Properties of Biomass Sources (คุณสมบัติที่สำคัญของชีวมวล)

คุณสมบัติที่สำคัญของชีวมวล (Properties of Biomass Sources) ถือเป็นข้อมูลพื้นฐานสำหรับผู้ที่สนใจในการนำชีวมวลที่ตนมีมาแปลงเป็นพลังงาน เนื่องจากคุณสมบัติเหล่านี้จะเป็นตัวช่วยในการเลือกกระบวนการแปลงชีวมวลเป็นพลังงาน (Conversion process) และบ่งบอกความยากง่ายของการนำชีวมวลที่มีมาแปลงเป็นพลังงานในแต่ละกระบวนการ เพื่อเลือกกระบวนการแปลงชีวมวลเป็นพลังงานให้เหมาะสมที่สุด

คุณสมบัติที่สำคัญของชีวมวล ได้แก่ ค่าความชื้น (Moisture Content) ในชีวมวล, ค่าความร้อน (Calorific Value), สัดส่วนของคาร์บอนคงที่และสารระเหย (Proportion of Fixed Carbon and Volatile), สัดส่วนเถ้า (Ash/Residue Content), สัดส่วนโลหะอัลคาไล (Alkali metal ), อัตราส่วนเซลลูโลส/ลิกนิน (Cellulose/Lignin Ratio)  และ ขนาดและความหนาแน่นรวม (Size and bulk density) (Mckendry, 2002)

ค่าความชื้น (Moisture Content)

ค่าความชื้น (MC) เป็นสัดสวนระหว่างน้ำที่อยู่ในชีวมวลต่อน้ำหนักชีวมวลทั้งหมด ซึ่งความชื้นนี้สามารถแบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ คือ ความชื้นภายใน (Intrinsic Moisture) และความชื้นภายนอก (extrinsic moisture) ความชื้นภายในเป็นค่าความชื้นที่อยู่ในชีวมวลซึ่งเป็นค่าคงที่ซึ่งจะไม่คิดค่าความชื้นที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศ อย่างไรก็ตามค่าความชื้นที่แปรเปลี่ยนตามสภาพอากาศ หรือเเม้กระทั่งความชื้นที่เปลี่ยนแปลงเนื่องจากกระบวนการเก็บเกี่ยว (Mckendry, 2002)

ค่าความชื้นถือเป็นคุณสมบัติหนึ่งที่มีผลต่อกระบวนการแปลงชีวมวลเป็นพลังงานที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกระบวนการแปลงพลังงานโดยใช้ความร้อน ( thermal conversion processing) เมื่อชีวมวลใดยิ่งมีค่าความชื้นมากยิ่งทำให้ค่าความร้อนต่ำ (Low heating Value) ของชีวมวลนั้น ๆ ลดลง ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพในการใช้ความร้อนลดลง (Daniel, 2010) ค่าความชื้นสูงสุดของชีวมวลที่เเนะนำให้ใช้ในหม้อไอน้ำต่างๆ มีดังนี้ ในหม้อไอน้ำเล็ก (Smaller Boiler) ค่าความชื้นของชีวมวลควรไม่เกิน 30-35 %, หม้อไอน้ำแบบ reciprocating grate system  ค่าความชื้นของชีวมวลไม่ควรเกิน 60 % และ หม้อไอน้ำแบบ Stoker ค่าความชื้นของชีวมวลไม่ควรเกิน 25 %  (The carbon trust, 2012)

ค่าความร้อน (Calorific Value)

ค่าความร้อน (CV) เป็นปริมาณความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ด้วยอากาศ (Combustion) ของชีวมวลแต่ละชนิด โดยทั่วไปค่าความร้อนจะแสดงในรูปของปริมาณความร้อนต่อหนึ่งหน่วยน้ำหนักหรือหนึ่งหน่วยปริมาตร ยกตัวอย่างเช่น MJ/kg สำหรับของเเข็ง, MJ/CM (ลูกบาศก์เมตร) สำหรับของเหลว และ MJ/N.CM (ลูกบาศก์เมตรปกติ, Normal Cubic meter ) สำหรับก๊าซ (อ้างอิงที่ อุณหภูมิ 0 °C และความดัน 1.01325  bar) เป็นต้น

ค่าความร้อนสามารถอ้างอิงได้ 2 รูปแบบได้แก่ ค่าความร้อนสูงสุด (higher heating value, HHV) และ ค่าความร้อนต่ำ ( lower heating value, LHV) HHV นี้คือค่าความร้อนสูงสุดของชีวมวลนั้น ๆ เป็นค่าความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการเผ้าไหม้และรวมกับค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอน้ำของความชื้นที่อยู่ในชีวมวลนั้น ๆ ฉะนั้นค่า HHV นั้นไม่ขึ้นอยู่กับค่าความชื้นที่อยู่ในชีวมวล ส่วน LHV คือ ค่าความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้ชีวมวลซึ่งค่าความชื้นจะมีผลโดยตรงกับค่า LHV นี้ (Mckendry, 2000) ความสัมพันธ์ของค่าความร้อนของชีวมวล และค่าความชื้นของชีวมวล สามารถเเสดงในกราฟด้านล่าง

รูป ความสัมพันธ์ของค่าความร้อนและค่าความชื้นของชีวมวล

Source : the carbon trust, (2012)

สัดส่วนของคาร์บอนคงที่และสารระเหย (Proportion of Fixed Carbon and Volatile)

สัดส่วนของคาร์บอนคงที่และสารระเหย (FC and VM) เป็นรูปแบบของพลังงานเคมี (Chemical Energy ) ที่ถูกเก็บไว้ภายในชีวมวลแต่ละชนิด ซึ่งค่าทั้งสองมีความสำคัญในการชี้วัดว่าชีวมวลแต่ละชนิดควรแปลงพลังงานโดย การเผาไหม้ (Combustion) การทำให้เป็นแก๊ส (gasification) หรือ ให้รวมตัวกับออกซิเจน (oxidization)

สัดส่วนเถ้าถ่าน (Ash/Residue Content)

สัดส่วนเถ้าและเศษที่เหลือ (Ash/Residue Content) ในด้านการเผาไหม้ (Combustion) เศษที่ไม่สามารถเผาไหม้ได้จะเรียกว่า ขี้เถ้า ซึ่งเศษเหลือบางชนิดจะอยู่ในรูปของเมือกเนียว ๆ (slag from) ในด้านของการเปลี่ยนด้วยชีวเคมี (biochemical conversion) นั้น เศษที่เหลือจากกระบวนการนี้คือ ปริมาณคาร์บอนที่ไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ (Nonbiodegradable carbon) ปริมาณขี้เถ้าและเศษที่เหลือต่าง ๆ นี้เป็นปัจจัยที่สำคัญปัจจัยหนึ่งในการออกแบบเตาเผาไหม้ชีวมวล (Kritsapon, 2003)

สัดส่วนโลหะอัลคาไล (Alkali metal )

โลหะอัลคาไล (Alkali metal ) ในชีวมวลคือโลหะจำพวก โซเดียม (Na), โพแทสเซียม (K) ,แมกนีเซียม (Mg) , ฟอสฟอรัส (P) และ แคลเซียม (Ca) โลหะอัลคาไลเป็นคุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการเผาไหม้ โลหะอัลคาไลนี้เมื่อถูกความร้อนปริมาณมากจะหลอมเหลวกลายเป็นเมือกเหนียว  (Sticky)   (Mckendry, 2002) ซึ่งบางครั้งวิธีแก้ปัญหาเหล่านี้คือการควบคุมความร้อนในการเผาไหม้ไม่ให้มีอุณหภูมิสูงเกินไป (Daniel, 2010)

อัตราส่วนเซลลูโลส/ลิกนิน (Cellulose/Lignin Ratio)

อัตราส่วนเซลลูโลส/ลิกนิน (Cellulose/Lignin Ratio)  ของชีวมวลนี้เป็นคุณสมบัติสำคัญในการพิจารณาการแปลงชีวมวลเป็นพลังงานโดยวิธีชีวเคมี (biochemical conversion) ความสามารถในกระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพของชีวมวลที่มีอัตราส่วนของเซลลูโลสมากจะค่ามากกว่าของชีวมวลที่มีอัตราส่วนของลิกนินมาก ดังนั้น อัตราส่วนเซลลูโลสนี้มีผลต่อปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น

รูป ตัวอย่างอัตราส่วนเซลลูโลส/ลิกนิน ของชีวมวล

Source : Mckendry, (2002)

ขนาดและความหนาแน่นรวม (Size and bulk density)

ขนาดและความหนาแน่นรวม (Size and bulk density) ของชีวมวลนี้เป็นปัจจัยสำคัญในแง่ของค่าการขนส่งเเละค่าการเก็บรักษา ความหนาแน่นรวมนั้นเป็นข้อมูลที่สำคัญในการออกแบบขนาดที่เก็บชีวมวลให้เหมาะสมเเละเพียงพอต่อความต้องการชีวมวลในกระบวนการต่างๆ ชีวมวลบางชนิด เช่น ฟางข้าวหรือแกลบ จะมีความหนาแน่นน้อยจึงมีปัญหาในการขนส่งมาก แนวทางแก้ไขแนวทางหนึ่งคือ การอัดชีวมวลดังกล่าวให้เป็นก้อนเล็ก ๆ การอัดจะเป็นการเพิ่มความหนาแน่นซึ่งสามารถลดปัญหาค่าขนส่งและขนาดของที่เก็บรักษาไว้ได้

รูป ตัวอย่างความหนาแน่นรวมของชีวมวล

Source : EforE, (2002)

อ้างอิง

Daniel, C., (2010). Renewable and Alternative Energy Fact Sheet: Characteristics of Biomass as a Heating Fuel. The Pennsylvania State University.

EforE. (2002). General biomass data. Energy for Environment Foundation, Bangkok. Biomass energy article 2002, 1, 2-38.

Kritsapon P. (2003). Database of Potential energy from biomass. Master thesis. King Mongkut’s University of Technology Thonburi. Thailand.

McKendry, P. (2002). Energy Production from Biomass (part 1): Overview of Biomass. Bioresource Technology, 83, 37-46

The Carbon Trust. (2012). Biomass Fuel Procurement Guide: Key Considerations for Successful Procurment. The Carbon Trust. UK

Yanwaree, S. (2014). Agricultural Waste to Energy: A Case Study of Nakhon Si Thammarat Province. Master thesis. Asian Institute of Technology. Thailand