& Energy & Environmental

June-July 2015, Vol.42 No.241 61 <<<

การใชทรพยากรหมนเวยน (renewable resources) จงเปนทางเลอกหนงทชวยแกปญหาดงกลาว ชวมวล

(biomass) จงถกใชเปนแหลงพลงงานทางเลอกส�าหรบการผลต เชอเพลง เทคโนโลยทเหมาะสมส�าหรบใชในการเปลยนรปวตถดบประเภทชวมวลเปนเชอเพลงเพอใชในกระบวนการตาง ๆ มหลายวธ เชน วธทางกายภาพ วธทางชวภาพ และวธทางเคมความรอน กระบวนการไพโรไลซสเปนเทคโนโลยหนงทจดอยในกระบวนการทางเคมความรอน โดยเปลยนวตถดบทอยในสถานะของแขงเปนเชอเพลงทมคาความรอนสงขน

ขอดของกระบวนการไพโรไลซส คอ สามารถเปลยนชวมวลและของเหลอทงทมคารบอนและไฮโดรเจนเปนองคประกอบในสถานะของแขงใหอยในรปเชอเพลงในสถานะของเหลวได ท�าใหสามารถจดเกบและขนสงไดงายกวาเชอเพลงในสถานะอน ๆ บทความนจะอธบายความหมายและลกษณะของกระบวนการไพโรไลซส โดย

ปจจบนแนวโนมการเพมขนของประชากรและเทคโนโลยทมการพฒนา

อยางรวดเรว ท�าใหแหลงทรพยากรธรรมชาตทมอยอยางจ�ากด

ถกน�ามาใชประโยชนอยางตอเนอง ท�าใหถานหน น�ามนดบ และกาซธรรมชาต

ซงเปนแหลงเชอเพลงหลกของโลก ลดปรมาณลงอยางรวดเรว

น�าเสนอรายละเอยดเกยวกบหลกการทวไป และประเภทของกระบวนการไพโรไลซส ลกษณะของผลตภณฑและการน�าไปใชประโยชน สดทายเปนการน�าเสนอกระบวนการไพโรไลซสทมการศกษาวจยและประยกตใชในประเทศไทย

กระบวนการไพโรไลซส [1]

กระบวนการไพโรไลซส คอ กระบวนการทางเคมความรอนทเปลยนรปของชวมวล พลาสตก รวมถงยางทใชแลว เปนเชอเพลงทมคาทางความรอนสงขน ไดแก ถาน (charcoal) น�ามน (bio-oil) และกาซไมกลนตว (non-condensable gas) โดยใหความรอนทอณหภมปานกลาง 500-800 องศาเซลเซยส ในสภาวะทไมมออกซเจน โดยสดสวนของผลตภณฑจากกระบวนการไพโรไลซสขนอยกบปจจยหลายประการ ไดแก สภาวะในการท�าปฏกรยา ลกษณะของวตถดบทใชเปนสารตงตน ชนดของเครองปฏกรณ เปนตน กระบวนการ

กลนนทน วรณรงคกร และ ดร.อมรชย อาภรณวชานพหนวยปฏบตการวจยวศวกรรมกระบวนการเชงค�านวณ

ภาควชาวศวกรรมเคม คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย

ไพโรไลซส (Pyrolysis)

Energy & Environmental&

>>> 62 June-July 2015, Vol.42 No.241

ไพโรไลซส แบงออกเปนสองประเภท คอ ไพโรไลซสแบบชา (slow pyrolysis) และไพโรไลซสแบบเรว (fast pyrolysis)

กระบวนการไพโรไลซสแบบชา

กระบวนการไพโรไลซสแบบชาเปนกระบวนการทมการท�าปฏกรยาในอณหภมระหวาง 400-600 องศาเซลเซยส มอตราการใหความรอนต�า (นอยกวา 10 องศาเซลเซยสตอนาท) ขนาดเสนผานศนยกลางของวตถดบทใชในการท�าปฏกรยามขนาดใหญกวา 2 มลลเมตร ผลตภณฑจากไพโรไลซสแบบชามสดสวนเปนของเหลว 30-50 เปอรเซนต และถาน 25-35 เปอรเซนต

ไพโรไลซสแบบชายงสามารถแบงออกเปน 2 กระบวนการ ยอย คอ คารบอนไนเซชนไพโรไลซส (carbonization pyrolysis) และไพโรไลซสแบบดงเดม (conventional pyrolysis) คารบอนไนเซชน ไพโรไลซสเปนกระบวนการทใหความรอนในระยะเวลานาน โดยใชเวลาประมาณหนงวน ไดผลตภณฑเปนถานส�าหรบใชเปนเชอเพลงในการท�าอาหาร สวนผลตภณฑในสถานะกาซจะถกปลดปลอยออกสบรรยากาศ กระบวนการไพโรไลซสแบบดงเดมเปนกระบวนการท ใชเวลาใหความรอนนอยกวา คอ 15-30 นาท ไดผลตภณฑครบทง สามสถานะ คอ ถาน น�ามน และกาซไมกลนตว

เนองจากกระบวนการไพโรไลซสแบบชาไดผลตภณฑในสวนของน�ามนในปรมาณนอย ดงนนน�ามนสวนใหญจงถกใชเปนเชอเพลงในกระบวนการเผาไหม อยางไรกตาม เราสามารถแยกสารเคมบางชนดออกจากสวนมขว หรอสวนทละลายน�าของน�ามนได โดยสารเคมทสามารถสกดไดจากน�ามนในสวนน ไดแก อะซโตน คโตน เมทานอล กรดฟอรมก และกรดอะซตก เปนตน

กระบวนการไพโรไลซสแบบเรว

เปนกระบวนการทไดน�ามนเปนผลตภณฑหลก โดยท�าปฏกรยาทอณหภมปานกลาง 400 - 650 องศาเซลเซยส มอตราการใหความรอนสง (มากกวา 1,000 องศาเซลเซยสตอวนาท) เสนผานศนยกลางของวตถดบมขนาดต�ากวา 2 มลลเมตร มระยะเวลาของ ไอทอยในเครองปฏกรณสนมาก (นอยกวา 2 วนาท) เมอใชวตถดบประเภทชวมวลจะไดสดสวนของผลตภณฑในสถานะของเหลว เรยกวา น�ามนชวภาพ ประมาณ 60-75 เปอรเซนต ของแขง 15-25 เปอรเซนต และกาซไมกลนตว 10-15 เปอรเซนต และมองคประกอบของน�าในน�ามนชวภาพ 10-30 เปอรเซนต ขนอยกบปรมาณความชนทมในชวมวลเรมตน

นอกจากนน�ามนชวภาพยงประกอบดวยสารประกอบอน ๆ ซงเปนสารเคมทไดจากการสลายตวทางความรอนและการท�าปฏกรยาของเซลลโลส เฮมเซลลโลส และลกนนในชวมวล องคประกอบของสารเคมสวนใหญในน�ามนชวภาพจากวตถดบประเภทชวมวล แสดงดงตารางท 1 อยางไรกตาม เนองจากองคประกอบสวนใหญในน�ามนชวภาพเปนสารประกอบอนทรย ดงนนน�ามนชวภาพทไดจาก

กระบวนการไพโรไลซสแบบเรวจงสามารถปรบปรงคณภาพเปน เชอเพลงและสารเคมไดหลายประเภท โดยสารประกอบทพบในน�ามนชวภาพมมากกวา 3,000 ชนด

สงทส�าคญทสดของกระบวนการไพโรไลซสแบบเรว คอ การออกแบบเครองปฏกรณใหมอตราการถายโอนความรอนสง และออกแบบใหไอกลนตวเปนของเหลวโดยเรวทสดเพอใหไดปรมาณน�ามน 70-80 เปอรเซนต นอกจากนยงตองออกแบบใหมการก�าจดถานและเถาออกจากผลตภณฑใหมากทสด เพอไดผลตภณฑทสะอาด ไมมเถาเจอปนซงเปนอปสรรคตอการน�าไปใชประโยชน กระบวนการผลตน�ามนจากกระบวนการไพโรไลซสแบบเรวประกอบดวยหนวยตาง ๆ ไดแก หนวยลดความชนและยอยขนาดชวมวล (biomass drying and grinding) หนวยท�าปฏกรยา (fast pyrolysis reactor) หนวยก�าจดถานและเถา (char removal) หนวยควบแนนและเกบผลตภณฑน�ามน (product collection) ตวอยางของกระบวนการไพโรไลซสแบบเรวจากวตถดบประเภทชวมวลแสดง ดงภาพท 1 [2]

ผลตภณฑและการนำาไปใชประโยชน [1]

ผลตภณฑทเกดจากกระบวนการไพโรไลซส ไดแก ถาน น�ามน และแกสไมกลนตว สามารถน�าไปใชประโยชนไดหลากหลาย ผลตภณฑในสวนของน�ามนสามารถน�าไปใชประโยชนไดหลาย

Cellulose/Hemicellulosederived Compound

Lignin-derivedCompound

Common derivatives

Levoglucosan Isoeugenol Char

Hydroxyacetaldehyde 2,6-dimethoxyphenol Water

Acetic acid Phenol CO, CO2, CH4, C2H6

Acetol 4-ethyl phenol

Furfural 2-ethyl phenol

Furfuryl alcohol p-cresol

Cellobiosan o-cresol

2-methyl-2-cyclopenten-1-one m-cresol

3-methyl-2-cyclopenten-1-one

ตารางท 1 สารเคมบางชนดทพบในน�ามนชวภาพ [1]

▲ ภาพท 1 กระบวนการไพโรไลซสแบบเรว [2]

June-July 2015, Vol.42 No.241 63 <<<

Energy & Environmental&

รปแบบ เนองจากอยในสถานะของเหลวทมขอดในดานการจดเกบและการขนสง ภาพท 2 แสดงแผนภาพการใชประโยชนจากผลตภณฑทไดจากกระบวนการไพโรไลซส

ถาน มกถกใชเปนเชอเพลงในกระบวนการเผาไหมส�าหรบผลตความรอน ไอน�า และไฟฟา ถานทผลตไดจากกระบวนการไพโรไล-ซส จะถกใชเปนเชอเพลงใหกบเครองปฏกรณภายในกระบวนการ โดยคาความรอนของถานมคา 15-30 เมกะจลตอกโลกรม เถาทเกดจากการเผาไหมถาน สามารถน�าไปใชประโยชนไดเชนกน โดยน�าไปใชในกระบวนการผลตซเมนต นอกจากนถานยงมคณสมบตทดเกยวกบ การปรบปรงคณสมบตของดน ดงนนจงมความพยายามในการพฒนาถานจากกระบวนการไพโรไลซสเพอใชเปนสารปรบปรงดนส�าหรบเกษตรกร

น�ามน จากกระบวนการไพโรไลซสมคณสมบตทส�าคญหลายประการ มความหนาแนน 1.2 กโลกรมตอลตร มความหนดสง มความเปนกรดท�าใหมคณสมบตกดกรอน อณหภมจดตดสง มคาความรอน 15-18 เมกะจลตอกโลกรม มคณสมบตไมรวมเปนเนอเดยวกนกบน�ามนจากปโตรเลยม นอกจากนหากเตมน�าลงไปน�ามนจะแยกออกเปนสองสวน คอ สวนทละลายน�า (aqueous phase) และสวนทไมละลายน�าหรอละลายในสารอนทรย (organic phase) น�ามนสามารถน�าไปใชประโยชนไดหลากหลาย วธการทงายทสด คอ ใชเปนเชอเพลงในหมอตมไอน�า (boiler) หรอกงหนแกส (gas turbine) ส�าหรบ เผาไหมเพอผลตความรอนและไฟฟา นอกจากนยงสามารถใชเปน เชอเพลงใหกบเครองยนต

อยางไรกด การใชน�ามนทไดจากกระบวนการไพโรไลซสโดยตรงโดย ไมผานการปรบปรงคณภาพ จะท�าใหเกดปญหาหลายประการ เชน ปญหาการกดกรอนเนองจากคณสมบตดานความเปน กรด การจดตดยากเนองจากปรมาณน�าทมมากเกนไป นอกจากนยงมปรมาณเถาสง ซงท�าใหเกดการอดตนในเครองยนต

ปรมาณของสารประกอบอนทรยทหลากหลายของน�ามนจากกระบวนการไพโรไลซส สงผลใหมการน�าน�ามนทผลตไดไปใชเปน เชอเพลงในรถยนตทดแทนเชอเพลงจากปโตรเลยม โดยผานการปรบปรงคณภาพของน�ามนใหมคณสมบตทเหมาะสมกบการใชงานในแตละประเภท การปรบปรงคณภาพน�ามนปนการท�าใหน�ามนกลายเปนผลตภณฑทมมลคามากขน โดยการเปลยนคณสมบตบางประการของน�ามนใหมคณสมบตใกลเคยงกบน�ามนจากเชอเพลงปโตรเลยม เชน ลดปรมาณออกซเจน ปรบปรงคณสมบตดานความเปนกรด ลดความหนด เปนตน วธการปรบปรงคณภาพของน�ามนม 6 วธ ดงน

1. Dilution and Solubilization เปนวธปรบปรงคณสมบตของน�ามนดานความหนดและอายการกกเกบ โดยการเตมเมทานอลหรอแอลกอฮอล

2. Stabilizing oil คอ การท�าใหน�ามนมความเสถยรมากขน เนองจากเมอเกบน�ามนเปนระยะเวลานาน ท�าใหน�ามนมความหนดมากขน ปญหาดงกลาวสามารถแกโดยการก�าจดกรดและหมคาร- บอนลโดยท�าปฏกรยาเอสเทอรฟเคชน (Esterification) และปฏกรยาอะซทไลเซชน (Acetilization)

3. Hot Gas Filtration คอ การกรองดวยแกสรอน เปนวธการปรบปรงคณภาพโดยลดปรมาณเถาทปนอยในน�ามน

4. Catalytic Hydro-deoxygenation (HDO) คอ การลดปรมาณออกซเจนในน�ามนโดยท�าปฏกรยากบไฮโดรเจนในสภาวะทมตวเรงปฏกรยา

5. Catalytic Pyrolysis วธนเปนการปรบปรงคณภาพน�ามนพรอมกบการเกดปฏกรยาไพโรไลซสโดยการเตมตวเรงปฏกรยาในกระบวนการไพโรไลซส

6. Aqueous Phase Fermentation เนองจากน�าตาลทพบในน�ามนเปนปญหาหนงของการเกดปฏกรยา (catalytic reactions) การลดปรมาณน�าตาลสามารถท�าไดโดยใชกระบวนการกลนแยกและ การหมก (fractional condensation and fermentation) เพอเปลยนน�าตาลเปนเอทานอลและลพด

นอกจากนน�ามนจากกระบวนการไพโรไลซสสามารถน�าไปผลตสารเคมตาง ๆ โดยผานกระบวนการแยก เชน เกลอแคลเซยมเพอ

▲ ภาพท 2 ผลตภณฑจากกระบวนการไพโรไลซสและการน�าไปใชประโยชน [2]

Energy & Environmental&

>>> 64 June-July 2015, Vol.42 No.241

ใชดกจบซลเฟอรออกไซด (SOX) ปยจากการท�าปฏกรยาระหวางคารบอนลกบแอมโมเนย ผลตแอลดไฮด เรซนและพลาสตก รวมถงเมทานอล กรดอะซตก และอะซโตน

แกสไมกลนตว แกสสวนใหญจากกระบวนการไพโรไลซส ประกอบดวย CH4 CO2 CO และ H2 โดยทวไปจะน�ากลบมาเผาไหมเพอใหความรอนภายในกระบวนการ หรอสงไปยงกระบวนการอนเพอผลตความรอนและไฟฟา

กระบวนไพโรไลซสในประเทศไทย

ปจจบนประเทศไทยมการวจยและพฒนากระบวนการไพโร-ไลซส เพอใหสามารถใชงานไดจรงในเชงพาณชย โดยมการพฒนากระบวนการไพโรไลซสในรปของเทคโนโลยก�าจดขยะ ประเภทขยะพลาสตก และยางรถยนตใชแลว โดยมการศกษาเกยวกบตวเรงปฏกรยาทมผลตอผลตภณฑจากกระบวนการไพโรไลซสส�าหรบเปลยนยางรถยนตใชแลวเปนน�ามน [3]

จากงานวจยพบวา สดสวนของผลตภณฑจากกระบวนการ ไพโรไลซสยาง ประกอบดวย ถาน 26-49 เปอรเซนต น�ามน 25-75 เปอรเซนต และแกส 5-57 เปอรเซนต โดยน�ามนทไดจะมคาความรอนสง (44 เมกะจลตอกโลกรม) มปรมาณออกซเจนต�า มอตราสวนไฮโดรเจนตอคารบอนอะโรมาตกสง และมองคประกอบของสาร ประกอบ ประเภท อะลฟาตกและอะโรมาตก [4]

นอกจากนยงมการศกษาการผลตน�ามน โดยใชกระบวนการไพโรไลซสจากวตถดบ ประเภท ขยะพลาสตก [5] โดยมงเนนทการออกแบบและสรางโรงงาน เพอแปรรปขยะพลาสตกเปนน�ามน ทงนสามารถผลตภณฑน�ามนได 4,000–5,000 ลตรตอวน นอกจากนภาครฐยงไดสงเสรมและสนบสนนการใชกระบวนการไพโรไลซสส�าหรบการก�าจดขยะ โดยปจบน ส�านกงานนโยบายและแผนพลงงาน (สนพ.) ไดมการด�าเนนการสงเสรมโครงการแปรรปขยะพลาสตกเปนน�ามนใหกบชมชนตวอยางทมศกยภาพในการก�าจดขยะ โดยการคดเลอกองคกรปกครองสวนทองถนหรอเทศบาลทมศกยภาพดานปรมาณขยะทมจ�านวนขยะพลาสตกไมนอยกวา 30 ตนตอวน

ตวอยางชมชนทประสบความส�าเรจในการเปลยนขยะพลาสตกเปนน�ามนโดยกระบวนการไพโรไลซส ไดแก เทศบาลเมองวารนช�าราบ จงหวดอบลราชธาน เทศบาลนครพษณโลก จงหวดพษณโลก เทศบาลนครขอนแกน จงหวดขอนแกน และเทศบาลเมองหวหน จงหวดประจวบครขนธ โดยสามารถผลตน�ามนจากขยะพลาสตกไดวนละ 4,500, 10,400, 4,500 และ 4,500 ลตร ตามล�าดบ [6]

เอกสารอางอง

[1] Pecha, B. and Garcia-Perez, M. PP 414-442. Bioenergy.

London: Elsevier, 2015.

[2] Meier D, Beld B, Bridgwater A V., Elliott, D C., Oasmaa, A.,

Preto, F. State-of-the-art of Fast Pyrolysis in IEA Bioenergy Member Countries.

Renewable and Sustainable Energy Reviews 20(2013): 619-641.

[3] จฬาสมพนธ. “อาจารยวทยาลยปโตรเลยมและปโตรเคม จฬาฯ

วจยตวเรงปฏกรยาไพโรไลซสยางรถยนตเกาเพอผลตกาซและน�ามน.”

[ออนไลน]. เขาถงไดจาก: http://www.research.chula.ac.th/web/cu_on-

line/2556/vol_14_01.html. 2558.

[4] Abnisa, F., Wan Dauad, W.M.A. A Review on Co-pyrolysis of

Biomass: An Optional Technique to Obtain a High-grade Pyrolysis oil.

Energy Conversion and Management 87(2014): 71-85.

[5] มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร. “มทส. โชวผลงานการผลตน�ามน

จากเชอเพลงขยะพลาสตกโดยกระบวนการไพโรไลซส: Pyrolysis process.”

[ออนไลน]. เขาถงไดจาก: http://web.sut.ac.th/2012/news/detail/1/

news20140610. 2558.

[6] อสราภรณ โลหนารายณ. แปรรป “ขยะพลาสตก” เปนน�ามน.

ส�านกจดการคณภาพน�า กรมควบคมมลพษ, กมภาพนธ 2557.