พฤติกรรมการสึกหรอแบบกัดเซาะที่อุณหภูมิสูงของเหล็กกล้าผสมที่บริเวณ Superheat

การใช้เชื้อเพลิงชีวมวลสำหรับการเผาไหม้มีความสนใจเพิ่มมากขึ้นสำหรับโรงไฟฟ้า เนื่องจากเชื้อเพลิงฟอสซิลมีปริมาณน้อยลง และลดการปลดปล่อยก๊าซเรือกกระจก จึงมีการนำเอาเชื้อเพลิงชีวมวล (biomass) มาใช้เพิ่มมากขึ้น เชื้อเพลิงชีวมวลในประเทศไทยได้จาก 2 แหล่ง [1] คือกากหรือเศษวัตถุดิบที่เหลือใช้ทางการเกษตร ซึ่งมีปริมาณค่อนข้างมาก เช่น แกลบ ฟางข้าว ชานอ้อย ใบและยอดอ้อย เศษไม้ กากมันสำปะหลัง เส้นใยและกะลาปาล์ม กาบและกะลามะพร้าว และซังข้าวโพด เป็นต้น และส่วนที่ได้จากการเพาะปลูก เพื่อใช้ในการให้พลังงานโดยตรง เช่น ต้นกระถินยักษ์ และต้นยูคาลิปตัส เป็นต้น ปริมาณของธาตุต่างๆ ในเถ้าขึ้นอยู่กับสภาพสิ่งแวดล้อมในช่วงที่เติบโต ชนิดของสายพันธุ์ (species) ส่วนของพืชที่นำมาใช้ (เช่นเปลือก ใบ หรือขอนไม้) และอายุของต้นไม้ ธาตุหลักที่พบในเถ้าชีวมวลคือ K, Ca P, Si, Al, Fe, Ti, Na และ Mg [2] เมื่อเชื้อเพลิงชีวมวลได้รับความร้อน ธาตุเหล่านี้จะกลายเป็น slag จำนวนมากบนผิวเหล็ก และพบการเกิด fouling ในส่วนของท่อที่ superheat มีผลให้การถ่ายเทความร้อนและประสิทธิภาพการทำงานของหม้อไอน้ำลดลง

ปัญหาหลักของการใช้เชื้อเพลิงชีวมวล คือ เกิดการกัดกร่อน (corrosion) ที่อุณหภูมิสูง และเกิดการสึกหรอแบบกัดเซาะจากเถ้าลอย (fly ash) [3] ที่มีขนาดเล็ก (< 1 ไมโครเมตร จนถึง 200 ไมโครเมตร) จะถูกพัดตามก๊าซร้อนในระบบไปปะทะกับผนังของหม้อไอน้ำและท่อไอน้ำ ทำให้เกิดการสึกหรอแบบกัดเซาะ (erosion) นอกจากนี้ เถ้าลอยยังไปตกทับถมบนผิวท่อบริเวณ superheat (fouling) เนื่องจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงชีวมวลมีปริมาณของ alkali chlorides, KCL และ NaCl และความชื้น รวมทั้งเกิดสารประกอบ (compound) ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำจากธาตุบางชนิด เช่น Zn เป็นต้น ทำให้อัตราการกัดกร่อนเพิ่มสูงขึ้น [4,5] ส่วนผสมของเถ้าเชื้อเพลิงชีวมวลประกอบด้วย Cl SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ Mn MgO CaO Na₂O K₂O TiO₂ P₂O₅ และ SO₃ ที่มีปริมาณที่แตกต่างกันตามชนิดของเชื้อเพลิงชีวมวล [6] สารประกอบหลักที่ทำให้เกิดการสึกหรอแบบกัดเซาะ และการสึกหรอแบบขัดสี (abrasive wear) ได้แก่ กลุ่มของควอตซ์ (SiO₂) เนื่องจากอนุภาคมีความแข็งมากกว่าเหล็กกล้าและวัสดุทนไฟที่ใช้ภายในหม้อไอน้ำ [7] จะทำให้ผนังของท่อเหล็กกล้าบางลง จนเกิดความเสียหาย เป็นผลให้ต้องหยุดการทำงาน เพื่อซ่อมบำรุง

ในการศึกษาโครงการวิจัยนี้ เป็นกรณีศึกษาของบริษัท น้ำตาลขอนแก่น จำกัด (มหาชน) ที่ใช้ชานอ้อย (baggasse) ผสมกับเศษไม้สับ (woodchip) สัดส่วนโดยประมาณ 30:70 โดยน้ำหนัก อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงของสัดส่วนเชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับฤดูกาลผลิตอ้อย เมื่อเชื้อเพลิงเข้าสู่กระบวนการเผาไหม้จะได้ก๊าซที่มีส่วนประกอบต่างกัน ขึ้นอยู่กับสัดส่วนของเชื้อเพลิง ซึ่งมีผลต่อการเกิดปฏิกิริยากับโลหะ และปริมาณของสารประกอบต่างๆ ในเถ้าแตกต่างกัน ดังนั้น ในโครงการวิจัยนี้ ทำการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างชนิดของเชื้อเพลิง และพฤติกรรมการเกิดการสึกหรอแบบกัดเซาะบนท่อเหล็กกล้าของหม้อไอน้ำ รวมถึงอัตราการเกิดการสึกหรอแบบกัดเซาะ นอกจากนี้ ได้นำเสนอวัสดุทางเลือกเพื่อใช้เป็นข้อมูลในการเลือกใช้วัสดุลดการเกิดการสึกหรอด้วย