รู้ทันนักวิจัย (๒) จุดเริ่มต้นของทางเลือก MO Memoir : Thursday 6 April 2560

กระบวนการผลิตกระดาษเป็นกระบวนการหนึ่งที่มีการใช้พลังงานสูง ไม่ว่าจะเป็นในส่วนของการทำเยื่อกระดาษและการทำให้กระดาษที่ได้นั้นแห้ง มีการใช้น้ำในปริมาณมาก และยังผลิตน้ำเสียที่มีสารอินทรีย์เจือปนในปริมาณสูง ด้วยเหตุนี้จึงไม่ใช่เรื่องแปลกที่มีคนสนใจหาวิธีการประหยัดพลังงานและ/หรือเปลี่ยนสารอินทรีย์ที่เป็นของเสียจากกระบวนการผลิตนั้นให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ตัวอื่นที่มีมูลค่าสูงขึ้น
 

รูปที่ ๑ ข้างล่างเป็นแผนผังกระบวนการผลิตกระดาษที่มีชื่อว่า Kraft process ที่มีนิสิตป.เอกคนหนึ่งนำมาจากบทความวิชาการฉบับหนึ่ง (วารสารอินเตอร์ด้วย) โดยนำมานำเสนอเมื่อวันศุกร์สิ้นเดือนที่ผ่านมาในชั่วโมงวิชาสัมมนา ถ้าใครยังไม่รู้ว่า Kraft process เป็นอย่างไร ก็สามารถไปอ่านรายละเอียดที่ https://en.wikipedia.org/wiki/Kraft_process ได้นะครับ ตรงนั้นเขาเขียนไว้ดีแล้ว (แต่เป็นภาษาอังกฤษ) ลองดูรูปนี้เอาเองเล่น ๆ ก่อนนะครับ
 

ในรูปที่ ๑ นั้น จุดที่มีการผลิตพลังงานความร้อนเพื่อใช้ในกระบวนการมีอยู่ด้วยกัน ๓ ตำแหน่ง ดังนี้

ตำแหน่งที่ (1) คือที่ Lime Kiln ที่ทำหน้าที่เปลี่ยน CaCO₃ ให้กลายเป็น CaO ตรงนี้ใช้แก๊สธรรมชาติ (CH₄) เป็นเชื้อเพลิง
 

ตำแหน่งที่ (2) คือ Recovery boiler ที่ทำการเผา Smelt (หรือ Heavy black liquor) โดยที่ตัวสารอินทรีย์ที่อยู่ใน Smelt นั้นทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงในการเผาไหม้ ตรงนี้จะทำการเปลี่ยน Na₂SO₄ เป็น Na₂S
 

ตำแหน่งที่ (3) คือ Biomess boiler ที่ทำการเผา Bark (ในที่นี้แปลว่า "เปลือกไม้" นะ (แต่น่าจะครอบคลุมไปยังเศาไม้ (หรือ wood chip) ด้วย) ไม่ได้แปลว่า "เห่า")

รูปที่ ๑ แผนผังกระบวนการผลิตกระดาษด้วย Kraft process 
  

ตรงจุดนี้ผมว่าเราสามารถลองตั้งคำถามเพื่อทำการทดสอบว่าผู้ที่ทำวิจัยนั้นเข้าใจเงื่อนไขต่าง ๆ ของกระบวนการผลิตดีหรือเปล่า เพราะการที่จะพัฒนาหรือปรับปรุงกระบวนการใดนั้น ก็ควรต้องทราบก่อนว่ากระบวนการดังกล่าวในความเป็นจริงมีข้อกำหนดและ/หรือข้อจำกัดใดบ้าง เพื่อที่การปรับปรุงนั้นจะได้ไม่ละเมิดข้อกำหนดและ/หรือข้อจำกัดดังกล่าว และคำถามหนึ่งที่ผมถามขึ้นมาเล่น ๆ ในระหว่างชั่วโมงสัมมนาคือ "ทำไมจึงไม่ทำการเผาตัว Smelt หรือ Bark ที่ Lime kiln เลย จะได้ไม่ต้องจัดหามีเทนมาเป็นเชื้อเพลิง"
 

คำตอบของตรงนี้คงต้องไปพิจารณาเรื่อง "ปริมาณความร้อนที่ต้องการ" และ "อุณหภูมิ" ที่ต้องการ เชื้อเพลิงที่มีปริมาณมาก แต่มีค่าความร้อนต่ำ ไม่สามารถผลิตแก๊สร้อนอุณหภูมิได้ ก็ไม่สามารถนำมาให้ความร้อนในกระบวนการที่ต้องการอุณหภูมิสูงได้ นอกจากนี้ยังอาจต้องพิจารณาครอบคลุมไปยังรูปแบบการเผาและการถ่ายเทความร้อน โดยเฉพาะการให้ความร้อนจากเปลวไฟโดยตรง ถ้าหากเชื้อเพลิงที่ใช้นั้นเกิดเถ้าได้หลังการเผา ก็ต้องพิจารณาด้วยว่าเถ้านั้นจะก่อปัญหาอะไรให้กับสิ่งที่ต้องการเผาหรือไม่
 

ผู้เขียนบทความดังกล่าวได้นำเสนอแนวทางด้วยการเปลี่ยน Wet biomass ให้กลายเป็นแก๊สสังเคราะห์ (Synthesis gas หรือที่มักจะเรียกกันย่อ ๆ ว่า Syn gas) ก่อน จากนั้นจึงค่อยพิจารณาทางเลือกในการใช้ Syn gas ที่ได้นี้ ๓ ทางเลือกด้วยกันดังแสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่างคือ 
  

Case A นำไปใช้เป็นเชิ้อเพลิงใน Lime Kiln
 

Case B นำไปผลิตไฟฟ้าด้วยกังหันแก๊สและผลิตไอน้ำต่อ
 

Case C นำไปเข้าสู่กระบวนการเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์อื่น
 

ตรงจุดนี้ไม่ได้นำเอาส่วน Recovery boiler เข้ามาเกี่ยวข้อง เพราะการเผาตรงนั้นมันมีความจำเป็นของมันอยู่

ประเด็นหนึ่งเห็นว่าน่าสนใจที่จะนำมาพิจารณาคือ "ทำไมต้องเริ่มต้นการเปรียบเทียบที่ Syn gas" ไม่เริ่มต้นที่ Wet biomass เพราะการผลิตความร้อนเพื่อใช้กับ Lime Kiln และผลิตไอน้ำและไฟฟ้านั้น ไม่จำเป็นต้องใช้ Syn gas

รูปที่ ๒ ทางเลือก ๓ ทางของการใช้ Wet biomass ที่นักวิจัยนำเสนอในบทความ
 

การเปลี่ยนเชื้อเพลิงฟอสซิลแข็งให้กลายเป็นแก๊สก่อนมันมีข้อดีตรงที่ การส่งแก๊สไปใช้งานยังส่วนต่าง ๆ มันง่ายกว่าในการส่งของแข็ง (แก๊สส่งไปตามท่อได้) แต่การเปลี่ยนให้เป็นแก๊สด้วยการผลิต Syn gas นั้นต้องมีการสูญเสียเชื้อเพลิงฟอสชิลแข็งไปส่วนหนึ่งเพื่อที่จะให้ความร้อนแก่ตัวมันเอง เพื่อให้เชื้อเพลิงฟอสซิลแข็งนั้นสลายตัวกลายเป็นแก๊ส ดังนั้นควรต้องตรวจสอบด้วยว่าการสูญเสียตรงนี้มีการนำมาคิดคำนวณด้วยหรือไม่ และควรพิจารณาครอบคลุมไปถึงพลังงานที่ต้องใช้ทั้งหมดในการทำให้ Syn gas ที่ผลิตได้นั้นอยู่ในสภาพที่สามารถใช้งานได้ (เช่น การกำจัดสิ่งปนเปื้อน การเพิ่มความดัน การดักเอาส่วนที่ควบแน่นเป็นของเหลวได้ออก และการจัดการกับของเหลวที่ควบแน่นได้) ซึ่งประเด็นเหล่านี้มักจะไม่ปรากฏในการทำ simulation ทั้งนี้เพื่อทำให้การคำนวณนั้นมันง่ายขึ้น (แต่ถ้าจะสร้างขึ้นจริง สิ่งเหล่านี้มันเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ว่าต้องมี) 
  

นอกจากนี้การเปลี่ยนชีวมวลที่เป็นของแข็งหรือสารละลายอยู่ในน้ำให้กลายเป็นเชื้อเพลิงที่เป็นแก๊สนั้นไม่ได้มีเพียงแค่การผลิต Syn gas ระบบผลิตแก๊สชีวภาพจากบ่อบำบัดแบบไม่ใช้อากาศก็สามารถผลิตแก๊สมีเทนได้ (แต่คงต้องใช้พื้นที่มากและใช้เวลาในการเปลี่ยนหน่อย และถ้าเป็นของแข็งแบบไม้ก็คงจะทำได้ยาก) ด้วยเหตุนี้ในบทความตอนที่ ๑ ผมถึงได้กล่าวไว้ว่าเราควรต้องมีภาพกว้างก่อนว่า การที่จะให้บรรลุวัตถุประสงค์ที่ต้องการ (ในที่นี้คือการเปลี่ยนเชื้อเพลิงสารอินทรีย์ที่เป็นแข็งหรือปนอยู่ในน้ำ ให้กลายเป็นแก๊สนั้น มันมีกี่วิธีการที่สามารถทำได้ และควรนำเอาวิธีการเหล่านี้มาพิจารณาด้วย)
 

ในกรณีของ Case B ในรูปที่ ๒ ที่ใช้ Syn gas เป็นเชื้อเพลิงในระบบ combined cycle ที่ใช้ทั้งกังหันแก๊สและกังหันไอน้ำผลิตทั้งไฟฟ้าและไอน้ำ ตรงนี้คงไม่เถียงว่าการใช้ระบบนี้มีประสิทธิภาพสูงกว่าการใช้กังหันไอน้ำเพียงอย่างเดียว (คือนำเอาชีวมวลที่เป็นของแข็งมาเป็นเชื้อเพลิงผลิตไอน้ำโดยตรงเลย) แต่นำการสูญเสียในช่วงการผลิต Syn gas เข้ามาพิจารณาร่วมแล้วก็ไม่น่าจะแปลกใจถ้าหากจะพบว่ามันมีประสิทธิภาพต่ำกว่า (เพราะถ้ามันดีกว่าจริง โรงไฟฟ้าถ่านหินก็คงจะไม่เหลือแล้ว เพราะคงเอาถ่านหินไปผลิต Syn gas กันก่อน)
 

อีกประเด็นที่ควรพิจารณาคือ "อุณหภูมิ" ของแก๊สร้อนที่ได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิง ว่ามันสูงเพียงพอสำหรับการทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีหรือกระบวนการผลิตหรือไม่ อุณหภูมิของแก๊สร้อนที่ได้นี้ขึ้นอยู่กับปริมาณขององค์ประกอบที่เผาไหม้ได้และคายความร้อนออกมา กับองค์ประกอบที่ไม่ให้พลังงานความร้อนใด ๆ แต่มีร่วมอยู่ในกระบวนการเผาไหม้ องค์ประกอบที่ไม่ให้ความร้อนใด ๆ นี้เป็นตัวทำให้อุณหภูมิแก๊สร้อนที่ได้นั้นลดลง (เพราะความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้นั้นต้องแบ่งไปให้กับส่วนนี้ด้วย) ถ้ามองไม่เห็นภาพก็ขอให้นึกถึงกรณีเผาไหม้อะเซทิลีนด้วยอากาศ (ที่มีไนโตรเจน 79%) กับการเผาไหม้อะเซทิลีนด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์ (ที่ใช้ในการตัดเหล็ก) เปลวไฟที่ได้จากการเผาไหม้ด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์นั้นจะสูงกว่าเปลวไฟที่ได้จากการเผาไหม้ด้วยอากาศ เพราะไม่จำเป็นต้องแบ่งพลังงานความร้อนที่คายออกมาเพื่อทำให้ส่วนที่เป็นแก๊สไนโตรเจนมีอุณหภูมิสูงขึ้น และตัว Syn gas เองนั้นก็ไม่ได้มีแต่องค์ประกอบที่เผาแล้วให้พลังงานความร้อนออกมาได้ มันยังมีคาร์บอนไดออกไซด์รวมอยู่ด้วย (อันที่จริงตอนผลิตมันมีไอน้ำปนอยู่ด้วย แต่สามารถควบแน่นออกไปก่อนได้)
 

นอกจากนี้การนำ Syn gas ไปใช้งานในแต่ละกรณีนั้น ยังต้องการแก๊สที่ความดันที่แตกต่างกัน และพลังงานที่ต้องใช้ในการอัดแก๊สก็จัดได้ว่าเป็นส่วนสำคัญส่วนหนึ่งของกระบวนการผลิต ดังนั้นควรต้องนำประเด็นตรงจุดนี้เข้ามาพิจารณาด้วยถ้าหากต้องการจะพิจารณาลงลึกลงไป กระบวนการผลิตเมทานอลเป็นกระบวนการความดันสูง (ขึ้นไปถึงระดับหลายร้อยเท่าของความดันบรรยากาศได้) การผลิตไฟฟ้าด้วยกังหันแก๊สก็ต้องอัดแก๊สเชื้อเพลิงให้มีความดันสูงเช่นกันก่อนการจุดระเบิด และการเผาแก๊สในเตาเผาก็ต้องการแก๊สที่มีความดันเช่นกัน ซึ่งระดับความดันที่ต้องการในแต่ละกรณีนั้นไม่เท่ากันด้วย

จากตัวอย่างนี้ก็คงจะพอมองเห็นบ้างนะครับว่าด้วยการปรับแต่งข้อมูลที่นำมาพิจารณา เราก็สามารถปรับแต่งว่าจะให้ข้อสรุปที่จะได้นั้น ชี้ไปที่ทางเลือกใด

เรื่องนี้ไม่ได้เขียนให้นักวิจัยอ่าน แต่เขียนให้คนที่ต้องทำงานกับนักวิจัยอ่าน