การออกแบบและพัฒนาเตาชีวมวลประสิทธิภาพสูง สำหรับเชื้อเพลิงอัดเม็ดจากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร

Abstract

The purpose of this research was to design, develop and evaluate performance of high efficiency biomass stove for pellet with compared conventional biomass stoves and liquefied petroleum gas stove. The research was started of design and calculate size of combustion chamber and air flow rate. The high efficiency biomass stove has direct combustion combined with exhaust gas recirculation with air. Which feeds two air channels together Is the primary air channel and the second air has pellet fuel by corn cob, wood chip and rice straw. The experiment was equivalent ratio of 0.6 - 1.40, adjust the fuel feed rate of fuel input rate, including 3 kg/h, 5 kg/h and 7 kg/h. Testing by boiling water. The second air which will feed exhaust gas recirculation with air the ratio of 10% and 20%

The results of this study on design high efficiency biomass stove have diameter and height combustion chamber with using three fuel was of 20 cm and 35 cm respectively. The use of corn cob pellet fuel at the best conditions resulting in a high efficiency biomass stove and have good performance using air at the equivalent ratio adjustment of 1.20 or 17.12 m3/h and the fuel feed rate of 3 kg/h. Have specific fuel consumption and specific energy consumption is 0.92 kg/kWh and 14.19 MJ/kWh providing the highest thermal efficiency. 38.07% use the boiling period of 15 minutes, boiling water temperature is between 98.2-101.2 oC. While the use of wood chips and rice straw gave the highest heat efficiency of 35.56% and 31.78% respectively. Increasing EGRA feed rate 10% given the rate of fuel consumption, energy consumption and thermal efficiency close to 0% EGRA or equivalent ratio 1.20, on the contrary, the CO, NOX and NO2 emissions are reduced. Balancing the incoming mass of combustion is equal to the mass produced after combustion. The input mass of the pellet fuel is 21.63, 22.77 and 18.72 respectively. The output mass from the system is divided into the amount of product gas (CO, CO2, H2O, N2, O2) and total ash. The energy balance in the system is 60.71 MJ, 74.34 MJ and 67.55 MJ respectively. The energy released from the system has heat energy to be utilized. Heat loss of energy through the biomass stove wall (QWS) and exhaust (QE). The cost of producing the heat biomass ER 1.20 and EGRA 10% found that using corn cob pellets production costs of thermal energy minimum 2.52 baht/kWh and 2.91 baht/kWh, while the LPG maximum thermal energy production 4.68 baht/kWh. And in the economics, the ER 1.20 of the use of corn cob pellets provides the highest heat efficiency. With a payback period of 1.25 year, net returns of 85,739.23 baht, savings of 28,294.12 baht/y and an internal return of 74.82%

งานวิจัยนี้มีจุดประสงค์เพื่อออกแบบพัฒนาและประเมินสมรรถนะเตาชีวมวลประสิทธิภาพสูง สำหรับเชื้อเพลิงอัดเม็ด โดยมีการวิเคราะห์เปรียบเทียบกับเตาชีวมวลแบบดั้งเดิมและเตาแก๊สหุงต้ม การศึกษาเริ่มจากการออกแบบและคำนวณขนาดห้องเผาไหม้ และปริมาณอากาศที่ใช้ เตาใช้หลักการเผาไหม้ตรงร่วมกับการนำเอาแก๊สที่เผาไหม้ไม่สมบูรณ์มาเผาไหม้ร่วม โดยทำการป้อนอากาศสองช่องร่วมกันคือช่อง primary air และอากาศส่วนที่สอง Secondary air โดยมีเชื้อเพลิงชีวมวลอัดเม็ดที่ใช้ในการทดสอบ ได้แก่ ซังข้าวโพด เศษไม้ และฟางข้าว ทดสอบที่อัตราส่วนสมมูล 0.6 - 1.40 ปรับอัตราการป้อนเชื้อเพลิง 3 ค่า ได้แก่ 3 kg/h, 5 kg/h และ 7.5 kg/h วิเคราะห์การทดสอบโดยวิธีการต้มน้ำ ในด้านการป้อนอากาศ Secondary air จะป้อนอากาศร่วมกับแก๊สที่เหลือจากการเผาไหม้ EGRA ในอัตรา 10% และ 20%

ผลการศึกษาด้านการออกแบบเตาชีวมวลประสิทธิภาพสูง ห้องเผาไหม้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและความสูงที่เหมาะกับการใช้งานกับชีวมวลทั้ง 3 ชนิด คือ 20 cm และ 35 cm ตามลำดับ การใช้เชื้อเพลิงชีวมวลอัดเม็ดจากซังข้าวโพดเป็นเงื่อนไขที่ดีสุด ส่งผลให้เตาชีวมวลประสิทธิภาพสูงและมีสมรรถนะการทำงานที่ดี เมื่อปรับอัตราส่วนสมมูล 1.20 หรือ 17.12 m3/h และอัตราการป้อนเชื้อเพลิง 3 kg/h มีอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและพลังงานจำเพาะต่ำสุดที่ 0.92 kg/kWh และ 14.19 MJ/kWh ให้ประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 38.07% ใช้ระยะเวลาการเดือดของน้ำ 15 นาที อุณหภูมิการเดือดของน้ำอยู่ในช่วง 98.2-101.2 oC ในขณะที่การใช้เศษไม้และฟางข้าวให้ประสิทธิภาพความร้อนสูงสุดเท่ากับ 35.56% และ 31.78% ตามลำดับ ผลการป้อน EGRA ในอัตรา 10% ให้อัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและพลังงานจำเพาะ รวมถึงประสิทธิภาพความร้อนใกล้เคียงกับ EGRA ในอัตรา 0% หรือที่อัตราส่วนสมมูล 1.20 ในทางตรงกันข้ามมีการปล่อย CO, NOX และ NO2 ลดลง การสมดุลมวลขาเข้าของการเผาไหม้เท่ากับมวลออกหลังการเผาไหม้ โดยมวลรวมขาเข้าของเชื้อเพลิงอัดเม็ดเท่ากับ 21.63, 22.77 และ 18.72 ตามลำดับ โดยมวลขาออกจากระบบจะแบ่งออกเป็นปริมาณแก๊สผลิตภัณฑ์ (CO, CO2, H2O, N2, O2) และถ่านรวมขี้เถ้า ในส่วนของการสมดุลพลังงานขาเข้าระบบเท่ากับ 60.71 MJ, 74.34 MJ และ 67.55 MJ ตามลำดับ ส่วนพลังงานที่ออกจากระบบจะมีพลังงานความร้อนที่นำไปใช้ประโยชน์ การสูญเสียพลังงานความร้อนผ่านผนังเตา (QWS) และไอเสีย (QE) ด้านต้นทุนการผลิตความร้อนของเตาชีวมวลที่ ER 1.20 และ EGRA 10% พบว่าการใช้ซังข้าวโพดอัดเม็ดให้ต้นทุนการผลิตพลังงานความร้อนต่ำสุด 2.52 Baht/kWh และ 2.91 Baht/kWh ในขณะที่เตาแก๊สหุงต้มให้ต้นการผลิตพลังงานความร้อนสูงสุด 4.68 Baht/kWh และในส่วนของเศรษฐศาสตร์ที่ ER 1.20 ของการใช้ซังข้าวโพดอัดเม็ดให้ประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด โดยมีระยะเวลาคืนทุน 1.25 year ผลตอบแทนสุทธิ 85,739.23 baht ผลประหยัด 28,294.12 baht/y และมีผลตอบแทนภายใน 74.82%