การแปรสภาพเป็นแก๊ส

กระบวนการแปรสภาพเป็นแก๊ส (อังกฤษ: Gasification) เป็นการเปลี่ยน รูปพลังงานจากชีวมวลซึ่งเป็นเชื้อเพลิงแข็งให้เป็นเชื้อเพลิงแก๊ส(แก๊สเชี้อเพลิง) โดยให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 700°C ผ่านตัวกลางของกระบวนการเช่น อากาศ ออกซิเจนที่มีจำนวนจำกัด หรือไอน้ำ ซึ่งกระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่นจะมีความแตกต่างจากกระบวนการเผาไหม้อย่างสิ้นเชิงโดยการเผาไหม้เป็นการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นอย่างสมบูรณ์ในหนึ่งกระบวนการเท่านั้น แต่สำหรับกระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่นเป็นการเปลี่ยนรูปพลังงานเคมีภายในของคาร์บอนในชีวมวลไปเป็นแก๊สที่สามารถเผาไหม้ได้ (Combustible Gas) โดยอาศัยปฏิกิริยา 2 กระบวนการ โดยแก๊สที่ผลิตได้จะมีคุณภาพที่ดีกว่าและง่ายต่อการใช้งานกว่าชีวมวล ยกตัวอย่างเช่น สามารถใช้เดินเครื่องยนต์แก๊ส และกังหันแก๊ส (Gas Turbine) หรือใช้เพื่อผลิตเชื้อเพลิงเหลวต่อไป อีกนัยหนึ่ง กระบวนการแปรสภาพเป็นแก๊สเป็นกระบวนการเปลี่ยนรูปทางด้านเคมีความร้อน (Thermochemical Conversion Process) โดยอาศัยอากาศ ออกซิเจน หรือไอน้ำ ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า

ประวัติ

รถยนต์ใช้พลังแก๊สจากถ่านไม้ในสมัยสงครามโลกครั้งที่สอง

มนุษย์ใช้ขบวนการนี้มานานแล้ว แต่มาเล็งเห็นความสำคัญเป็นอย่างมากในระหว่างสงครามโลกครั้งที่สอง เกิดการขาดแคลนน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างหนัก จึงมีนักประดิษฐ์แถบประเทศสแกนดิเนเวีย คิดค้นรถยนต์วิ่งด้วยถ่านไม้ขึ้น โดยมีรถยนต์และเครื่องจักรทางการเกษตรนับล้านคันทั่วโลกวิ่งด้วยแก๊สไม้นี้ แต่เมื่อน้ำมันเริ่มหาได้ง่ายขึ้น การพัฒนาเชื้อเพลิงดังกล่าวจึงได้หมดไป จนกระทั่งปลายทศวรรษที่ 1980 หน่วยงานบริหารในสถาณะการฉุกเฉินของสหรัฐฯ จึงได้อนุญาตให้มีการตีพิมพ์เอกสารเพื่อเป็นมาตรฐานในการผลิตเชื่อเพลิงในยามฉุกเฉินโดยวิธี gasification ขึ้น

ปฏิกิริยา

สามารถสรุปเป็นปฏิกิริยาต่าง ๆ ได้ดังนี้

1. ปฏิกิริยาออกซิเดชั่นบางส่วน (Partial Oxidation) ทำให้เชื้อเพลิงชีวมวลแห้งที่อุณหภูมิประมาณ 100°C

21C+OCO2↔ dH=-268 MJ/kg mole

2. ปฏิกิริยาออกซิเดชั่นโดยสมบูรณ์ (Complete Oxidation) แก๊สที่ได้จะถูกป้อนกลับไปเผาอีกครั้ง

22C+OCO↔ dH=-406 MJ/kg mole

3. ปฏิกิริยาแก๊สน้ำ (Water Gas Reaction)

22C+HOCO+H↔ dH=+118 MJ/kg mole

การกลั่นและการสลายตัวของสารอินทรีย์ในรูปของแข็งที่อุณหภูมิ ประมาณ 370-870 องศาเซลเซียส ในภาวะไร้อากาศ

โดยปฏิกิริยาที่ 1 และ 2 เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ส่วนปฏิกิริยาที่ 3 เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน จากปฏิกิริยาดังกล่าวจะเห็นได้ว่ามีการปลดปล่อยพลังงานออกมาจากกระบวนการออกซิเดชั่นบางส่วนของการเปลี่ยนคาร์บอนไปเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งพลังงานดังกล่าวมีค่าถึง 65% ของพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาในระหว่างปฏิกิริยาออกซิเดชั่นโดยสมบูรณ์ ซึ่งกระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่นจะแตกต่างจากกระบวนการเผาไหม้ตรงที่การเผาไหม้จะปลดปล่อยผลิตภัณฑ์แก๊สร้อน คาร์บอนมอนอกไซด์ ไฮโดรเจนและไอน้ำซึ่งจะนำไปสู่ปฏิกิริยาในระหว่างกระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่นดังนี้

4. ปฏิกิริยาเปลี่ยนน้ำเป็นแก๊ส (Water Gas Shift Reaction)

CO+H2O ↔ CO2 +H2 dH=-42 MJ/kg mole

การแปรสภาพจากถ่าน char เป็นแก๊ส

5. ปฏิกิริยาการเกิดมีเทน (Methane Formation)

242 CO+3H ↔ CH +H O dH=- 88 MJ/kg mole

ดังนั้นแก๊สที่ผลิตได้จะมีส่วนผสมของคาร์บอนมอนอกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน ไฮโดรเจนและไอน้ำ บางครั้งถูกเรียกว่า ซินแก๊ส(syngas) คุณภาพของแก๊สนี้จะขึ้นอยู่กับตัวแทนในการเกิดปฏิกิริยา (Gasifying Agent), วิธีการในการเดินเตาผลิตแก๊สและเงื่อนไขของการเกิดปฏิกิริยา โดยส่วนใหญ่แล้วตัวแทนในการเกิดปฏิกิริยามักจะเป็นอากาศ ออกซิเจนหรือไอน้ำโดยอาจจะมีการเร่งปฏิกิริยาให้เกิดเร็วขึ้นได้ (Catalytic Gasification) ซึ่งจะส่งผลต่อสมรรถนะและประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ

ตัวเปลี่ยนสภาพจากของแข็งเป็นแก๊สซึ่งประกอบด้วยเตาเผาแบบ downdraft ด้านหลังสุด, ตัวกรอง tar, ตัวหล่อเย็น และตัวกรองแก๊ส แถวหน้าสุดจากซ้ายไปขวา

syngas เป็นแก๊สเชี้อเพลิงชนิดหนึ่ง ถ้าสารอินทรีย์ที่ถูกนำมาเผา เป็นสารชีวมวลหรือมวลชีวภาพ หรือเป็นสิ่งที่เหลือใช้จากขบวนการผลิตอื่นๆ แก๊สที่ได้นี้จะถูกเรียกว่าเป็นพลังงานหมุนเวียนชนิดหนึ่ง

syngas มีประสิทธิภาพในการเผาใหม้หรือการสันดาปสูงกว่าเชื้อเพลิงอื่นเพราะเผาใหม้ที่อุณหภูมิสูงกว่า สามารถนำมาเป็นเชื้อเพลิงเผาใหม้โดยตรงกับเครื่องยนต์แก๊ส หรือนำมาผลิตเมทานอลและไฮโดนเจน หรือแก๊สสังเคราะห์อื่นๆ Gasification ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้น ในการทำเตาปรุงอาหารความร้อนสูงและนำ syngas มาผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านเครื่องยนต์ที่ใช้แก๊ส

ผลผลิตจากขบวนการ gasification นี้ นอกจาก syngas แล้ว ยังมีน้ำมันดิน หรือ tar และอาจมีสารมีพิษอื่น ซึ่งจะต้องกรองออกก่อน นอกจากนั้น syngas ที่ออกมาในขบวนการแรก ยังมีความร้อนสูงด้วย ดังนั้นก่อนนำมาใช้ ควรต้องกรองให้สะอาดและลดอุณหภูมิลง มิฉะนั้น แก๊สนี้จะทำให้เครื่องยนต์แก๊สเสียหายได้ อนึ่ง ถ้าสารอินทรีย์ที่ใช้เผาเป็นไม้ จะได้น้ำส้มควันไม้ที่ใช้เป็นปุ๋ยได้ด้วย