เรามาศึกษาเรียนรู้กันต่อในเรื่อง ชีวมวลเชื้อเพลิงลดโลกร้อน  (ตอนที่ 1) ในตอนที่ 2 นี้ เราจะกล่าวถึงกระบวนการทางกายภาพและชีวภาพของเชื้อเพลิงชีวมวลกัน ซึ่งกระบวนการแปรรูปชีวมวลหรือของเสียให้เป็นเชื้อเพลิงในปัจจุบัน มีทั้งที่เป็นกระบวนการทางกายภาพ ทางเคมี ทางความร้อน และทางชีวภาพ ซึ่งกรมโรงงานอุตสาหกรรม ได้ให้ความรู้นี้ไว้ในคู่มือแนวทางและเกณฑ์คุณสมบัติของเสียเพื่อการแปรรูปเป็นแท่งเชื้อเพลิงและบล็อคประสาน สรุปรายละเอียดสำคัญได้ดังนี้

ภาพการเผาไหม้เชื้อเพลิงชีวมวล
ที่มา https://pixabay.com/ ,StockSnap

กระบวนการทางกายภาพ

           เป็นกระบวนการพื้นฐานของการแปรรูปของเสียให้เป็นเชื้อเพลิง เหมาะสําหรับของเสียที่มีค่าความร้อนสูง แต่ก็มีคุณสมบัติบางประการที่อาจไม่เหมาะสมหากจะนําไปใช้เป็นเชื้อเพลิงโดยตรง อาทิเช่น  

           - ของเสียมีความหนาแน่นต่ำ ต้องใช้พื้นที่ในการเก็บมาก การนําไปใช้งานมีความยุ่งยาก เนื่องจากต้องใช้ในปริมาณมากเพื่อให้ได้ค่าความร้อนที่เพียงพอต่อการใช้งาน 

           - ของเสียมีความชื้นสูง จึงทําให้ค่าความร้อนจากการเผาไหม้ต่ำ นอกจากนี้ของเสียที่มีความชื้นสูงจะเกิดการเน่าเสียง่าย จึงไม่สามารถเก็บไว้ใช้เป็นเวลานานได้ 

           - เนื้อวัสดุที่เป็นองค์ประกอบของของเสียไม่ผสมเป็นเนื้อเดียวกัน (Homogenious) ทําให้ค่าความร้อนที่เกิดขึ้นไม่คงที่ยากต่อการควบคุมเมื่อนําไปใช้งาน 

           - ขนาดและรูปทรงของของเสีย ที่อาจทําให้เกิดช่องว่าง จะมีผลโดยตรงต่อการเกิดความดันลด เมื่อนําไปใช้ในอุปกรณ์สําหรับในทางทฤษฎี ต้องพยายามให้อากาศสัมผัสกับพื้นที่ผิวของกากตะกอนให้มากที่สุด และมีเวลานานเพียงพอในการทําปฏิกิริยาเพื่อให้เกิดการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์  

          สําหรับเทคโนโลยีที่ใช้กระบวนการทางกายภาพเพื่อแก้ไขข้อจํากัดของของเสียในลักษณะที่กล่าวแล้ว และปรับปรุงให้เป็นเชื้อเพลิงที่มีคุณภาพ ได้แก่ กระบวนการอัดแท่ง (Densification) ซึ่งเป็นกระบวนการ เปลี่ยนวัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำให้เป็นวัสดุที่มีความหนาแน่นสูง การลดความชื้น การปรับปรุงด้านขนาด และรูปร่าง รวมถึงการรวมเป็นเนื้อเดียวกันขององค์ประกอบต่าง ๆ ในของเสีย

กระบวนการทางความร้อนและเคมี   

          กระบวนการเผาไหม้ (Combustion) เป็นการนําชีวมวลหรือของเสียมาเผาโดยตรง ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเป็นก๊าซร้อนที่มีความร้อนตามค่าความร้อนของชีวมวลหรือของเสียที่นํามาเผา ก๊าซร้อนที่ได้สามารถนําไปใช้ผลิตไอน้ำที่มีอุณหภูมิและความดันสูง ไอน้ำนี้จะถูกนําไปขับกังหันไอน้ำเพื่อผลิตไฟฟ้าต่อไป

          กระบวนการเผาไหม้ในสภาพไร้ออกซิเจน (Pyrolysis) เป็นกระบวนการให้ความร้อนสูง (อุณหภูมิ 500–600 องศาเซลเซียส) ในสภาพไร้ออกซิเจนแก่ชีวมวลหรือของเสียเพื่อให้เกิดการสลายตัวเป็นเชื้อเพลิงเหลวและก๊าซผสมกัน เรียกว่า Bio-oil ซึ่งกระบวนการไพโรไลซิส (Pyrolysis) เป็นกระบวนการที่ของเสียถูกให้ความร้อนจนมีอุณหภูมิประมาณ 500–600 องศาเซลเซียส เพื่อทําลายพันธะทางเคมีของโมเลกุลได้เป็นผลิตภัณฑ์จําพวกของเหลวและก๊าซต่าง ๆ โดยของเหลวที่เกิดขึ้น ได้แก่ น้ำ กรดอะซิติก กรดฟอร์มิก อะซิโตน เมธานอล เมทิลอะซิเตท  ฟีนอล ส่วนก๊าซต่างๆ ได้แก่ คาร์บอนมอนออกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์  มีเทน และไฮโดรเจน รวมทั้งพวก ทาร์และชาร์ หลังจากนั้นเมื่อมีการให้ ความร้อนเพิ่มขึ้นไปอีกจนมีอุณหภูมิ ประมาณ 900–1,100 องศาเซลเซียส ประกอบกับมีการเติมตัวออกซิไดส์ ให้แก่ระบบจะทําให้ทาร์และถ่านชาร์เกิดการแตกตัวได้เป็นผลิตภัณฑ์ก๊าซต่อไป ซึ่งเป็นขั้นตอนของกระบวนการแกสิฟิเคชั่น (Gasification) ซึ่งในระหว่างกระบวนการเผาไหม้จะเกิดสารขึ้นระหว่างกระบวนการ สารตัวนั้นเรียกว่า ทาร์ (Tar) หรือน้ำมันดิน นอกจากนี้ยังมีชาร์ (Char) หรือวัสดุประเภทคาร์บอนที่เกิดจากกระบวนการ Pyrolysis ที่อุณหภูมิเกิน 300 องศาเซลเซียสอีกด้วย

         กระบวนการผลิตก๊าซเชื้อเพลิง (Gasification process) เป็นกระบวนการเปลี่ยนชีวมวลหรือ ของเสียให้เป็นก๊าซเชื้อเพลิงด้วยปฏิกิริยาเคมีชนิดที่มีความร้อนเข้ามาเกี่ยวข้อง ประกอบด้วย 4 ขั้นตอน หรือกระบวนการย่อย ได้แก่ กระบวนการอบแห้ง กระบวนการไพโรไลซิส กระบวนการเผาไหม้ และ กระบวนการรีดักชัน ก๊าซเชื้อเพลิงที่ได้ประกอบด้วยก๊าซที่สามารถเผาไหม้ได้ (Combustible gases) ได้แก่ มีเทน (CH₄) ไฮโดรเจน (H₂) และคาร์บอนมอนนอกไซด์ (CO) ส่วนก๊าซที่ไม่สามารถเผาไหม้ได้ (Noncombustible gases) ได้แก่ ไนโตรเจน (N₂) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂)  

กระบวนการทางชีวภาพ

          กระบวนการหมัก (Fermentation) เป็นการสร้างสภาวะให้จุลินทรีย์ย่อยสลายสารอินทรีย์ประเภทแป้ง น้ำตาลและเซลลูโลส ซึ่งเป็นองค์ประกอบชีวมวลหรือของเสียในสภาพไร้อากาศเพื่อให้เป็นเอทานอล

กระบวนการทางกายภาพและเคมี     

          ทำได้โดยการสกัดน้ำมันออกจากพืชน้ำมัน จากนั้นนําน้ำมันที่ได้ไปผ่านกระบวนการทางเคมีเพื่อผลิตเป็นไบโอดีเซล ซึ่งกระบวนการผลิตไบโอดีเซลที่นิยมใช้ในปัจจุบัน เป็นการเปลี่ยนโมเลกุลไตรกลีเซอไรด์ในน้ำมันพืชเป็นโมเลกุลที่เล็กลงและมีความซับซ้อนน้อยกว่าเพื่อลดความหนืดและความถ่วงจําเพาะ  ซึ่งจําแนกออกเป็น 3 กระบวนการหลัก ได้แก่

• กระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชั่น (Tranesterification) หรือแอลกอฮอไลซิส (alcoholysis) เป็นปฏิกิริยาเปลี่ยนโมเลกุลไตรกลีเซอไรด์ ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของน้ำมันพืชหรือไขมัน สัตว์เป็นเอสเทอร์ตัวใหม่ หรือ โมโนแอลคิลเอสเทอร์ (mono-alkyl ester) และกลีเซอรอล โดยทําปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์โมเลกุลขนาดเล็ก ในภาวะที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งโดยทั่วไป ได้แก่ กรดและเบส แต่กระบวนการเร่งปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยเบส จําเป็นต้องควบคุมปริมาณกรดไขมันอิสระ ในวัตถุดิบน้ำมันให้ต่ำกว่าร้อยละ 2 ทําให้วัตถุดิบที่สามารถนํามาใช้ผลิตจํากัดเฉพาะพืชน้ำมันบางชนิดเท่านั้น

• กระบวนการเอสเทอริฟิเคชั่นและทรานส์เอสเทอริฟิเคชั่น (Esterification tranesterification) ใช้กับวัตถุดิบที่มีปริมาณกรดไขมันอิสระสูง เช่น ไขมันสัตว์ น้ำมันพืชใช้แล้วซึ่งมีปริมาณกรดไขมันอิสระ ร้อยละ 2-30 เนื่องจากกระบวนการเอสเทอริฟิเคชันด้วยแอลกอฮอล์จะกําจัดกรดไขมันอิสระออกจาก วัตถุดิบก่อน โดยมีกรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ได้ผลิตภัณฑ์เป็นเอสเทอร์และน้ำ จากนั้นจึงแยกน้ำออกและทําเมทิลเอสเทอร์ให้เป็นกลางด้วยเบส แล้วนําเข้าสู่กระบวนการ ทรานส์เอสเทอริฟิเคชั่นที่มีเบสเป็นตัวเร่ง ปฏิกิริยา แต่ปัจจุบันได้มีการปรับปรุงให้กระบวนการเกิดปฏิกิริยาเคมีเกิดเร็วขึ้น โดยใช้โลหะออกไซด์ (metal oxide) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแทนเบส ร่วมกับการนําคลื่นไมโครเวฟ ซึ่งเรียกว่า เทคโนโลยีไมโครเวฟ (Microwave Technology)  

• กระบวนการไฮโดรไลซิสและเอสเทอริฟิเคชั่น (Hydrolysis and esterification) เป็นกระบวนการเปลี่ยนน้ำมันพืชตั้งต้นทั้งหมดเป็นกรดไขมันและกลีเซอรอลผ่านปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสในภาวะที่มีกรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จากนั้นกรดไขมันบริสุทธิ์จะถูกนําเข้าสู่กระบวนการเอสเทอริฟิเคชั่นด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรดต่อไป ซึ่งขั้นตอนทั้งหมดนี้จะเกิดขึ้นภายในเครื่องปฏิกรณ์

แหล่งที่มา

สำนักบริหารจัดการกากอุตสาหกรรม กรมโรงงานอุตสาหกรรม. 2555. คู่มือแนวทางและเกณฑ์คุณสมบัติของเสียเพื่อการแปรรูปเป็นแท่งเชื้อเพลิงและบล็อคประสาน. โครงการพัฒนาศักยภาพการใช้ประโยชน์ กากของเสีย ประจําปี 2554. กรุงเทพฯ.

Glaser, B., Lehmann, J. and Zech, W.: 2002, ‘Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal – A review’, Biology and Fertility of Soils35, 219–230.

Fischer, G., Prieler, S. and van Velthuizen, H.: 2005, ‘Biomass potentials of miscanthus, willow and poplar: results and policy implications for Eastern Europe, Northern and Central Asia’, Biomass and Bioenergy. 28, 119–132.