2.1 การผลิตพลังงานโดยการหมักใช้ก๊าซชีวภาพ
ในสภาวะที่ประเทศไทยมีความจำเป็นที่จะต้องแสวงหาแหล่งพลังงานหมุนเวียนทดแทนพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งนับวันจะมี ปริมาณลดน้อยลงและมีราคาสูงขึ้นเศษวัสดุเป็นอีก ทางเลือกหนึ่งด้านการผลิตพลังงาน เพราะเศษวัสดุ มีศักยภาพที่สามารถนำมาใช้เพื่อผลิตพลังงานได้ ทั้งนี้ เนื่องจากมีปริมาณมาก และไม่ต้องซื้อหาแต่ในปัจจุบันมีการนำเศษวัสดุมาผลิต เป็นพลังงานน้อยมากเมื่อเทียบกับพลังงานทดแทนด้านอื่น ๆ
ในสภาวะที่ประเทศไทย มีความจำเป็นที่จะต้องแสวงหาแหล่งพลังงานหมุนเวียน ทดแทนพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งนับวันจะมีปริมาณลดน้อยลงและมีราคาสูงขึ้นเศษวัสดุเป็นอีกทางเลือกหนึ่งด้านการผลิตพลังงาน เพราะเศษวัสดุมีศักยภาพที่สามารถนำมาใช้เพื่อผลิตพลังงานได้ทั้งนี้เนื่องจากมีปริมาณมากและไม่ต้องซื้อหาแต่ในปัจจุบันมีการนำเศษวัสดุมาผลิตเป็นพลังงานน้อยมากเมื่อเทียบกับพลังงานทดแทนด้านอื่นๆการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic Digestion) เป็นกระบวนการหมักของเสียในสภาวะที่ไร้ออกซิเจนเพื่อให้จุลินทรีย์ย่อยสลายสารอินทรีย์ให้กลายเป็นก๊าซชีวภาพ สำหรับใช้ผลิตพลังงานไฟฟ้าหรือความร้อนและสุดท้ายยังสามารถปรับสภาพดินให้สามารถนำไปใช้ในการเพาะปลูกพืชได้อย่างปลอดภัย ระบบย่อย สลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทหลัก ๆ ตามความเข้มข้นของ สารอินทรีย์ที่ป้องเข้าสู่ถังหมัก ได้แก่ การหมักแบบแห้ง (Dry Digestion) ซึ่งมีความเข้มข้นของสารอินทรีย์ประมาณร้อยละ 20–40 และการหมักแบบเปียก (Wet Digestion) ซึ่งมีความเข้มข้นของสารอินทรีย์น้อยกว่าร้อยละ 20 นอกจากนี้ยังสามารถแบ่งระบบหมัก ตาม
อุณหภูมิระดับกลาง (Mesospheric Digestion Process)และระบบหมักที่อุณหภูมิสูง (Hemophilic Digestion Process)
ปริมาณและคุณภาพของก๊าซชีวภาพจากระบบย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนขึ้นอยู่กับลักษณะของเศษวัสดุเป็นหลักนอกจากนั้นยังขึ้นอยู่กับการควบคุมระบบและสภาพแวดล้อม ของการหมัก ได้แก่ ปริมาณแบคทีเรียปริมาณสารอินทรีย์อุณหภูมิระยะเวลาการหมักการผสมคลุกเคล้าและปริมาณสารยับยั้งแบคทีเรีย ก๊าซชีวภาพที่ผลิตได้สามารถนำไปใช้ในการผลิตพลังงานได้หลายรูปแบบเช่นผลิตไฟฟ้าโดยใช้เครื่องยนต์ก๊าซหรือใช้ เป็นเชื้อเพลิงสำหรับหม้อน้ำเพื่อผลิตน้ำร้อนหรือไอน้ำ
ที่มา : http://s2.thingpic.com
เป็นการพัฒนาและปรับปรุงระบบฝังกลบเศษวัสดุเพื่อลดการปล่อยก๊าซชีวภาพออก และนำ ก๊าซชีวภาพที่ได้จากหลุมฝังกลบเศษวัสดุมาใช้พลังงานทดแทนก๊าซชีวภาพที่ได้สามารถนำไป ใช้ประโยชน์เป็นเชื้อเพลิงพลังงานได้หลายทางเช่นเดียวกับก๊าซชีวภาพที่ได้จากระบบย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน แต่อาจมีความจำเป็นต้องปรับปรุงคุณภาพก๊าซก่อนนำไปใช้ เช่น การกำจัดน้ำคาร์บอนไดออกไซด์ และสารกัดกร่อนต่าง ๆ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับข้อกำหนด คุณภาพ ก๊าซสำหรับการใช้ประโยชน์ในแต่ละรูปแบบ การผลิตเชื้อเพลิงเศษวัสดุ (Refuse Derived Fuel : RDF) เทคโนโลยีผลิตเชื้อเพลิงจากเศษวัสดุ เป็นการนำเศษวัสดุมาผ่านกระบวนการจัดการต่าง ๆ ได้แก่ การคัดแยกด้วยมือหรือเครื่องจักรการลดขนาดการผสมการทำให้แห้งการอัดแท่งการบรรจุแลการเก็บ เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติ ทางกายภาพและเคมีให้กลายเป็นเชื้อเพลิงเศษวัสดุที่มีค่าความร้อนสูงสามารถนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อผลิตพลังงาน อีกทั้งยังสะดวกต่อการจัดเก็บและขนส่ง
การผลิตก๊าซเชื้อเพลิง (Gasification) การผลิตก๊าซเชื้อเพลิงจากเศษวัสดุในชุมชน (MSW Gasification) เป็นกระบวนการทำให้เศษวัสดุกลายเป็น ก๊าซโดยทำปฏิกิริยาสันดาปแบบไม่สมบูรณ์ (Partial Combustion) กล่าวคือ สารอินทรีย์ในเศษวัสดุจะทำปฏิกิริยากับอากาศหรือ ออกซิเจนในปริมาณจำกัดและทำให้เกิดก๊าซซึ่งมีองค์ประกอบหลักคือคาร์บอนมอนออกไซค์ไฮโดรเจนและมีเทน ทั้งนี้ องค์ประกอบของก๊าซเชื้อเพลิงจะขึ้นอยู่กับชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ (Gasifier) สภาวะความดันอุณหภูมิและคุณสมบัติของก๊าซเชื้อเพลิงแข็งก๊าซเชื้อเพลิงที่
ผลิตได้สามารถใช้งานได้หลายรูปแบบเช่นเป็นก๊าซเชื้อเพลิงสำหรับผลิตไฟฟ้าการให้ความร้อนโดยตรง หรือใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับยานพาหนะทั้งนี้ การใช้งานจะต้อง คำนึงถึงคุณภาพของก๊าซเชื้อเพลิงโดยอาจจำเป็นต้องทำความสะอาดก๊าซเชื้อเพลิง โดยการกำจัดก๊าซที่เป็นกรดสารประกอบของโลหะอัลคาไลน์ น้ำมันทาร์และฝุ่นละออง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ ลดปัญหาการเสียหายของอุปกรณ์และป้องกันปัญหามลพิษที่เกิดขึ้น
ศักยภาพสำหรับปริมาณเศษวัสดุที่เกิดขึ้นในประเทศไทยมียอดรวมประมาณ 41,991 ตันต่อวันเป็นเศษวัสดุที่เกิดขึ้นในกรุงเทพฯ ถึง 9,400 ตันต่อวันซึ่งจำนวนเศษวัสดุ ที่เกิดขึ้นสามารถนำมาผลิตเป็นพลังงานได้อย่างมากมายแต่สาเหตุที่การใช้พลังงานจากเศษวัสดุยังมีน้อย เนื่องมาจากการขาดความพร้อมในหลายด้านทั้งงบประมาณเครื่องมืออุปกรณ์บุคลากรหรือแม้แต่สถานที่ดังนั้นการนำพลังงานจากเศษวัสดุมา ใช้ในประเทศไทยจึง ต้องอาศัยระยะเวลาในการพัฒนา อีกระยะหนึ่ง จึงจะ สามารถนำพลังงานดังกล่าวมาใช้ได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ
เศษวัสดุเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นจากของเหลือใช้ในกิจวัตรประจำวันของมนุษย์ก่อนจะถูกทิ้งออกมาสู่สิ่งแวดล้อมเศษวัสดุเหล่านี้ หากไม่ได้รับการกำจัดอย่างถูกวิธีจะส่งผลกระทบกับสิ่งแวดล้อมและสุขภาพอนามัยของมนุษย์การนำเศษวัสดุมาผลิตพลังงาน เป็นอีกวิธีหนึ่งที่สามารถช่วยกำจัดเศษวัสดุที่เกิดขึ้นได้อีกทั้งวิธีดังกล่าวยังทำให้ได้ประโยชน์จากเศษวัสดุกลับมาในรูปของ พลังงานจากเศษวัสดุซึ่งจะทำให้ประเทศมีแหล่งพลังงานเพิ่มขึ้นแต่การใช้พลังงานอย่างคุ้มค่า ที่สุดยังคงเป็นสิ่งสำคัญ ต่อการอนุรักษ์พลังงานในยุควิกฤตพลังงานเช่นนี้
การผลิตเชื้อเพลิงจากเศษวัสดุ
จุดเริ่มต้นของมาใช้เชื้อเพลิงเศษวัสดุจะเริ่มจากการใช้เศษวัสดุเหลือทิ้งที่เก็บรวบรวม ได้ไปใช้ในการเผาไหม้โดยตรง ซึ่งมักก่อให้เกิดความยุ่งยากในการใช้งาน เนื่องจากความไม่แน่นอนและไม่สม่ำเสมอในองค์ประกอบต่าง ๆ (Non-homogeneousness)ที่ประกอบกันขึ้นเป็นเศษวัสดุเหลือทิ้ง ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามชุมชนและตามฤดูกาล อีกทั้งเศษวัสดุเหลือทิ้งเหล่านี้มีค่าความร้อนต่ำ มีปริมาณเถ้าและความชื้นสูง สิ่งเหล่านี้ก่อความยุ่งยากให้กับผู้ออกแบบโรงเผาและผู้ปฏิบัติ และยังควบคุมการเกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมได้ยาก การแปรรูปเศษวัสดุเหลือทิ้งโดยผ่านกระบวนการจัดการต่างๆ เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและคุณสมบัติทางเคมีของเศษวัสดุเหลือทิ้งเพื่อทำให้กลายเป็นเชื้อเพลิงเศษวัสดุ (Refuse Derived Fuel, RDF) จะสามารถแก้ปัญหาดังกล่าวมาข้างต้นได้ ซึ่งเชื้อเพลิงที่ได้นั้นสามารถนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อผลิตพลังงานได้
เชื้อเพลิงเศษวัสดุ (RDF) เป็นการปรับปรุงและแปลงสภาพของเศษวัสดุเหลือทิ้ง ให้เป็นเชื้อเพลิงแข็งที่มีคุณสมบัติในด้านค่าความร้อน (Heating Value) ความชื้นต่ำ มีขนาดและความหนาแน่นเหมาะสมในการขนย้าย หรือการเผา และมีองค์ประกอบทั้งทางเคมีและกายภาพสม่ำเสมอ คุณลักษณะทั่วไปของเชื้อเพลิงเศษวัสดุประกอบด้วย
ปลอดเชื้อโรคจากการอบด้วยความร้อน ลดความเสี่ยงต่อการสัมผัสเชื้อโรคไม่มีกลิ่น มีขนาดเหมาะสมต่อการป้อนเตาเผา-หม้อไอน้ำ (เส้นผ่านศูนย์กลาง 15-30 มิลลิเมตร ความยาว 30 - 150 มิลลิเมตร) มีความหนาแน่นมากกว่าเศษวัสดุเหลือทิ้งและชีวมวลทั่วไป (450 - 600 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร) เหมาะสมต่อการจัดเก็บ และขนส่ง มีค่าความร้อนสูงเทียบเท่ากับชีวมวล (ประมาณ 13 - 18 เมกะจูลต่อลูกบาศก์เมตร) และมีความชื้นต่ำ (ประมาณร้อยละ 5 - 10) ลดปัญหามลภาวะจากการเผาไหม้ เช่น ไนโตรเจนออกไซค์ และไดออกซินและฟูราน
หลักการทำงานของเทคโนโลยีนี้ เริ่มจากการคัดแยกเศษวัสดุที่ไม่สามารถเผาไหม้ได้ (โลหะ แก้ว เศษหิน) เศษวัสดุอันตราย และเศษวัสดุรีไซเคิลออกจาก มีเหลือเพียงเศษวัสดุที่เผาได้ประกอบด้วย เศษวัสดุอินทรีย์ ไม้ ผ้า ยาง หนัง ใสจุดนี้อาจจะมีการแยกซากเศษวัสดุอินทรีย์ ซึ่งได้แก่ เศษอาหาร เศษผักผลไม้ออก เพื่อนำไปหมักผลิตก๊าซชีวภาพต่อไป เศษวัสดุที่เผาได้อื่น ๆ จะถูกส่งเข้าเครื่องสับ - ย่อยเพื่อลดขนาด และเข้าเตาอบเพื่อลดความชื้นเศษวัสดุเศษวัสดุแห้งจะมีให้น้ำหนักลดลงเกือบร้อยละ 50 (สำหรับความชื้นเหลือไม่เกินร้อยละ 15)ในขั้นตอนสุดท้ายเศษวัสดุจะถูกส่งไปเข้าเครื่องอัดเม็ด เพื่อทำให้ได้เชื้อเพลิงเศษวัสดุอัดเม็ดที่มีขนาดและความหนาแน่นเหมาะสมในขั้นตอนของการอัดเม็ด อาจมีการเติมหินปูน (CaO) เข้าไป เพื่อควบคุมและลดปริมาณก๊าซพิษที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้ เชื้อเพลิงเศษวัสดุจะเป็นไปตามมาตรฐาน ASTM E-75 ในตอนนี้เชื้อเพลิงจากเศษวัสดุก็พร้อมที่จะเผาแล้วนำความร้อนที่ได้ไปต้มน้ำเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าต่อไป
ก๊าซชีวภาพ
ก๊าซชีวภาพก๊าซที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติจากการหมักย่อยสลายของสารอินทรีย์ภายใต้สภาวะที่ปราศจากออกซิเจน (anaerobic digestion) ก๊าซชีวภาพโดยทั่วไปจะประกอบด้วยแก๊สมีเทน(CH4) ประมาณร้อยละ 50 - 70 และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ประมาณร้อยละ 30 - 40 ส่วนที่เหลือเป็นแก๊สชนิดอื่น ๆ เช่น ไฮโดเจน (H2) ออกซิเจน (O2) ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ไนโตรเจน (N) และไอน้ำ แต่เมื่อเรากล่าวถึงก๊าซชีวภาพเรามักจะหมายถึง ก๊าซมีเทน โดยหลักการ ก๊าซมีเทนจะเกิดการหมัก (fermentation) ของสารอินทรีย์ โดยกระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นได้ในหลุมเศษวัสดุ กองมูลสัตว์ และก้นบ่อแหล่งน้ำนิ่ง กล่าวคือเมื่อไหร่ก็ตาม ที่มีสารอินทรีย์หมักรวมกันเป็นเวลานานก็อาจเกิดก๊าซชีวภาพ
ก๊าซชีวภาพที่แตกต่างกันจะมีสัดส่วนของก๊าซมีเทนและก๊าซอื่น ๆ ที่แตกต่างกัน ซึ่งก็จะมีวิธีการผลิตและวัตถุที่นำมาผลิตที่แตกต่างกัน โรงผลิตแก๊สชีวภาพโดยทั่วไปจะใช้มูลสุกร น้ำเสียจากโรงงานแป้งมัน โรงงานปาล์ม โรงหมักเบียร์ โรงกลั่นสุรา และโรงงานแปรรูปอาหาร รวมทั้งน้ำเสียจากฟาร์มเลี้ยงสัตว์ การนำก๊าซชีวภาพไปใช้จำเป็นต้องมีการปรับปรุงซึ่งสรุปเป็นสามข้อดังนี้
การปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพ (Gas Purification) ก่อนการนำไปใช้งานมีขั้นตอนดังนี้
1. การดักน้ำในท่อส่งก๊าซชีวภาพ
ปกติแล้วก๊าซชีวภาพที่ผลิตได้มักจะมีความชื้นสูงเกือบถึงจุดอิ่มตัว เมื่อก๊าซชีวภาพไหลผ่านท่อส่งก๊าซที่ฝังอยู่ในดินที่มีอุณหภูมิต่ำมักจะทำ ให้ความชื้น(ไอน้ำ) ในก๊าซชีวภาพกลั่นตัวเป็นหยดน้ำและสะสมจนเกิดเป็นอุปสรรคในการส่งก๊าซไปตามท่อได้ ดังนั้นต้องมีการติดตั้งชุดดักน้ำก่อนนำก๊าซชีวภาพไปใช้งาน
2. ปรับลดปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2)
การปรับลดปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) จากก๊าซชีวภาพนี้จะปฏิบัติก็ต่อเมื่อมีความจำเป็น เช่น ในกรณีที่ก๊าซชีวภาพที่ได้มีสัดส่วนของก๊าซมีเทน (CH4) ต่ำมากจนอยู่ในระดับที่จุดไฟติดยาก คือประมาณเปอร์เซ็นต์ CH4 น้อยกว่า 45 เปอร์เซ็นต์แต่ในระบบผลิตก๊าซชีวภาพสำหรับฟาร์มสุกรนั้นไม่มีปัญหาในเรื่องนี้ ดังนั้นการลดปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) จึงไม่จำเป็น
3. การปรับลดก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S)
การปรับลดก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ที่ปนเปื้อนในก๊าซชีวภาพนั้นมีคุณสมบัติเป็นก๊าซพิษและเมื่อสัมผัสกับน้ำ หรือไอน้ำจะเปลี่ยนสภาพเป็นกรดซัลฟูริค (H2SO4) ซึ่งเป็นสาเหตุของฝนกรดหรือไอกรดที่สามารถกัดกร่อนโลหะและวัสดุอุปกรณ์ได้ ดังนั้นการลดปริมาณก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ในก๊าซชีวภาพก่อนการนำไปใช้ประโยชน์นั้นจะเป็นผลดีต่อสิ่งแวดล้อมโดยทั่วไป และจะช่วยยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ใช้ก๊าซด้วย
การผลิตพลังงานไฟฟ้าจาก ก๊าซชีวภาพสามารถกระทำได้ด้วยวิธีหลัก ๆ 3 วิธี กล่าวคือ
3.1 ระบบกังหันไอน้ำ
3.2 ระบบกังหันก๊าซเดินคู่กับระบบกังหันไอน้ำ
3.3 ระบบเครื่องยนต์ก๊าซสันดาปภายใน
1. การผลิตพลังงานไฟฟ้าด้วยระบบกังหันไอน้ำ
วิธีนี้เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไป โดยระบบกังหันไอน้ำแต่ละระบบจะต่างกันตรงชนิดเชื้อเพลิงที่นำมาเผาให้ความร้อนแก่หม้อน้ำเท่านั้น ระบบนี้เป็นการนำก๊าซชีวภาพมาเผาเพื่อต้มน้ำในหม้อน้ำโดยตรงให้กลายเป็นไอน้ำ จากนั้นใช้ไอน้ำไปหมุนกังหันไอน้ำที่ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอีกทอดหนึ่ง อุปกรณ์หลักประกอบด้วย เตาเผาก๊าซชีวภาพ หม้อน้ำ (boiler) ระบบจ่ายน้ำและบำบัดน้ำ เครื่องควบแน่น (condenser) หอหล่อเย็น (cooling tower) กังหันไอน้ำ (turbine) และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์สำคัญที่ซับซ้อนหลายชนิด
2. การผลิตพลังงานไฟฟ้าด้วยระบบกังหันก๊าซเดินคู่กับระบบกังหันไอน้ำ
วิธีนี้น่าจะมีประสิทธิภาพดีที่สุด หลักการทำงานก็คือ ใช้ระบบกังหันก๊าซชนิดเดียวกับที่ใช้ในเครื่องบินไอพ่น โดยอัดอากาศผ่านเครื่องอัดความดันสูง แล้วนำอากาศความดันสูงที่ได้มาเผาร่วมกับก๊าซชีวภาพในห้องเผาไหม้ ซึ่งทำให้ก๊าซที่เผาไหม้แล้วเกิดการขยายตัวทันที กลายเป็นพลังงานไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
เนื่องจากก๊าซเสีย (ก๊าซผสมที่ปล่อยทิ้ง) มีอุณหภูมิสูงถึง 450 - 550 องศาเซลเซียส ดังนั้น จึงสามารถนำไปใช้ให้ความร้อนแก่หม้อน้ำ เพื่อไปหมุนกังหันไอน้ำที่ใช้ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้อีกทอดหนึ่ง ระบบนี้ให้ประสิทธิภาพโดยรวมประมาณร้อยละ 30
3. การผลิตพลังงานไฟฟ้าด้วยระบบเครื่องยนต์ก๊าซสันดาปภายใน
เครื่องยนต์สันดาปภายในเครื่องแรกที่ใช้ก๊าซเป็นเชื้อเพลิง ผลิตขึ้นในปี ค.ศ.1876 ที่ประเทศเยอรมันนี ต่อมาอีก 10 ปี เครื่องยนต์สันดาปภายใน 4 จังหวะที่ใช้น้ำมันเป็นเชื้อเพลิงได้ถือกำเนิดขึ้นที่เยอรมันเช่นกัน สำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ก๊าซธรรมชาติและใช้ก๊าซชีวภาพนั้น การทำงานของเครื่องยนต์จะมีลักษณะเหมือนกับการทำงานของเครื่องยนต์ในรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซิน ซึ่งต้องมีการจุดระเบิดโดยใช้หัวเทียน แต่มีส่วนประกอบหรือชิ้นส่วนต่าง ๆ เหมือนกับเครื่องยนต์ดีเซลมากกว่า โดยก๊าซที่เผาไหม้ในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ก๊าซสันดาปภายในที่จุดศูนย์กลาง อาจมีอุณหภูมิสูงถึง 1,400 องศา ทำให้ประสิทธิภาพของการผลิตไฟฟ้าด้วยระบบนี้สูงกว่าระบบที่ใช้กังหันก๊าซ เดินคู่กับระบบกังหันไอน้ำโดยมีค่าอยู่ที่ร้อยละ 32 - 40 และค่าเฉลี่ยทั่วไปจะอยู่ที่ร้อยละ 35
การผลิตพลังงานไฟฟ้าด้วยระบบเครื่องยนต์ก๊าซสันดาปภายใน
ที่มา : http://www.thaiwaste.com