6 เทคโนโลยีการผลิตพลังงานจากขยะ

6 เทคโนโลยีการผลิตพลังงานจากขยะ

ในปัจจุบันการผลิตพลังงานจากขยะเพื่อใช้ทดแทนพลังงานจากฟอสซิลได้รับความสนใจมากขึ้น เป็นอีกหนึ่งแนวทางในการแก้ปัญหาที่ยั่งยืน เนื่องจากช่วยแก้ปัญหาเรื่องการเพิ่มขึ้นของปริมาณขยะที่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและชุมชน ซึ่งเป็นปัญหาของประเทศที่นับวันจะทวีความรุนแรงมากขึ้น อีกทั้งยังช่วยแก้ปัญหาในเรื่องการลดลงของแหล่งทรัพยากรที่ใช้ในการผลิตพลังงานได้อีกด้วย

ในปัจจุบันเทคโนโลยีที่ใช้ในการจัดการขยะเพื่อเปลี่ยนสภาพเป็นพลังงานทดแทนมี ดังนี้

1. เทคโนโลยีเตาเผาขยะ (Incineration)
2. เทคโนโลยีย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic Digestion)
3. เทคโนโลยีก๊าซชีวภาพจากหลุมฝังกลบขยะ (Landfill Gas to Energy)
4. เทคโนโลยีผลิตเชื้อเพลิงขยะ (Refuse Derived Fuel: RDF) 5. เทคโนโลยีผลิตก๊าซเชื้อเพลิง (Gasification)
6. เทคโนโลยีพลาสม่าอาร์ค (Plasma arc)

เทคโนโลยีเตาเผาขยะ (Incineration)

คือ การเผาขยะในเตาที่ได้มีการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อให้เข้ากับลักษณะสมบัติของขยะ คือ มีอัตราความชื้นสูง และมีค่าความร้อนที่แปรผันได้ การเผาไหม้จะต้องมีการควบคุมที่ดีเพื่อจะป้องกันไม่ให้เกิดมลพิษและการรบกวนต่อสิ่งแวดล้อม เช่น ก๊าซพิษ เขม่า กลิ่น เป็นต้น ก๊าซซึ่งเกิดจากการเผาไหม้จะได้รับการกำจัดเขม่าและอนุภาคตามที่กฏหมายควบคุม ก่อนที่จะส่งออกสู่บรรยากาศ ขี้เถ้าซึ่งเหลือจากการเผาไหม้ซึ่งมีปริมาตรประมาณ 10% และน้ำหนักประมาณ 25 – 30% ของขยะที่ส่งเข้าเตาเผา จะถูกนำไปฝังกลบ หรือใช้เป็นวัสดุปูพื้นสำหรับการสร้างถนน ส่วนขี้เถ้าที่มีส่วนประกอบของโลหะอาจถูกนำกลับมาใช้ใหม่ได้ นอกจากนั้นในบางพื้นที่ที่มีปริมาณขยะอยู่มาก สามารถที่จะนำพลังงานความร้อนที่ได้จากการเผาขยะมาใช้ในการผลิตไอน้ำ หรือทำน้ำร้อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้

หัวใจของโรงเผาขยะ คือ ระบบการเผาไหม้ซึ่งสามารถแบ่งได้ออกเป็น 2 ประเภท คือ

1. ระบบการเผาไหม้มวล (Mass Burn System)
ซึ่งหมายถึงการเผาทำลายขยะมูลฝอยในสภาพที่รับเข้ามาโดยไม่ต้องมีกระบวนการจัดการเบื้องต้นก่อน เทคโนโลยีนี้ปกติจะเป็นการเผาไหม้ในเตาเผาแบบตะกรับที่เคลื่อนที่ได้ (moving grate) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันแพร่หลายและได้รับการทดสอบแล้ว มีสมรรถนะทางเทคนิคที่ยอมรับได้และสามารถรองรับการเผาทำลายขยะมูลฝอยที่มีองค์ประกอบและค่าความร้อนที่หลากหลาย ระบบที่ได้รับความนิยมรองลงมา คือ ระบบเตาเผาแบบหมุน (rotary kiln)

2. ระบบที่มีการจัดการเบื้องต้น (Burning of Preheated and Homogenized Waste) ซึ่งหมายถึง ระบบที่มีการจัดการขยะเบื้องต้น ก่อนทำการเผาต้องมีระบบเพื่อการลดขนาด การบดตัด และการคัดแยก หรือในบางครั้งอาจมีระบบการผลิตเชื้อเพลิงจากขยะ (Refuse-Derived Fuel : RDF) ซึ่งทำให้มีความยุ่งยากในการปฎิบัติงานมากขึ้น ดังนั้นระบบดังกล่าวจึงมีการใช้งานอยู่ในวงจำกัดทฤษฎี และในทางทฤษฎีอาจจัดให้ใช้เตาเผาแบบฟลูอิดไดซ์เบด (Fluidized Bed) ซึ่งจัดอยู่ในพวกเดียวกัน แต่อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีฟลูอิดไดซ์เบดยั้งจัดว่าเทคโนโลยีที่ใหม่อยู่ และมีการใช้งานเพื่อการเผาทำลายขยะมูลฝอยในวงจำกัด ซึ่งมักใช้ในการกำจัดขยะมูลฝอยอุตสาหกรรม

เทคโนโลยีย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic Digestion)

โดยทั่วไปการใช้เทคโนโลยีย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนในการบำบัดขยะมูลฝอย อินทรีย์ 1 ตัน จะได้ก๊าซชีวภาพประมาณ 100-200 ลูกบาศก์เมตร ก๊าซชีวภาพที่ได้จะมีมีเทนเป็นองค์ประกอบประมาณร้อยละ 55-70 และมีค่าความร้อนประมาณ 20-25 เมกะจูลต่อลูกบาศก์เมตร ซึ่งพลังงานประมาณร้อยละ 20-40 ของพลังงานของก๊าซชีวภาพที่ผลิตได้ จะถูกนำมาใช้ในระบบทั้งในรูปของพลังงานไฟฟ้าและพลังงานความร้อน และจะมีพลังงานไฟฟ้าส่วนที่เหลือประมาณ 75-150 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อตันขยะ ที่สามารถส่งออกไปจำหน่ายได้

การใช้กระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนในการจัดการขยะมูลฝอยชุมชน สามารถแบ่งการทำงานออกเป็น 3 ขั้นตอน ประกอบด้วย

1. การบำบัดขั้นต้น (Pre-treatment/Front-end Treatment) ซึ่งประกอบด้วยการคัดแยก (Sorting) ขยะมูลฝอยอินทรีย์จากขยะมูลฝอยรวม หรือการคัดแยกสิ่งปะปนออกจากขยะมูลฝอยอินทรีย์ และลดขนาด (Size Reduction) ของขยะมูลฝอยอินทรีย์ให้เหมาะสมสำหรับการย่อยสลาย และเพื่อให้เกิดความสม่ำเสมอ (Homogeneity) ของสารอินทรีย์ที่จะป้อนเข้าสู่ระบบ (Feed Substrate) รวมทั้งเพื่อป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับระบบ

2. การย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic Digestion) ซึ่งเป็นขั้นตอนการผลิตก๊าซชีวภาพจากขยะมูลฝอยอินทรีย์สำหรับนำไปใช้เป็นพลังงาน และเพื่อทำให้ขยะมูลฝอยอินทรีย์ถูกย่อยสลายเปลี่ยนเป็นอินทรียวัตถุที่มี ความคงตัว ไม่มีกลิ่นเหม็น ปราศจากเชื้อโรคและเมล็ดวัชพืช โดยอาศัยการทำงานของจุลินทรีย์ในสภาพที่ไร้ออกซิเจน

3. การบำบัดขั้นหลัง (Post-treatment) ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นขั้นตอนการจัดการกากตะกอนจากการย่อยสลายแบบไม่ใช้ ออกซิเจนให้มีความคงตัวมากขึ้น เช่น การนำไปหมักโดยใช้ระบบหมักปุ๋ยแบบใช้อากาศ รวมทั้งการคัดแยกเอาสิ่งปะปนต่าง ๆ เช่น เศษพลาสติกและเศษโลหะออกจากส่วนผสมของขยะอินทรีย์ โดยใช้ตะแกรงร่อน ตลอดจนการปรับปรุงคุณภาพของขยะอินทรีย์ ให้เหมาะสมกับการนำไปใช้ประโยชน์ในการเพาะปลูกพืช เช่น การอบเพื่อฆ่าเชื้อโรคและลดความชื้น เป็นต้น

เทคโนโลยีก๊าซชีวภาพจากหลุมฝังกลบขยะ (Landfill Gas to Energy)

เกิดจากปฏิกิริยาการย่อยสลายทางชีวเคมีของขยะมูลฝอยในบริเวณหลุมฝังกลบ โดยช่วงแรกจะเป็นการย่อยสลายแบบใช้อากาศ จากนั้นจึงเป็นการย่อยสลายแบบไม่ใช้อากาศท้าให้ได้ก๊าซมีเทน คาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ไนโตรเจน โดยปริมาณของก๊าซมีเทนและคาร์บอนไดออกไซด์ที่ได้จะมีมากกว่าก๊าซชนิดอื่น ๆ

โดยมีปัจจัยที่ควรคำนึงถึง ได้แก่

– ความลึกของชั้นฝังกลบขยะมูลฝอยซึ่งควรมีความลึกมากกว่า 12 เมตร ขึ้นไป
– สภาวะไร้ออกซิเจนในพื้นที่ฝังกลบ
– ปริมาณขยะมูลฝอยในพื้นที่ฝังกลบตลอดอายุการดำเนินงานฝังกลบ (เฉลี่ยประมาณ 20 ปี) ซึ่งถ้านำมาผลิตไฟฟ้าควรมีปริมาณ 1 ล้านตัน ขึ้นไป

เทคโนโลยีผลิตเชื้อเพลิงขยะ (Refuse Derived Fuel: RDF)

การใช้ขยะมูลฝอยที่เก็บรวบรวมได้เพื่อการเผาไหม้ โดยตรงมักก่อให้เกิดความยุ่งยากในการใช้งานเนื่องจากความไม่แน่นอนในองค์ ประกอบต่าง ๆ ที่ประกอบกันขึ้นเป็นขยะมูลฝอย ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามชุมชนและตามฤดูกาล อีกทั้งขยะมูลฝอยเหล่านี้มีค่าความร้อนต่ำ และมีปริมาณเถ้าและความชื้นสูง สิ่งเหล่านี้ก่อความยุ่งยากให้กับผู้ออกแบบโรงเผาและผู้ปฎิบัติและควบคุมการ เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมได้ยาก การแปรรูปขยะมูลฝอยโดยผ่านกระบวนการจัดการต่าง ๆ เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและคุณสมบัติทางเคมีของขยะมูลฝอย เพื่อทำให้กลายเป็นขยะเชื้อเพลิง (Refuse Derived Fuel; RDF) ซึ่งจะสามารถแก้ปัญหาดังกล่าวมาข้างต้นได้

โดยขยะเชื้อเพลิง หมายถึง ขยะมูลฝอยที่ผ่านกระบวนการจัดการต่าง ๆ เช่น การคัดแยกวัสดุที่เผาไหม้ได้ออกมา การฉีกหรือตัดขยะมูลฝอยออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ ขยะเชื้อเพลิงที่ได้นี้จะมีค่าความร้อนสูงกว่าหรือมีคุณสมบัติเป็นเชื้อเพลิงที่ดีกว่าการนำขยะมูลฝอยที่เก็บรวบรวมมาใช้โดยตรง เนื่องจากมีองค์ประกอบทั้งทางเคมีและกายภาพสม่ำเสมอกว่า ข้อดีของขยะเชื้อเพลิง คือ ค่าความร้อนสูง (เมื่อเปรียบเทียบกับขยะมูลฝอยที่เก็บรวบรวมมา) ง่ายต่อการจัดเก็บ การขนส่ง การจัดการต่าง ๆ รวมทั้งส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่ำ

วิธีการใช้ประโยชน์จากขยะเชื้อเพลิง ทั้งเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าและความร้อน โดยที่อาจใช้เป็นเชื้อเพลิงภายในที่เดียวกัน หรือมีการขนส่งในกรณีที่ตั้งของโรงงานไม่ได้อยู่ที่เดียวกัน คือ การนำไปใช้เผาร่วมกับถ่านหิน เพื่อลดปริมาณการใช้ถ่านหินลง ตัวอย่างเช่น อุตสาหกรรมซีเมนต์ ได้มีการนำ เทคโนโลยีผลิตเชื้อเพลิงขยะ(Refuse Derived Fuel: RDF) ไปใช้ในกระบวนการผลิตปูนซีเมนต์ ทำให้ลดการใช้ถ่านหินลงไปได

เทคโนโลยีผลิตก๊าซเชื้อเพลิง (Gasification)

เป็นกระบวนการทำให้ขยะเป็นก๊าซโดยการทำปฏิกิริยาสันดาปแบบไม่สมบูรณ์ (partial combustion) กล่าวคือ สารอินทรีย์ในขยะจะทำปฏิกิริยากับอากาศหรือออกซิเจนปริมาณจำกัด ทำให้เกิดก๊าซซึ่งมีองค์ประกอบหลัก ได้แก่ คาร์บอนมอนอกไซด์ ไฮโดรเจนและมีเทน เรียกว่า producer gas ในกรณีที่ใช้อากาศเป็นก๊าซทำปฏิกิริยา ก๊าซเชื้อเพลิงที่ได้จะมีค่าความร้อนต่ำประมาณ 3 – 5 MJ/Nm3 แต่ถ้าใช้ออกซิเจนเป็นก๊าซทำปฏิกิริยา ก๊าซเชื้อเพลิงที่ได้จะมีค่าความร้อนสูงกว่าคือ ประมาณ 15 – 20 MJ/Nm3

กระบวนการผลิตก๊าซเชื้อเพลิงจากเชื้อเพลิงแข็งประกอบไปด้วยกระบวนการสลายตัว (decomposition) และกระบวนการกลั่นสลาย (devolatilization) ของโมเลกุลสารอินทรีย์ในขยะ ที่อุณหภูมิสูงประมาณ 1,200 – 1,400 ºC ในบรรยากาศที่ควบคุมปริมาณออกซิเจน เพื่อผลิตสารระเหยและถ่านชาร์ ในขั้นตอนของกระบวนการกลั่นสลายหรือที่เรียกว่าไพโรไลซิส (pyrolysis) ขยะจะสลายตัวด้วยความร้อนเกิดเป็นสารระเหย เช่น มีเทน และส่วนที่เหลือยังคงสภาพของแข็งอยู่เรียกว่า ถ่านชาร์ สารระเหยจะทำปฏิกิริยาสันดาปแบบไม่สมบูรณ์ต่อที่อุณหภูมิสูงหรือปฏิกิริยา ทุติยภูมิ (secondary reaction) ในขณะที่ถ่านชาร์จะถูกก๊าซซิฟายต่อโดยอากาศ ออกซิเจน หรือไอน้ำ ได้เป็นก๊าซเชื้อเพลิง ปฏิกิริยาที่กล่าวมาทั้งหมดนี้จะเป็นตัวกำหนดองค์ประกอบของก๊าซเชื้อเพลิง

รูปแบบการใช้งานก๊าซเชื้อเพลิง เช่น การ ให้ความร้อนโดยตรง ผลิตไฟฟ้า หรือใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับพาหนะ จะเป็นตัวกำหนดองค์ประกอบของก๊าซเชื้อเพลิง การกำจัดปริมาณของน้ำมันทาร์และฝุ่นละอองในก๊าซเชื้อเพลิง ปัจจัยที่กำหนดสัดส่วนองค์ประกอบของก๊าซเชื้อเพลิง คือ ชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ สภาวะความดัน และอุณหภูมิ ส่วนคุณลักษณะของขยะจะเป็นปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อพฤติกรรมทางด้านเคมีความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์ในแง่ของประสิทธิภาพของระบบ ซึ่งก๊าซเชื้อเพลิงที่ได้สามารถนำไปใช้กับเครื่องยนต์สันดาปภายในการเผาในกังหันก๊าซหรือหม้อไอน้ำ

เทคโนโลยีพลาสม่าอาร์ค (Plama Arc)

การนำเทคโนโลยีพลาสมาอาร์คมาประยุกต์ใช้ในงานด้านสิ่งแวดล้อมสำหรับกำจัดขยะติดเชื้อ ขยะอันตราย ตลอดจนขยะมูลฝอย ที่มีความแปรปรวนทั้งด้านคุณสมบัติทางกายภาพ คุณสมบัติด้านเคมีสูง

โดยกระบวนการพลาสมาอาร์คจะอาศัยหลักการปล่อยกระแสไฟฟ้าเพื่อให้ความร้อนกับแก๊ส (ไนโตรเจน, ออกซิเจน, อากาศ เป็นต้น) เพื่อสร้างอุณหภูมิเปลวแก๊สให้มีความร้อนสูงมากในช่วง 2,200-11,000 ๐C จึงสามารถกำจัดขยะมูลฝอย ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ต้นแบบฯ สามารถรองรับขยะติดเชื้อ ได้ถึง 200-300 กิโลกรัม/ชั่วโมง

โดยมีอุปกรณ์หลัก คือ

(1) ชุดพลาสมาอาร์ค ซึ่งประกอบด้วย

– หัวพลาสมา (Plasma Arc Torch) ซึ่งผลิตจากวัสดุทนอุณหภูมิสูง
– ชุดขั้วไฟฟ้า (Electrode)
– ชุดหัวฉีดแก๊ส (Gas injectors)
– ชุดจุดประกายไฟฟ้า (Sparker)
– ชุดลดอุณหภูมิของหัวพลาสมา (Water cooling system)
– ชุดอุปกรณ์จ่ายกระแส (Power Supply)
– ชุดควบคุมระบบ (Control Panel)

(2) เทคโนโลยีเตาเผา ซึ่งพัฒนาขึ้นมา 2 ระบบ คือ

– ระบบเตาเผาไหม้โดยตรง (Plasma Incinerator) เพื่อกำจัดขยะติดเชื้อ ควบคู่กับการการผลิตความร้อน

– ระบบเตาแก๊สซิไฟเออร์ (Plasma Gasifier) เพื่อเปลี่ยนรูปสารอินทรีย์ในขยะติดเชื้อให้กลายเป็นแก๊สเชื้อเพลิง แล้วนำแก๊สเชื้อเพลิงที่ได้ไปใช้ผลิตไฟฟ้าด้วยเครื่องยนต์สันดาปภายใน

เทคโนโลยีพลาสม่าอาร์คจึงถือเป็นเทคโนโลยีการกำจัดขยะติดเชื้อควบคู่กับการผลิตพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ที่มา: http://www2.dede.go.th/km_ber/inneract/s4-1.pdf และ กระทรวงพลังพลังงาน

เรื่องที่น่าสนใจ

เปลี่ยนขยะเป็นพลังงานทดแทน

เปลี่ยนขยะเป็นพลังงานทดแทน

ไม้โตเร็ว 5 ชนิด ที่มีศักยภาพในการปลูกเป็นเชื้อเพลิงทางเลือก

ไม้โตเร็ว 5 ชนิด ที่มีศักยภาพในการปลูกเป็นเชื้อเพลิงทางเลือก

สำรวจ 5 แนวทางการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

สำรวจ 5 แนวทางการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

เปลี่ยนซังข้าวโพดเป็นพลังงาน

เปลี่ยนซังข้าวโพดเป็นพลังงาน