แก๊สซิฟิเคชั่นผลิตไฟฟ้าจากชีวมวล

ลองนึกภาพเตาถ่านที่บ้านตอนเพิ่งจุดไฟใหม่ ๆ ดูครับ ช่วงที่ถ่านยังไม่ติดดี จะมีควันขาวลอยขึ้นมา และถ้าเอาไม้ขีดไปจ่อ ควันนั้นจะ “ลุกเป็นไฟ” ได้เอง นั่นแหละครับคือหัวใจของเรื่องที่เรากำลังจะคุยกันวันนี้ เพราะควันที่จุดไฟติดได้นั้นแท้จริงคือ “ก๊าซเชื้อเพลิง” ที่เกิดจากการเผาไหม้แบบไม่สมบูรณ์ และเมื่อมนุษย์เรียนรู้ที่จะควบคุมปรากฏการณ์นี้อย่างเป็นระบบในเตาปฏิกรณ์ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะ เราก็ได้เทคโนโลยีที่เรียกว่า แก๊สซิฟิเคชั่น (Gasification) ซึ่งสามารถเปลี่ยนเศษไม้ แกลบ ซังข้าวโพด หรือแม้แต่ขยะมูลฝอย ให้กลายเป็นก๊าซเชื้อเพลิงสำหรับผลิตไฟฟ้าได้จริง บทความนี้ S.E.A. Power Gent จะพาไปรู้จักกระบวนการนี้ตั้งแต่หลักการพื้นฐาน ชนิดของเตา ไปจนถึงการเปรียบเทียบกับไบโอแก๊สและเครื่องปั่นไฟดีเซล เพื่อให้เห็นภาพว่าเทคโนโลยีไหนเหมาะกับงานแบบไหน

แก๊สซิฟิเคชั่น (Gasification) คืออะไร

แก๊สซิฟิเคชั่น คือ กระบวนการเปลี่ยนเชื้อเพลิงแข็ง เช่น ชีวมวล ถ่านหิน หรือขยะ ให้กลายเป็นก๊าซเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ได้ โดยอาศัยความร้อนสูงในสภาวะที่ จำกัดปริมาณออกซิเจน พูดง่าย ๆ คือ “เผาแบบไม่ให้ไหม้หมด” เพราะถ้าให้อากาศเต็มที่เหมือนการเผาไหม้ทั่วไป คาร์บอนในเชื้อเพลิงจะกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งเผาต่อไม่ได้แล้ว แต่ถ้าจำกัดอากาศให้พอดี คาร์บอนจะเปลี่ยนเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และเกิดก๊าซไฮโดรเจน (H2) กับมีเทน (CH4) ร่วมด้วย ซึ่งทั้งสามตัวนี้ล้วนเป็นก๊าซที่นำไปเผาไหม้ให้พลังงานต่อได้ทั้งหมด

เชื้อเพลิงชีวมวลที่นำมาใช้มีองค์ประกอบหลักคือ คาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน เมื่อผ่านกระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่นซึ่งเป็นการเผาไหม้อินทรียสารแบบจำกัดปริมาณออกซิเจน จะเกิดการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์อย่างจงใจ ผลลัพธ์ที่ได้คือก๊าซผสมที่เรียกกันว่า ซินแก๊ส (Syngas) หรือโปรดิวเซอร์แก๊ส (Producer Gas) นั่นเอง

แก๊สซิฟิเคชั่นกับไพโรไลซิส เกี่ยวข้องกันอย่างไร

หลายคนได้ยินคำว่า ไพโรไลซิส (Pyrolysis) ควบคู่กับแก๊สซิฟิเคชั่นเสมอ ทั้งสองกระบวนการเป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องและต่อเนื่องกัน ไพโรไลซิสคือการสลายตัวของสารอินทรีย์ด้วยความร้อนในสภาวะที่แทบไม่มีออกซิเจนเลย ได้ผลิตภัณฑ์เป็นถ่านชาร์ น้ำมันทาร์ และก๊าซบางส่วน ส่วนแก๊สซิฟิเคชั่นจะยอมให้มีออกซิเจนเข้าไปทำปฏิกิริยาในปริมาณจำกัด เพื่อสร้างความร้อนหล่อเลี้ยงปฏิกิริยาและเปลี่ยนถ่านชาร์กับทาร์ให้กลายเป็นก๊าซให้ได้มากที่สุด ในเตาแก๊สซิไฟเออร์จริง ๆ จึงมีไพโรไลซิสเกิดขึ้นเป็นขั้นตอนหนึ่งภายในเสมอ และในอุตสาหกรรมยังมีการใช้ระบบไพโรไลซิสผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงทดแทนน้ำมันเตาอีกด้วย

ภายในเตาแก๊สซิไฟเออร์ ปฏิกิริยาจะเกิดเป็นลำดับโซนคร่าว ๆ 4 ขั้นตอน ดังนี้

โซนอบแห้ง (Drying) — ความชื้นในเชื้อเพลิงถูกไล่ออกด้วยความร้อน เชื้อเพลิงที่ชื้นมากจะกินพลังงานส่วนนี้เยอะ ทำให้ประสิทธิภาพรวมตก
โซนไพโรไลซิส (Pyrolysis) — เชื้อเพลิงแห้งสลายตัวด้วยความร้อนโดยไม่ใช้ออกซิเจน กลายเป็นก๊าซระเหย ทาร์ และถ่านชาร์
โซนเผาไหม้ (Oxidation) — ส่วนหนึ่งของเชื้อเพลิงทำปฏิกิริยากับอากาศที่ป้อนเข้ามาแบบจำกัด เกิดความร้อนสูงที่สุดในเตา เป็นแหล่งพลังงานให้โซนอื่นทั้งหมด
โซนรีดักชัน (Reduction) — คาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำทำปฏิกิริยากับถ่านชาร์ร้อน เปลี่ยนกลับเป็นก๊าซ CO และ H2 ซึ่งเป็นก๊าซเชื้อเพลิงที่เราต้องการ

ซินแก๊ส (Syngas) หน้าตาเป็นอย่างไร ใช้ทำอะไรได้บ้าง

ซินแก๊สที่ออกจากเตาแก๊สซิไฟเออร์แบบใช้อากาศทั่วไป มีองค์ประกอบหลักคือ คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ไฮโดรเจน (H2) และมีเทน (CH4) ปะปนกับก๊าซที่เผาไหม้ไม่ได้อย่างไนโตรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องจากอากาศที่ป้อนเข้าไปมีไนโตรเจนถึงราว 4 ใน 5 ส่วน ซินแก๊สจากระบบใช้อากาศจึงมีค่าความร้อนค่อนข้างต่ำ โดยก๊าซเชื้อเพลิงที่ได้จากการแปรรูปขยะและชีวมวลทั่วไปมีค่าความร้อนเฉลี่ยประมาณ 5 เมกะจูลต่อลูกบาศก์เมตร ต่ำกว่าก๊าซธรรมชาติหลายเท่า แต่ก็เพียงพอสำหรับป้อนเครื่องยนต์ก๊าซหรือหม้อไอน้ำได้สบาย ๆ

นอกจากใช้ผลิตไฟฟ้าและความร้อนแล้ว ซินแก๊สยังใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์เคมีภัณฑ์ต่าง ๆ ได้ เช่น แอมโมเนีย เมทานอล ก๊าซไฮโดรเจน รวมถึงเชื้อเพลิงเหลว ซึ่งเป็นเส้นทางที่อุตสาหกรรมปิโตรเคมีขนาดใหญ่ใช้กันทั่วโลก

ชนิดของเตาแก๊สซิไฟเออร์ที่ควรรู้จัก

เตาแก๊สซิไฟเออร์มีหลายแบบ แต่สามแบบพื้นฐานที่พบบ่อยที่สุดคือ แบบอากาศไหลขึ้น แบบอากาศไหลลง และแบบฟลูอิไดซ์เบด แต่ละแบบมีจุดเด่นจุดด้อยต่างกันชัดเจน

เตาแบบอากาศไหลขึ้น (Updraft Gasifier)

เชื้อเพลิงป้อนจากด้านบน อากาศป้อนจากด้านล่าง ก๊าซร้อนไหลสวนทางขึ้นไปผ่านชั้นเชื้อเพลิง ข้อดีคือโครงสร้างง่าย ทนทาน รับเชื้อเพลิงความชื้นสูงได้ดี และประสิทธิภาพความร้อนสูงเพราะก๊าซขาออกถ่ายความร้อนให้เชื้อเพลิงขาเข้า แต่ข้อเสียสำคัญคือก๊าซที่ได้มี ทาร์ (Tar) ปนมาก เพราะไอจากโซนไพโรไลซิสลอยออกไปกับก๊าซโดยไม่ผ่านโซนร้อนจัด จึงเหมาะกับงานเผาให้ความร้อนโดยตรงมากกว่าป้อนเครื่องยนต์

เตาแบบอากาศไหลลง (Downdraft Gasifier)

อากาศและก๊าซไหลลงทิศทางเดียวกับเชื้อเพลิง ไอทาร์จากโซนไพโรไลซิสถูกบังคับให้ไหลผ่านโซนเผาไหม้ที่ร้อนจัดก่อนออกจากเตา ทาร์ส่วนใหญ่จึงถูกแตกตัวไปในตัว ก๊าซที่ได้สะอาดกว่ามาก เป็นแบบที่นิยมที่สุดสำหรับระบบผลิตไฟฟ้าขนาดเล็กถึงกลางที่ป้อนก๊าซเข้าเครื่องยนต์ ข้อจำกัดคือค่อนข้างเรื่องมากกับขนาดและความชื้นของเชื้อเพลิง ต้องเตรียมเชื้อเพลิงให้สม่ำเสมอ

เตาแบบฟลูอิไดซ์เบด (Fluidized Bed Gasifier)

ใช้ทรายหรือวัสดุเฉื่อยร้อนจัดเป็นตัวกลาง เป่าอากาศจากด้านล่างจนชั้นทรายลอยตัวปั่นป่วนเหมือนของเหลวเดือด เชื้อเพลิงที่ป้อนเข้าไปจะถูกคลุกเคล้าและถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็วทั่วถึง จุดเด่นคือรับเชื้อเพลิงได้หลากหลาย ขยายขนาดได้ใหญ่ เหมาะกับโรงไฟฟ้าชีวมวลเชิงพาณิชย์ แต่ระบบซับซ้อนและเงินลงทุนสูงกว่าสองแบบแรก

หัวข้อเปรียบเทียบ	Updraft	Downdraft	Fluidized Bed
ปริมาณทาร์ในก๊าซ	สูง	ต่ำ	ปานกลาง
ความยืดหยุ่นของเชื้อเพลิง	ดี รับความชื้นสูงได้	ต้องคัดขนาด/ความชื้น	ดีมาก หลากหลาย
ความซับซ้อนของระบบ	ต่ำ	ปานกลาง	สูง
ขนาดที่เหมาะสม	เล็ก–กลาง (งานความร้อน)	เล็ก–กลาง (ป้อนเครื่องยนต์)	กลาง–ใหญ่ (โรงไฟฟ้า)

จากซินแก๊สสู่ไฟฟ้า ทำได้ 2 เส้นทางหลัก

ก๊าซเชื้อเพลิงจากกระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่นสามารถนำมาใช้ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ 2 รูปแบบหลัก คือ

เส้นทางเครื่องยนต์ก๊าซ (Gas Engine) — นำก๊าซมาผ่านชุดลดอุณหภูมิและทำความสะอาดก๊าซ เพื่อกำจัดฝุ่น ทาร์ และความชื้นออกก่อน แล้วส่งเข้าเครื่องยนต์ก๊าซที่ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตไฟฟ้าโดยตรง เส้นทางนี้เหมาะกับระบบขนาดเล็กถึงกลาง ให้ประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานดีในสเกลชุมชนหรือโรงงาน ซึ่งหลักการฝั่งเครื่องยนต์คล้ายกับเครื่องปั่นไฟไบโอแก๊สที่ใช้ก๊าซชีวภาพเป็นเชื้อเพลิงนั่นเอง
เส้นทางหม้อไอน้ำและกังหันไอน้ำ — ป้อนก๊าซเข้าไปเผาไหม้ในหม้อไอน้ำ เพื่อผลิตไอน้ำแล้วนำไปหมุนกังหันไอน้ำ (Turbines) ผลิตไฟฟ้า หรือนำความร้อนของไอน้ำไปใช้ประโยชน์อื่นต่อในกระบวนการผลิต เส้นทางนี้เหมาะกับโรงงานที่ต้องการทั้งไฟฟ้าและไอน้ำพร้อมกัน (Cogeneration)

ข้อได้เปรียบเชิงเทคนิคของการแปรรูปเชื้อเพลิงเป็นก๊าซก่อนเผา คือสารไม่พึงประสงค์ต่าง ๆ เช่น สารประกอบซัลเฟอร์และเถ้า จะถูกกำจัดออกจากก๊าซผลิตภัณฑ์ได้ง่ายกว่าเมื่อเทียบกับการเผาไหม้เชื้อเพลิงแข็งโดยตรงซึ่งมีปริมาณอากาศมาก การควบคุมมลพิษจึงทำได้ที่ตัวก๊าซก่อนใช้งาน แทนที่จะไปไล่จับที่ปล่องควันปลายทาง

แก๊สซิฟิเคชั่นกับการกำจัดขยะมูลฝอย

เทคโนโลยีนี้ยังถูกนำมาใช้แก้ปัญหาขยะชุมชนด้วย กระบวนการกำจัดขยะด้วยเทคโนโลยีแก๊สซิฟิเคชั่นเริ่มจากการคัดแยกขยะมูลฝอยก่อนเป็นอันดับแรก โดยแยกขยะที่รีไซเคิลและขายได้ ขยะอันตราย ขยะที่เผาไหม้ไม่ได้ และขยะที่อาจระเบิดได้ ออกจากขยะรวมทั้งหมด จากนั้นนำขยะที่เหลือผ่านกระบวนการย่อยให้มีขนาดเล็กลงและใกล้เคียงกัน อบให้แห้งในกรณีที่ความชื้นสูง แล้วจึงป้อนเข้าเตาเผาไพโรไลซิสหรือแก๊สซิไฟเออร์ ก๊าซเชื้อเพลิงที่ได้สามารถนำมาผลิตพลังงานไฟฟ้าหรือความร้อนต่อไป วิธีนี้ช่วยลดปริมาณขยะฝังกลบลงมหาศาล และยังได้พลังงานกลับคืนมาเป็นผลพลอยได้ที่จับต้องได้จริง

ชีวมวลกับแก๊สซิฟิเคชั่นในบริบทประเทศไทย

ประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรม จึงมีวัตถุดิบชีวมวลเหลือทิ้งจำนวนมากที่เหมาะกับกระบวนการนี้ ไม่ว่าจะเป็นแกลบจากโรงสีข้าว ซังและลำต้นข้าวโพด เศษไม้และปีกไม้จากโรงเลื่อย ทะลายปาล์มเปล่าและกะลาปาล์มจากโรงสกัดน้ำมันปาล์ม รวมถึงชานอ้อยจากโรงงานน้ำตาล วัสดุเหล่านี้หลายชนิดเคยถูกเผาทิ้งกลางแจ้งจนเป็นปัญหาฝุ่นควัน การนำมาผ่านเตาแก๊สซิไฟเออร์จึงเป็นการเปลี่ยน “ของเหลือ” ให้กลายเป็น “ค่าไฟที่ประหยัดได้” โดยเฉพาะโรงสีและโรงงานแปรรูปเกษตรที่มีเชื้อเพลิงของตัวเองอยู่แล้ว ไม่ต้องซื้อหาเพิ่ม

อย่างไรก็ตาม ระบบแก๊สซิฟิเคชั่นขนาดเล็กในไทยจำนวนไม่น้อยก็เจอบทเรียนคล้ายกัน คือปัญหาทาร์อุดตันเครื่องยนต์ ความชื้นเชื้อเพลิงไม่คงที่ และภาระการดูแลระบบทำความสะอาดก๊าซที่มากกว่าที่คิด โครงการที่ประสบความสำเร็จมักเป็นโครงการที่มีเชื้อเพลิงสม่ำเสมอ มีทีมช่างประจำ และออกแบบระบบเผื่อการบำรุงรักษาตั้งแต่ต้น

เทียบกันชัด ๆ แก๊สซิฟิเคชั่น vs ไบโอแก๊ส vs เครื่องปั่นไฟดีเซล

ทั้งสามเทคโนโลยีผลิตไฟฟ้าได้เหมือนกัน แต่เหมาะกับโจทย์คนละแบบ ไบโอแก๊สใช้กระบวนการหมักย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนของของเสียเปียก เช่น น้ำเสียฟาร์มหมู เศษอาหาร ได้ก๊าซมีเทนเป็นหลัก ส่วนแก๊สซิฟิเคชั่นใช้ความร้อนกับเชื้อเพลิงแห้ง อ่านหลักการหมักก๊าซแบบละเอียดได้ในบทความเครื่องปั่นไฟไบโอแก๊สทำงานอย่างไร

หัวข้อ	แก๊สซิฟิเคชั่น	ไบโอแก๊ส	เครื่องปั่นไฟดีเซล
วัตถุดิบ/เชื้อเพลิง	ชีวมวลแห้ง เศษไม้ แกลบ ขยะ	ของเสียเปียก มูลสัตว์ น้ำเสีย	น้ำมันดีเซล หาซื้อได้ทุกที่
ลักษณะกระบวนการ	ความร้อนสูง จำกัดออกซิเจน	หมักด้วยจุลินทรีย์ ไร้ออกซิเจน	เผาไหม้ภายในเครื่องยนต์โดยตรง
เวลาเริ่มเดินระบบ	ต้องอุ่นเตา เตรียมเชื้อเพลิง	บ่อหมักต้องเดินต่อเนื่องเป็นสัปดาห์	สตาร์ทติดจ่ายไฟได้ในไม่กี่วินาที
ความซับซ้อนการดูแล	สูง (ทำความสะอาดก๊าซ/ทาร์)	ปานกลาง (คุมบ่อหมัก/กำจัด H2S)	ต่ำ เปลี่ยนถ่ายตามระยะ PM
ความเหมาะสม	โรงงานที่มีชีวมวลแห้งสม่ำเสมอ	ฟาร์มปศุสัตว์ โรงงานแป้ง/น้ำมันปาล์ม	ไฟสำรอง ไฟหลักนอกสายส่ง งานทั่วไป

แล้วเมื่อไรเครื่องปั่นไฟดีเซลหรือไบโอแก๊สคือคำตอบที่ใช้งานได้จริง

ต้องยอมรับตรง ๆ ว่าแก๊สซิฟิเคชั่นเป็นเทคโนโลยีที่ “ดีมากเมื่อเงื่อนไขครบ” คือมีเชื้อเพลิงแห้งสม่ำเสมอ มีวิศวกรดูแล และเดินเครื่องต่อเนื่องยาว ๆ ให้คุ้มการอุ่นเตา แต่สำหรับธุรกิจส่วนใหญ่ที่ต้องการไฟสำรองยามไฟดับ หรือไฟฟ้าใช้งานในพื้นที่ห่างไกล เครื่องปั่นไฟดีเซลยังคงเป็นตัวเลือกที่ปฏิบัติได้จริงที่สุด เพราะสตาร์ทเร็ว จ่ายโหลดได้ทันที เชื้อเพลิงหาง่าย และการบำรุงรักษาตรงไปตรงมา ส่วนฟาร์มปศุสัตว์หรือโรงงานที่มีของเสียเปียกปริมาณมากอยู่แล้ว เครื่องปั่นไฟไบโอแก๊สจะเปลี่ยนต้นทุนบำบัดน้ำเสียให้กลายเป็นค่าไฟที่ประหยัดได้ทุกเดือน เรียกว่าเลือกเทคโนโลยีตามวัตถุดิบและโจทย์การใช้ไฟของเราเป็นหลัก ไม่ใช่ตามกระแส

ในทางปฏิบัติ หลายโรงงานใช้แนวทางผสม เช่น ใช้ไบโอแก๊สหรือชีวมวลเดินฐานการผลิตไฟช่วงปกติ และมีเครื่องปั่นไฟดีเซลเป็นกำลังสำรองยามระบบหลักหยุดซ่อมบำรุงหรือไฟจากการไฟฟ้าดับ วิธีนี้ได้ทั้งต้นทุนพลังงานต่ำและความมั่นคงของระบบไฟไปพร้อมกัน

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

แก๊สซิฟิเคชั่นต่างจากการเผาขยะหรือชีวมวลโดยตรงอย่างไร

การเผาโดยตรงใช้อากาศเต็มที่เพื่อเอาความร้อนไปต้มน้ำทันที ส่วนแก๊สซิฟิเคชั่นจำกัดออกซิเจนเพื่อเปลี่ยนเชื้อเพลิงแข็งเป็นก๊าซเชื้อเพลิงก่อน แล้วค่อยนำก๊าซไปเผาในเครื่องยนต์หรือหม้อไอน้ำ ข้อดีคือทำความสะอาดก๊าซก่อนใช้ได้ง่ายกว่า และป้อนเครื่องยนต์ผลิตไฟฟ้าโดยตรงได้

ซินแก๊สจากชีวมวลมีค่าความร้อนเท่าไร

ระบบที่ใช้อากาศเป็นตัวออกซิไดซ์ทั่วไปให้ก๊าซที่มีค่าความร้อนเฉลี่ยราว 5 เมกะจูลต่อลูกบาศก์เมตร ต่ำกว่าก๊าซธรรมชาติมากเพราะมีไนโตรเจนเจือปนสูง แต่เพียงพอสำหรับเครื่องยนต์ก๊าซและหม้อไอน้ำที่ออกแบบรองรับ

เตาแก๊สซิไฟเออร์แบบไหนเหมาะกับการผลิตไฟฟ้าขนาดเล็ก

แบบอากาศไหลลง (Downdraft) เป็นที่นิยมที่สุด เพราะให้ก๊าซที่มีทาร์ต่ำ เหมาะกับการป้อนเครื่องยนต์ก๊าซ แต่ต้องเตรียมเชื้อเพลิงให้ขนาดและความชื้นสม่ำเสมอ

โรงงานทั่วไปควรลงทุนระบบแก๊สซิฟิเคชั่นหรือไม่

ควรต่อเมื่อมีเชื้อเพลิงชีวมวลแห้งของตัวเองสม่ำเสมอ เดินเครื่องต่อเนื่องได้ยาว และมีทีมดูแลระบบ หากโจทย์คือไฟสำรองหรือไฟใช้งานทั่วไป เครื่องปั่นไฟดีเซลตอบโจทย์กว่าทั้งด้านเงินลงทุนและความง่ายในการดูแล

มีเครื่องปั่นไฟที่ใช้ก๊าซชีวภาพขายในไทยไหม

มีครับ S.E.A. Power Gent จำหน่ายเครื่องปั่นไฟไบโอแก๊สสำหรับฟาร์มและโรงงาน พร้อมทีมติดตั้งและบริการหลังการขายทั่วประเทศ

สนใจเครื่องปั่นไฟไบโอแก๊ส เครื่องปั่นไฟดีเซล หรือปรึกษาการวางระบบไฟสำรองสำหรับโรงงาน ติดต่อ บริษัท เอส.อี.เอ. พาวเวอร์ เจ็นท์ จำกัด โทร 097-146-3594 / 080-056-0777 หรือชมสินค้าในหมวดเครื่องปั่นไฟไบโอแก๊สได้เลยครับ