1

พง311 เทคโนโลยเชอเพลงชวภาพและชวมวล

อาจารยกตตกร สาสจตต

2558

กระบวนการแปลงสภาพและคณสมบตเชอเพลงชวมวล

หวขอการบรรยาย

1. กระบวนการแปลงสภาพเชอเพลงชวมวล

2. คณสมบตเชอเพลงชวมวล และคาความรอน

3. เทคโนโลยชวมวลส าหรบการผลตคาความรอน

ไฟฟา และขนสง

4. การเผาไหมเชอเพลงชวมวล

ความหมายของชวมวล

ชวมวล หมายถง สงทไดจากสงมชวต หรอองคประกอบของสงมชวต หรอ

อนทรยสารตาง ๆ เชน ไมยนตน พชทมสวนประกอบเปนแปงและน าตาล วชพชบกและน า ของเสยจากโรงงานอตสาหกรรมทเกยวเนองกบการเกษตร มลสตว ตลอดจนขยะทมอยทว ๆ ไป

กระบวนการแปลงสภาพเชอเพลงชวมวล

พลงงานชวมวล (Biomass Energy) หมายถงพลงงานทผลตจากอนทรยสารตาง ๆ ท งจากพชและสตว โดยกระบวนการ 4 กระบวนการ ไดแก

1. กระบวนการเชงกายภาพ

(Physical Conversion process)

2. กระบวนการเชงเคมความรอน

(thermo chemical Conversion process)

3. กระบวนการเชงชวภาพ

(Biochemical conversion process)

4. กระบวนการเชงเคม

(Chemical conversion process)

2

กระบวนการแปลงสภาพเชอเพลงชวมวล

1. กระบวนการเชงกายภาพ (Physical Conversion process)

กระบวนการแปลงสภาพเชอเพลงชวมวล

2. กระบวนการเชงเคมความรอน (thermo chemical Conversion process)

http://www.wxteneng.com/

http://www.wastetireoil.com/

กระบวนการแปลงสภาพเชอเพลงชวมวล

3. กระบวนการเชงชวภาพ (Biochemical conversion process)

http://www.groupes.polymtl.ca/crip/en/bio_biomass.php

http://www.upsbatterycenter.com/blog/biochemical-conversion-biomass-energy/

กระบวนการแปลงสภาพเชอเพลงชวมวล

4. กระบวนการเชงเคม (Chemical conversion process)

BIODIESEL FUEL

http://www.alternative-energy-news.info/technology/biofuels/biodiesel-fuel/

3

กระบวนการแปลงสภาพเชอเพลงชวมวล

4. กระบวนการเชงเคม (Chemical conversion process)

www.crusus.org

กระบวนการแปลงสภาพเชอเพลงชวมวล

กระบวนการแปลงสภาพเชอเพลงชวมวล การน าชวมวลมาผลตพลงงาน

การน าชวมวลมาใชเปนพลงงาน (Biomass conversion)

การใชชวมวลจงควรจะเลอกใชอยางมประสทธภาพ และเหมาะสมกบชนดของชวมวลและความตองการตามสภาพทองทน น ๆ ซงการนาพลงงานเช อเพลงชวมวลออกมาใชโดยเฉพาะในดานของความรอน สามารถกระทาไดหลายวธ คอ

1. การเผาไหมโดยตรง (Direct combustion) เปนกระบวนการใชความรอนสลายโมเลกลวธหนง

2. การใชความรอนสลายโมเลกล (Thermochemical conversion) ซงสามารถแบงตามกระบวน การไดหลายวธ คอ

- กระบวนการไพโรไลซส (Pyrolysis)- กระบวนการแกสซฟเคชน (Gasification)- กระบวนการลขวดแฟคชน (Liquidfaction)

3. การใชชวเคมสลายโมเลกล (Biochemical conversion) ซงสามารถแบงตามกระบวนการไดหลายวธ คอ

- กระบวนการยอยสลายโดยไมใชออกซเจน (Anaerobic digestion)- กระบวนการหมก (Yeast fermentation)

4

เทคโนโลยชวมวลส าหรบการผลตคาความรอน ไฟฟา และขนสง

การผลตไฟฟาและความรอน

การผลตความรอน หรอไฟฟา หรอการผลตทงสองอยางรวมกนเปนรปแบบทนาสนใจ

1) การเผาไหม- การใชในรปแบบความรอนในครวเรอน- การผลตไฟฟาและความรอนรวมในชมชน- การผลตไฟฟาขนาดใหญ- การเผาไหมรวม

2) กระบวนการแกสซฟเคชน- การผลตกาซขนาดเลก- การผลตกาซขนาดใหญ- การผลตกาซเพอใชในการเผาไหมรวม

3) กระบวนการไพโรไลซส และลควแฟกชน

4) กระบวนการหมกยอยอบอากาศ- กาซชวภาพ- กาซจากการฝงกลบ

เทคโนโลยชวมวลส าหรบการผลตคาความรอน ไฟฟา และขนสง

การผลตเชอเพลงส าหรบการขนสง

เชอเพลงหลกส าหรบการขนสงทไดจากชวมวล ไดแก เมธานอล น ามนสงเคราะหฟสเชอรโทรพ (Fisher-Tropsh synthesis) ไดเมธลอเทอร และไฮโดรเจน จากกระบวนการสงเคราะหกาซทผลตจากแกสซฟเคชน และ เอธานอล จากกระบวนการหมกแปงหรอน าตาล หรอกระบวนการไฮโดรไลซสวสดลกโนเซลลโลส และน ามนชวภาพทสกดออกมาจากเมลดพชน ามนเพอแปลงสภาพเปนไบโอดเซล

1) การผลตเมทานอล ไฮโดรเจน หรอน ามนดเซลสงเคราะห2) การหมกเพอผลตเอทานอล

- เอทานอลจากแปงและน าตาล- เอทานอลจากวสดลกโนเซลลโลส

3) การผลตไบโอดเซลจากน ามนพช

คณสมบตเชอเพลงชวมวล และคาความรอน

คณสมบตทเกยวของกบความเปนเช อเพลงของชวมวลมความโดดเดนในตวเอง ซงเปนผลโดยตรงจากการเปนผลตผลจากสงมชวต คณสมบตทสาคญเหลาน ไดแกคณสมบตทางเคม และทางกายภาพ ซงคณลกษณะเช อเพลงแขงมกจะใชการวเคราะหแบบประมาณ (proximate analysis) และแบบแยกธาต (ultimate analysis) ปรมาณเถาในชวมวลเศษวสดการเกษตรมแนวโนมสงกวาชวมวลประเภทไม

การวเคราะหคณสมบตของเชอเพลง ม 2 แบบ

1. การวเคราะหแบบงาย (Proximate Analysis)

2. การวเคราะหแบบละเอยด (ultimate Analysis)

Fixed Carbon (FC), Volatile Matter (VM), Moisture Content (MC), Ash

Carbon, Hydrogen, Nitrogen, Sulphur, Oxygen

Elemental Analyzer

หลกการทางาน : โดยการเผาตวอยางในเตาเผาทบรรจอยภายในเครองดวยอณหภมสงภายใตบรรยากาศออกซเจน ตวอยางจะถกออกซไดซและรดกชนเปนกาซผสมของ N2, CO2, H2O และSO2จากน นใชปฏกรยาเคมเปลยนใหเปนกาซบรสทธและวดปรมาณดวยตวตรวจวดชนดThermal Conductivity Detectorประมวลผลและควบคมการทางานดวยคอมพวเตอรออกมาเปนเปอรเซนตคารบอน ไฮโดรเจนไนโตรเจน ซลเฟอรในคราวเดยวกน สวนออกซเจนวเคราะหแยกแตดวยหลกการเดยวกน

Flash EA 1112ซงเครอง CHNS/O Analyzer เปนเครองมอทใชสาหรบวเคราะหหาปรมาณคารบอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจนซลเฟอร/ออกซเจนในตวอยางโดยใชเทคนค Combustion

5

การวเคราะหแบบประมาณ (Proximate Analysis)

เปนว ธการ วเคราะหแบบงาย ๆ โดยการเผาเช อเพลงภายใตเงอนไขทแตกตางกน

•ความช น •สารระเหย •ข เถา •ปรมาณคารบอน

การวเคราะหแบบละเอยด (Ultimate Analysis)

เปนว ธการ วเคราะหแบบงาย ๆ โดยการเผาเช อเพลงภายใตเงอนไขทแตกตางกน

•ความช น •สารระเหย •ข เถา •ปรมาณคารบอน

คาความรอน (Heating Value)

คาความรอน หมายถง ปรมาณความรอนทไดจากการเผาไหมอยางสมบรณของเช อเพลง 1 หนวย ซงจะไดกาซ คารบอนไดออกไซด (CO2) และน า (H2O) ออกมา คาความรอนทใชวดจะมอย 2 แบบ คอ

1. คาความรอนสง (Higher Heating Value) ซงเปนคาความรอนของเช อเพลงทวดไดในภาวะทน าทเกดจากการเผาไหมถกควบคมใหกลนกลายเปนของเหลว ซงจะใหความรอนแฝงของการกลนตวออกมาทาใหวดความรอนไดมากข น

2. คาความรอนตา (Lower Heating Value) เปนคาความรอนของเช อเพลงทน าทเกดจากการเผาไหมปลอยใหมสภาพเปนไอน า

ในการหาคาความรอนน น ถาทราบองคประกอบของเช อเพลง (C, H, Oและ S) จะหา HHV ของเช อเพลง จากสมการของดลอง (Dulong‘s Equation) หนวย MJ/kg

คาความรอนของเชอเพลง

6

Bomb Calorimeter Bomb Calorimeter

เครองทดสอบหาคาความรอนของเชอเพลง สามารถทดสอบ

ได ตามมาตรฐาน ASTM D240, หรอ D4809 หรอ D5865

ตวอยางท 1

จากผลการวเคราะหคณสมบตของเช อเพลงชวมวล ทจะนาไปใชในการเผาไหมในเตาเผา จงหาวามคาความรอนสงสด (HHV) และคาความรอนตาสด (LHV) ตามสมการ Dulong’s ของไมท ง 4 ชนดน วามคาเทาใด (MJ/kg)

ชนดเช อเพลง HHV(MJ/kg)

LHV(MJ/kg)

ลาไย 18.427 17.352มะมวง 20.212 18.980ไมสก 19.923 18.736

กระถนยกษ 20.515 19.238

วทยาศาสตรการเผาไหม

จดประสงคของการเผาไหม คอ การเปลยนพลงงานเคมทมอยในเชอเพลง ใหกลายเปนพลงงานความรอน เพอน าความรอนทไดไปใชในกระบวนการตาง ๆ ตามตองการ เชน

การผลตไอน าของหมอไอน า (Boiler) การผลตความรอนจากการเผาไหมชวมวล

การเผาไหม คอ การทสสารปลอยความรอนและแสงสวางเมอเกดการออกซเดชน อยางรวดเรว เชอเพลงแขง และเชอเพลงเหลว ซงประกอบดวยธาต C H O N S ขเถา ความชน เปนตน สวนกาซเชอเพลงนนเปนกาซผสมของไฮโดรเจน (H2) คารบอนมอนอกไซด (CO)และกาซไฮโดรคารบอนตาง ๆ ซงโดยทวไปเขยนแทนดวย CnH2n+2 เชน CH4)

7

หลกการเผาไหมทวไป

ไฟหรอการเผาไหมจะเกดขนได จะตองมองคประกอบทส าคญ ครบทง 3 ประการ และ

จะตองรวมกนในอตราสวนทเหมาะสมเชอเพลง

ความรอน

อากาศ

ปจจยในการเกดการเผาไหม

เชอเพลง ถาน ไม น ามน กาซ

อากาศ ออกซเจน

ความรอน การจดประกายไฟ

• ถาขาดสงใดสงหนงจะไมเกดการเผาไหม

• การเผาไหมทสมบรณ จะใหความรอนสง มเขมาและอากาศเสยนอย

องคประกอบส าคญ 3 ประการ ทท าใหเกดการลกไหมเชอเพลง

ไอเชอเพลงในอตราสวนพอดกบอากาศ

สวนประกอบของไฟ

8

เปนปฏกรยาเคมเกดขนระหวาง เชอเพลงกบอากาศ

เกดเปนสารประกอบของออกซเจน (ออกไซด) และความรอน

อากาศ

เชอเพลง สารประกอบของออกซเจน

ความรอน

ปฏกรยาการเผาไหม คณสมบตของอากาศส าหรบการเผาไหม

องคประกอบรอยละองคประกอบ

โดยปรมาตร โดยมวลออกซเจน (O2)ไนโตรเจน (N2)

2179

2377

O2 : N2 1 : 3.76 1 : 3.35

การเผาไหมเปนกระบวนการเช อเพลงทาปฏกรยาทางเคมกบออกซเจนแลวใหพลงงานความรอนออกมาซงเปนปฏกรยาเคมทเกดการออกซเดชนอยางรวดเรวของสารประกอบอนทรยทมอยในเช อเพลง ซงในการเผาไหมทสมบรณของเช อเพลงน นตองมปรมาณออกซเจนทเพยงพอ องคประกอบของอากาศแสดงไดดงตาราง ในสวนทชวยในการสนดาป (ตวออกซไดซ) กคอออกซเจน สวนทเหลอจดอยในกลมไนโตรเจน กาซเฉอย และความช นในอากาศ รอยละขององคประกอบของสวนทเหลอน จะเปนไนโตรเจนโดยสวนใหญ

กระบวนการแปรรปชวมวล

- การเผาโดยตรง(Direct Combustion)

- การเปลยนรปแบบชวเคม (Biochemical Conversion)

Digestion >> Biogas, Landfill Gas

Fermentation >> Ethanol

-การผลตเชอเพลงเหลวจากพช

Biodiesel

-การเปลยนรปแบบเทอรโมเคม(Thermochemical Conversion)

Gasification

Pyrolysis

กระบวนการแปรรปชวมวล

การผลตกาซ

การหมก การผลตเชอเพลงเหลวจากพช

การเผาไหมโดยตรง

กระบวนการแปรรปชวมวล (จากการเผาไหม) เทคโนโลยและการเผาไหมเชอเพลง

เชอเพลงแกส (Gas fuel)

การอบล าไยโดยใชหวเผา เชอเพลง LPGการเผาเซรามก เชอเพลง LPG

9

การอบแหงล าไยของชมชน

LPG cost per batch 4,800 Baht

LPG Consumption per batch 4 Tank (240 kg)

Ratio of fuel cost in dried longan 10-18 %

Initial moisture content 75-80 % wb

Final moisture content 14-18 % wb

Drying Temperature 70-80 C

Drying Time 45-50 h

ตนทนดานพลงงานในการอบแหงสง

เทคโนโลยและการเผาไหมเชอเพลง

เชอเพลงเหลว (Liquid fuel)

10-20 room/factory

Heat Use Hot water/Steam

Fuel Heavy Fuel Oils

Capacity 10-12 tons/room

เทคโนโลยและการเผาไหมเชอเพลง

เชอเพลงแขง (Solid fuel)

การอบล าไยโดยใชเชอเพลงชวมวล

การปรบเปลยนมาใชเชอเพลงชวมวล

ศกยภาพการประหยดพลงงานและการลงทนลงทน 350,000 บาท (4 เตา)

คนทนในการอบแหงประมาณ 30 ครง

ศนยวจยพลงงาน มหาวทยาลยแมโจ 2548

การเผาไหมเชอเพลงชวมวล

10

เครองอบแหงล าไยระบบน ารอนส าหรบอตสาหกรรม

การเผาไหมเชอเพลงชวมวล

โรงอบผลตภณฑไมแกะสลก

หองอบ

หมอตมน าเชอเพลงชวมวล

เครองแลกเปลยนความรอน

ลมรอนเขาสหองอบ

การหมนเวยนลมรอน

การเผาไหมเชอเพลงชวมวล

Rice husk cyclone combustor for Longan drying

Summary of cyclonic combustor

specification

Dimensions

Combustor unit

The Cylindrical Chamber

Outside diameter

Inner diameter

Height combustor

H/D

Combustor volume

Feeder unit

Hopper volume

Screw feeder motor

Ash sweep motor

Blower feed air/rice husk rate

Flue gas/hot gas suction unit

Blower 1 (Flue gas)

Blower 2 (Hot air)

Number Batch type dryer

Capacity of Longan per batch

Fuel

1.20 m.

0.77 m.

2.40 m.

3.11

1.20 m3

0.80 m3

0.37 kW

0.37 kW

1,560 m3/h

1,733 m3/h

4,500 m3/h

4 set

8 tons

Rice husk

การใชพลงงานชวมวลทดแทน LPG

การเผาไหมเชอเพลงชวมวล เตาอบล าไยและโรงบมใบยาสบประสทธภาพสง

ชาวสวนลาไยลดการใชกาซหงตม (LPG) ไดถง 579,600 กโลกรม/ป คดเปนเงนทประหยดได 10,432,800 ลานบาท/ป และชวยเกษตรกรชาวไรบมใบยาสบ ลดคาใชจายในการใชไมฟนในการเผาไหมลงไดมากถง 5,960,000 กโลกรม/ป คดเปนเงนทประหยดได 6,556,000 ลานบาท/ป

http://www.prcmu.cmu.ac.th/perin_detail.php?perin_id=79

11

ปจจยทส าคญส าหรบการเผาไหมเชอเพลง

1. อตราสวนอากาศตอเชอเพลง (Air-fuel Ratio)

2. การผสมกนระหวางเชอเพลงกบออกซเจน (Mixing)

3. อณหภม (Temperature)

4. เวลาทเชอเพลงอยในหองเผาไหม (Time)

การเผาไหมเชอเพลงโดยทวไปตองการพลงงานทไดจากการเผาไหมเชอเพลงทงหมด

ตามทฤษฎ แตในความจรงมกจะมการสญเสยพลงงานในรปแบบตาง ๆ ทงนตอง

ค านงถงปจจยส าคญส าหรบการเผาไหมเชอเพลง ดงน

อตราสวนอากาศตอเชอเพลง (Air-fuel Ratio)

อตราสวนอากาศกบเชอเพลงกคอ อตราสวนระหวางมวล (หรอจ านวนโมล) ของ

อากาศตอมวล (หรอจ านวนโมล) ของเชอเพลงในระหวางการสนดาป โดยทวไปแบง

ออกเปนอตราสวนอากาศกบเชอเพลงทฤษฎ (AFth

) และอตราสวนอากาศกบเชอเพลง

จรง (AFact

) โดยท AFthค านวณตามสมการ

air airth

fuel fuel

m nAF

m n

ปรมาณอากาศทนอยทสดทตองใชในกระบวนการ

สนดาปเพอท าใหเกดกระบวนการสนดาปสมบรณ

ของ เ ช อ เพลง จ ะ เ รยกว า อากาศตามทฤษ ฎ

(Theoretical air หรอ Stoichiometric air)

ปรมาณอากาศทใชในกระบวนการสนดาป

เพอท าใหเกดกระบวนการสนดาปของ

เ ชอ เพลงจ ะ เรยกวา อากาศ ท ใ ชจร ง

(Actual air)

ปจจยทส าคญส าหรบการเผาไหมเชอเพลง

อตราสวนอากาศตอเชอเพลง (Air-fuel Ratio)

air airth

fuel fuel

m nAF

m n

ปจจยทส าคญส าหรบการเผาไหมเชอเพลง

where z is known as the stoichiometric coefficient for the oxidizer (air)

การค านวณและสมการเผาไหม

การทจะทาใหเกดการเผาไหมสมบรณ (Complete Combustion) จะตองใชมวล (หรอปรมาตร) ของเช อเพลงและอากาศตามทกาหนดในสมการเคม แตในทางเปนจรงเปนไปไดยาก เพราะสวนใหญจะใชปรมาณอากาศมากกวาทแสดงไวในสมการเคม

การเผาไหมสมบรณ

C + O2 = CO2 + 406,119.6 kJ/kmol

การเผาไหมอยางไมสมบรณ

C + 1/2O2 = CO + 123,091.9 kJ/kmol

12

การค านวณและสมการเผาไหม

การเผาไหมอยางสมบรณ

CO + 1/2O2 = CO2 + 283,027.7 kJ/kmol

H2 + 1/2O2 = H2O (ไอ) + 241,159.7 kJ/kmol

H2 + 1/2O2 = H2O (เหลว) + 285,958.4 kJ/kmol

S + O2 = SO2 + 334,944 kJ/kmol

การเผาไหมอยางไมสมบรณ

C + 1/2O2 = CO + 123,091.9 kJ/kmol

การค านวณและสมการเผาไหม

การค านวณสมการเผาไหมสมบรณ

I. เพอทราบปรมาณอากาศขนต าทใชในการเผา

ไหมของเชอเพลงชวมวล หรอเชอเพลงอน ให

เกดการเผาไหมสมบรณ

II. เพอออกแบบ หรอเลอกพดลมส าหรบปอน

ปรมาณอากาศใหกบระบบการเผาไหม เพอให

เกดการเผาไหม

III. ผลผลตทไดจากการเผาไหมสมบรณคอ CO,

H2O, SO2 ขนอยกบชนดและองคประกอบ

ของเชอเพลงทใช และไดพลงงานทงหมด ซง

ไมคดการสญเสย

Example 2. Calculation of complete combustion

∗∗∗

วธท า

13

วธท า

+

วธท า

วธท า Homework's

14

Thank You