วันพฤหัสบดีที่ 6 เมษายน พ.ศ. 2560

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

ไม่มีความคิดเห็น: