Enhancing Energy Performance of Perennial-Grass Feedstock

Abstract

Utilizing perennial grasses as feedstock for bio-power plants has gained more attention due to the rising costs of current biomass materials and their seasonal availability. Despite its high energy content and yield, perennial grasses have some disadvantages such as lower in density and durability. Nevertheless, the improvement of energy density and fuel efficiency can be achieved through the biomass densification approach. The objectives of this study, thus, aims to analyze the proximate compositions and energy contents of perennial grasses; to investigate the producing factors affecting the durability and energy efficiency of densified biomass; and to assess the potential of using perennial grasses as the alternative feedstock for bioenergy production. Using proximate analysis, 10 species of grasses in North-eastern Thailand were examined for moisture, volatile matter, fixed carbon, and ash contents. Fiber contents, High Heat Value (HHV), and elemental properties of grasses were also analyzed. For the biomass densification process, the factors influencing energy density and durability including fuel types, binding agent content, and compressive forces were investigated. Two types of densified biomass, pellet and briquette, were produced by using starch as binding agent with ratio of 0 to 40% (wt.). For briquette samples, the compressive force was varied from 1 to 3 MPa. In terms of densified biomass durability, the research examined four durability indexes including abrasive, impact, compressive, and water resistances. The combustion behaviour of selected fuel samples was examined using Thermogravimetric Analysis.

The research findings show that three species of perennial grasses including Pennisetum purpureum x P. glaucum (Pakchong 1) (PC), Paspalum atratum (PA), Panicum maximum (Mombaza) (MB) possess the best quality of biomass fuel in terms of the high contents in fixed carbon, volatile matter, and lignin and lower in ash, sulfur, and nitrogen components. As the results, PA demonstrates the highest HHV (16.67 MJ/kg), followed by PC (16.58 MJ/kg) and MB (16.46 MJ/kg), respectively. These heat values are higher than that of rice husk and wood chip mix (MHW) (15.8 MJ/kg) that is commonly used as feedstock for bio-power plants. In addition, these species can yield 3-8 T/rai/year (18.75-50 T/ha/year). For the densification process, although the briquette and pellet samples containing 40% (wt.) binding agent show the significantly high levels of durability indexes, heat values, and energy density, the study also considers other factors in order to select the most suitable conditions for fuel production such as binder cost, durability standard, and energy production compared to the use of MHW. Therefore, the results suggests that the 70:30 (wt.) grass dry mass to starch ratio of both briquettes and pellets demonstrate the comparable values of heat and energy density to MHW. The PC briquettes (compressed force 1 MPa) contain HHV of 16.4 MJ/kg and energy density of 3,028 MJ/m3, meanwhile PC pellets have the same HHV (16.4 MJ/kg) and higher energy density 4,717 MJ/m3. To evaluate the power generation from biomass feedstock, the study used estimating equations and found that PC pellet can used to generate 15.8 MW of electricity followed by PC briquettes (9.8 MW) and MHW (8.8 MW), respectively. The durability of these two products also meets the durability standards with all resistant indexes higher than 70%. In terms of combustion behavior, the study finds that PC briquettes and PC pellets provide the higher maximum combustion rate of 53.89 and 61.16 %/min compared to that of MHW (23.47 %/min.). This higher rate of weight loss can contribute to the lower requirement of feedstock and the enhancement of fuel combustion efficiency. In conclusion, the biomass from perennial grasses has the potential of being used as alternative feedstock for bioenergy production due to the energy properties and yields. The densification process of both briquette and pellet can enhance the physical properties of grass biomass, in particular energy density, which provides the advantages of heat production and electricity generation over the commonly used MHW fuel. Moreover, the densification can also improve the durability of grass biomass and benefit to the feedstock storage and handling for seasonal variation and availability.

การใช้หญ้าหลายฤดูเป็นวัสดุสำหรับโรงไฟฟ้าชีวมวลได้รับความสนใจมากขึ้น เนื่องจากต้นทุนวัสดุชีวมวลในปัจจุบันที่เพิ่มสูงขึ้นและการขาดแคลนของวัสดุ ถึงแม้ว่าจะมีปริมาณพลังงานและผลผลิตสูง แต่หญ้าหลายฤดูก็มีข้อเสียเปรียบ คือ ความหนาแน่นและความทนทานต่ำ อย่างไรก็ตามการปรับปรุงความหนาแน่นพลังงานและประสิทธิภาพของเชื้อเพลิงสามารถทำได้โดยวิธีการอัดแข็งชีวมวล การศึกษาจึงมีวัตถุประสงค์เพื่อวิเคราะห์คุณสมบัติทางกายภาพ เคมี ชีวเคมี และด้านพลังงานของหญ้าหลายฤดู ศึกษากระบวนการผลิตเชื้อเพลิงอัดแข็ง ปัจจัยที่ส่งผลต่อความคงทน และประสิทธิภาพการให้พลังงาน ตลอดจนการใช้เชื้อเพลิงอัดแข็งจากหญ้าหลายฤดูเป็นวัสดุทางเลือกสำหรับโรงไฟฟ้าชีวมวล โดยหญ้าหลายฤดู 10 ชนิด ในพื้นที่ภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศไทย จะได้รับการวิเคราะห์ปริมาณความชื้น สารระเหย คาร์บอนคงที่ และเถ้า นอกจากนี้ยังวิเคราะห์ปริมาณเยื่อใย ค่าความร้อน และองค์ประกอบธาตุของหญ้า สำหรับกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเชื้อเพลิงจะศึกษาปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความหนาแน่นพลังงานและความทนทาน รวมถึงรูปทรง ปริมาณตัวประสาน และแรงอัด โดยการขึ้นรูป 2 แบบ ได้แก่ เชื้อเพลิงอัดเม็ดและเชื้อเพลิงอัดก้อนด้วยการใช้แป้งมันสำปะหลังเป็นตัวประสาน ในอัตราส่วนปริมาณตัวประสาน 0 - 40 % (โดยน้ำหนัก) สำหรับเชื้อเพลิงอัดก้อนจะศึกษาแรงอัด คือ 1 - 3 MPa ในแง่ของความทนทานของเชื้อเพลิงอัดแข็ง เชื้อเพลิงจะได้รับการทดสอบดัชนีความทนทานทั้ง 4 แบบ ได้แก่ การต้านทานการขัดสี แตกร่วน ดูดซึมน้ำ และแรงกด สุดท้ายศึกษาพฤติกรรมการเผาไหม้เชื้อเพลิงด้วยเทคนิค Thermogravimetric Analysis เพื่อหาเชื้อเพลิงที่เหมาะสมสำหรับโรงฟ้าชีวมวล

ผลการวิจัยพบว่า หญ้าหลายฤดูทั้ง 3 ชนิด ได้แก่ Pennisetum purpureum x P. glaucum (Pakchong 1) (PC), Paspalum atratum (PA), Panicum maximum (Mombaza) (MB) มีคุณสมบัติของชีวมวลที่ดีที่สุด มีปริมาณของสารระเหย คาร์บอนคงที่ และลิกนินสูง ในขณะที่มีปริมาณเถ้า ซัลเฟอร์ และไนโตรเจนต่ำ จากผลการศึกษา PA แสดงค่าความร้อนสูงที่สุด (16.67 MJ/kg) รองลงมาคือ PC (16.58 MJ/kg) และ MB (16.46 MJ/kg) ตามลำดับ ซึ่งมีค่าความร้อนสูงกว่าวัสดุของแกลบผสมไม้ (MHW) (15.8 MJ/kg) ที่นิยมใช้เป็นวัสดุสำหรับโรงไฟฟ้าชีวมวล นอกจากนี้หญ้าทั้ง 3 ชนิดสามารถให้ผลผลิตชีวมวลได้ 3-8 ตัน/ไร่/ปี (18.75-50 ตัน/เฮกตาร์/ปี) จากการศึกษากระบวนการอัดเชื้อเพลิง พบว่า อัตราส่วนที่มีตัวประสาน 40% (โดยน้ำหนัก) จะแสดงดัชนีความทนทาน ค่าความร้อน และความหนาแน่นพลังงานสูงที่สุดอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตามการศึกษาต้องพิจารณาปัจจัยอื่นๆ เพื่อเลือกกระบวนการขึ้นรูปที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตเชื้อเพลิง เช่น ต้นทุนตัวประสาน มาตรฐานความคงทน และการผลิตพลังงานเมื่อเทียบกับการใช้ MHW ดังนั้นจากผลการวิจัยนี้ชี้ให้เห็นว่า อัตราส่วนหญ้าต่อแป้ง 70:30 (wt.) ของทั้งเชื้อเพลิงอัดก้อนและเชื้อเพลิงอัดเม็ดแสดงให้เห็นถึงค่าความร้อนและความหนาแน่นพลังงานใกล้เคียงกับ MHW โดยเชื้อเพลิงอัดก้อนจาก PC (แรงอัด 1 MPa) มีค่าความร้อน 16.4 MJ/kg และความหนาแน่นพลังงาน 3,028 MJ/m3 ในขณะที่เชื้อเพลิงอัดเม็ดจาก PC แสดงค่าความร้อนเท่ากัน (16.4 MJ/kg) และความหนาแน่นพลังงาน 4,717 MJ/m3 และเมื่อประเมินศักยภาพการผลิตพลังงานไฟฟ้าของเชื้อเพลิงจากสมการ พบว่า เชื้อเพลิงอัดเม็ดจาก PC สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ 15.8 MW ตามด้วย เชื้อเพลิงอัดก้อนจาก PC (9.8 MW) และ MHW (8.8 MW) ตามลำดับ โดยเชื้อเพลิงจากหญ้าทั้ง 2 แบบ มีความทนทานเป็นไปตามมาตรฐานทุกตัวชีวัดสูงกว่า 70% จากการศึกษาพฤติกรรมการเผาไหม้ พบว่า เชื้อเพลิงอัดก้อนและเชื้อเพลิงอัดเม็ดจาก PC แสดงอัตราการเผาไหม้ที่สูงที่สุด คือ 53.89 %/min และ 61.16 %/min ตามลำดับ เมื่อเทียบกับ MHW (23.47 %/min) โดยอัตราการสูญเสียน้ำหนักที่สูงขึ้นนี้สามารถส่งผลให้ความต้องการวัสดุต่ำลง และเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าชีวมวลจากหญ้าหลายฤดูมีศักยภาพในการใช้เป็นวัสดุทางเลือกสำหรับการผลิตพลังงานชีวมวลในด้านคุณสมบัติทางพลังงานและผลผลิตชีวมวล กระบวนการอัดก้อนและอัดเม็ดสามารถเพิ่มคุณสมบัติทางกายภาพของชีวมวลจากหญ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งความหนาแน่นพลังงาน ซึ่งเป็นข้อดีของการผลิตพลังงานความร้อนและพลังงานไฟฟ้าที่เหนือกว่า MHW ที่ใช้กันทั่วไป นอกจากนี้การเพิ่มความหนาแน่นยังสามารถเพิ่มความทนทานของชีวมวลจากหญ้าและเป็นประโยชน์ต่อการจัดเก็บและการจัดการวัสดุสำหรับการใช้งานเป็นเชื้อเพลิง