GASIFICATION TECHNOLOGY FOR CASHEW NUT SHELL RESIDUE MANAGEMENT

Abstract

This research aimed to study the compositions of cashew nut shell residue in terms of type, quantity, chemical characteristics as well as its environmental impacts after direct incineration process was applied; develop and optimize the most effective gasification system for cashew nut shell fuel incineration; and study economic impacts and analyze the air pollution emitted from the gasification incinerator outlet. The results were derived through a study of the compositions and the proportions of the elements of the residue and air pollution found in the area of Tha Pla District in Uttaradit Province accompanied by tests and measurement of the environmental effects of the direct-fired incinerator waste and released air pollutants comparing to chemical indicators which the collected data were used to develop the gasification system. A 130-kW air reactor gasifier incinerator was set and specified with the expected heat of producer gases of 5,000 kJ/m3 and the expected thermal efficiency of the gasification system of 70%. The developed gasification system was tested via its thermal efficiency by examining the collected producer gas samples by using a gas chromatography. For economic impacts, the study used an annual cost and expense analysis, payback period, net present value, internal rate of return, benefit to cost ratio, as well as environmental cost analysis of the emitted air pollution from the direct burning incineration’s residue, and environmental cost caused by cashew nut shell residue fueling in the developed gasification system.

The results showed that chemical compositions of cashew nut shell residue fuel existed 9.09 % moisture, 2.39 % ash, 88.28 % volatile matters, 0.24 % fixed carbon, 54.09 % carbon, 6.08 % hydrogen, 38.45 % oxygen, 1.38 % nitrogen, with calorific value at 5,071.10 Kcal/Kg. The quantity of compositions in the air discharged through the flue from the direct burning method of the cashew nut shell residue comprised sulfur dioxide of 1.0 ppm and nitrogen oxides of 103.9 ppm, both of which met the set standard, whereas, total suspended particulate matter (TSP) was at 648.329 mg/m3, and carbon monoxide was at 844.0 ppm, both of which exceeded the set standard. The design of the gasification system was done using a down-flow V–Hearth type gasifier incinerator with the following specifications of throat diameter, burning zone, circumference of the nozzle tips, burning zone height, distance of nozzle level from throat, and reduction zone height which they respectively came in size of 130, 300, 248, 275, 110, and 115 millimeters. 5 nozzles with 12.5 mm hole on each tip were used where the angle of the throat (V-hearth) was 45 degree. The air pollution removal system consisted of 2 serial-connected sets of a Lapple Cyclone and a wet ejector venturi type dust particle detector which produced air suction to the furnace instead of using an air blower. The study of the efficiency of the gasification system showed that the velocity of air fed into the furnace was 2.6 m/s, the fuel consumption rate was 11.4 kg/hr, the fuel consumption ratio was 2.22, and the gas flow rate was 26.79 m3/hr. The compositions of the producer gas consisted of carbon monoxide, hydrogen, and methane at 16 percent, 9.7 percent, and 1.5 percent. The producer gas calorific value was 3.605 MJ/Nm3 and had the thermal efficiency from the cashew nut shell residue gasification system at 39.92 percent.

Economic value analysis of the implemented project over a period of 10 years showed that the investment in gasification system comparing to the use of firewood was worthwhile and more suitable to invest according to the collected data of payback period (PB) of 5.07 years, net present value (NPV) of 32,470-baht, internal rate of return (IRR) at 14.8%, and benefit-cost ratio (BCR) at 1.32. The results of the amount of pollutant analysis in the air emitted from the gasification system incinerator flue contained total suspended particulate matter (TSP) at 2.532 mg/m3, 1.0 ppm sulfur dioxide, 8.1 ppm nitrogen oxides, and 65.0 ppm carbon monoxide, all parameter values of which met the set standard. The results of the environmental cost analysis of air pollutants were as follows: carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen oxides, sulfur dioxide, and the total suspended particle (TSP) which 3,822 tons per year of air pollution was emitted from cashew nut shell residue burning in Tha Pla District in Uttaradit Province. Environmental costs from burning cashew nut shell in direct incineration priced 929,208 baht per year. If cashew nut shell residue was used as fuel in the gasification system, the environmental costs was estimated only 198,835 baht per year worth.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาชนิด ปริมาณ องค์ประกอบทางด้านเคมีของกากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์ ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการเผากากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์ด้วยวิธีเผาตรง ดำเนินการพัฒนาและศึกษาประสิทธิภาพระบบแก๊สซิฟิเคชั่นที่เหมาะสมต่อการใช้กากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์เป็นเชื้อเพลิง รวมถึงศึกษาด้านเศรษฐศาสตร์และวิเคราะห์มลภาวะทางอากาศที่ระบายออกจากปล่องเตาของระบบแก๊สซิฟิเคชั่นที่ใช้กากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์เป็นเชื้อเพลิง โดยทำการวิเคราะห์องค์ประกอบเชื้อเพลิงและสัดส่วนของธาตุของกากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์ในพื้นที่อำเภอท่าปลา จังหวัดอุตรดิตถ์ และทดสอบผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมด้วยตัวชี้วัดทางเคมีของมลภาวะทางอากาศที่ระบายออกจากปล่องเตาเผากากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์ด้วยวิธีการเผาตรง นำข้อมูลไปพัฒนาระบบแก๊สซิฟิเคชั่น โดยกำหนดให้เตาแก๊สซิไฟเออร์มีขนาด 130 kW ใช้อากาศเป็นตัวกลางทำปฏิกิริยา ค่าความร้อนของโปรดิวเซอร์แก๊สที่คาดว่าจะได้รับ 5,000 kJ/m3 ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของระบบแก๊สซิฟิเคชั่นที่คาดว่าจะได้รับ 70 % จากนั้นดำเนินการสร้างและทดสอบหาประสิทธิภาพเชิงความร้อนของระบบแก๊สซิฟิเคชั่น โดยเก็บตัวอย่างโปรดิวเซอร์แก๊สไปวิเคราะห์ด้วยเครื่องแก๊สโครมาโตกราฟี ในด้านเศรษฐศาสตร์ได้ทำการวิเคราะห์ต้นทุนค่าใช้จ่ายรายปี ระยะเวลาคืนทุน มูลค่าปัจจุบันสุทธิ อัตราผลตอบแทนภายใน อัตราส่วนผลตอบแทนต่อต้นทุน และวิเคราะห์ต้นทุนสิ่งแวดล้อมของการปล่อยมลพิษทางอากาศ จากการเผากากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์ด้วยเตาเผาตรง และการนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงในระบบแก๊สซิฟิเคชั่นที่พัฒนาขึ้น

ผลการวิจัยพบว่า องค์ประกอบทางเคมีของเชื้อเพลิงกากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์ มีค่าความชื้น 9.09 % ปริมาณเถ้า 2.39 % สารระเหย 88.28 % คาร์บอนคงตัว 0.24 % ปริมาณคาร์บอน (C) 54.09 % ไฮโดรเจน (H) 6.08 % ออกซิเจน (O) 38.45 % ไนโตรเจน (N) 1.38 % และค่าความร้อน 5,071.10 Kcal/Kg ปริมาณสารเจือปนในอากาศที่ระบายออกจากปล่องที่เกิดจากการเผากากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์ด้วยวิธีเผาตรง มีค่าก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) 1.0 ppm ก๊าซออกไซด์ของไนโตรเจน (NOx) 103.9 ppm อยู่ในเกณฑ์มาตรฐานกำหนด ส่วนค่าความเข้มฝุ่นละออง (TSP) 648.329 mg/m3 และก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) มีค่า 844.0 ppm เกินเกณฑ์มาตรฐานกำหนด การออกแบบระบบแก๊สซิฟิเคชั่น ประกอบด้วย เตาแก๊สซิไฟเออร์แบบไหลลงชนิด V–Hearth มีเส้นผ่านศูนย์กลางของคอคอดที่เล็กที่สุด (Throat) โซนเผาไหม้ เส้นรอบวงของปลายหัวฉีด ความสูงของโซนเผาไหม้ ระยะของระนาบหัวฉีดจาก Throat ความสูงของโซนรีดักชั่น มีขนาด 130, 300, 248, 275, 110 และ 115 มิลลิเมตร ตามลำดับ มีหัวฉีด (Nozzle) จำนวน 5 หัว แต่ละหัวมีรูขนาด 12.5 มิลลิเมตร มุมเอียงของคอคอด (V-hearth) 45 องศา ระบบการกำจัดมลพิษทางอากาศ ประกอบด้วย ไซโคลนแบบแลปเปิล และเครื่องตรวจจับฝุ่นแบบเปียกชนิดอีเจ็คเตอร์เวนจูรี่ จำนวน 2 ชุดต่ออนุกรมกัน สามารถสร้างแรงดูดอากาศเข้าสู่เตาทดแทนการใช้เครื่องเป่าลม ในการศึกษาประสิทธิภาพของระบบแก๊สซิฟิเคชั่น สามารถวัดความเร็วอากาศที่ป้อนเข้าสู่เตาได้ 2.6 m/s มีอัตราการใช้เชื้อเพลิงเท่ากับ 11.4 kg/hr คิดเป็นอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง 2.22 วัดอัตราการไหลของแก๊สได้ 26.79 m3/hr องค์ประกอบของโปรดิวเซอร์แก๊สที่ผลิตได้ประกอบด้วย แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) แก๊สไฮโดรเจน (H2) และแก๊สมีเทน (CH4) มีสัดส่วนร้อยละ 16 9.7 1.5 ค่าความร้อนของโปรดิวเซอร์แก๊สเท่ากับ 3.605 MJ/Nm3 และระบบแก๊สซิฟิเคชั่นที่ใช้กากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์เป็นเชื้อเพลิง มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนเท่ากับ 39.92 เปอร์เซ็นต์

ผลการศึกษาความคุ้มค่าทางด้านเศรษฐศาสตร์ในระยะเวลาดำเนินโครงการ 10 ปี พบว่าการลงทุนสร้างระบบแก๊สซิฟิเคชั่นเมื่อเทียบกับการใช้ฟืน มีระยะเวลาคืนทุน (PB) 5.07 ปี มูลค่าปัจจุบันสุทธิ (NPV) 32,470 บาท อัตราตอบผลตอบแทนภายใน (IRR) 14.8 % และอัตราส่วนผลตอบแทนต่อต้นทุน (BCR) 1.32 มีความคุ้มค่าและเหมาะสมในการลงทุนส่วนผลการวิเคราะห์ปริมาณสารเจือปนในอากาศที่ระบายออกจากปล่องเตาจากการเผาด้วยระบบแก๊สซิฟิเคชั่น พบว่า มีค่าความเข้มฝุ่นละออง (TSP) 2.532 mg/m3 ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) 1.0 ppm ก๊าซออกไซด์ของไนโตรเจน (NOx) 8.1 ppm และก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) 65.0 ppm มีค่าอยู่ในเกณฑ์มาตรฐานกำหนดทุกพารามิเตอร์ ผลการวิเคราะห์ต้นทุนสิ่งแวดล้อมของการปล่อยมลพิษทางอากาศ ได้แก่ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ก๊าซออกไซด์ของไนโตรเจน (NOx) ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) และปริมาณฝุ่นละออง (TSP) โดยทำการประเมินการปล่อยมลพิษทางอากาศจากการเผากากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์ ของอำเภอท่าปลา จังหวัดอุตรดิตถ์ ซึ่งมีปริมาณ 3,822 ตันต่อปี พบว่า ต้นทุนสิ่งแวดล้อมจากการเผากากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์ด้วยเตาเผาตรง คิดเป็นมูลค่า 929,208 บาทต่อปี หากนำกากเปลือกเมล็ดมะม่วงหิมพานต์ ไปใช้เป็นเชื้อเพลิงในระบบแก๊สซิฟิเคชั่น จะมีต้นทุนสิ่งแวดล้อมคิดเป็นมูลค่าเพียง 198,835 บาทต่อปี