New Technology

เทคโนโลยีถ่านหินสะอาด (Clean Coal Technology)

เทคโนโลยีถ่านหินสะอาด คือเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการทำเหมือง การจัดการถ่านหินก่อนนำมาใช้ และการใช้ประโยชน์ถ่านหิน โดยมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด เทคโนโลยีเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการลดหรือกำจัดมลพิษที่เกิดขึ้นจากการนำถ่านหินมาใช้ประโยชน์ รวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง กล่าวคือเป็นการสนับสนุนนโยบายการใช้พลังงานจากถ่านหิน ในด้านความมั่นคงทางด้านพลังงาน การรักษาสิ่งแวดล้อม และการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากถ่านหินมีปริมาณสำรองจำนวนมากและมีความมั่นคงในการจัดหา แต่ทำให้เกิดมลภาวะต่อสภาวะแวดล้อมสูงกว่าการใช้เชื้อเพลิงอื่นๆ ดังนั้นการนำเทคโนโลยีถ่านหินสะอาดมาใช้ จึงมีความสำคัญและจำเป็น และยังสามารถเปลี่ยนทัศนคติที่ไม่ดีต่อการนำถ่านหินมาใช้ประโยชน์ได้

โดยทั่วไปเทคโนโลยีถ่านหินสะอาดสามารถนำมาใช้ได้ในหลายลักษณะ ได้แก่ เทคโนโลยีถ่านหินสะอาดก่อนการเผาไหม้ (Pre-combustion) เทคโนโลยีถ่านหินสะอาดขณะเผาไหม้ (Combustion) หรือเมื่อนำมาใช้ประโยชน์ และเทคโนโลยีถ่านหินสะอาดหลังการเผาไหม้ (Post-combustion)

1. เทคโนโลยีถ่านหินสะอาดก่อนการเผาไหม้

เทคโนโลยีในกลุ่มนี้เป็นการนำถ่านหินมาผ่านกระบวนการเพื่อลดปริมาณเถ้าและกำมะถัน ซึ่งในขณะเดียวกันเป็นการเพิ่มค่าความร้อนของถ่านหินก่อนนำมาเผาไหม้ วิธีการเหล่านี้ หมายถึง coal preparation, coal beneficiation, หรือcoal upgrading ได้แก่ การทำความสะอาดโดยวิธีทางกายภาพ (physical cleaning or washing) การทำความสะอาดโดยวิธีทางเคมี (chemical cleaning ) และการทำความสะอาดโดยวิธีทางชีวภาพ (biological cleaning) เดิมมีการศึกษากันเพียงทางด้านกายภาพและทางด้านเคมีเท่านั้น การศึกษาทางด้านชีวภาพเริ่มมีการพัฒนาขึ้นเมื่อไม่นานมานี้

1.1 การทำความสะอาดโดยวิธีทางกายภาพ

เป็นการแยกสารที่ไม่ต้องการ เช่น ฝุ่นละออง ดิน หิน และสารประกอบอนินทรีย์ เช่น pyritic sulfur (กำมะถันอนินทรีย์ที่มีเหล็กเป็นส่วนประกอบ) ออกจากเนื้อถ่านหิน โดยใช้ความแตกต่างของความหนาแน่นของถ่านหินกับสารเหล่านี้ ดังนั้นเมื่อนำถ่านหินมาบดแล้วล้างผ่านน้ำ สารต่างๆ ที่ไม่ต้องการจะแยกออกจากเนื้อถ่านหิน ในปัจจุบันถ่านหินจะถูกบดให้มีขนาดเล็กกว่าขนาดของฝุ่นผง ทำให้ร้อยละ 90 ของ pyritic sulfur ถูกกำจัดไป

นอกจากวิธีดังกล่าว column flotation ยังเป็นวิธีทำความสะอาดถ่านหินทางกายภาพอีกวิธีหนึ่ง โดยอาศัยหลักการที่ ผงถ่านหินมีคุณสมบัติทางเคมีซึ่งสามารถยึดติดกับฟองอากาศได้ เมื่อให้ฟองอากาศเคลื่อนที่ผ่านผงถ่านหินและน้ำซึ่งบรรจุใน column ผงถ่านจะติดขึ้นไปกับฟองอากาศ ทิ้งให้สารประกอบอนินทรีย์ เช่น pyritic sulfur และแร่ธาตุต่างๆ จมอยู่ชั้นล่าง

1.2 การทำความสะอาดโดยวิธีทางเคมี

โดยทั่วไปเป็นการใช้สารเคมีที่มีคุณสมบัติชะล้างแร่ธาตุและกำมะถันอินทรีย์ ซึ่งไม่สามารถกำจัดได้โดยวิธีทางกายภาพ ในการทำปฏิกิริยากับผงถ่านหินเพื่อกำจัดกำมะถันและเถ้า เทคโนโลยีในกลุ่มนี้ ได้แก่ molten - caustic leaching

1.3 การทำความสะอาดโดยวิธีทางชีวภาพ

เป็นเทคโนโลยีซึ่งใช้สิ่งมีชีวิตเล็กๆ ในการกำจัดกำมะถันในถ่านหิน ตัวอย่างเช่น แบคทีเรีย และเชื้อรา บางชนิดใช้กำมะถันเป็นอาหาร เมื่อนำสิ่งมีชีวิตที่พบในถ่านหินระหว่างการย่อยสลายเหล่านี้มาเพาะเลี้ยง และสกัดเอาเอนไซน์ย่อยสลายกำมะถันมาใช้ในการเร่งกระบวนการกำจัดกำมะถันในถ่านหิน

นอกจากนี้ยังมีการเตรียมถ่านหินสะอาด โดยการนำถ่านหินคุณภาพต่ำมาปรับปรุงคุณภาพถ่านหิน (Coal Upgrading) เช่น ใช้วิธี Liquid-Phase Cracking with Solvent จากการศึกษาทดลองใช้ถ่านหินคุณภาพต่ำของไทย จากแหล่งงาว จังหวัดลำปาง เหมืองแม่เมาะ จังหวัดลำปาง และเหมืองบ้านป่าคา จังหวัดลำพูน ผลปรากฎว่าได้ถ่านหินสะอาดที่มีค่าความร้อนสูงขึ้น และปริมาณกำมะถันลดลง การปรับปรุงคุณภาพถ่านหินยังมีวิธีการอื่นๆ เช่น Hot Water Drying, Coal-Water-Fuel, Coal briquette เป็นต้น

2. เทคโนโลยีถ่านหินสะอาดขณะเผาไหม้หรือเมื่อนำมาใช้ประโยชน์

2.1 เทคโนโลยีถ่านหินสะอาดขณะเผาไหม้

เป็นเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับระบบการเผาไหม้ถ่านหิน โดยการปรับปรุงเตาเผาและหม้อไอน้ำ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเผาไหม้ถ่านหินและลดมลพิษที่เกิดจากการ เผาไหม้ ในอนาคตการเผาไหม้ถ่านหินจะไม่มีการปลดปล่อยก๊าซมลพิษ (zero emission) เทคโนโลยีในกลุ่มนี้ได้แก่

Pulverized Fuel (PF) combustion เป็นวิธีการเผาไหม้ถ่านหินที่ใช้กันอย่างกว้างขวางในการผลิตไฟฟ้าจากถ่านหิน ในการเผาไหม้แบบ PF ถ่านหินจะถูกบดให้มีขนาดเล็กมาก แล้วพ่นเข้าไปในเตาเผาพร้อมอากาศ เมื่อถ่านหินติดไฟจะให้ความร้อนแก่หม้อไอน้ำ ซึ่งไอน้ำจะไปหมุนกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ในปัจจุบันมีการพัฒนาเทคโนโลยีของเตาเผาทำให้ประสิทธิภาพในการเผาไหม้ถ่านหินเพิ่มขึ้นถึงประมาณร้อยละ 40 และอาจเป็นร้อยละ55 ในอนาคต สำหรับ Advanced Pulverized coal ในระบบนี้ผงถ่านหินจะถูกเผาไหม้ในห้องเผาไหม้ของหม้อไอน้ำ และไอน้ำที่ได้นำไปขับกังหันไอน้ำ ประสิทธิภาพการกำเนิดไฟฟ้าขึ้นอยู่กับสภาพของไอน้ำ
Fluidized Bed Combustion (FBC) สำหรับการเผาไหม้วิธีนี้ ถ่านหินที่บดจนมีขนาดเล็กมากผสมกับหินปูนถูกพ่นเข้าไปในหม้อไอน้ำพร้อมอากาศร้อน ถ่านหินและหินปูนที่พ่นเข้าไปจะแขวนลอยอยู่ในคลื่นอากาศร้อน โดยมีลักษณะคล้ายของเหลวเดือด ขณะที่ถ่านหินเผาไหม้หินปูนจะทำหน้าที่คล้ายฟองน้ำดักจับกำมะถันที่เกิดขึ้น ความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ถ่านหินจะนำมาต้มน้ำทำให้เกิดไอน้ำไปหมุนกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระบวนการนี้สามารถลดปริมาณกำมะถันที่จะถูกปล่อยออกมาจากการเผาไหม้ได้มากถึงร้อยละ 90 นอกจากนี้อุณหภูมิของหม้อไอน้ำที่ใช้กระบวนการนี้ยังต่ำกว่าอุณหภูมิที่ใช้ในวิธีการเดิม ประโยชน์ของการเผา-ไหม้ที่อุณหภูมิต่ำ คือลดปริมาณมลพิษที่เกิดจากไนโตรเจนในถ่านหิน

Pressured Fluidized Bed Combustion เป็นการเผาไหม้ถ่านหินแบบฟลูอิดไดซ์เบดภายใต้ความดันสูง ความร้อนที่ผลิตได้นำไปใช้ผลิตไอน้ำเพื่อขับกังหันไอน้ำ ส่วนก๊าซร้อนที่ได้มีแรงดันและอุณหภูมิสูงสามารถนำไปขับกังหันก๊าซเพื่อผลิตไฟฟ้าร่วม การผลิตพลังงานความร้อนร่วมแบบนี้มีประสิทธิภาพสูง และยังมีการพัฒนาระบบการเผาไหม้ถ่านหินแบบฟลูอิดไดซ์เบดภายใต้ความดันสูง ชนิดฟองอากาศ (bubbling type PFBC)

2.2 เทคโนโลยีถ่านหินสะอาดโดยการแปรรูป เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นเพื่อแปรรูปถ่านหิน (Coal Conversion) ให้เป็นก๊าซเชื้อเพลิง (coal gasification) หรือเชื้อเพลิงเหลว (coal Liquefaction)

Coal gasification Technology เป็นกระบวนการออกซิเดชั่นถ่านหินเพียงบางส่วน โดยถ่านหินทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจนหรืออากาศและไอน้ำภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง ให้ก๊าซเชื้อเพลิง (fuel gas) ซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ เป็นส่วนใหญ่ ก๊าซเชื้อเพลิงที่ได้จะถูกนำมาทำให้สะอาดโดยการกำจัดมลพิษก่อน ก๊าซที่ได้นี้สามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิง หรือเป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์แอมโมเนีย เมทานอล หรือก๊าซไฮโดรเจน เตาปฏิกรณ์ที่ใช้ในการผลิตก๊าซเชื้อเพลิงแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทหญ่ๆ คือ entraied flow fluidised bed และ moving bed การเลือกใช้จึงขึ้นอยู่กับคุณลักษณะของถ่านหิน และขนาดของโรงงาน นอกจากขบวนการผลิตก๊าซเชื้อเพลิงในโรงงานวแล้ว ยังสามารถผลิตก๊าซเชื้อเพลิงจากถ่านหินที่อยู่ใต้ดินซึ่งไม่คุ้มค่าต่อการขุดขึ้นมา กระบวนการนี้เรียกกว่า underground gasification ซึ่งทำโดยการอัดไอน้ำและออกซิเจนเข้าไปในชั้นถ่านหินผ่านหลุมเจาะจากพื้นผิวดิน เมื่อชั้นถ่านหินบางส่วนติดไฟ ความร้อนที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้จะทำให้ถ่านหินที่เหลือผลิตก๊าซเชื้อเพลิง ก๊าซที่เกิดขึ้นจะผ่านขึ้นมาตามท่อและนำไปแยกมลพิษออกก่อนที่จะนำไปใช้
นอกจากนี้สามารถนำมาใช้ร่วมในการผลิตกระแสไฟฟ้า เช่น การผลิตไฟฟ้าพลังงานความร้อนร่วมกับกระบวนการผลิตก๊าซจากถ่านหิน (Integrated coal gasification combined cycle Power Generation, IGCC) และการผลิตไฟฟ้าพลังงานความร้อนร่วมโดยกระบวนการผลิตก๊าซจากถ่านหินและเซลเชื้อเพลิง (Integrated coal gasification fuel cell combined cycle Power Generation, IGFC) เป็นระบบการผลิตไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงที่รวมกังหันก๊าซและไอน้ำ ประสิทธิภาพความร้อนสูงถึงร้อยละ 53 –55 กล่าวคือเป็นการพัฒนาความเหมาะสมของการนำก๊าซจากถ่านหินมาใช้สำหรับเซลเชื้อเพลิง
Coal Liquefaction Technology (FBC) เป็นการแปรรูปถ่านหิน ให้อยู่ในรูปเชื้อเพลิงเหลว (liquid fuel) โดยทั่วไปการผลิตเชื้อเพลิงเหลวจากถ่านหิน ทำได้โดยการแยกคาร์บอนออก หรือการเติมไฮโดรเจนเข้าไป กรณีแรกเรียกว่า carbonisation หรือ pyrolysis สำหรับการเติมไฮโดรเจน เรียกว่า liquefaction เชื้อเพลิงเหลวที่ได้จากถ่านหิน สามารถนำมากลั่นในขบวนการกลั่นน้ำมัน จะได้น้ำมันสำหรับรถยนต์ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ เช่น พลาสติก และสารละลายต่างๆ (solvent) กระบวนการการผลิตเชื้อเพลิงเหลวสามารถแบ่งได้เป็น 2 วิธี คือ การผลิตเชื้อเพลิงเหลวโดยตรง (Direct liquefaction) เป็นการแปรรูปถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงเหลว โดยใช้กระบวนการเดียว (single process) และการผลิตเชื้อเพลิงเหลวโดยทางอ้อม (Indirect liquefaction) เป็นการนำถ่านหินมาผ่านกระบวนการผลิตก๊าซเชื้อเพลิงก่อน จึงนำมาแปรรูปเป็นของเหลว ในการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตเชื้อเพลิงเหลวนี้ ส่วนใหญ่จะเป็นการศึกษาเกี่ยวกับการผลิตเชื้อเพลิงเหลวโดยตรง ซึ่งเทคโนโลยีเหล่านี้ ได้แก่ H-Coal Exxon Donor Solvent SRC-I&II Catalytic Two-Stage liquefaction และ NEDOL process เป็นการรวมวิธีการ solvent extraction, direct hydrogenation และ solvolysis เข้าด้วยกัน ผลการวิจัยโดยใช้ถ่านหินบิทูมินัส ปรากฎว่าผลิตน้ำมันได้ร้อยละ 58 ถ่านหินในรูปของ slurry ร้อยละ50

2.3 เทคโนโลยีสังเคราะห์เชื้อเพลิงสะอาด Dimethyl Ether (DME)

Dimethyl Ether เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของการใช้ถ่านหินที่สะอาดและประหยัด และมีคุณสมบัติเปรียบเสมือน LPG (liquefied petroleum gas) ก๊าซสังเคราะห์ที่ผลิตได้จากการเผาไหม้ก๊าซมีเทน (ที่มาจากเหมืองถ่านหิน (CBM) ซึ่งมี CH4 40% และอากาศ 60 %) กับออกซิเจน โดยมีไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ (ที่หมุนเวียนนำกลับมาใช้ได้) อยู่ด้วย เพื่อให้อัตราส่วนของไฮโดรเจนกับคาร์บอนมอนนอกไซด์สูงขึ้น และเติมโปรเพน เพื่อลดไนโตรเจนในก๊าซสังเคราะห์ ก๊าซสังเคราะห์จะถูกทำให้เย็นลง ทำการอัดและแยกคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย amine absorption ก่อนป้อนเข้าสู่เตาปฏิกรณ์ ผลิตภัณฑ์ที่ได้ คือ Dimethyl Ether คาร์บอนไดออกไซด์ และเมธานอล

3. เทคโนโลยีถ่านหินสะอาดหลังการเผาไหม้ หรือเทคโนโลยีการป้องกันผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีเหล่านี้เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่เกิดขึ้นหลังจากถ่านหินเผาไหม้แล้ว นำมาใช้เพื่อมลพิษที่เกิดจากการเผาไหม้เทคโนโลยีกลุ่มนี้ ได้แก่

3.1 เทคโนโลยีการดักจับฝุ่น

ได้แก่ แบบElectrostatic Precipitator ใช้หลักการไฟฟ้าสถิตย์ในการดักจับเถ้าลอย โดยให้ฝุ่นละอองมีประจุไฟฟ้าขั้วหนึ่งและถังเก็บฝุ่นละอองมีประจุไฟฟ้าอีกขั้วหนึ่ง ระบบนี้มีประสิทธิภาพสูงในการดักจับฝุ่น หรือใช้ไซโคลน (cyclone) ในการแยกฝุ่น โดยใช้หลักของแรงเหวี่ยงเพื่อให้ก๊าซเกิดการหมุนตัว ฝุ่นจะถูกแยกออกมา สามารถใช้ร่วมกับหม้อไอน้ำแบบฟลูอิดไดซ์เบด หรือกับหม้อไอน้ำแบบ pulverized coal นอกจากนี้อาจใช้อุปกรณ์ดักจับฝุ่นแบบถุงกรอง (bag filter)

3.2 ระบบการกำจัดก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์

( Flue Gas Desulfurization.) เป็นกระบวนการกำจัดก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ที่ออกมาพร้อมก๊าซทิ้ง สามารถแบ่งได้เป็นสามแบบ คือ แบบเปียก แบบแห้ง และกึ่งแห้ง แต่กระบวนการแบบเปียกจะเป็นที่นิยมมาก ส่วนใหญ่ที่ใช้เป็นแบบ limestone-gypsum คือก๊าซซัลเฟอร์ได-ออกไซด์ ในก๊าซทิ้งจะทำปฏิกิริยากับของผสมระหว่างน้ำกับหินปูน ที่ฉีดเข้าไปในระบบก๊าซทิ้ง เกิดเป็นยิบซัม ซึ่งเป็นสารประกอบที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์อื่นได้

3.3 เทคโนโลยีการลดปริมาณก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ในก๊าซทิ้ง

กระบวนการที่ใช้กันแพร่หลายและมีประสิทธิภาพสูง คือ Selective catalytic reduction (SCR) ในระบบนี้ใช้แอมโมเนีย ทำปฏิกิริยากับก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ เกิดเป็นไนโตรเจนและน้ำ