การเพิ่มผลิตภัณฑ์ไฮโดรเจนจากการเผาไหม้แบบแก๊สซิฟิเคชัน โดยสารเร่งปฏิกิริยาโดโลไมด์ (Increasing Hydrogen Production in Gasification Process by Using Dolomite)

__________________________________
เรียบเรียงโดย ดร.ติณณภพ แพงผม

 

แก๊สซิฟิเคชัน เป็นเทคโนโลยีการแปรรูปชีวมวลให้เป็นพลังงานในรูปก๊าซเชื้อเพลิง (Fuel gases) โดยอาศัยกระบวนการทางเคมีความร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงในสภาวะจำกัดปริมาณอากาศ เมื่อให้ความร้อนแก่ชีวมวลร่วมกับเทคนิคการจำกัด ปริมาณอากาศ (Air) หรือออกซิเจน (Oxygen, O2) หรือไอน้ำ (steam) เพื่อให้เกิดสภาวะที่มีการควบคุมปริมาณออกซิเจนในสัดส่วนที่ต่ำกว่าปริมาณที่ทำให้เกิดการเผาไหม้เชื้อเพลิงอย่างสมบูรณ์ ทำให้ชีวมวลเกิดการแตกตัวเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน (Hydrocarbon) ในรูปของแข็งและแก๊ส ซึ่งประกอบด้วย คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO), ไฮโดรเจน (H2) , มีเทน (CH4), คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2), ไนโตรเจน (N2), และแก๊สอื่นๆ การเผาไหม้แบบแก๊สซิฟิเคชันจะใช้อัตราส่วนอากาศสมมูลในช่วง 0.2-0.6 ซึ่งอัตราส่วนอากาศสมมูลหาได้จากสมการที่ 1

โดยที่ ER คือ อัตราส่วนสมมูล [-]

AR คือ อัตราส่วนเชื้อเพลิงต่ออากาศที่ใช้จริง [-]

SR คือ อัตราส่วนเชื้อเพลิงต่ออากาศที่เผาไหม้สมบรูณ์ [-]

ปฏิกิริยาเผาไหม้พื้นฐาน (Fundamental Combustion Reaction) เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างคาร์บอนกับอากาศและ/หรือไอน้ำ ดังแสดง ในตารางที่ 1 ปฏิกิริยาเหล่านี้มีการศึกษามานานแล้ว นับว่าเป็นปฏิกิริยาพื้นฐานที่สามารถนำมาอธิบายกระบวนการเผาไหม้ต่างๆได้ ปฏิกิริยาที่แสดงประกอบด้วยปฏิกิริยาหลักๆที่เกิดภายใต้สภาวะที่เตาปฏิกรณ์มีการเรียกชื่อปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นตามลักษณะของแก๊สที่เข้าทำปฏิกิริยา เช่น

  • ออกซิแก๊สซิฟิเคชัน (Oxygasification) เป็นการเผาไหม้คาร์บอนที่กำลังลุกแดงภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจนไม่เพียงพอหรือจำกัดออกซิเจน เป็นปฏิกิริยาที่คาร์บอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจนหรืออากาศ เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน โดยแก๊สที่เกิดขึ้นได้แก่ คาร์บอนมอนอกไซด์
  • สตีมแก๊สซิฟิเคชัน (Steam gasification) เป็นปฏิกิริยาที่คาร์บอนทำปฏิกิริยากับ ไอน้ำเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน แก๊สที่ได้ส่วนใหญ่ได้แก่ คาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจน แก๊สเหล่านี้มีค่าความร้อนสูงพอที่จะนำมาทำแก๊สเชื้อเพลิง
  • คาร์บอกซีแก๊สซิฟิเคชัน (Carboxygasification) เป็นปฏิกิริยาที่คาร์บอนทำปฏิกิริยากับคาร์บอนไดออกไซด์ เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน
  • ไฮโดรแก๊สซิฟิเคชัน (Hydrogasification) เป็นปฏิกิริยาคาร์บอนทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนโดยตรง เพื่อผลิตมีเทน เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนและเกิดช้าลงที่อุณหภูมิสูงผลิตภัณฑ์ที่ได้คือแก๊สมีเทน ซึ่งเป็นแก๊สที่มีค่าความร้อนสูงจึงเป็นแก๊สที่มีความต้องการให้เกิดในเตาปฏิกรณ์มากแต่ว่าปฏิกิริยานี้เกิดน้อยมาก นอกจากจะมีการป้อนไฮโดรเจนซึ่งเป็นสารตั้งต้นสำคัญของปฏิกิริยาเข้าเพิ่มเติม
  • ปฏิกิริยาชิฟท์ (Water-gas shift reaction) เป็นปฏิกิริยาย้อนกลับได้ของคาร์บอนมอนอกไซด์กับไอน้ำดังตารางที่ 1 ได้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจนเป็นผลิตภัณฑ์

ตารางที่ 1 ปฏิกิริยาการเผาไหม้พื้นฐาน [1]

วิวัฒนาการของกระบวนการแก๊สซิฟิเคชันนั้นเริ่มมีบันทึกไว้เมื่อ Clayton (1699) ทดลองกลั่นสลายถ่านหินแล้วพบว่าแก๊สที่ปล่อยออกจากเตาผลิตแก๊สสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ ต่อมา Garder และ Barker (1791) ค้นพบว่าแก๊สร้อนที่ปล่อยออกจากปล่องควันของหม้อไอน้ำที่ใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงสามารถนำกลับมาใช้เป็นเชื้อเพลิงเผาไหม้สำหรับหม้อไอน้ำได้อีกครั้งหนึ่ง ในระยะแรกนั้น ประมาณปี ค.ศ. 1800 มีการนำเอาแก๊สผลิตภัณฑ์ที่ได้จากเชื้อเพลิงแข็งต่อมาจึงมีการใช้ แก๊สซิฟิเคชันจากวัตถุดิบอย่างอื่นจำพวกชีวมวลมาใช้งาน เช่นไม้ Labon (1798) ถ่านไม้ Lampadius (1801) เป็นต้น กรรมวิธีที่ใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงก็คือ การไพโรไลซิส(Pyrolysis) เชื้อเพลิงแข็งที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลัก ในระหว่างปี ค.ศ. 1815-1839 เป็นช่วงที่พัฒนาเกี่ยวกับแก๊สซิฟิเคชันเน้นไปที่การออกแบบเตาปฏิกรณ์ เช่น J.Taylor (1815) และ Biscof (1840) เป็นต้น เตาผลิตแก๊สในระยะ แรกเป็นแบบใช้อากาศ (Air Blown Type) โดยการใส่ถ่านโค้ก ถ่านหิน หรือถ่านไม้ ลงไปในท่อทรงกระบอกเหนือแผ่นรองรับที่มีรูพรุน (Perforated Grate) และเป่าอากาศเข้าไป ผลิตภัณฑ์ที่ได้ส่วนใหญ่เป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ นอกนั้นจะเป็น CO2, H2, และ CH4 อีกเล็กน้อย เครื่องมือนี้มีปัญหาสำคัญในการใช้งานคือน้ำมันทาร์จำนวนมากปะปนอยู่กับแก๊สผลิตภัณฑ์ ทำให้ไม่สามารถนำแก๊สผลิตภัณฑ์ไปใช้กับเครื่องยนต์ได้จึงมีการพัฒนารูปแบบเตาผลิตแก๊สเป็น Down-Draught กล่าวคือการดึงแก๊สผลิตภัณฑ์ออกทางด้านล่างของเตา โดยผ่านเบดของคาร์บอน หรือ ถ่านที่เป็นเชื้อเพลิงเพื่อกำจัดน้ำมันทาร์ ทำให้แก๊สที่ได้สะอาด

ติณณภพ แพงผม และคณะ [2,3] ได้ทำการทดสอบการเผาไหม้แบบแก๊สซิฟิเคชันเพื่อหาแนวทางในการผลิตแก๊สไฮโดรเจนให้มีปริมาณมากขึ้นเพื่อใช้ในการผลิตเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell) การทดสอบมีแผนผังดังรูปที่ 1

รูปที่ 1 แผนผังการทดสอบการเผาไหม้แบบแก๊สซิฟิเคชันโดยใช้ชีวมวลคือ ไมยราพยักษ์

จากรูปที่ 1 เครื่องเตาปฏิกรณ์แบบเบดนิ่งสร้างจากเหล็กกล้า ลักษณะเป็นรูปทรงกระบอกเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 มิลลิเมตร และมีความสูง500 มิลลิเมตร โดยมีการติดตั้งตระแกรงที่ทำจากเหล็กกล้าไว้เพื่อรองรับ  ชีวมวลไว้ภายในบริเวณส่วนล่างของเครื่องปฏิกรณ์ และมีการป้อนอากาศทางด้านบน และแก๊สผลิตภัณฑ์ จะออกจากเครื่องเตาปฏิกรณ์ทางด้านบน ชุดดักทาร์ประกอบด้วย หลอดทดลองขนาด 200 ซีซี 6 หลอด ขวดทดลองขนาด 400 ซีซี 1 ขวด เชื่อมต่อกันด้วยสายซิลิโคลน ชุด impinger ใช้ในการกำจัดทาร์ที่ไหลมาพร้อมกับผลิตภัณฑ์แก๊ส โดยในหลอดทดลองและขวดทดลองจะบรรจุสาร isopopernol ปริมาณ 50 ซีซีและ 200 ซีซี ตามลำดับเมื่อแก๊สวิ่งผ่านจะเกิดการควบแน่นลงมาผสมกับ isopopernol ชุดดักความชื้นเป็นขวดทดลองที่บรรจุด้วยสารดูดความชื้นคือ ซิลิกาเจล เพื่อดูดความชื้นที่มีอยู่ในแก๊สผลิตภัณฑ์ก่อนที่จะนำไปวิเคราะห์ด้วยแก๊สโครมาโทกราฟ

หลังจากเก็บแก๊สที่ได้จากการทดสอบจะนำไปวิเคราะหืส่วนประกอบของแก๊สสังเคราะห์ด้วย เครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ (Gas Chromatograph; GC) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการวิเคราะห์แก๊สซึ่งใช้ในการแยกสารที่ระเหยง่ายโดยสารผสมจะถูกฉีดเข้าไปในคอลัมน์(column)ที่บรรจุด้วยสารที่ทำหน้าที่เป็นตัวยึดจับเรียกว่า Stationary Phase และมีแก๊สพา ( Carrier Gas) เป็น mobile Phaseเคลื่อนที่ไปตามคอลัมน์เข้าสู่เครื่องตรวจจับสัญญาณ (Detector)และจะถูกส่งไปบันทึกเป็น Chromatogram ยังเครื่องบันทึก (Recorder) ต่อไปเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟที่ใช้ในการทดสอบใช้เครื่อง GC-8A ของบริษัท Shimadzu

รูปที่ 2 Gas Chromatograph; GC GC-8A ของบริษัท Shimadzu

ติณณภพ และคณะ [2] ได้ทดสอบผลของผลของอุณหภูมิต่อการเกิดแก๊สไฮโดรเจนได้นำไมยราพยักษ์ขนาด 0.1 มิลลิเมตร มาทำการทดลองโดยเปลี่ยนอุณหภูมิ ใช้ในช่วง 600-900 องศาเซลเซียส โดยใช้ การป้อนอากาศ 0.05 ลิตรต่อนาทีปริมาณไมยราพยักษ์ 10 กรัมใช้เวลา 4 ชั่วโมง ผลการทดสอบเป็นดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 ผลของอุณหภูมิต่อผลิตภัณฑ์แก๊สไฮโดรเจน

ไมยราพยักษ์ที่ทำการบดขนาด 0.1 มิลลิเมตรเผาที่อุณหภูมิ 900 องศาเซลเซียสมีปริมาณแก๊สไฮโดรเจนสูงสุดมากกว่าแก๊สไฮโดรเจนที่ได้จากการเผาไหม้ไมยราพยักษ์บดที่อุณหภูมิอื่นๆ จากการศึกษาพบว่าที่มีปริมาณไฮโดรเจนมากกว่ากว่าการเผาไหม้ที่อุณหภูมิ 600 700 และ 800 เซลเซียสเพราะ อุณหภูมิมีผลต่อการเกิดแก๊สผลิตภัณฑ์รวมถึงการเกิดแก๊สไฮโดรเจนด้วยที่อุณหภูมิ 600 และ 700 องศาเซลเซียสมีแก๊สไฮโดรเจนน้อยมากเพราะช่วงอุณหภูมินี้ยังไม่ใช้อุณหภูมิที่สูงพอที่จะเพิ่มพลังงานในการผลิตแก๊สไฮโดรเจนได้มากเพราะความร้อน

ในช่วงนี้ยังเป็นอุณหภูมิในช่วง ไพโลไรซิสโซนซึ่งความร้อนที่สูง อุณหภูมิในช่วง แก๊ส ซิฟิเคชันโซน จะอยู่ในช่วง 800 องสาเซลเซียสขึ้นไป ไมยราพยักษ์ที่มีการเผาที่ 900 องศาเซลเซียสนั้นอุณหภูมิจะช่วยให้เกิดการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในเตาปฏิกรณ์มีการเพิ่มพลังงานความร้อนเพื่อเร่งการเผาไหม้ช่วยให้ชีวมวลเผาไหม้กลายเป็นแก๊สผลิตภัณฑ์อย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ ติณณภพ แพงผม และ คณะ ได้ทำการทดสอบตัวเร่งปฏิกิริยาโดโลไมด์โดยทำการเผาไหม้ร่วมกับไมยราพยักษ์ด้วยอัตราส่วน โดโลไมด์ต่อไมยราพยักษ์ เป็น 1 , 1.5 , 2 ตามลำดับ ที่อุณหภูมิ 900 องศาเซลเซียสได้ผลการทดสอบดังรูป

รูปที่ 4 ผลของตัวเร่งปฏิกิริยาต่อผลิตภัณฑ์แก๊สไฮโดรเจน

จากรูปที่ 4 พบว่า ไมยราพยักษ์ที่ทำการบดขนาด 0.1 มิลลิเมตรเผาที่อุณหภูมิ 900 องศาเซลเซียส ผสมโดโลไมด์ด้วยอัตราส่วนโดโลไมด์ : ไมยราพยักษ์ ในอัตราส่วน 1:1 มีปริมาณแก๊สไฮโดรเจนสูงถึง 7.5 % mole ซึ่งมากกว่าแก๊สไฮโดรเจนที่ได้จากการผสม โดโลไมด์:ไมยราพยักษ์ ที่อัตราส่วนอื่นๆ จากการศึกษาพบว่าที่มีปริมาณไฮโดรเจนมากกว่ากว่าการอัตราส่วน 0.5:1 1.5:1 2:1 เพราะ ถึงแม้โดโลไมด์จะมีผลต่อการแตกตัวของน้ำมันดินทำให้น้ำมันดินลดน้อยลงก็จริงแต่การผสมในปริมาณที่มากเกินไปนอกจากจะไม่สามารถเพิ่มการแตกตัวน้ำมันดินกลายเป็นแก๊สผลิตภัณฑ์แล้วยังทำตัวเหมือนเป็นส่วนเกินขัดขวางการทำงานของระบบทำให้เกิดแก๊สไฮโดรเจนน้อยลงไปด้วย และยังทำให้ปริมาณแก๊สผลิตภัณฑ์ลดลงไปด้วย

 

 

เอกสารอ้างอิง

[1] Basso, M. V., Cerrella, E. G., Buonomo, E. L., Bonelli, P. R. and Cukierman, A. L. (2005) “Thermochemical conversion of Arundo donax into useful solid products”, Energy Sources, 27, pp. 1429-1438

[2] T. Phengpom, T. Wongsiriamnuay. (2008). Design and Study of a Laboratory Scale Fluidized Bed Gasifier for Producing Hydrogen Riched Gas from Biomass. In the proceeding of 17th International “Tri-U” Joint Seminar & Symposium in Thailand. The 25th Tri-U International Symposium, Jiangtsu, China, p.184-188.

[3] T. Wongsiriamnuay, T. Phengpom, P. Panthong and N. Tippayawong. (2008).  Renewable Energy from Thermal Gasification of a Giant Sensitive Plant (Mimosa pigra L.). In the proceeding of 5th International Conference on Combustion, Incineration/Pyrolysis and Emission Control (i-CIPEC 2008), Chiang Mai, Thailand, p.466-471.