การศึกษาและจำลองแบบการเผาไหม้ถ่านหินผงด้วยพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ

ในอดีตที่ผ่านมาการใช้งานหัวเผาเชื้อเพลิงถ่านหินผงบดละเอียด (Pulverized coal burner) ยังไม่เป็นที่แพร่หลายในวิสาหกิจขนาดกลางและขนาดย่อมที่มีการใช้พลังงานความร้อนในกระบวนการผลิตเป็นจำนวนมาก การใช้เชื้อเพลิงบดละเอียดนั้นมีข้อดีกว่าเชื้อเพลิงแข็งแบบปัจจุบันหลายประการ เช่น มีประสิทธิภาพในการเผาไหม้ที่ดีกว่าเชื้อเพลิงแบบก้อน ลดผลกระทบของการรั่วไหลของเชื้อเพลิงสู่สิ่งแวดล้อมเนื่องจากการจัดเก็บ ขนส่งและลำเลียงเชื้อเพลิงอยู่ในระบบปิดตลอดเวลา งานวิจัยนี้มีจุดประสงค์เพื่อจำลองแบบเชิงตัวเลขและวิเคราะห์คุณลักษณะการเผาไหม้ของถ่านหินผงที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 74 ไมโครเมตร ภายในแบบจำลองห้องเผาไหม้ 2 มิติแบบสมมาตรรอบแกนที่ประกอบไปด้วยปริมาณอากาศปฐมภูมิ 25% ปริมาณอากาศทุติยภูมิ 65% และปริมาณอากาศตติยภูมิ 10% ซึ่งเป็นสัดส่วนเบื้องต้นที่ใช้ในการทดลอง โดยพ่นเข้ามาในหัวเผาพร้อมกับอากาศปฐมภูมิและผสมกับอากาศในหัวเผาเนื่องจากผลของการไหลแบบหมุนวนจากอากาศทุติยภูมิ โดยชุดสมการควบคุมสำหรับวิเคราะห์การไหลแบบปั่นป่วนภายในห้องเผาไหม้คือ Turbulence Model Standard K-ε สำหรับการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของอนุภาครวมไปถึงการปลดปล่อยสารระเหย (Devolatilization) และการเผาไหม้แบบวิวิธพันธ์ (Heterogeneous Reaction) จะวิเคราะห์โดย Discrete Particle Model (DPM) ส่วนการเกิดปฏิกิริยาแบบเอกพันธ์ (Homogeneous Reaction) จะวิเคราะห์ด้วยแบบจำลอง Eddy-Dissipation ซึ่งมีสมมติฐานว่าความเข้มข้นของการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเป็นแบบ Fast Kinetics อัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงถูกควบคุมโดยความเข้มข้นของการไหลแบบปั่นป่วน นอกจากนี้ยังมีแบบจำลองการแผ่รังสี Discrete Ordinates มาช่วยในการวิเคราะห์ด้วยโปรแกรม ANSYS FLUENT โดยการศึกษาจะมีการเปรียบเทียบกับผลของอุณหภูมิภายในหัวเผาจากการทดลองที่ 300 kW และทำการปรับเปลี่ยนอัตราการไหลของอากาศปฐมภูมิ อากาศทุติยภูมิ และอากาศตติยภูมิ โดยผลการศึกษาการสร้างแบบจำลองการเผาไหม้ถ่านหินผงจะนำไปเป็นองค์ความรู้เพื่อทำการวิเคราะห์และต่อยอดการศึกษาคุณลักษณะการเผาไหม้ถ่านหินผงภายในห้องเผาไหม้ดังกล่าวต่อไปในอนาคต

เมื่อมีแบบจำลองการเผาไหม้เชื้อเพลิงแบบผงที่มีความแม่นยำแล้ว สามารถประยุกต์ใช้ในการศึกษาการนำเชื้อเพลิงอื่นมาใช้ทดแทนถ่านหินเพื่อลดการใช้ถ่านหิน เช่น ชีวมวล ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงแข็ง และพฤติกรรมการเผาไหม้ที่ไกล้เคียงกัน แต่ชีวมวลมีความหลากหลายขององค์ประกอบเชื้อเพลิง จึงจำเป็นต้องทำการศึกษาให้ละเอียดก่อนนำไปใช้งานจริง แต่เนื่องจากชีวมวลมีอยู่หลากหลายชนิดโดยในแต่ละชนิดก็มีองค์ประกอบและคุณสมบัติที่แตกต่างกัน การศึกษาพฤติกรรมการเผาไหม้ด้วยวิธีการทดลองในเตาเผาจริงนั้นจำเป็นต้องใช้ทรัพยากรและงบประมาณสูง ดังนั้นศึกษาพฤติกรรมการรเผาไหม้ด้วยการสร้างแบบจำลองในคอมพิวเตอร์โดยวิธีกลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณนั้น จึงมีความสำคัญและมีส่วนช่วยให้การพัฒนาเทคโนโลยีหัวเผาเชื้อเพลิงผงสามารถพัฒนาต่อยอดได้รวดเร็วยิ่งขึ้น