คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-1

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

11.1 องคประกอบของระบบ

เตาอตสาหกรรมทใชงานอยในโรงงานมความหลากหลาย เตาแตละประเภทมลกษณะและการท างานท

แตกตางกนไป นอกจากน เตายงมอณหภมท างานทแตกตางกน ซงสงผลใหการใชพลงงานของเตาแตกตางกนไปดวย

โดยทวไป เตาอตสาหกรรมทตองการอณหภมสงจะใชพลงงานสงและเกดการสญเสยความรอนสง เมอเทยบกบเตาทม

อณหภมใชงานต ากวา

ตารางแสดงอณหภมท างานของเตาอตสาหกรรม

ประเภทเตา (แยกตามลกษณะการใชงาน) อณหภมภายในเตา (oC) เตาอบเหลก

เตาหลอมแกว เตาเผาเซรามคส เตาเผาซเมนต

เตาเผาก าจดของเสย

600 - 1,100 1,000 - 1,300 700 - 1,100 650 - 700

650 - 1,000

ประเภทของเตาอตสาหกรรมประกอบไปดวย

ก. เตาหลอมใชพลงงานไฟฟา

เตาหลอมไฟฟาเปนอปกรณทเปลยนพลงงานไฟฟาเปนพลงงานความรอนเพอใชหลอมโลหะ เตาหลอมไฟฟา

ทใชอยางแพรหลายในโรงงานอตสาหกรรมประเภทหลอหลอมโลหะ ไดแก

ก.1 เตาเหนยวน า (Induction Furnace)

เตาเหนยวน าใชงานหลอมโลหะทงในกลมเหลกและนอกกลมเหลก เตาเหนยวน าจ าแนกไดเปน 2 ประเภท

ไดแก เตาเหนยวน าแบบไมมแกน (Coreless Type) และ เตาเหนยวน าแบบชอง (Channel Type) ดงรปท 11.1

แสดงรปรางของเตาเหนยวน าทงสองแบบ เตาเหนยวน าแบบไมมแกนมขดลวดพนอยรอบเบา ในขณะทเตาเหนยวน า

แบบชองมขดลวดพนอยรอบแกนทตดตงอยสวนนอกของเบาหลอม

เตาเหนยวน าใหความรอนแกโลหะทใชหลอมโดยอาศยการจายไฟฟากระแสสลบแกขดลวดเพอก าเนด

สนามแมเหลก เหนยวน าใหเกดกระแสขนทโลหะ ความต านทานของโลหะทมตอกระแสเหนยวน าเปนแหลงก าเนด

ความรอนทใชในการหลอมโลหะ

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-2

เตาเหนยวน าแบบไมมแกน

เตาเหนยวน าแบบชอง (Induction Furnace)

รปท 11.1 แสดงเตาเหนยวน าทง 2 แบบ

แรงทเกดจากกระแสไฟฟาเหนยวน าและสนามแมเหลกจะชวยใหน าโลหะกระเพอม การกระเพอมชวยกวนน าโลหะใหเปนเนอเดยวกน โลหะผสมทเตมเขาไปเพอปรบสวนประกอบจะกลมกลนไปกบน าโลหะไดอยา งรวดเรวและทวถง อยางไรกตามการกระเพอมมผลเสยคอท าใหน าโลหะท าปฏกรยากบออกซเจนไดมากขนและผนงเตาถกกดกรอนไดมากขน การสญเสยพลงงานส าหรบเตาหลอมไฟฟาประกอบไปดวย - การสญเสยทางไฟฟา (ระบบจายไฟฟา หมอแปลงไฟฟา คอยล ขวอเลคโตรด)

- การสญเสยผานผนงเตาโดยการน าความรอน

- การสญเสยเนองจาก Slag

- การสญเสยจากฝาเตาโดยการแผรงส

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-3

ก.2 เตาอารคไฟฟา (Electric-Arc Furnace)

เตาอารคไฟฟามกใชในงานหลอมเหลกกลา เตาอารคไฟฟาทใชความรอนทเกดจากการอารคทางไฟฟาเพอ

หลอมโลหะ เตาอารคไฟฟาแบงออกเปน 2 ประเภท ไดแก เตาอารคไฟฟาทา งออม (Indirect-Arc Furnace) และ

เตาอารคไฟฟาทางตรง (Direct-Arc Furnace) ส าหรบเตาอารคไฟฟาทางออม การอารคจะเกดขนระหวางขวอเลค

โตรด 2 ขว สวนเตาอารคไฟฟาทางตรง การอารคจะเกดขนระหวางขวอเลคโตรดและโลหะทใช หลอม รปท 11.2

แสดงเตาอารคไฟฟาทางตรง

รปท 11.2 เตาอารคไฟฟาทางตรง

ข. เตาหลอมใชพลงงานเชอเพลง

เตาหลอม ใชเชอเพลงใชความรอนจากการสนดาปหลอมโลหะ เตาหลอมเชอเพลงทใชอยางแพรหลายใน

โรงงานอตสาหกรรมประเภทหลอหลอมโลหะ ไดแก เตาเบา เตาควโปลา และเตาสะทอนความรอน

ข.1 เตาเบา (Crucible Furnace)

เตาเบามกใชในงานหลอมโลหะนอกกลมเหลกทมปรมาณนอย เตาเบาถอวาเปนเตาหลอมโลหะทเกาแก

ทสดและมโครงสรางงายทสด รปท 11.3 แสดงรปรางของเตาเบา ซงประกอบดวยเบาบรรจโลหะทท าจาก กราไฟต

(Clay-Graphite) หรอ ซลกอนคารไบด (Silicon-Carbine) และเปลอกทท าจากวสดทนความรอนโดยมเหลกหมอย

ดานนอก เปลอกดงกลาวท าหนาทกกความรอนจากการสนดาปใหถายเทไปเบาใหมากทสด ความรอนจากการ

สนดาปจะไมไดสมผสกบโลหะทใชหลอมโดยตรง แตถายเทโดยเบาทบรรจโลหะ โดยทวไปแลวเชอเพ ลงทใชกบเตา

เบา ไดแก น ามน และกาซ อยางไรกตามบางครงอาจใชถานหนหรอถานโคก

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-4

รปท 11.3 เตาเบา

ข.2 เตาควโปลา (Cupola Furnace)

เตาควโปลาใชในงานหลอมเหลกหลอ และใชถานโคกเปนเชอเพลง เตาควโปลามลกษณะเปนแทงเหลก

ทรงกระบอกแนวตง ภายในบดวยวสดทนความรอน ทกนของเตาเปนแอง (Well) พกน าโลหะทหลอมเหลวกอ นทน า

โลหะจะถกจายออก รปท 11.4 แสดงรปรางของเตาควโปลา

รปท 11.4 เตาควโปลา

ภายในเตาควโปลาจะบรรจดวยชนของถานโคก หนปน (Limestone) และเหลกทใชหลอ สลบกนไปผานทาง

ชองบรรจวสดทดานบนของเตา ชนของถานโคกทอยใกลกบรปจายลม (Tuyere) จะเกดการสนดาป (เราเรยกเขตนวา

เขตสนดาปหรอเขตเพมออกซเจน ) ความรอนจาการสนดาปจะหลอมชนของโลหะทอยใกลกบเขตสนดาป โลหะท

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-5

หลอมเหลวจะไหลลงสแองพกน าโลหะ เมอถานโคกชนแรกถกสนดาปจนหมด ถานโคกชนถดไปกจะเลอนลงมาแทนท

ดวยวธนกระบวนการสนดาปและการหลอมกสามารถด าเนนไปไดอยางตอเนอง

ข.3 เตาสะทอนความรอน (Reverberatory Furnace)

เตาสะทอนความรอนใชในงานหลอมโลหะนอกกลมเหลกครงละปรมาณมากๆ โครงสรางของเตาสะทอน

ความรอนจะเปนหองทบดวยวสดทนไฟ ภายในหองมอางส าหรบบรรจโลหะทใชหลอม หวเผา (Burner) จะฉด

เชอเพลงซงเปนน ามนหรอกาซใหมาสนดาปในหองดงกลาว ความรอนจากการสนดาปถายเทเขาสโลหะทใชหลอมโดย

วธการแผรงสทงจากเปลวไฟโดยตรงและจากเพดานเตาทดดซบความรอนจากเปลวไฟ

เตาสะทอนความรอนบางตวอาจมปมหมนเวยนน าโลหะเพอเพมผลผลต ลดการใชเชอเพลง และใหน า

โลหะผสมเปนเนอเดยวกนมากขน รปท 11.5 แสดงลกษณะของเตาสะทอนความรอน

รปท 11.5 เตาสะทอนความรอน

11.2 นยามประสทธภาพหรอสมรรถนะ

11.2.1 ความรอนต าของเชอเพลง (LHV) หมายถง คาพลงงานความรอนตอมวลทไดจากเชอเพลงเมอมการ

สนดาปแลว

11.2.2 SECfurnace (Specific Energy Consumption of Furnace) หมายถง อตราสวนระหวางพลงงานท

ปอนเขาเตาอตสาหกรรมตอปรมาณผลผลตทได

P

QSEC

f

furnace

โดยท

fQ = พลงงานทปอนใหกบเตา (MJ/hr, MJ/Batch)

P = ปรมาณผลผลตทออกจากเตา (kg, ชน , Batch)

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-6

11.3 กฎหมายทเกยวของ

ปจจบนไมมกฎหมายเกยวกบการส ารวจ ตรวจวด หรอวเคราะหประสทธภาพหรอสมรรถนะพลงงาน

11.4 แนวทางการส ารวจและการเกบขอมลวเคราะหประสทธภาพ

เครองมอหรอมาตรวดทตองใชในการตรวจวดและวเคราะห ประกอบดวย

1. มาตรวดอตราการไหลเชอเพลงในกรณเตาเชอเพลงและมาตรวดพลงงานไฟฟากรณเตาไฟฟา

2. มาตรวดผลผลต หรอวธการตรวจนบผลผลต

การตรวจวดและวเคราะหประสทธภาพหรอสมรรถนะพลงงาน

1. ตรวจวดการใชพลงงานโดย

1.1 กรณเตาเชอเพลงตรวจวดคาอตราการใชเชอเพลง ตอเวลาหรอ ตอ Batch จากนนค านวณเปน

MJ โดยสมการ

LHVmQ f

โดยท

m = อตราการใชเชอเพลงตอเวลาหรอตอ Batch

LHV = คาความรอนต าของเชอเพลงตอมวลโดยใชคาจากผผลตหรอคา

มาตรฐานของ พพ.

1.2 กรณเตาไฟฟาตรวจวดการใชพลงงานไฟฟาตอเวลาหรอตอ Batch จากนนค านวณเปน MJ โดย

สมการ

6.3 kWhQ f

โดยท

kWh = พลงงานไฟฟาตอเวลาหรอตอ Batch

คา 3.6 = คาแปลงหนวยจาก kWh เปน MJ

2. ตรวจวดหรอตรวจนบปรมาณผลผลตตอเวลาหรอตอ Batch

3. น าคาทไดจากการตรวจวดมาค านวณโดยสมการ

P

QSEC

f

furnace

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-7

ตวอยางตารางตรวจวดและวเคราะห

หมายเลขเครอง ____________________, วนทตรวจวด __________________________, สถานทใชงาน __________________________________

ผผลต ___________________________, ประเภท/แบบ ________________________________, โครงการ _________________________________

ปทผลต ________________, พนทผวถายเทความรอน (m2) _________________, สภาพฉนวน ________________________________________

เวลาท างาน (h/y) _____________, รปรางภายนอก (m) กวาง __________, ยาว __________, สง ___________ เสนผาศนยกลาง____________

หนวย สญลกษณ ขอมล แหลงทมา

ก าลงการผลต ชนดพลงงาน (ไฟฟา/น ามนเตา/LPG/NG) - - Name Plate

ตดตง อตราการใชพลงงาน MJ/hr Erated Name Plate

อตราการผลผลต kg/hr Prated Name Plate

SECfurnace MJ/kg SECrated Name Plate

ก าลงการผลตจรง ชนดผลตภณฑ - - จากการตรวจวด

ปรมาณผลผลตปอนเขา kg/hr Pin จากการตรวจวด

ปรมาณผลผลตออกจากเตา kg/hr Pout จากการตรวจวด

อณหภมผลตภณฑเขาเตา oC Tin จากการตรวจวด

อณหภมผลตภณฑออกจากเตา oC Tout จากการตรวจวด

เชอเพลง ปรมาณการใช kg/hr mf จากการตรวจวด

คาความรอนต า kJ/kg LHV จากขอมลผ ขายหรอคามาตรฐาน

อณหภมเชอเพลงปอนเขาเผาไหม oC Tf จากการตรวจวด

อากาศปอน อณหภม oC Ta จากการตรวจวด

ความชนสมพทธ %RH RH จากการตรวจวด

Surface Temp. อณหภมผวเฉลยดานขาง (ซาย) oC Tg จากการตรวจวด

อณหภมผวเฉลยดานขาง (ขวา) % O2 จากการตรวจวด

อณหภมผวเฉลยดานบน % CO2 จากการตรวจวด

Flue Gas อณหภม Tg oC Tg จากการตรวจวด

ปรมาณ O2 % O2 จากการตรวจวด

ปรมาณ CO2 % CO2 จากการตรวจวด

ปรมาณ CO ppm CO จากการตรวจวด

อตราสวนอากาศ - M M = 21 / 21-O2

MJ/kg SECfurnace

หมายเหต

ตารางการตรวจวดเตาอตสาหกรรม

สภาวะการใชงาน

สมรรถนะพลงงาน 100xP

xLHVmSEC

out

f

furnace

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-8

11.5 ตวอยางการวเคราะหประสทธภาพการใชพลงงาน

ตวอยางท 1 เตาหลอมอลมเนยมมอตราการหลอม 50 kg/hr ทอตราการใชเชอเพลงชนด LPG ท 4.0

m3/hr จากการเกบขอมลการใชงานพบวามหลอมเฉลยท 35.6 kg/hr ใชเชอเพลง 3.07 m3/hr จงค านวณหา

สมรรถนะในการใชพลงงาน

วธการค านวณ

ก. พกดสมมรรถนะ

คา LHV ของ LPG = 26.62 MJ/m3

พลงงานพลงงานความรอนของเชอเพลง = 4.0 m3/hr x 26.62 MJ/m3

= 106.48 MJ/hr

SECrate = (106.48 MJ/hr) / (50 kg/hr)

= 2.13 MJ/kg

ข. สภาวะจรง

คา LHV ของ LPG = 26.62 MJ/m3

พลงงานพลงงานความรอนของเชอเพลง = 3.07 m3/hr x 26.62 MJ/m3

= 81.72 MJ/hr

SECfurnace = (81.72 MJ/hr) / (35.6 kg/hr)

= 2.30 MJ/kg

11.6 ตวอยางมาตรการทประสบความส าเรจ

ตวอยางท 1 มาตรการน าความรอนทงจากไอเสยของเตาเผาหมายเลข 3-4 กลบมาใชทเตาอบ Dryer

Press 5-8

ความเปนมา

โรงงานประกอบดวยเตาเผากระเบองจ านวน 8 เตา ซงมลกษณะการใชงานเหมอนกน ใชกาซธรรมชาตเปน

เชอเพลง โดยไอเสยจากการเผาไหมสวนหนงจะน าไปใชบรเวณหนาเตา (~10,000 M3/hr) สวนหนงจะน าไปใชอบ

กระเบองกอนเขาเตาเผา (~10,000 M3/hr) และอกสวนหนงปลอยทงสบรรยากาศ (~10,000 M3/hr) ซงอณหภมทปลอย

ทงมคาประมาณ 170-200 ๐C

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-9

ในกระบวนการขนรปแผนกระเบอง เมอมการขนรปดวยเครองขนรป (Press Machine) จะสงเขาไปอบทเตา

อบ Dryer Press ซงเตาอบ Dryer Press ใชกาซธรรมชาตเปนเชอเพลง โดยอบใหไดอณหภม 140 oC กอนทจะสงไป

กระบวนการเคลอบส ลงลายกระเบอง และสงไปกระบวนการเผาตอไป

แนวคดในการปรบปรง

ปรบปรงโดยการตอทอน าไอเสยจากเตาเผาไปใชทเตาอบ Dryer Press ซงสามารถน าไอเสยไปใชไดโดยตรง

โดยไมมผลกระทบกบผลตภณฑ

รปท 11.6 ทอน าไอเสยจากเตาเผา

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-10

ผลการปรบปรง

Before

SEC กอนปรบปรง (Apr 10) 0.0181 M3

ng/kg

Average Production (Apr 10) 166,081 kg/day

Inlet Temp of Product 40 oC

Outlet Temp of Product 140 oC

Cp of Soil (Dry) 0.8 kJ/kg.K

Total Heat Absorp to Dryer Press (01,02) 3,001.37 M3

ng/day

102.81 MMBtu/day

108,467.55 MJ/day

Heat Absorp to Product 13,286,459 kJ/day

12.59 (12.25%) MMBtu/day

Heat Recovery to Dryer Press No. 05, 06, 07, 08

Kiln 03

DY0

Kiln 04

DY0

~10,000 m3/hr

~10,000 m3/hr

~10,000 m3/hr~10,000 m3/hr

~10,000 m3/hr

~10,000 m3/hr

200 oC 200 oC

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-11

After

107280

Heat from Flue Gas

Flue Gas Flow Rate (80% of Design) 16,000.00 m3/hr

Flue Gas Temp (Temp Drop 20%) 160 oC

Ambient Temp 40 oC

Cp of Flue Gas 0.332 kcal/m3.K

Heat from Flue Gas 637,440.00 kcal/hr

2,668.96 MJ/hr

2.53 MMBtu/hr

60.72 MMBtu/day

Saving

NG Saving 59.05 %

60.72 MMBtu/day

(350 Day/Yr) 21,250.50 MMBtu/yr

NG Cost (Jan - Apr 10) 336.81 ฿/MMBtu

Cost Saving 7,157,380 ฿/yr

Investment

Total Investment 2,000,000 ฿

Payback Period 0.28 yr

Kiln 03

DY0

Kiln 04

DY0

~10,000 m3/hr

0 m3/hr

~10,000 m3/hr~20,000 m3/hr

0 m3/hr

~20,000 m3/hr

DP05 DP06

~10,000 m3/hr~10,000 m3/hr~10,000 m3/hr

~10,000 m3/hr

~20,000 m3/hr

200 oC 200 oC

DP07 DP08

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-12

ตวอยางท 2 มาตรการการลดระยะความสงของชองเปดทฝาเตาหลอมเพอลดการสญเสยความรอน

ความเปนมาและลกษณะการใชงาน

ทางโรงงานใชเตาไฟฟาแบบเหนยวน าในการหลอมเหลก โดยทเตาแตละชดจะมฝาปดเพอปองกนการ

สญเสยความรอนจากการแผรงสความรอน (ทงเตาหลอมและเตา Hold)

ปญหาของอปกรณ/ระบบกอนปรบปรง ฝาเตาทปดอยเดมมระยะความสงจากปากเตามากเกนไป เนองมาจากการตดตงทไมเหมาะสมและ

ผลกระทบจากการใชงานในแตละวน ท าใหมพนทการสญเสยความรอนมากกวาปกต

รปท 11.7 สภาพการใชงานฝาเตาหลอม (กอนปรบปรง) แนวคดและขนตอนการด าเนนการ

1. ด าเนนการปรบลดระยะความสงของฝาเตาจากความสงเดมประมาณ 10-20 cm. ลงมาเหลอ 3-4 cm. พรอมกบปรบ Alignment ใหมใหฝาเตาอยในแนวขนานกบปากเตาและปดพนทปากเตาใหไดมากทสด

2. วดคาอณหภมทบรเวณปากเตา และขนาดของพนทสญเสยความรอนทลดลงได 3. ค านวณผลการประหยดพลงงานไฟฟาเทยบเทาจากปรมาณความรอนสญเสยทลดลงได

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-13

สภาพหลงปรบปรง

ภายหลงการด าเนนการแลวเสรจ ทางทมงานดานพลงงานพบวาสามารถลดอณหภมใชงานของเตาหลอม ขนาด 3,500 kW จ านวน 2 ชด (Line M5) ลงไดจาก 1,560oC เหลอ 1,540oC โดยไมมผลกระทบตอคณภาพการหลอเหลกแตอยางใด

รปท 11.8 สภาพการใชงานฝาเตาหลอม (หลงปรบปรง)

คมอฝกอบรม การประเมนศกยภาพการอนรกษพลงงาน

บทท 11 เตาอตสาหกรรม

หนา 11-14

Furnace No. ตวแปร หนวย No.1 No.2 Hold No.1 Hold

Line Name M5 M5 M5 M10 M10

ขนาดพนทสญเสยความรอนทลดลง A ตร.ม. 0.207 0.207 0.173 0.207 0.207

อณหภมผวถายเทความรอน (หนาปากเตา) Ts oC 1,240 1,170 1,280 1,150 1,290

อณหภมอางอง Tr oC 35 35 35 35 35

คา Emissivity e - 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3

ปรมาณความรอนสญเสยจากการแผรงส Q kW 18.43 15.24 17.10 14.41 20.99

Operating Hour H ชวโมง/ป 5,600 5,600 5,600 5,600 5,600

%Safety Factor %SF % 70 70 70 70 70

พลงงานไฟฟาทประหยดได E kWh/ป 72,246 59,741 67,032 56,487 82,281

ktoe/ป 0.0062 0.0051 0.0057 0.0048 0.0070

Furnace No. ตวแปร หนวย No.1 No.2 B C Hold

Line Name M11 M11 M9 M9 M9

ขนาดพนทสญเสยความรอนทลดลง A ตร.ม. 0.242 0.242 0.726 0.207 0.761

อณหภมผวถายเทความรอน (หนาปากเตา) Ts oC 1,260 1,245 1,160 1,200 1,320

อณหภมอางอง Tr oC 35 35 35 35 35

คา Emissivity e - 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3

ปรมาณความรอนสญเสยจากการแผรงส Q kW 22.71 21.83 51.99 16.55 83.27

Operating Hour H ชวโมง/ป 5,600 5,600 5,600 5,600 5,600

%Safety Factor %SF % 70 70 70 70 70

พลงงานไฟฟาทประหยดได E kWh/ป 89,023 85,574 203,801 64,876 326,418

ktoe/ป 0.0076 0.0073 0.0174 0.0055 0.0278

วธการค านวณผลการอนรกษพลงงาน

หมายเหต : สตรการค านวณ Q = 5.67 x 10-8 x e x A x ((Ts + 273.15)4 – (Tr + 273.15)4) / 1,000

E = Q x H x %SF

พลงงานไฟฟารวมทประหยดได = 1,107,479 kWh/ป

คดเทยบเปนน ามนดบได = 0.0944 ktoe/ป

คดเปนคาใชจายทประหยดได = 1,107,479 kWh/ป x 2.71 บาท/kWh

= 3,001,268 บาท/ป