การอบรมเชงิปฏบิตักิาร “เทคโนโลยกีารผลติแกส๊เชือ้เพลงิจากชวีมวลส าหรับ

ภาคอตุสาหกรรม”

ประเภทและคณุสมบตัขิองชวีมวล

โดย รศ.ดร. นคร วรสวุรรณรักษ์

บณัฑติวทิยาลยัรว่มดา้นพลงังานและสิง่แวดลอ้ม

25 สงิหาคม 2558

Outline

• ประเภทของชวีมวลในประเทศไทย

• คณุสมบตัแิละมาตรฐานการวเิคราะหค์ณุสมบตัขิองชวีมวล • Proximate Analysis • Ultimate Aanlysis • Heating value • Thermal characteristics

• องคป์ระกอบและสมบตัขิองชวีมวลทีส่ง่ผลกระทบตอ่สิง่แวดลอ้ม

• กระบวนการปรับปรงุคณุสมบตัชิวีมวลกอ่นเขา้สูก่ระบวนการ เผาไหมช้วีมวล

1

ประเภทของชวีมวล

ชวีมวลสามารถจ าแนกไดเ้ป็น 3 ประเภท ดงันี ้ • ชวีมวลประเภทไม ้(woody biomass) ไดแ้ก ่ชวีมวลทีไ่ดจ้ากสว่นตา่งๆของตน้ไม ้เชน่ ล าตน้ เปลอืกไม ้เศษไม ้และขีเ้ลือ่ย เป็นตน้

โดยสว่นใหญต่น้ไมท้ีน่ยิมปลกูเพือ่ใชเ้ป็นแหลง่ชวีมวล ไดแ้ก ่ไมโ้ตเร็ว เชน่ กระถนิยักษ์ ยคูาลปิตสั เป็นตน้ นอกจากนัน้จะเป็นเศษไมท้ีไ่ดจ้าก กระบวนการแปรรปูไม ้เชน่ ขีเ้ลือ่ยและเปลอืกไม ้เป็นตน้ • ชวีมวลประเภทไมใ่ชไ่ม ้(non-woody biomass) ไดแ้ก ่ชวีมวลทีไ่ด ้จากพชืทีไ่มใ่ชต่น้ไม ้ โดยมากจะเป็นวสัดเุหลอืทิง้ทางการเกษตร เชน่ ฟางขา้ว แกลบ ใบ/ยอดออ้ย ชานออ้ยและซงัขา้วโพด เป็นตน้

• ชวีมวลอืน่ๆ ไดแ้ก ่ชวีมวลทีไ่มส่ามารถจ าแนกอยูใ่น 2 ประเภทขา้งตน้ เชน่ ขยะมลูฝอย และ ของเสยีจากฟารม์ปศสุตัว ์เป็นตน้

2

• ชวีมวลมคีวามหลากหลายทัง้ชนดิและแหลง่ทีม่า ซึง่ท าใหช้วีมวลมีคณุสมบตัแิตกตา่งกนัออกไป

• ชวีมวลบางชนดิมคีวามชืน้สงูมาก บางชนดิมปีรมิาณเถา้สงู ดงันัน้จงึมคีวามจ าเป็นอยา่งยิง่ในการท าความเขา้ใจคณุสมบตัขิองชวีมวลนัน้ๆ เพือ่ทีจ่ะน าชวีมวลไปใชง้านเป็นเชือ้เพลงิไดอ้ยา่งมีประสทิธภิาพ

3

ชนดิพชื วสัดเุหลอืใช ้ปรมิาณชวีมวลทีเ่หลอื

[ลา้นตนัตอ่ปี]

คา่ความรอ้น

(MJ/kg)

พลงังาน

(กโิลตนัเทยีบเทา่

น า้มนัดบิ, kTOE)

ขา้ว ฟางขา้ว 15.70 12.33 4,623.78

แกลบ 1.78 14.20 602.63

ออ้ย ใบและยอดออ้ย 27.68 15.48 10,233.94

ชานออ้ย 0.03 7.37 5.26

มนัส าปะหลงั ล าตน้ 1.84 13.38 587.89

เหงา้มนั 13.16 5.49 1,727.32

ขา้วโพด ซงั 0.24 16.63 96.26

ปาลม์น า้มนั ทะลายปาลม์เปลา่ 1.34 7.24 232.25

ใยปาลม์ 0.00 11.80 -

กะลาปาลม์ 0.00 16.90 -

ทางปาลม์ 33.31 7.54 5,998.29

ยางพารา เปลอืก ปีกไม ้ปลายไม ้ 0.00 13.96 -

ขีเ้ลือ่ย 0.00 13.96 -

ราก ตอ และกิง่ 0.74 13.96 245.40

ยคูาลปิตสั เปลอืก ปลายไม ้ 6.00 6.30 902.84

รวม 23,765.14

ตาราง ปรมิาณชวีมวลทีเ่หลอืยังไมถ่กูน าไปใชป้ระโยชน ์

ทีม่า: โครงการพัฒนาระบบฐานขอ้มลูศกัยภาพชวีมวลในประเทศไทย ส านักวจัิยคน้ควา้พลังงาน กระทรวงพลังงาน (2555) 4

• องคป์ระกอบเชงิประมาณ (proximate analysis) ของชวีมวล ประกอบไปดว้ย ความชืน้ (moisture) เถา้ (ash) ไอระเหย (volatile matter) และคารบ์อนคงตวั (fixed carbon) ซึง่องคป์ระกอบแตล่ะประเภทมวีธิวีเิคราะหด์งันี้

คณุสมบตัแิละมาตรฐานการวเิคราะหค์ณุสมบตัขิองชวีมวล

• ปรมิาณความชืน้ในชวีมวลเป็นคณุสมบตัทิีส่ าคญัมากในการน าชวีมวลไปใชเ้ป็น เชือ้เพลงิ ถา้ชวีมวลมปีรมิาณความชืน้มากจะสง่ผลใหป้ระสทิธภิาพการเผาไหมล้ดลง เป็นอยา่งมาก ดงันัน้การวเิคราะหป์รมิาณความชืน้ในชวีมวลจงึมคีวามจ าเป็นและ ส าคญัมาก • ปรมิาณความชืน้ในชวีมวลวเิคราะหไ์ดจ้ากน ้าหนักทีห่ายไป หลงัการอบชวีมวลใหแ้หง้ทีอ่ณุหภมู ิ105 – 110 องศาเซลเซยีส โดยท่ัวไปจะท าการอบชวีมวลในเตาอบไฟฟ้าจนกวา่ชวีมวลจะแหง้ หรอืน ้าหนักของชวีมวลคงที ่

• น ้าหรอืความชืน้จะระเหยออกมาจากชวีมวลระหวา่งทีท่ าการอบแหง้ ปรมิาณความชืน้ในชวีมวลจะเปลีย่นแปลงไปตามชนดิของชวีมวล ปรมิาณความชืน้ในชวีมวลประเภทไมม้ตีัง้แตร่อ้ยละ 25 – 65 ในขณะทีถ่า้เป็นชวีมวลประเภทกากตะกอนจากการบ าบัดน ้าเสยี (sludge) จะมปีรมิาณความชืน้มากกวา่รอ้ยละ 90

ปรมิาณความชืน้ (Moisture, M)

5

ปรมิาณเถา้ (Ash, A) • ปรมิาณเถา้ในชวีมวลเป็นคณุสมบตัทิีส่ าคญัอกีประการหนึง่ในการน าชวีมวลไปใชเ้ป็นเชือ้เพลงิ ถา้ชวีมวลมปีรมิาณเถา้มากจะสง่ผลใหป้ระสทิธภิาพการเผาไหมล้ดลง ชวีมวลบางชนดิ เชน่ ทะลายปาลม์เปลา่ซึง่มปีรมิาณโพแทสเซยีมในเถา้มากจะกอ่ใหเ้กดิปัญหาเถา้หลอม (slagging) ในหอ้งเผาไหมข้องหมอ้ไอน ้าได ้

• นอกจากนีใ้นเถา้ของชวีมวลบางชนดิ เชน่ แกลบจะมปีรมิาณซลิกิาเป็นจ านวนมาก ซึง่ซลิกิานีจ้ะไปท าใหท้อ่น ้ารอ้นในหอ้งเผาไหมข้องหมอ้ไอน ้าเกดิการฉีกขาดและผกุรอ่น เป็นตน้ ดงันัน้การวเิคราะหป์รมิาณเถา้ในชวีมวลจงึมคีวามจ าเป็นและส าคญัมาก

• ปรมิาณเถา้ในชวีมวลวเิคราะหไ์ดจ้ากน ้าหนักทีเ่หลอือยูจ่ากการเผาไหมช้วีมวลภายใตบ้รรยากาศอากาศทีอ่ณุหภมู ิ575 องศาเซลเซยีส เป็นเวลาไมน่อ้ยกวา่ 3 ชัว่โมง สว่นประกอบอนิทรยีใ์นชวีมวลจะถกูเผาไหมส้มบรูณ์กลายเป็นแกส๊คารบ์อนไดออกไซดแ์ละน ้า ในขณะทีส่ว่นประกอบอนนิทรยีใ์นชวีมวลจะถกูออกซไิดซก์ลายเป็นสารประกอบออกไซดเ์รยีกวา่เถา้

6

ปรมิาณไอระเหย (Volatile Matter, VM) • ปรมิาณไอระเหยในชวีมวลเป็นน ้าหนักทีห่ายไปหลงัจากการใหค้วามรอ้นแกช่วีมวล ภายใตส้ภาวะทีก่ าหนด คอื อณุหภมู ิ900 องศาเซลเซยีส เป็นเวลา 7 นาท ีหรอืจนกวา่น ้าหนักจะคงที ่โดยไมใ่หช้วีมวลสมัผัสกบัอากาศ ไอระเหยจะเกดิขึน้จากการกลัน่สลายดว้ยความรอ้นหรอืไพโรไลซสิ (pyrolysis)

ปรมิาณคารบ์อนคงตวั (Fixed Carbon, FC) • ปรมิาณคารบ์อนคงตวัเป็นสว่นทีเ่สถยีรของโครงสรา้งชวีมวลหลงัจากการใหค้วามรอ้นแกช่วีมวลทีอ่ณุหภมู ิ900 องศาเซลเซยีส ซึง่สว่นใหญจ่ะประกอบไปดว้ยธาตุคารบ์อน ปรมิาณคารบ์อนคงตวัค านวณไดจ้ากผลตา่ง ดงัสมการตอ่ไปนี ้

%FC = 100 − (%M + %A + %VM)

7

• นอกจากนีก้ารวเิคราะหอ์งคป์ระกอบเชงิประมาณ (proximate analysis) ของชวีมวล สามารถวเิคราะหไ์ดด้ว้ยเครือ่งมอืวเิคราะหท์ีเ่รยีกวา่ Thermogravimetric analyzer (TGA)

• TGA เป็นเครือ่งมอืทีใ่ชว้เิคราะหน์ ้าหนักของชวีมวลทีห่ายไประหวา่งการสลายตวัทางความรอ้น ในการวเิคราะหอ์งคป์ระกอบเชงิประมาณ (proximate analysis) ของเชือ้เพลงิ สามารถตัง้โปรแกรมการใหค้วามรอ้นแกต่วัอยา่งชวีมวลได ้ดงัตอ่ไปนี ้ o เพิม่อณุหภมูจิากอณุหภมูหิอ้ง (ประมาณ 30 องศาเซลเซยีส) ถงึ 110 องศาเซลเซยีส โดยใชอ้ตัราการใหค้วามรอ้นที ่10 องศาเซลเซยีสตอ่นาท ีในบรรยากาศไนโตรเจนหรอืแกส๊เฉื่อย

o ใหอ้ณุหภมูคิงทีท่ี ่110 องศาเซลเซยีส เป็นเวลา 10 นาท ีในบรรยากาศไนโตรเจนหรอืแกส๊เฉื่อย

o เพิม่อณุหภมูจิาก 110 ถงึ 900 องศาเซลเซยีส โดยใชอ้ตัราการใหค้วามรอ้นที ่10 องศาเซลเซยีสตอ่นาท ีในบรรยากาศไนโตรเจนหรอืแกส๊เฉื่อย

o ใหอ้ณุหภมูคิงทีท่ี ่900 องศาเซลเซยีส เป็นเวลา 3 นาท ีในบรรยากาศไนโตรเจนหรอืแกส๊เฉื่อย จากนัน้สบัเปลีย่นแกส๊เป็นอากาศทีอ่ณุหภมู ิ900 องศาเซลเซยีส

8

Thermogravimetric Analyzer

9

Thermogravimetric Analyzer (TGA)

Gas in

Fig. Schematic diagram of a thermogravimetric analyzer.

Gas out

Furnace

Sample

Thermocouple

Quartz tube

Beam

Balance

10

• จากการวเิคราะหโ์ดยเครือ่ง TGA โดยการตัง้โปรแกรมการใหค้วามรอ้นขา้งตน้ จะไดข้อ้มลูความสมัพันธร์ะหวา่งน ้าหนักของชวีมวล อณุหภมู ิและเวลา ดงัแสดงในรปู

รปู การวเิคราะหห์าองคป์ระกอบเชงิประมาณ (proximate analysis) ของชวีมวล โดยใชเ้ครือ่ง TGA

11

Sample Proximate Analyses [wt%, d.b.]

VM FC Ash

Rice straw 67.5 15.9 16.6

Rice husk 67.0 11.5 21.5

Leucaena 82.6 16.0 1.4

Palm EFB 71.9 16.7 11.4

Eucalyptus 83.5 16.0 0.5

Napier grass 76.0 16.7 7.3

Corncob 82.2 16.9 0.9

Cassava rhizome 85.1 9.2 5.7

Lignite 51.5 39.6 8.9

Sub-bituminous 34.9 57.8 7.3

Bituminous 16.8 77.7 5.5

Anthracite 8.2 84.4 7.4

Table Proximate Analyses of biomass and coals.

12

ขอ้ดขีองการวเิคราะหอ์งคป์ระกอบแบบประมาณดว้ยเครือ่ง TGA

o สะดวก รวดเร็ว

o มคีวามแมน่ย าสงู

o ใชป้รมิาณตวัอยา่งนอ้ย (5-10 มลิลกิรัม)

o Reproducible

o Repeatable

o Direct measurement of fixed carbon

13

Fuel Ratio

• Fuel ratio is the ratio of fixed carbon to volatile matter. Fuel Ratio = Fixed carbon/Volatile matter

• Fuel ratio indicates the ease of ignition and burn out.

• According to their fuel ratios coals and biomass can be

classified as anthracite, at least 10

semianthracite, 6 to 10

bituminous, 3 to 6

sub‐bituminous, 3 or less.

lignite, < 1.0

biomass, 0.15 – 0.3

14

Sample Fixed Carbon [wt%, d.a.f.]

Volatile Matter [wt%, d.a.f.]

Fuel Ratio

Rice Straw 19.1 80.9 0.24

Wood 16.2 83.8 0.19

Palm EFB 17.7 82.3 0.22

Bagasse 13.2 86.8 0.15

Lignite 43.5 56.5 0.77

Sub‐bituminous 62.4 37.6 1.66

Bituminous 82.3 17.7 4.65

Anthracite 91.1 8.9 10.24

15

Ultimate Analysis

• The ultimate analysis provides the major elemental composition of the solid fuels, usually reported on a dry ash‐free basis.

• Carbon and hydrogen are determined by burning the sample in oxygen in a closed system and quantitatively measuring the combustion products.

• The hydrogen includes organic hydrogen as well as any hydrogen from the moisture of the dried sample and mineral hydrates.

16

• The extraneous carbon and hydrogen are usually negligible. Nitrogen and sulfur are determined chemically.

• Oxygen is determined by the difference between 100 and the sum of the percentages of C, H, N, and S.

%O = 100 - %C - %H - %N -%S

17

Elemental Analyzer

Fig. Elemental analyzer

18

Sample Ultimate Analyses [wt%, d.a.f.]

C H N O (diff)

Rice straw 47.0 6.5 0.6 45.9

Rice husk 47.6 6.8 1.4 44.2

Leucaena 47.7 6.2 0.7 45.4

Palm EFB 49.8 6.6 1.6 42.0

Eucalyptus 50.8 6.8 0.5 41.9

Napier grass 44.3 5.9 1.1 48.7

Corncob 45.5 6.2 1.3 47.0

Cassava rhizome 47.7 6.4 0.8 45.1

Lignite 67.4 5.0 0.5 27.1

Sub-bituminous 78.5 5.8 0.9 14.8

Bituminous 84.2 5.0 1.4 9.4

Anthracite 93.7 3.3 1.2 1.8

Table Ultimate Analyses of biomass and coals

19

คา่ความรอ้น (Heating value)

• คา่ความรอ้นของเชือ้เพลงิ เป็นปรมิาณความรอ้นทีป่ลอ่ยออกมาจากการเผาไหมช้วีมวลอยา่งสมบรูณ ์

• คา่ความรอ้นเป็นคณุสมบตัเิฉพาะตวัของเชือ้เพลงิ ซึง่ข ึน้อยูก่บัชนดิของชวีมวล ปรมิาณความชืน้และปรมิาณเถา้ในชวีมวล

• คา่ความรอ้นของเชือ้เพลงิมอียู ่2 คา่ คอื คา่ความรอ้นสงู (Higher Heating Value, HHV) และคา่ความรอ้นต า่ (Lower Heating Value, LHV)

• คา่ความรอ้นสงู (HHV) คอื คา่ความรอ้นทีไ่ดจ้ากการวเิคราะหด์ว้ยเครือ่ง bomb calorimeter ทีส่ภาวะมาตรฐาน (อณุหภมู ิ25 องศาเซลเซยีส และความดนั 1 บรรยากาศ) โดยเชือ้เพลงิชวีมวลจะถกูเผาไหมใ้นภาชนะปิดทีแ่ชอ่ยูใ่นน ้า หลงัจากที่เชือ้เพลงิชวีมวลเผาไหมจ้ะคายความรอ้นใหแ้กน่ ้า ท าใหอ้ณุหภมูขิองน ้าเพิม่สงูขึน้ ซึง่เราสามารถหาปรมิาณคา่ความรอ้นของเชือ้เพลงิชวีมวลไดจ้ากการวัดอณุหภมูทิีเ่พิม่ข ึน้ของน ้า (เนือ่งจากการเผาไหมเ้ชือ้เพลงิชวีมวลทีอ่ณุหภมู ิ25 องศาเซลเซยีส และความดนั 1 บรรยากาศ ไอน ้าทีเ่กดิขึน้จากการเผาไหมจ้ะควบแน่นเป็นของเหลว)

20

• สว่นคา่ความรอ้นต า่ (LHV) คอืคา่ความรอ้นของเชือ้เพลงิทีพ่จิารณาวา่ไอน ้าทีเ่กดิจากการเผาไหมไ้มไ่ดค้วบแน่นเป็นของเหลว โดยความรอ้นทีไ่ดจ้ากการเผาไหมเ้ชือ้เพลงิบางสว่นจะถกูใชไ้ปในการระเหยน ้าทีเ่กดิจากการเผาไหมใ้หอ้ยูใ่นสภาวะไอน ้า (เอนทัลปีของไอน ้ามคีา่สงูกวา่เอนทัลปีของน ้าทีส่ภาวะของเหลว)

• ดงันัน้คา่ความรอ้นต า่ (LHV) จะมคีา่นอ้ยกวา่คา่ความรอ้นสงู (HHV)

• หรอืถา้รูอ้งคป์ระกอบธาตขุองไฮโดรเจนในเชือ้เพลงิชวีมวลและคา่ความรอ้นสงู สามารถค านวณคา่ความรอ้นต า่ไดจ้ากสมการตอ่ไปนี ้

LHV = HHV – 211.19H (kJ/kg) เมือ่ H = รอ้ยละขององคป์ระกอบไฮโดรเจนในชวีมวล (wt% of hydrogen)

21

Fig. Bomb calorimeter

22

Fig. Bomb calorimeter

Table HHV and LHV of some common fuels

Fuel HHV [MJ/kg] LHV [MJ/kg]

Hydrogen 141.8 121.0

Methane 55.5 50.0

Ethane 51.9 47.8

Propane 50.3 46.3

Butane 49.5 45.7

Gasoline 47.3 44.4

Diesel 44.8 43.4

Wood 18.6 17.2

Lignite 17.6 16.2

Sub-bituminous coal 28.4 27.2

23

24

ตวัอยา่งการค านวณคา่ LHV

จงค านวณคา่ LHV ของชวีมวลทีม่อีงคป์ระกอบดงัตอ่ไปนี ้C: 47.6%, %H: 5.5%, N: 1.1%, O: 45.8% (wt%, d.a.f.), HHV = 17.1 MJ/kg

วธิกีารค านวณ 1. ค านวณปรมิาณน ้าทีเ่กดิจากการเผาไหมช้วีมวล 2. ค านวณคา่ความรอ้นแฝงของน ้าที ่25 oC 3. ค านวณคา่ LHV โดยลบคา่ความรอ้นแฝงของน ้าออกจากคา่ HHV

ปรมิาณน ้าทีเ่กดิจากการเผาไหมช้วีมวล = (5.5/2)(18) = 49.5 kg H2O/100 kg biomass

คา่ความรอ้นแฝงของน ้าที ่25 oC = 2,370 kJ/kg H2O

= (49.5 kg H2O/100 kg biomass)(2,370 kJ/kg H2O) = 1,173.15 kJ/kg biomass

LHV = 17,100 – 1,173.15 = 15,926.85 kJ/kg

LHV = 17,100 – (211.19)(5.5) = 15,938.46 kJ/kg

• สมบตัเิชงิความรอ้นของเชือ้เพลงิ หมายถงึ สมบตัขิองเชือ้เพลงิทีเ่ปลีย่นแปลงหลงัจากสมัผัสกบัความรอ้น เนือ่งจากเชือ้เพลงิชวีมวลเป็นสารอนิทรยีส์ามารถเผาไหม ้ได ้เมือ่ชวีมวลสมัผัสกบัความรอ้นจะเกดิการเปลีย่นแปลง ดงันี ้ o เกดิการสญูเสยีความชืน้ o เกดิการสลายตวัของโครงสรา้งเคมภีายในเชือ้เพลงิ o เกดิแกส๊และน ้ามันทาร ์o เหลอืเป็นของแข็งทีเ่รยีกวา่ชาร ์

สมบตัเิชงิความรอ้นของเชือ้เพลงิ (Fuel thermal characteristics)

• ซึง่การเปลีย่นแปลงดงักลา่วจะเกดิขึน้พรอ้มกับการลดลงของน ้าหนักเชือ้เพลงิ

• ดงันัน้เราสามารถวเิคราะหส์มบตัเิชงิความรอ้นของเชือ้เพลงิไดจ้ากวเิคราะห์น ้าหนักทีห่ายไปเมือ่เชือ้เพลงิโดนความรอ้นการวเิคราะห ์Thermogravimetric analysis ดว้ยเครือ่ง TGA

25

• รปูขา้งลา่งแสดงเสน้โคง้การเปลีย่นแปลงน ้าหนักของชวีมวลชนดิตา่งๆ เมือ่โดนความรอ้น จากรปูจะเห็นวา่

• ชวีมวลแตล่ะชนดิจะมเีสน้โคง้การเปลีย่นแปลงน ้าหนักแตกตา่งกนั ซึง่เป็นลกัษณะเฉพาะตวัของชวีมวลแตล่ะชนดิ เชน่ ทะลายปาลม์เปลา่ (EFB) จะสลายตวัเร็วกวา่ซงัขา้วโพด (corncorp) หรอืฟางขา้ว (rice straw) เป็นตน้

• ซึง่การสลายตวัดงักลา่วขึน้อยูก่บัปรมิาณและโครงสรา้งทางเคมทีีแ่ตกตา่งกนัภายในชวีมวลแตล่ะชนดิ ไดแ้ก ่เซลลโูลส เฮมเิซลลโูลส และลกินนิ

26

รปู เสน้โคง้การเปลีย่นแปลงน ้าหนักของชวีมวลประเภทตา่งๆ เมือ่โดนความรอ้น

TGA curves of biomass

27

TGA curves of coal

รปู เสน้โคง้การเปลีย่นแปลงน ้าหนักของถา่นหนิประเภทตา่งๆ เมือ่โดนความรอ้น

28

• นอกจากการวเิคราะหก์ารเปลีย่นแปลงน ้าหนักของชวีมวลแลว้ การวเิคราะห์องคป์ระกอบของแกส๊ทีเ่กดิขึน้ระหวา่งการใหค้วามรอ้นแกช่วีมวล ถอืเป็นอกีวธิีหนึง่ทีส่ามารถชว่ยใหเ้ขา้ใจสมบตัเิชงิความรอ้นของชวีมวลมากขึน้

• การวเิคราะหอ์งคป์ระกอบและปรมิาณแกส๊ทีเ่กดิขึน้ระหวา่งการสลายตวัทางความรอ้นของชวีมวลสามารถใชเ้ครือ่งมอืวเิคราะหท์ีเ่รยีกวา่ Thermogravimetric – Mass spectrometer (TG-MS)

Fig. TG-MS 29

TG-MS analysis during pyrolysis of biomass

รปู ผลการวเิคราะห ์TG-MS ของฟางขา้วและซงัขา้วโพดเมือ่โดนความรอ้น

30

Analysis of gas formation during pyrolysis of coal

รปู ผลการวเิคราะหอ์งคป์ระกอบแกส๊ทีเ่กดิขึน้ระหวา่งการไพโรไลซสิถา่นหนิ

31

องคป์ระกอบและสมบตัขิองชวีมวลทีส่ง่ผลกระทบตอ่สิง่แวดลอ้ม

• ชวีมวลแตล่ะประเภทมอีงคป์ระกอบแตกตา่งกนัขึน้อยูก่บัสมบัตเิฉพาะของชวีมวลชนดินัน้ ทัง้สมบตัเิชงิประมาณ ไดแ้ก ่ไอระเหย เถา้และคารบ์อนคงตวั และองคป์ระกอบของธาตใุนชวีมวล ไดแ้ก ่ไนโตรเจนซลัเฟอร ์และโลหะอลัคาไลบางชนดิ

• เมือ่ชวีมวลไดรั้บความรอ้นโดยผา่นกระบวนการทางความรอ้นเคมปีระเภทตา่งๆ ไดแ้ก ่การเผาไหม ้ไพโรไลซสิ และกระบวนการผลติแกส๊เชือ้เพลงิ จะสง่ผลกระทบตอ่สิง่แวดลอ้มแตกตา่งกนั ยกตวัอยา่งเชน่

• ระหวา่งกระบวนการเผาไหมช้วีมวลจะเกดิเถา้ลอยหลดุไปพรอ้มกับแกส๊เผาไหมอ้อกทางปลอ่งและออกสูส่ ิง่แวดลอ้ม เรยีกเถา้ลอยนีว้า่ fly ash หากมกีรรมวธิใีนการดกัจับเถา้ไมด่พีอก็จะเกดิปัญหาตอ่สิง่แวดลอ้มได ้

• กรณีของไนโตรเจนในชวีมวลก็เชน่กนัเมือ่ท าปฏกิริยิากับออกซเิจนจะเกดิแกส๊ประเภทไนโตรเจนออกไซด ์หรอื NOx แกส๊ NOx ทีเ่กดิจากการเผาไหมช้วีมวลจะเป็น Fuel-NOx ซึง่แตกตา่งจากการกระบวนการเผาไหมแ้กส๊ธรรมชาต ิ(natural gas) ซึง่จะปลดปลอ่ย Thermal NOx

32

• สารประกอบไฮโดรคารบ์อนในไอระเหยจากการเผาไหมช้วีมวลสว่นใหญเ่กดิจากการเผาไหมท้ีไ่มส่มบรูณ์ ซึง่มสีาเหตมุาจากการใชช้วีมวลทีม่คีวามชืน้สงูเกนิไป สง่ผลให ้อณุหภมูกิารเผาไหมต้ า่ เกดิการเผาไหมท้ีไ่มส่มบรูณ์

• ดงันัน้ควรน าชวีมวลไปอบแหง้กอ่นน าไปใชใ้นกระบวนการเผาไหม ้ซึง่จะชว่ยให ้ความชืน้ในชวีมวลลดลง เพิม่ประสทิธภิาพการเผาไหมเ้ชือ้เพลงิ และลดการเกดิมลพษิจากการเผาไหมไ้มส่มบรูณ์ได ้

• นอกจากนีก้ารวเิคราะหอ์งคป์ระกอบทางโครงสรา้งเคมขีองชวีมวลเป็นสิง่จ าเป็นที่สามารถใชเ้ป็นเกณฑใ์นการเลอืกประเภทชวีมวลใหเ้หมาะสม ทัง้นีเ้พือ่ใหเ้กดิ ผลกระทบตอ่สิง่แวดลอ้มนอ้ยทีส่ดุ

• โดยทั่วไปชวีมวลประเภทไมจ้ะมปีรมิาณเถา้นอ้ยกวา่ชวีมวลทีเ่ป็นเศษวัสดเุหลอืใชท้างการเกษตร เชน่ ฟางขา้ว แกลบ หรอื ทะลายปาลม์เปลา่ เป็นตน้

33

กระบวนการปรับปรงุคณุสมบตัชิวีมวลกอ่นเขา้สูก่ระบวน การเผาไหมช้วีมวล

ปัญหาของการใชช้วีมวลเป็นเชือ้เพลงิในอตุสาหกรรม

• ความชืน้สงู

• คา่ความรอ้นต า่

• คา่ความหนาแน่นต า่

• คา่ความหนาแน่นเชงิพลงังานต า่

• มปีรมิาณสิง่เจอืปนสงู (อลัคาไล เถา้ เป็นตน้)

ประสทิธภิาพการเผาไหมต้ า่

34

• การปรับปรงุคณุสมบัตชิวีมวลมหีลายประเภท ทัง้การปรับปรงุคณุสมบัตทิางกายภาพและเคมกีารปรับปรงุคณุสมบตัชิวีมวลทีม่กีารน ามาใชแ้ลว้ในเชงิพาณชิย ์ไดแ้ก ่ o การอดัแทง่ (briquetting) และการอดัเม็ดชวีมวล (pelletizing) เพือ่เพิม่ความหนาแน่น (density) และความหนาแน่นเชงิพลงังาน (energy density)

o การอบแหง้ (drying) เพือ่ลดความชืน้

o กระบวนการทอรร์แีฟกชนั (torrefaction) เพือ่เพิม่ความหนาแน่นเชงิพลงังาน

35

• กระบวนการทอรร์แีฟกชนั (torrefaction) เป็นกระบวนการไพโรไลซสิในสภาวะทีไ่ม่รนุแรง (mild pyrolysis)

• โดยเป็นการใหค้วามรอ้นกบัไมห้รอืชวีมวลทีอ่ณุหภมู ิ250 ถงึ 300 องศาเซลเซยีส ในสภาวะทีไ่มม่อีอกซเิจนนานประมาณ 1.5 ถงึ 2 ชัว่โมง วัตถปุระสงคห์ลกัของกระบวนการนี ้เพือ่เพิม่คา่พลงังานตอ่หน่วยน ้าหนัก (energy density) ของชวีมวล

• ท าใหส้ามารถลดภาระคา่ขนสง่ทีม่รีะยะทางไกลได ้คา่พลงังานตอ่หน่วยน ้าหนักชวีมวลหลงัผา่นกระบวนการทอรร์แีฟกชนั (torrified biomass) เพิม่ข ึน้ประมาณ 1.4 เทา่

• โดยชวีมวลหลงัผา่นกระบวนการทอรร์แีฟชนัสามารถน ามาใชเ้ป็นเชือ้เพลงิทดแทนถา่นหนิไดเ้ป็นอยา่งด ี

• โดยเฉพาะไมอ้ดัเม็ดทีผ่า่นกระบวนการทอรร์แีฟกชนั (torrefied wood pellet) เพราะมคีวามหนาแน่นสงู (ประมาณ 600 ถงึ 800 กโิลกรัมตอ่ลกูบาศกเ์มตร) มีรปูรา่งสม า่เสมอจงึงา่ยแกก่ารบรรจแุละขนสง่

กระบวนการทอรร์แีฟกชนั

36

The fibre structure is destroyed through the breakdown of hemicellulose and to lesser degree of cellulose molecules.

Torrefaction of biomass

37

Biomass

Torrefaction

Gas Torrefied biomass

1

1

0.3 0.1

0.7

0.9

mass energy

Energy densification (E/kg) = 1.3 0.9 0.7

Temperature: 200 – 300oC Pressure: atmospheric Absence of oxygen Product: solid fuel Residence time: 10 – 30 min Heating rate: <50 oC/min Particle size: <4 cm thickness

Torrefaction: General process description

38

Torrefied biomass advantages

39

Torrefaction initiatives

40

เครือ่งปฏกิรณ์แบบถงัหมนุ (Rotating drum reactor)

เครือ่งปฏกิรณ์แบบสกร ู (Auger screw type reactor)

เครือ่งปฏกิรณ์แบบเตาหลายช ัน้ (Multiple Hearth Furnace: MHF)

เครือ่งปฏกิรณ์ทอรเ์บด (Torbed reactor)

เครือ่งปฏกิรณ์แบบเบดเคลือ่นที ่ (Moving compact bed reactor)

เครือ่งปฏกิรณ์แบบสายพานล าเลยีง (Belt reactor)

ตวัอยา่งเครือ่งทอรร์แีฟกชนั

41

Fig. TG-MS analysis during torrefaction of leucaena at 250 °C.

TG-MS analysis during torrefaction of leucaena

42

Fig. TG-MS analysis during pyrolysis of leucaena.

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

W/W

0 [

-]

600500400300200100

Temperature [oC]

cellulose

lignin

hemicellulose

TGA curves of three main components in biomass

43

raw 230 oC 250 oC 275 oC

Change in color through torrefaction

Liquid products

44

Sample

Ultimate Analyses [wt%, d.a.f.] Yield HHV H/C O/C

C H N O (diff.) [wt%, d.b.] [MJ/kg, d.b.] [-] [-]

Raw Leucaena 50.1 7.4 0.7 41.8 - 20.2 1.77 0.63

200 oC, 30 min 51.7 7.1 0.7 40.5 91.0 20.9 1.65 0.59

225 oC, 30 min 52.4 7.1 0.7 39.8 86.5 21.2 1.63 0.57

250 oC, 30 min 53.0 6.4 0.7 39.9 73.0 21.2 1.45 0.56

275 oC, 30 min 57.2 5.5 0.8 36.5 54.5 22.8 1.15 0.48

250 oC, 2 h 53.8 5.6 0.8 39.8 56.1 21.2 1.25 0.55

250 oC, 10 h 58.6 5.2 1.0 35.2 51.2 23.3 1.06 0.45

250 oC, 15 h 61.3 5.1 1.0 32.6 47.0 24.4 1.00 0.40

Ultimate analyses, Yield, HHV

45

46

• The carbon content and the calorific value of the torrefied leucaena increased significantly when increase the temperature and holding time during the torrefaction.

• The torrefaction technology is now proven in pilot scale and is underway to demonstrate the technology at commercial scale. • The most technical challenges in the development of torrefaction

processes relate to achieving: constant and well controlled product quality scaling up the process obtaining high system efficiency through proper heat integration flexibility in terms of input materials

45

Thank you for your attention.