บทความนี้เรียบเรียงมาจากเรื่อง “Fuelling the future” เขียนโดย Keith Morris, DynaMotive Technologies Corporation และ Raj Thamburaj, Orenda Aerospace, ประเทศแคนาดา โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อให้ผู้อ่าน ได้รับทราบการพัฒนาเทคโนโลยี และเชื้อเพลิงใหม่ๆ มากขึ้น

1. ความนำ

ปัจจุบันมีความเห็นพ้องต้องกันในเชิงวิทยาศาสตร์ ของทุกฝ่ายที่เกี่ยวข้องเกี่ยวกับปัญหาสภาวะโลกร้อน ซึ่งเกิดจากก๊าซเรือนกระจก และหากปริมาณการปล่อยก๊าซเรือนกระจก ยังคงเพิ่มขึ้นดังเช่นที่ผ่านมา อย่างต่อเนื่องในช่วงศตวรรษที่ 20 ก็จะส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศน์ของโลก และจะก่อให้เกิดความเปลี่ยนแปลงต่อสภาพแวดล้อมต่างๆ ซึ่งเป็นรากฐานของการพัฒนา และความเจริญรุ่งเรืองของสังคมโลก นอกจากนี้ เป็นที่ยอมรับกันว่าการเผาไหม้เชื้อเพลิงประเภทฟอสซิล เพื่อผลิตไฟฟ้าเป็นสาเหตุสำคัญ ที่ก่อให้เกิดปัญหาสภาวะโลกร้อน ในขณะที่เชื้อเพลิงชีวมวลก็เป็นที่รู้จักกันมานานว่า เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ยั่งยืน แต่ถ้าหากนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในการผลิตไฟฟ้า ก็จะยังคงมีข้อจำกัดเกี่ยวกับการจัดการวัตถุดิบ และประสิทธิภาพในการเผาไหม้ จึงทำให้มีการคิดค้นและดัดแปลงเชื้อเพลิงชีวมวล ให้กลายเป็นของเหลวที่เรียกว่า “BioOil” เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบพลังงานความร้อนร่วมในการผลิตไฟฟ้า

BioOil เป็นเชื้อเพลิงที่สามารถใช้ระบบการจัดเก็บ การนำมาใช้ และการขนส่งเช่นเดียวกับผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมทั่วไป และสามารถนำมาใช้ได้กับเครื่องกังหันก๊าซ เครื่องยนต์ดีเซล และหม้อไอน้ำ (boilers) นอกจากนี้ ในการเผาไหม้ BioOil ยังไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก เนื่องจากไม่มีการปล่อยก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO_x) ส่วนการปล่อยก๊าซไนโตรเจนออกไซต์ มีปริมาณที่น้อยกว่าน้ำมันดีเซล จึงนับได้ว่า BioOil เป็นเชื้อเพลิงที่สะอาด บริษัท DynaMotive Technologies Corporation ประเทศแคนาดา กำลังพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อผลิต BioOil ในเชิงพาณิชย์ โดยใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า fast pyrolysis และได้ร่วมมือกับบริษัท Orenda Aerospace Corporation ประเทศแคนาดา ทำการทดสอบและพัฒนาการผลิตไฟฟ้าจาก BioOil โดยใช้ระบบกังหันก๊าซ OGT 2500 ที่มีกำลังผลิตไฟฟ้าขนาด 2.85 เมกะวัตต์

2. การผลิต BioOil

การผลิต BioOil โดยใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า fast pyrolysis หมายถึง กระบวนการเผากากของเสียโดยใช้ความร้อนสูงในระยะเวลาอันรวดเร็ว โดยไม่ใช้ออกซิเจน ซึ่งอาจเรียกเทคโนโลยีนี้ให้ถูกต้องยิ่งขึ้นว่า “Thermolysis” กระบวนการนี้เป็นการทำให้วัสดุชีวมวล เกิดความร้อนอย่างรวดเร็ว และเกิดการแยกตัวออกเป็นถ่าน ก๊าซ ไอ และสารแขวนลอยในอากาศ เมื่ออุณหภูมิลดลง สารที่ระเหยง่ายจะกลั่นตัวเป็นของเหลวที่เรียกว่า “BioOil” ส่วนก๊าซที่ยังคงเหลืออยู่เป็นก๊าซที่ไม่สามารถกลั่นตัวเป็นของเหลวได้ (non-condensable gas) และมีค่า ความร้อนปานกลาง

ในกระบวนการ fast pyrolysis นี้ ชีวมวลจะถูกนำเข้าสู่เตาปฏิกรณ์โดยจะมีการปูรองด้วยวัสด ุที่ไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงปฏิกริยาเคมีเร็วนัก เช่น ทราย เพื่อทำให้ความร้อนภายในเตากระจายตัวได้มากยิ่งขึ้น วัสดุชีวมวลจะถูกบดย่อยให้มีขนาดเล็กลง เพื่อให้ง่ายต่อการกลั่นตัวเป็นของเหลว ในขณะเดียวกันก็เป่าก๊าซร้อน โดยไม่ใช้ออกซิเจน เพื่อทำหน้าที่หลัก 2 ประการ คือ ประการแรก เพื่อเป็นตัวกลางนำความร้อนจากทรายที่ รองอยู่ในเตาให้กระจายไปได้ทั่ว ประการที่สอง เพื่อแยกถ่านออกจากสารอื่นๆ โดยอัตโนมัติ กระบวนการนี้ จะรวมถึงการขจัดเศษถ่านเล็กๆ ที่ถูกแยกออกมานั้นออกจากการไหลเวียนของก๊าซ และการทำให้ก๊าซนั้นเย็นลงโดยทันทีจนกลายเป็นของเหลว และได้ผลผลิตที่เรียกว่า BioOil ทั้งนี้ การให้ได้ผลผลิต BioOil สูงสุด กระบวนการให้ความร้อน จะต้องเกิดภายในระยะเวลาสั้นๆ 2 – 3 วินาทีเท่านั้น ณ อุณหภูมิประมาณ 450 – 500 องศาเซลเซียส และผลผลิตที่ได้ จะต้องทำให้เย็นลงในทันทีเพื่อป้องกันการแตกตัวของ BioOil

วัสดุชีวมวลที่ใช้ในกระบวนการนี้ จะเป็นวัสดุชีวมวลใดก็ได้ รวมถึงเศษไม้และกากของเสียจากการเกษตร ขั้นตอนการเตรียมชีวมวลลำดับแรก คือต้องทำให้แห้งโดยให้เหลือความชื้นอยู่ในวัตถุดิบน้อยกว่าร้อยละ 10 เพื่อให้มีน้ำเหลือใน BioOil น้อยที่สุด และหลังจากนั้นนำชีวมวลไปบดย่อยให้ขนาดเล็กลง เพื่อเพิ่มอัตราการถ่ายความร้อนในเตาปฏิกรณ์ให้เร็วขึ้น ผลผลิตที่ได้จากกระบวนการ thermolysis ประกอบด้วย BioOil ร้อยละ 60 – 70 ถ่านร้อยละ15 – 20 และก๊าซที่ไม่กลั่นตัวร้อยละ15 – 20 ความร้อนที่ต้องการใช้สำหรับการทำปฏิกริยานี้คือ ความร้อนทั้งหมดที่ส่งผ่านเข้าไปในเตา เพื่อทำให้เกิดปฏิกริยาความร้อน และกระจายความร้อนได้อย่าง ทั่วถึงจนสิ้นสุดกระบวนการ ความร้อนจากปฏิกริยาที่ใช้สำหรับกระบวนการ fast pyrolysis บางส่วนจะถูก ดูดซึม ทั้งนี้ ปริมาณความร้อนทั้งหมดที่ต้องการสำหรับผลิต BioOil ปริมาณ 1 กิโลกรัม จะอยู่ประมาณ 2.5 เมกะจูล ในขณะที่ความร้อนสุทธิที่ต้องการจากเชื้อเพลิงภายนอก เช่น ก๊าซธรรมชาติจะใช้เพียง 1.0 เมกะจูล ต่อ BioOil 1 กิโลกัรม ส่วนที่เหลือจากกระบวนการผลิตเป็นก๊าซที่ไม่กลั่นตัว (non-condensable gas) จะถูกส่งต่อเข้าไปในเตาเผาทิ้งโดยตรง ซึ่งทั้งหมดนี้คิดเทียบเท่ากับร้อยละ 5 โดยประมาณของค่าความร้อนทั้งหมดที่จะได้จาก BioOil ที่ผลิตได้

 

BioOil มีลักษณะเป็นของเหลวสีน้ำตาลเข้ม มีกลิ่นฉุนเหมือนควัน ประกอบด้วยสารเคมีหลายชนิดและสารประกอบออกซิเจเนท เช่น carbonyl, carboxyl, และ phenolic ส่วนประกอบของ BioOil มีน้ำประมาณ ร้อยละ 20 – 25 , สารลิกนิน ร้อยละ 25 – 30, กรดอินทรีย์ (organic acids) ร้อยละ 5 – 12, สารประกอบไฮโดรคาร์บอน ร้อยละ 5 – 10, ผลึกน้ำตาล ร้อยละ 5 – 10, และสารประกอบออกซิเจเนทอื่นๆ ร้อยละ 10 - 25บริษัท DynaMotive ได้ดำเนินโครงการสาธิตผลิต BioOil ด้วยกระบวนการ fast pyrolysis โดยในขั้นแรกมีกำลัง การผลิต 2 ตัน/วัน และจะขยายกำลังการผลิตเป็น 10 ตัน/วัน ในปลายปี 2543 สำหรับโรงงานสาธิตเชิงพาณิชย์จะสร้างในปี 2544 มีกำลังผลิต 25 ตัน/วัน และจะสร้างโรงงานเชิงพาณิชย์เต็มรูปแบบที่มีขนาดกำลังผลิต 100 - 200 ตัน/วัน เป็นลำดับต่อมา

กระบวนการผลิต BioOil ของ บริษัท DynaMotive ได้นำเทคโนโลยีเตาเผาที่มีตัวกลางไหลหมุนเวียนเพื่อช่วยในการเผาไหม้ (bubbling fluidized bed) มาใช้ร่วมกับเทคโนโลยีใหม่ของบริษัท Resource Transforms International Ltd. ข้อดีของเทคโนโลยีที่ DynaMotive ใช้ก็คือ ต้นทุนในการลงทุนและต้นทุนการดำเนินงานต่ำ แต่ให้ผลผลิตสูงขึ้น คุณภาพของ BioOil ดีขึ้น และใช้ได้กับวัตถุดิบหลายประเภท เช่น เศษไม้ วัสดุเหลือใช้ทางการเกษตร

3. การใช้ BioOil กับกังหันก๊าซ

BioOil เป็นเชื้อเพลิงที่สะอาดและเมื่อเปรียบเทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิล BioOil มีข้อได้เปรียบด้าน สิ่งแวดล้อมหลายประการดังนี้

• ไม่ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซเรือนกระจก (greenhouse gas) เพราะ BioOil ได้มาจากชีวมวลซึ่งเป็นสารอินทรีย์ (organic waste)
• เนื่องจากชีวมวลไม่มีสารประกอบซัลเฟอร์ ดังนั้นในขณะเผาไหม้ จึงไม่ก่อให้เกิดก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO_x)
• ปล่อยก๊าซไนโตรเจนออกไซด์น้อยกว่าน้ำมันดีเซลร้อยละ 50 ในระบบกังหันก๊าซ
• การผลิต BioOil สามารถผลิตได้ในทุกประเทศที่มีของเสียจากสารอินทรีย์ในปริมาณที่มาก

จากการนำ BioOil มาทดสอบใช้กับเครื่องกังหันก๊าซเพื่อการอุตสาหกรรม OGT 2500 ขนาดกำลังผลิต 2.5 เมกะวัตต์ ผลปรากฏว่าเทคโนโลยี OGT 2500 มีข้อได้เปรียบเทคโนโลยีอื่น เนื่องจากได้รับการออกแบบมา ให้มีความทนทานและมีน้ำหนักเบา นอกจากนี้ ระบบการเผาไหม้ที่มีลักษณะรูปทรงกระบอก (silo) ทำให้ง่ายต่อการตรวจสอบและดัดแปลงระบบการเผาไหม้ทั้งหมด ซึ่งเป็นระบบหนึ่งที่สำคัญในการดัดแปลงเครื่องยนต์ เพื่อให้สามารถใช้กับ BioOil ได้ และเมื่อเปรียบเทียบระบบการเผาไหม้ของเครื่องกังหันก๊าซที่ใช้ BioOil กับ น้ำมันดีเซลแล้วให้ผลลัพธ์ใกล้เคียงกัน ถึงแม้ว่าการใช้ BioOil จะปล่อยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์และฝุ่นละออง (Particulate) สูงกว่าน้ำมันดีเซล แต่การปล่อยก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ มีปริมาณเพียงครึ่งหนึ่งของดีเซลเท่านั้น และก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์มีน้อยมาก จนเครื่องมือตรวจวัดไม่สามารถวัดค่าได้

BioOil มีความหนาแน่นเพียงครึ่งหนึ่งของน้ำมันดีเซล ดังนั้นเพื่อให้สามารถใช้กับกังหันก๊าซ OGT 2500 ได้ อัตราการไหลของ BioOil ต้องเพิ่มเป็นสองเท่า ด้วยการออกแบบระบบเชื้อเพลิงให้มีอัตราการไหลเพิ่มสูงขึ้น และดัดแปลงหัวจ่ายเชื้อเพลิงให้ใหญ่ขึ้น เครื่อง OGT 2500 จึงถูกออกแบบมาให้สามารถปรับใช้ได้กับอัตราการไหลของเชื้อเพลิงที่ไม่เท่ากัน หากเชื้อเพลิงมีค่าความหนืดสูง จะทำให้ประสิทธิภาพการเผาไหม้ ให้กลายเป็นละอองลดลง และจะทำให้การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ การทำให้เชื้อเพลิงกลายเป็นละอองมี 3 วิธี คือ

1. ออกแบบระบบเชื้อเพลิงให้ใช้กับแรงดันที่สูงขึ้น ซึ่งเชื้อเพลิงจะกลายเป็นละอองได้ดีขึ้น เมื่อผ่านหัวจ่ายเชื้อเพลิง
2. อุ่นเชื้อเพลิงเพื่อลดความหนืด
3. ออกแบบหัวจ่ายเชื้อเพลิงให้เป็นระบบฉีดฝอย เพื่อช่วยเพิ่มการกลายเป็นละอองของเชื้อเพลิง การทำให้เชื้อเพลิงกลายเป็นละอองดีขึ้นนั้น ช่วยทำให้การเผาไหม้สมบูรณ์ และช่วยลดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ อย่างไรก็ตาม BioOil มีน้ำเป็นองค์ประกอบจึงช่วยในการลดแรงหนืดได้

คุณสมบัติของ BioOil มีค่าความเป็นกรดสูง ดังนั้นวัสดุที่ใช้ต้องทนกรดได้ รวมทั้งของแข็งที่เป็น องค์ประกอบอยู่ใน BioOil คือ ขี้เถ้า และถ่านละเอียด จะทำให้ BioOil มีความเหนียวหลังการเผาไหม้ จึงก่อให้เกิดฝุ่นละออง (Particulate) สะสมอยู่ในท่อทางเดินก๊าซ และทำให้ประสิทธิภาพการเผาไหม้ลดลง ดังนั้น จึงต้องควบคุมระดับของแข็งที่ผสมอยู่ใน BioOil ให้น้อยกว่าร้อยละ 0.1 โดยน้ำหนัก ปกติขี้เถ้าเป็นสิ่งที่มีอยู่ใน BioOil ซึ่งไม่สามารถเผาไหม้ได้ จะสะสมอยู่ในท่อทางเดินก๊าซ และจะส่งผลให้ประสิทธิภาพ ของกังหันก๊าซลดลง วิธีการแก้ปัญหาก็คือ ให้มีระบบทำความสะอาดกังหันก๊าซ โดยมีระบบสองระบบแยกจากกัน โดยระบบที่หนึ่งใส่สารที่ช่วยขจัดการสะสมของขี้เถ้า ในระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์ ซึ่งจะช่วยให้กังหันก๊าซสะอาด โดยไม่ต้องหยุดเดินเครื่องเพื่อทำความสะอาด ส่วนระบบที่สองเป็นการหยุดกระบวนการผลิต ในระหว่างทำความสะอาดเครื่อง และเมื่อแล้วเสร็จจึงเริ่มเดินเครื่องใหม่

ในขี้เถ้ามีด่างเป็นส่วนประกอบโดยเฉพาะอย่างยิ่งใน BioOil มีสารโซเดียมและโปแตสเซียม เป็นสารประกอบที่มีผลกระทบสำคัญ ซึ่งมีผลต่อการผุกร่อนในท่อทางเดินก๊าซร้อน สารประกอบเหล่านี้จะหลอมละลายในอุณหภูมิต่ำ และจะติดอยู่ในระบบท่อ ทำให้เกิดการกัดกร่อนได้ แต่ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยเติมสาร เติมแต่งเชื้อเพลิง (Additives) เข้าไปในระบบทำความสะอาด ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นมาเพื่อใช้กับน้ำมันเตา เป็นเวลาหลายสิบปีแล้ว และเนื่องจากคุณสมบัติของ BioOil มีการจุดระเบิดยาก จึงจำเป็นต้องออกแบบระบบการจุดระเบิดเฉพาะสำหรับ BioOil และเพื่อเป็นการแก้ไขปัญหานี้ ระบบ OGT 2500 จึงใช้วิธีจุดระเบิดโดยใช้น้ำมันดีเซล ผ่านเข้าไปในช่องทางแรกในหัวจ่ายเชื้อเพลิง หลังจากการอุ่นเครื่องแล้ว BioOil จะถูกเติม เข้าไปในช่องทางที่สอง ในอัตราที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ในขณะที่การไหลเวียนของน้ำมันดีเซล จะค่อยๆ ลดลง จนกระทั่งใช้ BioOil เต็ม 100 %

คุณสมบัติของ BioOil ที่นำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงนี้ จะมีคุณสมบัติพิเศษเมื่อเปรียบเทียบกับเชื้อเพลิงดีเซล ดังนี้

คุณสมบัติ BioOil เปรียบเทียบกับน้ำมันดีเซล

คุณสมบัติ	BioOil	ดีเซล
ค่าความร้อน (เมกะจูล/กิโลกรัม) ค่าความหนืด (เซนติสโต๊ก)* ค่าความเป็นกรด (pH)** น้ำ (ร้อยละของน้ำหนัก) ของแข็ง (ร้อยละของน้ำหนัก) ขี้เถ้า (ร้อยละของน้ำหนัก) ค่าความเป็นด่าง (โซเดียม + โปแตสเซียม) (ส่วนในล้านส่วน)	15-20 3-9 ที่อุณหภูมิ 80oC 2.3-3.3 20-25 <0.1 <0.02 5-100	42.0 2-4 ที่อุณหภูมิ 20oC 5 0.05 ร้อยละของปริมาตร (combined) 0.01 <1

หมายเหตุ * 1 เซนติสโต๊ก = 10^-6 ตารางเมตรต่อวินาที
** pH การบอกความเป็นกรดของสารละลาย ถ้า pH มีค่าน้อยกว่า 7 หมายความว่าเป็นกรด ถ้าค่าสูงกว่า 7 หมายความว่าเป็นด่าง

4. การพัฒนาในอนาคต

ระบบที่ถูกออกแบบในระยะแรก ได้มีการพัฒนา ดัดแปลง และทดสอบเรื่อยมา ซึ่งผลปรากฏว่าการใช้ BioOil ในระบบกังหันก๊าซมีความเป็นไปได้ และมีข้อดีหลายประการ ปัจจุบันความพยายามได้มาสู่การพัฒนาในระยะที่ 2 โดยเน้นการออกแบบให้มีความทนทานในการปฏิบัติงาน และมีประสิทธิภาพสูงขึ้น จุดพัฒนาที่สำคัญตอนนี้ก็คือ การใช้ BioOil หลากหลายประเภท ขึ้นอยู่กับเครื่องยนต์เพื่อให้มั่นใจว่า เครื่องยนต์ที่ออกแบบมา สามารถใช้กับเชื้อเพลิง ที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันได้ ซึ่งจะทำให้ระบบ BioOil มีการใช้งานอย่างคุ้มค่าสูงสุด และสามารถใช้กับเชื้อเพลิงชีวมวลได้หลากหลาย ในทางวิชาการ งานนี้จึงนำมาสู่ 2 เรื่องหลักๆ คือ

• การปฏิบัติงาน การทำให้ระบบการเผาไหม้มีประสิทธิภาพสูงสุด และกำหนดลักษณะการทำงาน ของเครื่องยนต์ที่ได้รับการปรับปรุงพัฒนาขึ้น รวมทั้งการปล่อยมลสาร
• ความทนทาน เน้นการออกแบบและทดสอบระบบเชื้อเพลิงและอุปกรณ์ต่างๆ ให้มีอายุการใช้งานได้นาน พัฒนาการเคลือบอุปกรณ์ ส่วนที่โดนความร้อนให้ทนทาน และพัฒนาระบบการรักษาคุณภาพเชื้อเพลิง ผ่านเครื่องกรอง การฉีดสารเติมแต่ง และการขจัดสารที่มีความเป็นด่างที่ทำให้เกิดการผุกร่อนออก

-------------------------------

ที่มาข้อมูล : วารสาร Power Engineering International, Volume 8 Issue 7, August 2000.

 

 

 

 

สำนักงานคณะกรรมการนโยบายพลังงานแห่งชาติ
วารสารนโยบายพลังงาน ฉบับที่ 50 ตุลาคม-ธันวาคม 2543