Waiyapot ep097 Ultimate Qualities of Coal การทดสอบคุณภาพของถ่านหินแบบยิ่งยวด

EP. 97 Ultimate Qualities of Coal การทดสอบคุณภาพของถ่านหินแบบยิ่งยวด

Ultimate Quality Analysis เป็นการหาปริมาณ คาร์บอน ไฮโดรเจน กํามะถัน ไนโตรเจน ออกซิเจน และเถ้าโดยที่ปริมาณของออกซิเจน(O2) คำนวณได้จาก การนําค่าคาร์บอน ไฮโดรเจน กํามะถัน ไนโตรเจน และเถ้าลบออกจาก 100%

คาร์บอน ไฮโดรเจน และไนโตรเจน วิเคราะห์ด้วยเครื่อง CHN Analyser ตาม ASTM D 5373 โดยการเผาถ่านหินในบรรยากาศของออกซิเจน ซึ่งจะได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) และนํ้า โดยที่ก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) จะถูกรีดิวส์ เป็นก๊าซไนโตรเจน (N2) จากนั้นปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และไอนํ้า จะถูกคำนวณเป็นปริมาณของคาร์บอนและไฮโดรเจน โดยมี IR (Infrared) cells เป็น detector สำหรับก๊าซไนโตรเจน (N2) จะถูกตรวจสอบโดย TC (Thermal conductivity) cell แล้วคำนวณเป็นปริมาณไนโตรเจน ปฏิกิริยาของการเกิดสารประกอบเคมีเมื่อเผาตัวอย่างถ่านหินในบรรยากาศของออกซิเจนอธิบายได้ดังต่อไปนี้

• ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เกิดจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารคาร์บอนอินทรีย์ (organic carbon) ธาตุคาร์บอนอิสระ และคาร์บอนจากการสลายตัวของคาร์บอเนต (carbonate minerals)

• น้ำ เกิดจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนในรูปสารอินทรีย์ (organic hydrogen) รวมความชื้น และนํ้าในโครงสร้างของถ่านหินนั้น

• ก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ได้จากปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารไนโตรเจนอินทรีย์ (organic nitrogen) และการสลายตัว ของสารประกอบไนเตรต

ปริมาณของคาร์บอน ไฮโดรเจน มีประโยชน์ในการคํานวณหาปริมาณก๊าซออกซิเจนที่ต้องการใช้ในขบวนการเผาไหม้ถ่านหิน ประสิทธิภาพของเตาเผา และใช้ในการคํานวณมวลสมดุล (material balance) เพื่อนําไปประเมินค่าความร้อนที่จะได้จากการเผาไหม้ ปริมาณไนโตรเจนจะใช้ในการประเมินปริมาณไนโตรเจน ออกไซด์ที่จะเกิดขึ้นจากการเผาถ่านหิน เพราะเป็นสารที่ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

กํามะถัน (ASTM D 3177) กำมะถันเป็นธาตุที่น่าสนใจเพราะสามารถใช้ประเมินคุณภาพของถ่านหิน และปริมาณสารประกอบ กำมะถันที่จะปลดปล่อยออกมาจากการเผาไหม้ถ่านหิน ซึ่งมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม การหาปริมาณกํามะถันโดย วิธี ASTM D 3177 มี 2 แบบ คือ

1. วิธี Eschka method โดยนําส่วนผสมของถ่านหิน และ Eschka's mixture ไปเผาให้หลอมละลาย แล้วนําไปต้มให้ละลาย กรองน้ำสารละลายที่ได้ไปตกตะกอนเป็น barium sulphate กรองตะกอนที่ได้จาการเผา ชั่งนํ้าหนัก แล้วคํานวณเป็นร้อยละของกํามะถันที่ได้

2. วิธี Bomb washing method ทำโดยนำสารละลายที่ได้ จาก oxygen bomb calorimeter ไปตกตะกอนเป็น barium sulphate แบบเดียวกับวิธีแรก

Gross Calorific Value (GCV) (ASTM D 1989) การหาค่าความร้อนตามวิธี ASTM D 1989 เป็นการหาค่าปริมาณความร้อนของถ่านหินโดยการเผาไหม้ ถ่านหินใน oxygen bomb calorimeter ภายใต้ control condition (Iso peribol calorimeter) ซึ่งคำนวณเป็น cal/g, kcal/kg, Btu/lb, หรือ J/g ค่าความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ถ่านหิน มี 2 แบบ คือ

• Gross Calorific Value (GCV) เป็นค่าความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ถ่านหินปริมาณ 1 หน่วยที่ ปริมาตรคงที่ใน oxygen bomb calorimeter ซึ่งภายใต้สภาวะนี้้ นํ้าที่เกิดจากปฏิกิริยาจะควบแน่นอยู่ในสภาวะของเหลว
Gross Calorific Value คือ ค่าความร้อนสุทธิ หรือ ปริมาณความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ อย่างสมบูรณ์ (Complete combustion) ใน 1 หน่วยปริมาณเชื้อเพลิง โดย GCV จะเป็นค่าความร้อนที่ได้ โดยรวมความร้อนที่มาจากการกลั่นตัวของไอน้ำ (Heat of vaporization) ที่มาจากความชื้นในเชื้อเพลิง รวมกับ น้ำที่เป็นผลผลิตจากการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ รวมไปในตัวด้วยนั่นเอง

• Net Calorific Value (NCV) เป็นค่าความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ถ่านหินปริมาณ 1 หน่วย ที่ความดันคงที่คือ 1 atm (0.1 Mpa) ซึ่งภายใต้สภาวะเช่นนี้ ปริมาณนํ้าทั้งหมดยังอยู่ในสภาวะของไอ 

Net Calorific Value คือ ค่าความร้อน ที่ได้จากการเผาไหม้ อย่างสมบูรณ์ (complete combustion) ใน 1 หน่วยปริมาณเชื้อเพลิง โดยหักค่าความร้อน สำหรับการเป็นไอน้ำออก ดังนั้น เราจะเห็นได้ว่า ค่าพลังงานความร้อนของเรา Gross Calorific Value (GCV) > Net Calorific Value (NCV) โดย เราสามารถกล่าวได้ว่า GCV สามารถเรียกได้ว่า HHV (higher heating value); และ NCV นิยมเรียกกันว่า LHV (lower heating value.) นั่นเอง ค่า Net calorific value นี้เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Low heating value ซึ่งสามารถคำนวณมาจาก Gross calorific value (High heating value) โดยใช้สูตร

Qp (net)ar = Qv (gross)ar - 5.72 (Har × 9)

เมื่อ Qp (net)ar เป็นค่าความร้อนที่ความดันคงที่, cal/g

Qv (gross)ar เป็นค่าความร้อนที่ปริมาตรคงที่, cal/g

Har เป็นปริมาณไฮโดรเจนทั้้งหมดในสภาวะ as-received basis โดยรวมปริมาณ ไฮโดรเจนจากความชื้นของตัวอย่าง

• โดย สรุป คือ Gross Calorific Value (GCV) = Net Calorific Value (NCV) + Heat of vaporization (หน่วยพลังงาน/มวล) หรือ Heat of vaporization = HHV – LHV (หน่วยพลังงาน/มวล)

• ค่าความร้อนของเชื้อเพลิง (Calorific values) ค่าพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจากการสันดาปของเชื้อเพลิงต่างๆ เช่น ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน น้ำมัน หรือชีวมวล โดยทั่วไปจะวัดค่าในหน่วยพลังงานต่อน้ำหนักหรือปริมาตรของเชื้อเพลิงนั้นๆ และค่าความร้อนสามารถแบ่งได้ 2 ประเภท คือ

• ค่าความร้อนรวมของเชื้อเพลิง (Gross Calorific values: GCV) คือค่าความร้อนที่รวมเอาความร้อนแฝงของเชื้อเพลิงในส่วนที่ใช้ในการให้ความร้อนแก่น้ำ ที่แฝงมาในการเผาไหม้จนกลายเป็นไอออกไปทางไอเสียทิ้ง เรียกอีกชื่อได้เป็นค่าความร้อนทางสูงของเชื้อเพลิง (Higher Heating Value: HHV)

• ค่าความร้อนสุทธิของเชื้อเพลิง (Net Calorific values: NCV) คือค่าความร้อนสุทธิที่ไม่รวมเอาความร้อนแฝงของเชื้อเพลิงในส่วนที่ใช้ในการให้ความร้อนแก่น้ำ ที่แฝงมาในการเผาไหม้จนกลายเป็นไอออกไปทางไอเสียทิ้ง เรียกอีกชื่อได้เป็นค่าความร้อนทางต่ำของเชื้อเพลิง (Lower Heating Value: LHV)

ในเชื้อเพลิงต่างๆ นั้น ค่า GCV ย่อมจะมีค่าที่สูงกว่าค่า NCV เสมอ โดยที่จะมีความแตกต่างที่ราว 2.5% ในกรณีถ่านหินแบบแอนทราไซต์, 3-7% ในกรณีของถ่านหินแบบบิทูมินัสและซับบิทูมินัส, และ7% ในกรณีลิกไนท์, 2-5%, ในกรณีเชื้อเพลิงแข็งประเภทอื่น, 6-9%, ในกรณีเชื้อเพลิงเหลว, และ 10% ในกรณีเชื้อเพลิงก๊าซ, ค่าความร้อนมีความสําคัญในการแบ่งลำดับชั้น (rank) ของถ่านหิน ซึ่งถ้ามีค่าสูงก็จะเป็นถ่านหินคุณภาพดี หรือใช้เป็นเกณฑ์ กำหนดในการซื้้อขายรวมทั้งใช้ในการประเมินคุณภาพถ่านหินที่ใช้ในอุตสาหกรรม และงานวิจัย

Ash fusion temperature เป็นข้อมูลสำคัญของพฤติกรรมการหลอมละลาย และความอ่อนและแข็งของเถ้า ลักษณะของตะกรัน (slag) และความเป็นขยะฉนวนกันร้อน (fouing) ฉาบในเตาเผา มีความสำคัญสำหรับการหาวัตถุเชื้อเพลิงสำหรับเตาต้มน้ำ (boiler) ที่เหมาะสม ในการหลอมเถ้า มีช่วงอุณหภูมิที่ต้องวัด ตามพฤติกรรมการหลอมเถ้า โดยกองเถ้าเป็นรูปกรวยมาตรฐานแล้วเพิ่มอุณหภูมิจนส่วนปลายเริ่มหลอมในสภาวะมีและไม่มีออกซิเจน (oxidizing and reducing condition)

Fig 95.2 Coal Types classification.

.

-------------------------