อุณหภูมิหลอมเหลวของเถ้ากับการเกิดตะกรัน: เชื้อเพลิงแบบไหนทำให้แท่งตะแกรงหลอมติด

เมื่อผิวของแท่งตะแกรงหลอมติดและเกาะตะกรัน เปลือกแข็งที่เกิดขึ้นทำให้การระบายตะกรันไม่สะดวก การระบายอากาศแย่ลง และอุณหภูมิเฉพาะจุดยังสูงขึ้นต่อจนแท่งตะแกรงบางลงหรือหลุดเป็นชิ้น ปัญหานี้เกี่ยวกับการปรับการเดินเครื่อง แต่ต้นตออยู่ที่องค์ประกอบเถ้าของเชื้อเพลิง บทความนี้จึงอธิบายว่าอุณหภูมิหลอมเหลวของเถ้าวัดอย่างไร เชื้อเพลิงใดมีความเสี่ยงสูง และตะกรันกัดกินแท่งตะแกรงทีละขั้นอย่างไร

อุณหภูมิหลอมเหลวของเถ้าวัดอย่างไร: อุณหภูมิเฉพาะสี่ค่า

GB/T 219-2008 วิธีทดสอบความหลอมเหลวของเถ้าถ่านหิน ขึ้นรูปเถ้าเป็นกรวยสามเหลี่ยมแล้วให้ความร้อนด้วยอัตราและบรรยากาศตามที่กำหนด บันทึกอุณหภูมิสี่ค่าที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนรูปของกรวยเถ้า ได้แก่ อุณหภูมิเริ่มเปลี่ยนรูป DT อุณหภูมิอ่อนตัว ST อุณหภูมิครึ่งทรงกลม HT และอุณหภูมิไหลตัว FT ความหลอมเหลวของเถ้าขึ้นกับสัดส่วนของ SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ และ CaO ในเถ้า และยังได้รับผลจากบรรยากาศแบบออกซิไดซิงหรือรีดิวซิง

เชื้อเพลิงชนิดเดียวกัน รายงานต่างฉบับมักให้ตัวเลขไม่ตรงกัน สาเหตุหนึ่งคืออุณหภูมิการเผาเตรียมเถ้าแตกต่างกัน มีงานวิจัยเผาตัวอย่างเดียวกันที่ 400℃, 600℃ และ 815℃ เมื่ออุณหภูมิการเผาเตรียมสูงขึ้น สัดส่วน K₂O ในเถ้าลดลง และคลอรีนที่ 815℃ แทบวัดไม่ได้ ก่อนอ่านตัวเลขจึงควรดูเงื่อนไขการเตรียมเถ้าก่อน มิฉะนั้นจะนำตัวเลขที่ต่างฐานกันมาเปรียบเทียบกัน

เชื้อเพลิงแบบไหนทำให้แท่งตะแกรงหลอมติดง่าย

เชื้อเพลิงไม้สะอาดมีอุณหภูมิหลอมเหลวของเถ้าค่อนข้างสูง ในเอกสารอ้างอิง เถ้าไม้สักให้ DT 1170℃, ST 1200℃, HT 1240℃, FT 1320℃ ส่วนไม้เมลินาให้ DT 1100℃, ST 1180℃, HT 1220℃, FT 1300℃ ไม้ทั้งสองชนิดผ่านทอร์รีแฟกชันที่ 220 ถึง 320℃ แล้ว อุณหภูมิเริ่มเปลี่ยนรูปสูงขึ้นเป็นราว 1200℃ ขณะที่อุณหภูมิไหลตัวแทบไม่เปลี่ยน

กลุ่มเสี่ยงสูงคือเศษเหลือทางการเกษตรที่มีโพแทสเซียม คลอรีน และซิลิกอนสูง ทะลายปาล์มเปล่า (EFB), ฟางข้าวสาลี, ฟางข้าว และชานอ้อยล้วนอยู่ในกลุ่มนี้ เอกสารอ้างอิงระบุซ้ำว่าเถ้า EFB มีอุณหภูมิหลอมเหลวต่ำ องค์ประกอบที่สร้างเถ้าเป็น Si, K และ Cl เป็นหลัก ส่วนฟางข้าวสาลีในการทดสอบเผาเม็ดเดียวที่ 700℃ และ 1000℃ ก็เกิดตะกรันซิลิเกตแล้ว ที่หม้อไอน้ำตะแกรงแบบสั่นขนาด 16 MWth ที่เผาฟางข้าวสาลี ข้อมูลจากการวัดร่วมกับแบบจำลองแสดงว่าเถ้าหลอมเหลวเสร็จสิ้นในช่วงอุณหภูมิแคบมากที่สูงกว่า 1050℃ จากนั้นของเหลวหลอมจะไหลลงตามผนัง

จำง่าย ๆ ว่า เชื้อเพลิงยิ่งมีโพแทสเซียมและคลอรีนสูง ยิ่งมีซิลิกอนมาก อุณหภูมิหลอมเหลวของเถ้ายิ่งต่ำ และผิวตะแกรงยิ่งเกาะตะกรันง่าย กลับกัน เชื้อเพลิงที่มีเถ้า Al₂O₃ สูง มีเหล็กและโลหะอัลคาไลน้อย จะได้ตะกรันที่อ่อนตัวยากกว่า

จากตะกรันถึงความเสียหาย: คลอรีน โพแทสเซียม และตะกรันหลอมกัดกินแท่งตะแกรงอย่างไร

ที่เตาเผาตะแกรงแบบโยกเยกขนาด 9.9 MW ที่เผาไม้ยางพารา แท่งตะแกรง GX130CrSi29 หลังใช้งานถูกนำมาวิเคราะห์ความเสียหาย ผลจากภาคตัดขวางพบโครงสร้างสามชั้น ชั้นผิวเป็นคราบที่บรรจุคลอรีนและโลหะอัลคาไล ชั้นถัดลงมาเป็นออกไซด์ที่มีเหล็กสูงและเป็นรูพรุน ชั้นล่างเป็นเนื้อพื้นที่มีโครเมียมพร่องและเกิดออกซิเดชันภายใน โดยโครเมียมพร่องชัดเจนใกล้รอยต่อระหว่างออกไซด์กับโลหะ

กลไกเกิดสองสายพร้อมกัน สายแรกคลอรีนสร้างคลอไรด์โลหะที่ระเหยได้บริเวณรอยต่อฟิล์มออกไซด์กับโลหะ คลอไรด์นี้ถูกออกซิไดซ์อีกครั้งและคลอรีนถูกปล่อยออกมาทำปฏิกิริยาต่อ ฟิล์มออกไซด์ป้องกันจึงไม่เคยโตเต็มที่ สายที่สองโพแทสเซียมทำปฏิกิริยากับเถ้าซิลิเกตเกิดโพแทสเซียมซิลิเกตจุดหลอมต่ำ ซึ่งที่อุณหภูมิทำงานของตะแกรงอยู่ในสภาพหลอมหรือกึ่งหลอม ทำหน้าที่เป็นสารช่วยหลอม ละลายและซึมผ่านฟิล์มออกไซด์

ขั้นสุดท้ายคือการหลุดลอก ฟิล์มออกไซด์และคราบที่ถูกกัดกร่อนจนอ่อนแอถูกลากออกโดยก๊าซร้อนและการเคลื่อนตัวของชั้นเชื้อเพลิง โลหะใหม่เผยออกมาและปฏิกิริยาเริ่มใหม่ตั้งแต่ต้น ความเสียหายแบบนี้จึงเป็นผลรวมของออกซิเดชันแบบแอคทีฟจากคลอรีน การช่วยหลอมของเฟสหลอม และการหลุดลอกตามการไหล ไม่ใช่เพียงออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงอย่างเดียว

สามสิ่งที่ทำได้หน้างาน

ด้านเชื้อเพลิง ควบคุมสัดส่วนเชื้อเพลิงที่มีโพแทสเซียมและคลอรีนสูง ผสมกับเชื้อเพลิงที่เสี่ยงต่ำ และล้างน้ำเมื่อจำเป็นเพื่อลดโพแทสเซียมและคลอรีน เอกสารอ้างอิงยังระบุว่าสารเติมแต่งอย่างดินขาว (kaolin) ช่วยยกอุณหภูมิหลอมเหลวของเถ้าและลดการเกิดตะกรันกับคราบสะสม และมีการทดลองลักษณะนี้แล้วเมื่อเผาร่วมกับทะลายปาล์มเปล่า

ด้านการเดินเครื่อง ควบคุมอุณหภูมิผิวตะแกรงให้ต่ำกว่าอุณหภูมิอ่อนตัวของเถ้า ใช้การกระจายลม ความเร็วตะแกรง และความหนาชั้นเชื้อเพลิงเพื่อควบคุมตำแหน่งเขตเผาไหม้หลัก เพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินเฉพาะจุด เมื่อเกิดตะกรันต้องขจัดออกทันที เพราะถ้าปล่อยให้เปลือกแข็งโตขึ้นก่อนแล้วค่อยทำความสะอาด ตัวแท่งตะแกรงเองก็เสียหายง่าย

ด้านวัสดุ ตำแหน่งที่เกิดตะกรันหนักควรเลือกเหล็กหล่อทนความร้อนที่มีโครเมียมและซิลิกอนสูง หรือเหล็กหล่อโครเมียมสูง ปริมาณโครเมียมเป็นตัวกำหนดความเสถียรของฟิล์มออกไซด์ ซิลิกอนช่วยปรับปรุงความต้านทานออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง เราเป็นผู้จัดจำหน่ายแท่งตะแกรงและอะไหล่สำหรับตะแกรงทุกแบบ เทียบเกรดวัสดุตามสภาวะการใช้งาน จัดส่งจากโรงงานพันธมิตร และตรวจสอบขนาดและวัสดุตามแบบได้

เอกสารอ้างอิง

• GB/T 219-2008 วิธีทดสอบความหลอมเหลวของเถ้าถ่านหิน
• Khongkaew W. และคณะ, Failure analysis and degradation mechanisms of GX130CrSi29 grate bars in a biomass-fired furnace, Thammasat University
• The ignitability, fuel ratio and ash fusion temperatures of torrefied woody biomass
• Study on fusion characteristics of biomass ash, PubMed 20655203
• Evaluation of Combustion Grate Damage: A Comprehensive Review of Grate Deterioration in Biomass Power Plants
• Application of a Modeling Tool to Describe Fly Ash Generation, Composition, and Melting Behavior, Processes 2020, 8(11), 1510
• Ash and deposit characteristics from oil-palm empty-fruit-bunch (EFB) firing with kaolin additive