Development of Biomass Gasifier Stove Coupled with Bio-Char Production for Household

Abstract

The global demand for biochar in agricultural and carbon sequestration applications is increasing; nevertheless, biochar production using the 50-liter household biomass gasifier stove (50L-HBGS) in Thailand found major issues that need to be improved. The objective of this study was to study the effects of the airflow in the non-uniform combustion core shape (NCCS) on the biochar production characteristic of the 50L-HBGS. The new design of the NCCS was constructed and studied to replace the existing combustion core shape (ECCS) at Mahasarakham University. The height, air inlet, and air outlet diameters of the NCCS were designed at 45, 24, and 11.4 cm, respectively. The NCCS with 21 holes of the pyrolysis gas outlet, a diameter of 4 mm for each, was integrated into the 50L-HBGS and performed comparative tests to the ECCS using 9 kg of bamboo wood chunks in three consecutive experiments. The airflow and the combustion behavior were studied through the stove temperature profiles, which were recorded every 5 minutes using a digital data logger. The biochar products were studied using the scanning electron microscope (SEM) with the energydispersive x-ray spectroscopy (EDS), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and the proximate analysis technique. The study indicated that the 50L-HBGS with the NCCS made significantly improved the airflow rates in the combustion core, resulting in better continuous burning during the ignition state than with the ECCS. Moreover, the pyrolysis temperatures were significantly improved, it was provided temperatures during thepyrolysis process reached higher than 500 oC, resulting in the liquid tar being removed and no unburned wood chunks remaining at the end. Thecharacterization result demonstrated that the 50L-HBGS with the NCCS had created biochar within a range of micropore and macrospore sizes andhigh fixed carbon content, which could be advantageously used for different agricultural and carbon sequestration applications.

ความต้องการถ่านชีวภาพ (Biochar) ทั่วโลก ในการใช้งานทางการเกษตรและการกักเก็บคาร์บอนกำลังเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามการผลิตถ่านชีวภาพโดยใช้เตาชีวมวลแก๊สซิไฟเออร์ในครัวเรือนขนาด 50 ลิตร (50L-HBGS) ในประเทศไทยพบปัญหาสำคัญที่ต้องปรับปรุง งานวิทยานิพนธ์นี้นำเสนอผลของแกนเตาแบบรูปร่างไม่สม่ำเสมอ (NCCS) ต่อลักษณะการผลิตถ่านชีวภาพของเตาชีวมวลแก๊สซิไฟเออร์ในครัวเรือนขนาด 50 ลิตร ซึ่งเดิมมีประเด็นปัญหาสำคัญได้แก่ การเผาไหม้ที่ไม่ต่อเนื่อง ชิ้นไม้ที่เหลืออยู่ในเตาด้านล่างกลายเป็นถ่านชีวภาพไม่หมดเมื่อสิ้นสุดการเผาไหม้ และปัญหาการปนเปื้อนน้ำมันดินเหลวในผลิตภัณฑ์ถ่านชีวภาพ โดยแกนเตาทำจากวัสดุเหล็ก ได้รับการออกแบบและศึกษาที่มหาวิทยาลัยมหาสารคามเพื่อแก้ไขปัญหาข้างต้น ความสูงแกนเตา ช่องลมเข้า และเส้นผ่านศูนย์กลางช่องลมออกของแกนเตาแบบ NCCS ได้รับการออกแบบให้มีขนาด 45, 20 และ 11.4 เซนติเมตร ตามลำดับ เจาะช่องจ่ายแก๊สไพโรไลซิส 21 รู ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 มิลลิเมตร โดยเจาะที่ส่วนโค้งเกือบถึงด้านล่างของแกนเตาแบบ NCCS หลังจากที่แกนเตาแบบ NCCS ประกอบเข้ากับเตาชีวมวลแก๊สซิไฟเออร์ในครัวเรือนขนาด 50 ลิตรแล้ว ได้ทำการทดลองเปรียบเทียบกับแกนเผาไหม้แบบเดิม โดยใช้ท่อนไม้ไผ่เลี้ยงแห้งน้ำหนัก 9 กิโลกรัม ในการทดลองแต่ละครั้ง มีการศึกษาพฤติกรรมการเผาไหม้โดยใช้ภาวะอุณหภูมิของเตาซึ่งบันทึกทุก ๆ 5 นาที โดยใช้เครื่องบันทึกข้อมูลดิจิทัล ศึกษาคุณสมบัติของถ่านชีวภาพโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ร่วมกับเครื่องเอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปีแบบกระจายพลังงาน (EDS) เครื่องสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์ม (FTIR) และเทคนิคการวิเคราะห์แบบประมาณ (Proximate Analysis) การศึกษาแสดงให้เห็นว่าเตาเตาชีวมวลแก๊สซิไฟเออร์ 50 ลิตร ที่มีแกนเตาแบบ NCCS สามารถเผาไหม้ต่อเนื่องได้ดีกว่าเตาที่มีแกนเตาแบบเดิม นอกจากนี้ยังให้อุณหภูมิระหว่างกระบวนการไพโรไลซิสที่สูงกว่า 500 oC ส่งผลให้น้ำมันดินเหลวถูกกำจัดออกไป และไม่มีเศษไม้ที่ยังไม่เป็นถ่านในตอนล่างภายในเตา ผลการวิเคราะห์คุณสมบัติของถ่านชีวภาพ แสดงให้เห็นว่าเตาชีวมวลแก๊สซิไฟเออร์ขนาด 50 ลิตร ที่มีแกนเตาแบบ NCCS สามารถผลิตถ่านชีวภาพที่มีขนาดรูพรุนระดับมาโครสปอร์ในสัดส่วนที่สูงและมีปริมาณคาร์บอนคงตัว (Fixed carbon) สูง ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการใช้งานด้านการเกษตรต่าง ๆ