สวัสดีครับเพื่อนๆ กลับมาพบกับนายช่างมาแชร์กันอีกแล้วนะครับ ซึ่งวันนี้เราจะขอมาเล่าเรื่องพลังงานที่เหลือทิ้ง และหลายๆโรงงานยังไม่ค่อยทราบกัน หรือใครทราบแล้วก็อาจจะลองหาไอเดียเพิ่มเติมจากบทความนี้ได้เลยนะครับ โดยวันนี้เราจะขอมาเล่าเรื่องเกี่ยวกับ “พลังงานเหลือทิ้ง” และ “ระบบหม้อไอน้ำ หรือ Boiler” กันนะครับ
โดยเพื่อนๆรู้กันไหมครับว่า ? ในโรงงานอุตสาหกรรม “พลังงานที่ใช้ในการผลิตจำนวนมากจะจบลงด้วยการเป็น ความร้อนเหลือและทิ้ง (Waste Heat)” — ยกตัวอย่างให้เห็นภาพนะครับ เช่น ไอเสียที่ถูกจากปล่องควันของหม้อไอน้ำ (Boiler Exhaust) ที่มีความร้อนเหลืออยู่แต่ก็ปล่อยทิ้งไปฟรีๆ เป็นต้นนะครับ
หากคิดเล่นๆกันนะครับว่า ถ้าเราสามารถเอาความร้อนตรงนั้นมากู้คืน หรือเอาความร้อนเหล่านี้มาใช้ใหม่ได้ จะดีกว่าไหม ? ซึ่งการนำความร้อนเหล่านี้กลับมาใช้ให้เกิดประโยชน์ เราจะเรียกว่า “Waste Heat Recovery — WHR”
ซึ่งเหมือนเป็นการ Recycle พลังงานความร้อนเหล่านั้นมาใช้ประโยชน์ ซึ่งจะช่วยให้โรงงานของเพื่อนๆสามารถลดต้นทุน (Cost Saving) และประหยัดพลังงาน (Energy Saving) ซึ่งได้ 2 ต่อเลยนะครับแต่การออกแบบระบบ WHR ต้องคำนึงถึงอุณหภูมิแหล่งความร้อน ชนิดของกระบวนการ ความคุ้มทุน และความปลอดภัยเชิงกระบวนการ ซึ่งรายละเอียดเด่วผมพาไปชมกันนะครับ
ทฤษฎีความร้อนเหลือทิ้ง (Watse Heat Recovery)
พื้นฐานของ “Waste Heat Recovery — WHR” คือ “การแลกเปลี่ยนพลังงาน” จากของไหลสื่อความร้อน (Hot Stream) ไปยังไหลเย็น (Cold Stream) ผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (Heat exchanger) เพื่อให้ได้พลังงานที่นำกลับไปใช้ได้ เช่น น้ำร้อน กระแสไอน้ำ ความเย็นจาก absorption chiller หรือขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วย ORC (Organic Rankine Cycle)
สมการการแลกเปลี่ยนความร้อนใน Heat Exchanger
พลังงานที่แลกเปลี่ยนได้โดยทั่วไปในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน
Q = U · A · ΔT_lm
โดยที่
- Q = อัตราการถ่ายเทความร้อน (W)
- U = ค่าอัตราการถ่ายเทความร้อนรวม (W/m²·K)
- A = พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อน (m²)
- ΔT_lm = Log Mean Temperature Difference (LMTD) = (ΔT1 − ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2)
สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนแบบท่อลอด (shell-and-tube) หรือแบบแผ่น (plate) นิยมใช้สมการนี้เพื่อออกแบบขนาดพื้นที่และประเมินกำลังการกู้คืน
ประสิทธิภาพทางความร้อน (Heat Effectiveness)
ในส่วนของแง่ประสิทธิภาพทางความร้อน คือ ตัวชี้วัดว่าอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger) สามารถถ่ายเทความร้อนได้ดีแค่ไหน เมื่อเทียบกับ ประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎี ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน
สรุปแบบเข้าใจง่าย:
- ถ้า Heat Effectiveness = 1 (หรือ 100%) ⇒ อุปกรณ์สามารถถ่ายเทความร้อนได้สมบูรณ์ที่สุด
- ถ้า Heat Effectiveness ต่ำ ⇒ มีการสูญเสียความร้อนสูง ถ่ายเทได้ไม่เต็มประสิทธิภาพ
โดยสมการคือ
Effectiveness, ε = Q_actual / Q_max_possible
ใช้ประเมินว่าอุปกรณ์ใช้ศักยภาพความร้อนได้เท่าไร — ค่าที่ได้ขึ้นกับชนิดของ exchanger, flow arrangement (counterflow ให้ LMTD สูงสุด) และ fouling
ปัจจัยสำคัญทางกระบวนการ
- อุณหภูมิไหลร้อน (T_hot_in, T_hot_out) และ อุณหภูมิไหลเย็น (T_cold_in, T_cold_out) — กำหนด ΔT และ LMTD
- Dew point ของไอเสีย (Acid Dew Point) — ต้องระวังการออกแบบเมื่อไอเสียมี SOx หรือสารที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนเมื่อเย็นถึงค่าจุดน้ำค้างกรด
- Fouling & Scaling — ส่งผลลด U และต้องเผื่อพื้นที่/การทำความสะอาด
- ความเป็นพิษ/ฝุ่นในไอเสีย — อาจต้องมี pre-treatment (cyclone, bag filter) ก่อน exchanger
- Pressure Drop — การออกแบบต้องควบคุมการเสียแรงดันไม่ให้กระทบ performance ของระบบต้นทาง
ประเภทเทคโนโลยี Waste Heat Recovery (อธิบายเชิงวิศวกรรม)
โดยวิธีการ และเทคโนโลยี Waste Heat Recovery (WHR) คือ “ระบบที่นำ ความร้อนเหลือทิ้งจากกระบวนการผลิต” กลับมาใช้ประโยชน์ใหม่แทนที่จะปล่อยทิ้งสูญเปล่า นะครับ
โดยที่ ความร้อนที่สูญเสียเหล่านี้มักมาจาก “ปล่องไอเสีย เตาเผา เครื่องจักรหมุน ระบบอากาศอัด หรือของไหลร้อนในกระบวนการอุตสาหกรรมต่าง ๆ” โดยการดึงความร้อนส่วนนี้กลับมาใช้ช่วยให้โรงงาน ลดต้นทุนพลังงาน, เพิ่มประสิทธิภาพ, และ ลดการปล่อยคาร์บอน ได้อย่างมีนัยสำคัญ จึงเป็นหนึ่งในโซลูชันด้านพลังงานที่คุ้มค่าและยั่งยืนที่สุดในภาคอุตสาหกรรม
ผมของแยกวิธีการตามระดับอุณหภูมิและลักษณะการนำพลังงานไปใช้เป็นซัก 7 แบบดังนี้นะครับ
1) Economizer / Air Preheater (สูงถึงกลาง)
- การใช้งาน: ติดตั้งบนปล่อง boiler เพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนจากไอเสียไปอุ่นน้ำป้อน (feed water) หรืออากาศเผาไหม้
- ลักษณะ: ใช้ heat exchanger แบบท่อลอดหรือแผ่น ประหยัดเชื้อเพลิงโดยลดอุณหภูมิน้ำป้อนเพิ่มประสิทธิภาพ Boiler
- พิจารณา: ต้องคำนวณ acid dew point เพื่อหลีกเลี่ยง condensation ที่เป็นกรด
2) Heat Recovery Steam Generator (HRSG) — for steam production
- การใช้งาน: ใช้ไอเสียความร้อนสูงจากก๊าซหรือเตาเผาผลิตไอน้ำเพื่อใช้งานในกระบวนการหรือขับเทอร์ไบน์ขนาดเล็ก
- ลักษณะ: หลายปัสไทต์ (economiser, evaporator, superheater ตามความจำเป็น) — ต้องออกแบบเพื่อตอบรับ duty และความดันไอน้ำที่ต้องการ
3) Recuperator / Regenerator (ก๊าซร้อนจากเตาหรือคอมเพรสเซอร์)
- Recuperator: ถ่ายเทความร้อนข้ามท่อ/แผ่นระหว่างไหลร้อน-เย็น แบบถาวร
- Regenerator (rotary): หมุนวัสดุสะสมความร้อนรับและปล่อยให้ถ่ายเทไปยังฝั่งเย็น เหมาะกับ flow ที่ต่อเนื่อง
4) ORC (Organic Rankine Cycle) — แปลงความร้อนต่ำเป็นไฟฟ้า
- การใช้งาน: แหล่งความร้อนต่ำ (80–300°C) ขับวงจร ORC เพื่อผลิตไฟฟ้าขนาดเล็ก-กลาง
- ลักษณะ: ใช้สารทำงานอินทรีย์ที่มี boiling point ต่ำกว่าน้ำ ปรับให้เหมาะกับแหล่งความร้อนต่ำ
- พิจารณา: CAPEX สูง และ efficiency ต่อแหล่งความร้อนต่ำ — เหมาะกับปริมาณความร้อนต่อเนื่อง
5) Recuperative Heat Pump / Heat Transformer
- การใช้งาน: เพิ่มอุณหภูมิจาก low-grade heat (เช่น condensate, cooling water) ขึ้นไปใช้งานกระบวนการ
- ลักษณะ: ใช้เทคโนโลยีเช่น vapour compression หรือ absorption heat pumps
6) Absorption Chiller (ใช้ความร้อนผลิตความเย็น)
- การใช้งาน: ใช้ความร้อนจาก boiler exhaust หรือ compressor cooling เพื่อขับ absorption chiller ผลิต chilled water แทนการใช้ไฟฟ้าสำหรับ chillers แบบคอมเพรสชัน
- จุดเด่น: เหมาะกับโรงงานที่มีความต้องการความเย็นสูงและมีความร้อนทิ้งต่อเนื่อง
7) Condensate Recovery & Flash Steam Recovery (สำหรับระบบไอน้ำ)
- การใช้งาน: เก็บ condensate ที่มีพลังงานสูง (temperature & enthalpy) กลับสู่ feed water tank เพื่อลด heat duty และการใช้เชื้อเพลิง
- ข้อควรระวัง: คุณภาพ condensate (oil, chemicals) ต้องถูกตรวจและจัดการ
ข้อดีในมุมมองวิศวกรรม (Benefits)
- ลดการใช้เชื้อเพลิง / ต้นทุนเชิงพลังงาน (OPEX): นำความร้อนกลับไปใช้ลด fuel consumption
- เพิ่มประสิทธิภาพระบบ (Energy Efficiency): เพิ่ม overall thermal efficiency ของกระบวนการ
- ลดการปล่อย CO₂: ช่วยบรรลุเป้าหมายลดคาร์บอน (ESG)
- เพิ่มความมั่นคงด้านพลังงาน: ใช้พลังงานภายในโรงงานเอง ลดการพึ่งพาพลังงานภายนอก
- สามารถสร้างมูลค่าเพิ่ม: ทำไฟฟ้าจาก ORC หรือผลิตความเย็นจาก absorption ช่วยลดค่าไฟฟ้า
ข้อจำกัดและความเสี่ยง (Risks & Limitations)
- CAPEX สูงในบางเทคโนโลยี: ORC, HRSG รูปแบบซับซ้อนมีค่าใช้จ่ายเริ่มต้นสูง — ต้องวิเคราะห์ payback ชัดเจน
- ความผันผวนของแหล่งความร้อน: ถ้า load ไม่สม่ำเสมอ ประสิทธิภาพการกู้คืนลดลงและการคืนทุนช้าลง
- ปัญหา dew point / corrosion: ไอเสียที่มี SOx/NOx จะมี acid dew point — หากออกแบบให้เย็นเกินไปจะเกิดการกัดกร่อน
- fouling / scaling: ฝุ่น/เขม่า/เถ้าจะลด U และต้องมีการทำความสะอาดบ่อยขึ้น (OPEX เพิ่ม)
- ความซับซ้อนทางควบคุม: ระบบ WHR ต้องมีการ integrate กับ control system เช่น feedforward control, bypass valves, safety interlocks — หากควบคุมไม่ดีอาจกระทบกระบวนการหลัก
- ความเสี่ยงเชิงความปลอดภัย: การเพิ่มระบบไอน้ำหรือความดันต้องออกแบบตาม code และมีมาตรการความปลอดภัย (pressure relief, instrumentation)
ปัจจัยทางการเงิน (สรุปเชิง KPI)
- Q_recovered (kW หรือ kJ/s) → แปลงเป็นค่าเงินโดยใช้ราคาพลังงานของโรงงาน
- CAPEX, OPEX, Maintenance cost → คำนวณ NPV, IRR, Payback period
- Utilization factor (hrs/year) — ความต่อเนื่องของแหล่งความร้อนมีผลต่อความคุ้มทุนอย่างมาก
ตัวอย่างเชิงประสบการณ์: ระบบ Economizer มักมี payback ระยะสั้น (ต่ำปีถึงสองปี) หากยังมีการใช้งาน boiler ตลอดปี — ขณะที่ ORC ต้องพิจารณาขนาดและความต่อเนื่องของ heat source ก่อนคุ้มทุน
(หมายเหตุ: ค่าตัวเลขขึ้นกับราคาพลังงานท้องถิ่นและ duty ของกระบวนการ — ควรทำ energy & economic study เฉพาะไซต์)
แนวทางการออกแบบ-ติดตั้ง (Practical implementation steps)
- ทำ Heat Audit & Heat Balance — วัดอุณหภูมิ, มวล/อัตราการไหล, composition ของไอเสีย/น้ำทิ้ง เพื่อประเมินพลังงานทิ้ง (kW) ที่มีจริง
- เลือกเทคโนโลยีตามระดับอุณหภูมิและคุณภาพไหลร้อน (high-grade → HRSG/ORC ; low-grade → economizer/heat pump/absorption)
- วิเคราะห์ Dew Point & Corrosive Species — หากมี SOx ต้องออกแบบให้ไหลไม่เย็นเกิน dew point หรือเลือกวัสดุทนการกัดกร่อน
- คำนวณ LMTD, U, A และ pressure drop — ขนาด exchanger ต้องไม่ทำให้ต้นทางเสีย performance
- ออกแบบ Bypass / Control Scheme — เพื่อให้สามารถ bypass WHR ในกรณี startup/shutdown หรือเมื่อไม่ต้องการใช้ความร้อนกลับ
- วางแผนการทำความสะอาด (CIP) และ Access for maintenance — ชดเชย fouling factor ในการเลือก U และพื้นที่
- ทำ Economic Assessment (CAPEX vs OPEX) — รวม sensitivity analysis (fuel price, operating hours)
- เตรียม Safety & Compliance — ตรวจสอบโค้ดที่เกี่ยวข้อง (pressure vessel, piping, instrumentation) และทำ HAZOP หากจำเป็น
บทสรุป
ขอมาสรุปสั้นๆนะคร้าบบบบ โดยระบบ Waste Heat Recovery หรือการนำความร้อนเหลือใช้ เป็นหนทางที่ “ทรงพลังในการเพิ่มประสิทธิภาพ” และลดต้นทุนพลังงานของโรงงานได้อย่างมหาศาล
แต่ในอีกแง่นึง ก็ต้องออกแบบอย่างรอบคอบ และใช้ความรู้ทางวิศวกรรมอย่างมาก โดยต้องคำนึงถึงลักษณะของแหล่งความร้อน (อุณหภูมิ, ความต่อเนื่อง, คุณภาพของไอเสีย), และปัจจัยทางเคมี (acid dew point, particulates), ข้อจำกัดเชิงควบคุม และความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ ต่างๆอีกด้วย
สำหรับงานวิศวกรรมจริง — เริ่มจาก Heat Audit และ Heat Balance เป็นขั้นแรก จากนั้นค่อยเลือกเทคโนโลยีที่เหมาะสม (economizer, HRSG, ORC, absorption chiller หรือ heat pump) และออกแบบ control & safety ให้สอดคล้องกับกระบวนการผลิต เมื่อทำตามขั้นตอนนี้ได้ดี WHR จะกลายเป็น “พลังงานฟรีที่เอากลับมาได้” ทั้งในแง่เงินและคาร์บอน
สุดท้ายถ้ามีคำถามหรืออยากสอบถามเรื่องต่างๆเกี่ยวกับงานวิศวกรรมก็สามารถติดต่อมาทาง “เพจนายช่างมาแชร์” ได้เลยนะครับผม
