การศึกษาเปรียบเทียบการผลิตเชื้อเพลิงชีวมวลคุณภาพสูงโดยใช้กระบวนการทอร์รีแฟกชันและกระบวนการไฮโดรเทอร์มอลคาร์บอไนเซชัน (Comparative Production of High-Quality Biomass Fuel using Torrefaction and Hydrothermal Carbonization Processes)
รองศาสตราจารย์ ดร.พัฒนพล มีนา ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม
นางสาวจารุณี เข็มพิลา นิสิตระดับปริญญาเอก หลักสูตร ปร.ด.ฟิสิกส์
ทุนอุดหนุนการวิจัยสำหรับนิสิตระดับบัณฑิตศึกษา (ปริญญาเอก) งบประมาณเงินรายได้ คณะวิทยาศาสตร์ ปีงบประมาณ 2564
แผนแม่บทการพัฒนาพลังงานทดแทนและพลังงานทางเลือก พ.ศ. 2558 – 2579 (Alternative Energy Development Plan : AEDP2015) กำหนดเป้าหมายการใช้พลังงานทดแทนจากชีวมวลเพื่อการผลิตพลังงานไฟฟ้าและความร้อนเพิ่มขึ้นจาก 7,414.82 พันตันเทียบเท่าน้ำมันดิบ ใน ปี พ.ศ. 2558 เป็น 25,010.68 พันตันเทียบเท่าน้ำมันดิบ ในปี พ.ศ. 2579 (สำนักนโยบายและแผนพลังงาน,2558) เช่นนี้แล้วประกอบกับประเทศไทยมีแหล่งเชื้อเพลิงชีวมวลจำนวนมากจึงศักยภาพที่จะพัฒนาและส่งเสริมชีวมวลสำหรับใช้เป็นพลังงานทดแทนให้สอดคล้องกับนโยบายของภาครัฐ ชีวมวลที่มีศักยภาพในประเทศไทยได้แก่ แกลบ ฟางข้าว ชานอ้อย ใบอ้อย/ยอดอ้อย ซังข้าวโพด ใบ/ลำต้นข้าวโพด เหง้ามันสำปะหลัง ทะลายปาล์ม และ ทางปาล์ม เป็นต้น แต่พบว่าวัสดุเหลือทิ้งหลังการเก็บเกี่ยวพืชเศรษฐกิจชนิดหนึ่งที่ยังคงมีการนำมาผลิตพลังงานในปริมาณน้อยอีกทั้งเกษตรกรกำจัดด้วยการเผาในที่โล่งก่อให้เกิดปัญหาหมอกควันและฝุ่นละอองในอากาศที่วิกฤตในหลายจังหวัดนั่นคือ อ้อย ซึ่งศูนย์วิจัยกสิกรไทย ได้ประเมินปริมาณการเก็บเกี่ยวอ้อยในช่วงปี พ.ศ. 2560-2561 พบว่ามีค่า 134.93 ล้านตัน ในปริมาณนี้คิดเป็นสัดส่วนของใบและยอดอ้อยประมาณ 22.94 ล้านตัน หรือประมาณ 17.0% ของปริมาณการผลิต ซึ่งสูญเสียไปกับการเผาทำลายของเกษตรกร มาตรการแก้ไขปัญหาอ้อยไฟไหม้แนวทางหนึ่งของภาครัฐคือให้การสนับสนุนเครื่องจักรกลการเกษตร เช่น เครื่องสางใบอ้อย เครื่องตัดอ้อย ส่งผลให้การเก็บรวบรวมใบและยอดอ้อยมีศักยภาพในการนำมาผลิตเชื้อเพลิงชีวมวลมากยิ่งขึ้น แต่อุปสรรคของชีวมวลจำพวกนี้คือเป็นวัสดุมวลเบาส่งผลต่อต้นทุนในการเก็บรวบรวมและขนส่งที่เพิ่มสูงขึ้น จึงจำเป็นต้องเพิ่มความหนาแน่นให้กับชีวมวลด้วยการแปรรูปให้เป็นชีวมวลอัดแท่ง (Biomass briquette) ชีวมวลอัดเม็ด (Biomass pellet) ทำให้ต้นทุนการขนส่งเชื้อเพลิงลดลง
ในปัจจุบันเทคโนโลยีที่ใช้ในการแปรรูปชีวมวลด้วยกระบวนการเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมีโดยใช้พลังงานความร้อน (Thermochemical conversion process) ซึ่งได้รับความนิยมเพื่อปรับปรุงคุณภาพให้มีคุณค่ามากขึ้นกว่าเดิมนั้นคือ กระบวนการทอร์รีแฟกชัน (Torrefaction) ด้วยกรรมวิธีที่ใช้ความร้อนในการอบที่อุณหภูมิ 225–300 oC ในสภาวะปราศจากออกซิเจน หรือเป็นกระบวนการทางไพโรไลซิสแบบอ่อน (Mild-Pyrolysis) ซึ่งมีผลให้เชื้อเพลิงแข็งที่ได้ซึ่งเรียกว่า ไบโอชาร์ (Biochar) มีปริมาณคาร์บอนสูงขึ้น สัดส่วน O/C และ H/C มีค่าลดลง อีกทั้งปริมาณเถ้ามีค่าลดลง การจัดเรียงตัวของโครงสร้างคาร์บอนมีความเป็นระเบียบมากขึ้นจึงแปรสภาพได้ง่าย ใช้พลังงานในการบดลดลง และความหนาแน่นของผลิตภัณฑ์สูงขึ้น นั่นคือมีค่าความหนาแน่นพลังงานและค่าความร้อนเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่ใช้ทอร์รีไฟด์ (R. Azargohar et el., 2019) เทคโนโลยีทอร์รีแฟกชันมีข้อจำกัดคือ เหมาะสมกับชีวมวลที่มีปริมาณความชื้นต่ำซึ่งหากนำมาใช้กับชีวมวลที่มีความชื้นสูงหรืออยู่ในรูปสารแขวนลอยจะต้องใช้พลังงานในการลดความชื้นลงทำให้ระบบซับซ้อนมากขึ้น (G. Zhu et el., 2019) อีกทั้งความหนาแน่น ความแข็ง (Hardness) และความทนทาน (Durability) ของเชื้อเพลิงอัดเม็ดมีค่าลดลงเมื่อเทียบกับชีวมวลดิบเนื่องจากสูญเสียตัวประสานในระหว่างกระบวนการปรับสภาพ ทำให้เกิดปัญหาการแตกหัก และฝุ่นในขณะขนส่งหรือกักเก็บ (M. Manouchehrinejad et el., 2018) เป็นที่ทราบกันดีว่าการอัดเม็ดเชื้อเพลิงชีวมวลที่ผ่านการทอร์รีไฟด์นั้นจะทำได้ยากกว่าการอัดเม็ดเชื้อเพลิงชีวมวลดิบ เนื่องจากต้องทำการอัดที่ความดันและอุณหภูมิสูงเพื่อลดการขยายตัวของเม็ดเชื้อเพลิงที่เรียกว่า spring-back effect (P. Nanou et el., 2018) ทำให้มีความจำเป็นต้องใช้ตัวประสาน (Binder) เพื่อให้มีคุณสมบัติตามประสงค์
อีกหนึ่งกระบวนการที่กำลังได้รับความสนใจในปัจจุบันเพื่อการปรับสภาพชีวมวลคือ กระบวนการไฮโดรเทอร์มอลคาร์บอไนเซชัน (Hydrothermal carbonization : HTC) ใช้ได้กับชีวมวลที่มีความชื้นสูงได้ โดยทำการปรับสภาพในน้ำที่มีอุณหภูมิในช่วง 180-250 oC ได้ผลิตภัณฑ์ที่เรียกว่าไฮโดรชาร์ ซึ่งความหนาแน่นพลังงานและค่าความร้อนของชีวมวลมีค่าเพิ่มขึ้น (X. Xia et el., 2019) สมบัติของเชื้อเพลิงอัดเม็ดที่ปรับสภาพด้วยกระบวนการ HTC มีคุณภาพสูงกว่ากระบวนการทอร์รีแฟกชันที่อุณหภูมิเดียวกัน (S. Wu et el., 2018) และที่สำคัญการปรับสภาพด้วยวิธี HTC ให้สมบัติความทนทานของเม็ดเชื้อเพลิงสูงกว่ากระบวนการทอร์รีไฟด์ เนื่องจากอนุภาคสามารถประสานและเชื่อมติดกันได้เนื่องจากอาศัยการสลายของลิกนินโดยไม่ต้องเติมตัวประสาน (R. Kc et el., 2017) แต่มีข้อด้อยคือปริมาณผลได้ผลิตภัณฑ์จากกระบวนการมีค่าลดลงเมื่อเทียบกับกระบวนการทอร์รีแฟกชัน
ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นที่จะศึกษาเปรียบเทียบการผลิตเชื้อเพลิงชีวมวลคุณภาพสูงจากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรที่มีศักยภาพและมีสัดส่วนสูงต่อการเกิดปัญหาฝุ่นควันจากการเผาในที่โล่งของเกษตรกรนั่นคือ ใบอ้อยและชานอ้อย ด้วยเทคโนโลยีทอร์รีแฟกชันเปรียบเทียบกับกระบวนการไฮโดรเทอร์มอลคาร์บอไนเซชัน เพื่อให้ได้องค์ความรู้ของกระบวนการที่เหมาะสมที่จะใช้ปรับปรุงสมบัติด้านเชื้อเพลิงของชีวมวลประเภทใบและชานอ้อย อีกทั้งเป็นข้อมูลเพื่อนำไปวิจัยด้านการอัดเม็ดเชื้อเพลิงต่อไป เพื่อเป็นการส่งเสริมและสนับสนุนให้สอดคล้องกับยุทธศาสตร์ชาติด้วยพลังงานทดแทนจากชีวมวลและเป็นการลดการพึ่งพิงการนำเข้าพลังงานจากต่างประเทศควบคู่กับการใช้ทรัพยากรอย่างคุ้มค่า
