Biomass Blending and Biofuel Densification Using Agricultural Residues for Renewable Energy Production

Abstract

Agricultural residues have great potential to provide feedstock for biomass power plant. However, due to their high variation of properties, compositions, and seasonal availability, there are some constraints in using these materials for commercial production of biofuel. The residues are also naturally lower in physical and energy densities. The material blending has become a promising scheme to reduce these limitations and improve the energy efficiency of the agricultural residues. This research thus aims to examine the properties and characteristics of five biomass materials including Rice Stubble (RB), Rice Straw (RW), Sugarcane Leaf (SL), Cassava Leaf (CL), and Cassava Rhizome (CR); to investigate the blending schemes and mixing ratios affecting energy density and durability of densified briquettes and pellets; and to finally evaluate the local potential of applying biomass blending approach to produce biofuel feedstock from agricultural residues. Utilizing proximate analysis, all biomass materials were examined for moisture, volatile matter, fixed carbon, and ash contents. In addition, biochemical properties (hemicellulose, cellulose, and lignin) and High Heat Value (HHV) of crop residues were also analyzed.

According to the seasonal availability, RB, RW, and SL were categorized as a group of high-producing materials. On the other hand, CL and CR were a group of low-producing residues on fields. Therefore, the blending schemes were designed for two-type and three-type blends between high-producing materials (RB, RW, and SL) with various mixing ratios ranging from 0 to 100% (wt.). Following the previous part, the study examined the effect of using CL and CR as the supplement biomass to improve the energy properties of low HHV blended samples. They were added to those samples with 10% increment up to 50% replacement. Proximate analysis and High Heat Value (HHV) were analyzed to indicate the most optimal schemes of blending. The optimal schemes were adopted to produce the briquettes and pellets. The densified biofuels were examined for HHV and the durability indexes including abrasive, impact, compressive, and water resistances. Utilizing one sub-district in Maha Sarakham province as a case study, the crop and residue data were collected and complied from 100 farmers via questionnaire survey. The availability of crop residues was evaluated for local potential of commercial biofuel production.

The results showed that cassava leaves, sugarcane leaves, and cassava rhizomes were among the biomasses with highest HHV (19.29, 17.49, and 16.92 MJ/kg, respectively); high contents of volatiles, fixed carbon, and cellulose; and lower in ash. On the other hand, rice stubble and straw had low HHVs (14.20 MJ/kg and 14.31 MJ/kg, respectively) below the heat standard limit of biofuel product. With two-type and three-type blends between high-producing materials (RB, RW, and SL), the results showed that the blend of SL:RW (80:20) contained the highest HHV (16.08 MJ/kg). The adding of SL demonstrated the significant improvement of samples’ HHVs, meanwhile, blending with RB with RW showed little effect on heat properties. It was found that adding 50% of CL had the highest improvement of HHVs to RB and RW samples. The densification of residues showed that only pelleting form can be densified without binder. It was also found that any pellet blending scheme with CR can improve densification process, pellet quality, and HHVs. The surveyed data showed that although RW was the highest produced in the area, it had the lowest stock (13.4%) for biofuel production. Five crop residues from one sub-district can produce approximately 5,508.90 tons/year with potential to produce 5,909.93 MWh or 2.53 Ktoe.

Agricultural residues with high energy value can be blended in small quantities with widely available agricultural residue materials with low calorific value. The blending approach will provide the alternative use of agricultural waste to produce energy fuels, reduce material shortages and storage costs, and reduce environmental impact of crop residue burning.

วัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรถือว่าเป็นแหล่งวัตถุดิบชีวมวลที่มีศักยภาพสำหรับการผลิตพลังงานทดแทนจากเชื้อเพลิงชีวภาพ อย่างไรก็ตามการผลิตพลังงานจากชีวมวลกลุ่มนี้ยังมีข้อจำกัดมาก เนื่องจากชีวมวลมีคุณสมบัติและองค์ประกอบที่หลากหลาย มีความหนาแน่นทางพลังงานที่ต่ำ และปริมาณวัสดุที่ผันแปรตามปัจจัยการใช้งานและฤดูกาล งานวิจัยในครั้งนี้จึงมีเป้าหมายเพื่อค้นคว้ากระบวนการผสมผสานวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพที่มีประสิทธิภาพ รวมทั้งการประเมินศักยภาพของการใช้ประโยชน์วัสดุชีวมวลดังกล่าวเพื่อการผลิตเชื้อเพลิงอัดแข็ง โดยการศึกษาวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร 2 กลุ่ม ได้แก่ กลุ่มวัสดุประเภทหลักที่มีปริมาณมาก 3 ชนิด (ตอซังข้าว ฟางข้าว และใบอ้อย) และวัสดุประเภทเสริมที่มีปริมาณน้อย 2 ชนิด (ใบมันสำปะหลัง และเหง้ามันสำปะหลัง)

การวิจัยได้วิเคราะห์คุณสมบัติและองค์ประกอบของวัสดุ ประกอบด้วย ปริมาณความชื้น สารระเหย คาร์บอนคงตัว เถ้า ปริมาณเฮมิเซลลูโลส เซลลูโลส ลิกนิน และค่าความร้อน การศึกษาได้ออกแบบกระบวนการผสมผสานวัสดุชีวมวลเป็น 2 แนวทาง คือ 1) การผสมผสานวัสดุประเภทหลัก 3 ชนิด ในรูปแบบต่างๆ โดยใช้อัตราส่วนผสม 0-100 เปอร์เซ็นต์ (โดยน้ำหนัก) 2) การผสมผสานด้วยวัสดุเสริม 2 ชนิดเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางพลังงาน โดยออกแบบการเพิ่มวัสดุเสริมใน ปริมาณ 10-50 เปอร์เซ็นต์ (โดยน้ำหนัก) ตัวอย่างวัสดุจากการผสมผสาน ได้รับการทดสอบคุณสมบัติทางพลังงานและองค์ประกอบโดยประมาณ เพื่อพิจารณาคุณสมบัติตามเกณฑ์ และเข้าสู่กระบวนการขึ้นรูปเชื้อเพลิงอัดแข็ง 2 รูปแบบ ได้แก่ แบบก้อน (briquettes) และแบบเม็ด (pellets) เชื้อเพลิงอัดแข็งที่ผลิตได้จะได้รับการวิเคราะห์คุณสมบัติทางกายภาพ (ความชื้น ขนาดรูปร่าง และความหนาแน่น) ทางพลังงาน (ค่าความร้อน) และความคงทน (การต้านทานการขัดสี การต้านทานการดูดซึมน้ำ การต้านทานการแตกร่วน และการต้านทานแรงกด) สำหรับการประเมินศักยภาพของการผลิตพลังงานจากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร การวิจัยอาศัยกรณีศึกษาพื้นที่ระดับตำบล ของจังหวัดมหาสารคาม การเก็บข้อมูลด้านปริมาณและการใช้ประโยชน์วัสดุชีวมวลในปัจจุบัน โดยการสัมภาษณ์แบบสอบถามกับกลุ่มเกษตรกรที่ปลูกข้าว อ้อย มันสำปะหลัง จำนวน 100 คน ผลที่ได้จากการเก็บรวบรวมข้อมูลดังกล่าวนำไปสู่การวิเคราะห์และประเมินศักยภาพการใช้วัสดุและแนวทางการจัดการวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรเพื่อผลิตพลังงานในระดับตำบล

ผลการศึกษาพบว่า ใบอ้อย ใบมันสำปะหลัง และเหง้ามันสำปะหลัง เป็นกลุ่มวัสดุที่มีปริมาณสารระเหย คาร์บอนคงตัว ลิกนิน และเซลลูโลสในสัดส่วนที่สูง และมีปริมาณเถ้าต่ำ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญและส่งผลต่อค่าความร้อนที่สูงของวัสดุ โดยใบมันสำปะหลัง มีค่าความร้อนสูงที่สุด 19.29 MJ/kg รองลงมา ได้แก่ เหง้ามันสำปะหลัง 17.49 MJ/kg และใบอ้อย 16.92 MJ/kg ตามลำดับ ในขณะที่ตอซังข้าว และฟางข้าว พบว่าเป็นกลุ่มวัสดุที่มีค่าความร้อนที่ต่ำกว่า (14.20 MJ/kg และ 14.31 MJ/kg) เมื่อทำการผสมผสานวัสดุหลักทั้ง 3 ชนิด การศึกษาพบว่าการเพิ่มส่วนผสมของใบอ้อยส่งผลทำให้ค่าความร้อนของตัวอย่างวัสดุมีแนวโน้มสูงขึ้น โดยอัตราส่วนการผสมผสานที่ให้ค่าความร้อนสูงที่สุด ได้แก่ ใบอ้อย:ฟางข้าว (80:20) ซึ่งให้ค่าความร้อน 16.08 MJ/kg ในขณะที่การผสมผสานระหว่างตอซังข้าง และฟางข้าว ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงของค่าความร้อนเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม การผสมผสานชีวมวลรูปแบบต่างๆ พบว่ามีค่าความร้อนที่ผ่านเกณฑ์พิจารณา (14.5 MJ/kg) ยกเว้นชุดตัวอย่างของตอซังข้าว และฟางข้าว ชนิดเดียว 100 เปอร์เซ็นต์ การวิจัยจึงได้ศึกษาอิทธิพลของการเพิ่มปริมาณวัสดุเสริมทั้ง 2 ชนิด ต่อการปรับปรุงค่าความร้อนของตอซังข้าว และฟางข้าว ผลการศึกษาพบว่า การเพิ่มอัตราส่วนผสมของใบมันสำปะหลัง และเหง้ามันสำปะหลัง ส่งผลให้ค่าความร้อนของวัสดุตัวอย่างมีแนวโน้มสูงขึ้น โดยอัตราส่วนผสมของวัสดุที่ให้ค่าความร้อนสูงที่สุด คือ ฟางข้าว:ใบมันสำปะหลัง (50:50) ให้ค่าความร้อน 16.25 MJ/kg

การศึกษาได้ทดสอบการขึ้นรูปเชื้อเพลิงอัดแข็งจากวัสดุเหลือทิ้งการเกษตรที่ผ่านกระบวนการผสมผสาน พบว่าวัสดุดังกล่าวสามารถขึ้นรูปเป็นเชื้อเพลิงได้เพียงรูปแบบของเชื้อเพลิงเม็ด (pellets) โดยไม่ใช้ตัวประสาน ผลจากการศึกษาแสดงให้เห็นว่าตัวอย่างที่มีการผสมผสานเหง้ามันสำปะหลังเข้าไปสามารถอัดขึ้นรูปได้ดีที่สุด พบอัตราการสูญเสียวัสดุน้อย และได้เชื้อเพลิงเม็ดที่มีคุณภาพดี นอกจากนี้เชื้อเพลิงอัดเม็ดที่มีส่วนผสมของเหง้ามันสำปะหลัง ยังพบว่าให้ค่าความร้อนของเชื้อเพลิงที่สูงเช่นกัน มีค่าอยู่ระหว่าง 15.75 - 20.75 MJ/kg อย่างไรก็ตาม การศึกษาพบว่าเชื้อเพลิงอัดเม็ดจากทุกอัตราส่วนของการผสมผสานวัสดุมีค่าจากการทดสอบความคงทนผ่านตามเกณฑ์มาตรฐาน ในส่วนของการประเมินศักยภาพวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรในพื้นที่ศึกษา พบว่า ใบอ้อยและใบมันสำปะหลังเป็นวัสดุที่ไม่มีการนำไปใช้ประโยชน์ใดๆ สามารถนำไปใช้ผลิตพลังงานได้ 100 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่ฟางข้าวถูกนำไปใช้ประโยชน์ในหลากหลายรูปแบบ ดังนั้นปริมาณที่สามารถใช้เพื่อการผลิตพลังงานจึงมีน้อยที่สุด ประมาณ 13.4 เปอร์เซ็นต์ ผลจากการประเมินสถานการณ์จำลองในการศึกษาครั้งนี้พบว่า วัสดุทั้ง 5 ประเภทในพื้นที่ศึกษาสามารถนำมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงได้ 5,508.80 ตันต่อปี มีศักยภาพทางพลังงานไฟฟ้า 5,909.93 MWh หรือประมาณ 2.53 Ktoe

กระบวนการผสมผสานวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรจากการวิจัยในครั้งนี้ สามารถเป็นประโยชน์กับชุมชนในการประยุกต์รูปแบบการผสมผสานและอัตราส่วนต่างๆ ไปใช้เพื่อการผลิตพลังงานทดแทนในรูปแบบเชื้อเพลิงชีวภาพ สำหรับใช้ภายในครัวเรือนหรือการผลิตในเชิงพาณิชย์ นอกจากเป็นการสร้างมูลค่าเพิ่มให้แก่เศษวัสดุเหลือทิ้งแล้ว การนำวัสดุดังกล่าวกลับมาใช้ประโยชน์ยังส่งผลดีต่อสิ่งแวดล้อมจากการลดการเผาทำลายวัสดุหลังฤดูเก็บเกี่ยว อย่างไรก็ตาม ชุมชนจำเป็นต้องบริหารจัดการแนวทางการใช้และผสมผสานวัสดุชนิดต่างๆ ให้เหมาะสมกับปริมาณที่เกิดขึ้นในแต่ละฤดูกาล และลดความเสี่ยงของการขาดแคลนวัสดุสำหรับการผลิตเชื้อเพลิง