบูรณ์ของการเผาไหม้และคาร์บอนที่ยังไม่ถูกเผาไหม้

การปรับปรุงประสิทธิภาพของการเผาไหม้ในเตาเผาแบบชั้นของไหลเริ่มต้นจากการได้เปรียบพื้นฐาน คือ การออกซิเดชันของเชื้อเพลิงเกือบสมบูรณ์แบบตลอดช่วงโหลดทั้งหมด การผสมอย่างต่อเนื่องระหว่างอนุภาคเชื้อเพลิงกับอากาศสำหรับการเผาไหม้ในเตาเผาแบบชั้นของไหลที่หมุนเวียน ทำให้เกิดการกำจัดคาร์บอนที่ยังไม่ถูกเผาไหม้ในเถ้าด้านล่างเกือบหมดสิ้น ซึ่งเป็นปัญหาที่ลดทอนประสิทธิภาพในระบบเตาเผาแบบตะแกรงเมื่อทำงานที่โหลดต่ำกว่าร้อยละ 60 ผลการทดสอบแสดงอย่างสม่ำเสมอว่า ประสิทธิภาพการเผาไหม้สูงกว่าร้อยละ 98.5 ที่โหลดร้อยละ 50 เมื่อเทียบกับเตาถ่านหินบดละเอียดแบบเทียบเคียงกันที่ให้ประสิทธิภาพเพียงร้อยละ 94 ถึง 96 จึงสามารถกู้คืนพลังงานความร้อนได้เพิ่มขึ้น 2 ถึง 4 จุดเปอร์เซ็นต์ ที่มิฉะนั้นจะสูญเสียไปในรูปของความร้อนสัมผัสจากคาร์บอนที่ยังไม่ถูกออกซิไดซ์

การเสริมประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนและการควบคุมความหนาแน่นของชั้นของไหล

การกระจายตัวอย่างหนาแน่นของอนุภาคภายในหม้อไอน้ำแบบไหลเวียนที่ใช้เทคนิคฟลูอิดไดซ์เบด ทำให้เกิดสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนที่โดดเด่น—โดยทั่วไปอยู่ที่ ๑๐๐ ถึง ๑๕๐ วัตต์ต่อตารางเมตร-เคลวิน บนผนังเตาเผา—ซึ่งยังคงค่อนข้างคงที่แม้ในกรณีที่อัตราการไหลลดลงก็ตาม ระหว่างการปฏิบัติงานที่โหลดต่ำ ผู้ควบคุมจะรักษาความหนาแน่นของชั้นวัสดุให้คงที่ด้วยการควบคุมความเร็วลมและอัตราการนำวัสดุกลับมาใช้ใหม่อย่างระมัดระวัง เพื่อรักษาระดับการสัมผัสอย่างใกล้ชิดระหว่างอนุภาคที่ลอยตัวกับพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อน ประสิทธิภาพของการเผาไหม้ในระบบฟลูอิดไดซ์เบดยังเพิ่มขึ้นอีกจากโหมดการปฏิบัติงานที่มีความหนาแน่นสูงในส่วนล่างของห้องเผาไหม้ ซึ่งความเข้มข้นของอนุภาคในบริเวณท้องถิ่นสามารถสูงถึง ๑๐๐ ถึง ๑๕๐ กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ส่งผลให้เกิดการถ่ายเทความร้อนแบบการแผ่รังสี ซึ่งเสริมกลไกการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน และรักษาระดับการถ่ายเทความร้อนออกให้สอดคล้องกับความเข้มของการเผาไหม้ มากกว่าที่จะขึ้นกับความเร็วลมในเตาเผา

ผลกระทบเชิงปฏิบัติสำหรับการดำเนินงานในภาคอุตสาหกรรม

ความสามารถในการปรับตัวตามภาระงานและการสนับสนุนโครงข่ายไฟฟ้า

ผู้ประกอบการภาคอุตสาหกรรมเริ่มตระหนักมากขึ้นว่า ความมั่นคงของการเผาไหม้แบบเตียงไหล (fluidized bed combustion) ขณะทำงานที่โหลดต่ำช่วยให้สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงความถี่ของระบบไฟฟ้าและปรับตัวตามความผันแปรของความต้องการได้อย่างรวดเร็ว โดยไม่ลดประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงหรือสมรรถนะด้านสิ่งแวดล้อม หม้อไอน้ำแบบไหลเวียนในเตียงไหล (circulating fluidized bed boiler) สามารถลดกำลังการผลิตจาก 100 เปอร์เซ็นต์ลงเหลือ 40 เปอร์เซ็นต์ภายในเวลา 15 ถึง 20 นาที พร้อมรักษาระดับประสิทธิภาพการเผาไหม้ไว้เหนือ 98 เปอร์เซ็นต์ และควบคุมการปล่อยก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ให้ต่ำกว่าขีดจำกัดที่กฎหมายกำหนด ความสามารถในการปรับโหลดได้หลากหลายเช่นนี้เป็นสิ่งที่ระบบเผาไหม้แบบสโตกเกอร์ (stoker) หรือแบบเกรต (grate-fired) แบบดั้งเดิมไม่สามารถทำได้ เนื่องจากประสิทธิภาพจะลดลงเหลือ 85 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ และการปล่อยมลพิษจะผันแปรอย่างไม่แน่นอนในช่วงโหลดเปลี่ยนผ่านแบบเดียวกัน จึงทำให้การเผาไหม้แบบเตียงไหลกลายเป็นทางเลือกอันดับต้นๆ สำหรับสถานประกอบการที่สนับสนุนการผสานพลังงานหมุนเวียนเข้ากับระบบไฟฟ้า และให้บริการระบบไฟฟ้าแบบไดนามิก

ความยืดหยุ่นด้านเชื้อเพลิงและการเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุน

ความมั่นคงตามธรรมชาติของการเผาไหม้ในเตาแบบไหลเวียน (fluidized bed combustion) ช่วยให้สามารถใช้เชื้อเพลิงที่ท้าทายได้อย่างคุ้มค่า เช่น ถ่านหินคุณภาพต่ำ โค้กปิโตรเลียม ส่วนผสมชีวมวล และเชื้อเพลิงที่ผลิตจากขยะ โดยไม่จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนอุปกรณ์แยกต่างหากสำหรับสภาวะโหลดที่แตกต่างกัน เตาหม้อน้ำแบบไหลเวียน (circulating fluidized bed boiler) สามารถปรับตัวโดยอัตโนมัติต่อการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของเชื้อเพลิงผ่านการปรับอัตราการใส่หินปูน (limestone dosing) และการจัดสรรอากาศใหม่ ซึ่งความสามารถนี้มีคุณค่าอย่างยิ่งเมื่อการจัดหาเชื้อเพลิงเปลี่ยนไปสู่ทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่า ขณะทำงานที่โหลดต่ำ ซึ่งโดยทั่วไปการเปลี่ยนแปลงคุณภาพเชื้อเพลิงมักก่อให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์หรือความไม่เสถียรในการดำเนินงานในระบบแบบดั้งเดิม การเผาไหม้ในเตาแบบไหลเวียนยังคงรักษาการเผาไหม้ที่มั่นคงและการควบคุมการปล่อยมลพิษได้อย่างต่อเนื่อง จึงช่วยปกป้องการลงทุนในอุปกรณ์และทำให้สามารถคาดการณ์กำไรจากการดำเนินงานได้อย่างแม่นยำ ไม่ว่าองค์ประกอบหรือความพร้อมใช้งานของวัตถุดิบจะเป็นอย่างไร

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดการเผาไหม้ในเตาแบบไหลเวียนจึงรักษาความเสถียรของอุณหภูมิไว้ได้เมื่อปริมาณเชื้อเพลิงที่ป้อนลดลง

มวลความร้อนของของแข็งที่ไหลเวียน และการไหลเวียนซ้ำอย่างต่อเนื่องของอนุภาคที่ร้อนจากไซโคลนกลับเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ทำให้เกิดแหล่งสะสมความร้อนขนาดใหญ่ที่ช่วยลดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ แม้เมื่ออัตราการป้อนเชื้อเพลิงลดลง ของแข็งที่ร้อนซึ่งไหลเวียนผ่านชั้นวัสดุก็ยังคงรักษาความเข้มของการเผาไหม้และอุณหภูมิของชั้นวัสดุไว้ได้ จึงป้องกันไม่ให้เกิดการลดลงอย่างฉับพลันของอุณหภูมิซึ่งมักพบในระบบเตาแบบตะแกรงคงที่ ความสามารถในการรองรับความร้อนนี้ ร่วมกับปริมาณอากาศสำหรับการเผาไหม้ที่มากเกินพอและการผสมของอนุภาคอย่างสม่ำเสมอ ทำให้สภาพของชั้นวัสดุมีความสม่ำเสมอมากขึ้นทั่วทั้งช่วงโหลด ตั้งแต่ร้อยเปอร์เซ็นต์ลงมาจนถึงสามสิบเปอร์เซ็นต์ของกำลังการผลิต

หม้อไอน้ำแบบไหลเวียนแบบฟลูอิดไลซ์เบด (CFB) ลดการปล่อยมลพิษอย่างไรในระหว่างการเดินเครื่องที่โหลดต่ำ

การควบคุมการปล่อยมลพิษจากการเผาไหม้ในเตาแบบไหลเวียน (fluidized bed combustion) ดำเนินการผ่านกลไกที่ผสานรวมกันหลายประการ ได้แก่ การฉีดหินปูนเพื่อดักจับก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์โดยตรงภายในห้องเผาไหม้ ซึ่งอัตราการดักจับไม่ขึ้นกับภาระงาน, เวลาที่ของแข็งค้างอยู่ภายในระบบยาวนานเพียงพอทำให้คาร์บอนจากเชื้อเพลิงเกิดการออกซิเดชันอย่างสมบูรณ์ และอุณหภูมิสูงสุดที่ต่ำกว่าซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของการเผาไหม้ในเตาแบบไหลเวียน ช่วยยับยั้งการเกิดไนโตรเจนออกไซด์ได้ร้อยละ 40 ถึง 60 เมื่อเทียบกับระบบที่ใช้ถ่านหินบดละเอียด แม้ในช่วงที่ภาระงานลดลงชั่วคราว กลไกเหล่านี้ยังคงมีประสิทธิภาพ เนื่องจากพึ่งพาการผสมตัวของของแข็งและการเกิดปฏิกิริยาทางเคมี มากกว่าความเร็วของก๊าซหรือระยะเวลาที่ก๊าซค้างอยู่ในเตา จึงรักษาความสามารถในการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านการปล่อยมลพิษได้ตลอดช่วงการปฏิบัติงาน

การปรับปรุงประสิทธิภาพของการเผาไหม้ในเตาแบบไหลเวียน (fluidized bed combustion) มีลักษณะใดบ้างเมื่อโรงไฟฟ้าทำงานที่ภาระงานต่ำกว่าร้อยละ 50

การปรับปรุงประสิทธิภาพของการเผาไหม้ในเตาเผาแบบชั้นของไหล (fluidized bed combustion) ที่โหลดต่ำลง ประกอบด้วย ความสมบูรณ์ของการเผาไหม้สูงกว่าร้อยละ 98.5 เนื่องจากการผสมผสานของอนุภาคที่ลอยตัวอยู่ในอากาศช่วยขจัดคาร์บอนที่ยังไม่ถูกเผาไหม้ให้หมดสิ้น ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนยังคงคงที่ที่ช่วง 100 ถึง 150 วัตต์ต่อตารางเมตร-เคลวิน ไม่ว่าอัตราการไหลจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร และการดำเนินงานในเฟสหนาแน่นยังคงรักษาการถ่ายเทความร้อนแบบการแผ่รังสีไว้ได้อย่างมีเสถียรภาพ โดยไม่ขึ้นกับความเร็วของก๊าซ กลไกเหล่านี้ทำให้หม้อไอน้ำแบบไหลเวียนในชั้นของไหล (circulating fluidized bed boilers) สามารถรักษาระดับประสิทธิภาพเชิงความร้อนไว้ภายในช่วงห่างจากประสิทธิภาพที่โหลดเต็มเพียง 1 ถึง 2 จุดร้อยละ ฟื้นฟูประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 2 ถึง 4 จุดร้อยละ เมื่อเปรียบเทียบกับหม้อไอน้ำแบบดั้งเดิม และยังรองรับการดำเนินงานที่ให้ผลกำไรได้แม้ในช่วงเวลาที่ต้นทุนเชื้อเพลิงเอื้ออำนวยต่อการลดกำลังการผลิต