Industrial gas generation - Why the time is right to switch to on-site sourcing

ถึงเวลาแล้วหรือยัง!! ถ้าจะเปลี่ยนมาผลิตก๊าซเองในโรงงานอุตสาหกรรมของเรา

Industrial Gases อากาศในอุตสาหกรรม 2019 ระบบการสร้างก๊าซออกซิเจนและก๊าซไนโตรเจน

เรามีการใช้ก๊าซไนโตรเจนและก๊าซออกซิเจนในงานอุตสาหกรรมมาตั้งแต่ประเทศอังกฤษเริ่มทำการปฎิวัติภาคอุตสาหกรรม ซึ่งปัจจุบันนั้นก๊าซไนโตรเจนและก๊าซออกซิเจนมีความสำคัญอย่างมากต่อระบบการผลิตสาธาณูปโภค ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันทำให้เราสามารถผลิตก๊าซได้เองในโรงงานอุตสาหกรรมหรือที่เรียกว่า Gas Generator On-Site

บริษัทและโรงงานอุตสาหกรรมหลายแห่ง ได้เปลี่ยนมาใช้วิธีการผลิตก๊าซใช้จากหน้างาน (On-Site Gas Generator) ทำให้สามารถลดต้นทุนด้านการผลิตมากขึ้น รวมถึงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้อย่างคุ้มค่า

การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการผลิตก๊าซหรือ Gas Generation

การพัฒนาระบบเทคโนโลยี Pressure Swig Absorption หรือ PSA นั้นถือได้ว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างพลิกผัน โดยมีต้นแบบในการพัฒนามาจาก cryogenic production ในช่วงปลายปี ค.ศ.1800 และ ต้นปี ค.ศ.1900 จนกระทั่งเทคโนโลยีล่าสุด คือ การเริ่มต้นพัฒนาเทคโนโลยี membrane และ เทคโนโลยี PSA ในช่วงปี ค.ศ.1960 ถือเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญของการจัดหาหรือการผลิตก๊าซ และเทคโนโลยีดังกล่าวยังคงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

ผู้จัดการและผู้ประกอบการด้านอุตสาหกรรมหลายท่าน ได้เห็นข้อดีของการผลิตก๊าซไนโตรเจนที่หน้างาน (On-site nitrogen generator) เมื่อนำมาเปรียบเทียบระหว่างต้นทุนและความสะดวกสบายของการผลิตก๊าซไนโตรเจนที่หน้างานหรือ (On-site nitrogen generator) กับค่าใช้จ่ายในการขนส่งก๊าซไนโตรเจนและก๊าซออกซิเจนแบบถัง หรือ (การขนส่งก๊าซที่อยู่ในสถานะของเหลว) จากโรงงาน Cycro ขนาดใหญ่ซึ่งโรงงานดังกล่าวก็มีอยู่จำนวนไม่มาก

รวมถึงการพิจารณาถึงข้อเสียด้านอื่นๆ ทั้งหมดของการขนส่ง ได้แก่ ค่าเชื้อเพลิง และ การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการขนส่งด้วยรถบรรทุก ความสิ้นเปลืองจากการต้องสร้างที่เก็บไนโตรเจนเหลวที่หน้างาน ค่าเช่าอุปกรณ์ และสุดท้ายคือ ความปลอดภัย พวกเขาจึงได้ข้อสรุปว่าการผลิตก๊าซไนโตรเจน และก๊าซออกซิเจนที่หน้างาน (On-site nitrogen generator) เป็นวิธีที่ยั่งยืนมากที่สุด

กลุ่มผู้ใช้มองเห็นผลประโยชน์จากความน่าเชื่อถือของความสามารถในการควบคุมและการผลิตอย่างต่อเนื่องในการจ่ายก๊าซสู่กระบวนการใช้งาน นอกจากนี้ยังช่วยลดผลกระทบของการดำเนินงานที่มีต่อสิ่งแวดล้อม และเพิ่มความปลอดภัยในสถานที่ทำงานสำหรับพนักงานที่เกี่ยวข้องในกระบวนการผลิต (เช่น การดูแลควบคุมถังที่มีแรงดันสูงจากไนโตรเจนเหลวที่อุณหภูมิ -196 o C ซึ่งมีความเสี่ยงที่จะเกิดการระเบิดจากแรงดันภายในถัง) และด้วยประสิทธิภาพเหล่านี้ หลายองค์กรในภาคอุตสาหกรรม จึงตระหนักถึงการคืนทุนระยะสั้นจากการลงทุนในระบบการผลิตก๊าซที่หน้างาน (On-site nitrogen generator)

ลดปัญหาด้านการสูญเสียก๊าซ

การขนส่งไนโตรเจนเหลวนั้นมีปัญหาสำคัญในเรื่องของการใช้พลังงานไฟฟ้า และการสูญเสียก๊าซ เนื่องจากต้องใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นจำนวนมากในการทำให้ก๊าซไนโตรเจนมีอุณหภูมิต่ำถึง -196o C เพื่อเปลี่ยนสถานะจากก๊าซไนโตรเจนให้เป็นไนโตรเจนเหลว อีกทั้งในกระบวนการจัดส่งไนโตรเจนจะต้องอยู่ในสถานะของเหลว และจะถูกเปลี่ยนสถานะกลับเป็นก๊าซเมื่อถึงหน้างาน ทำให้เกิดการสูญเสียก๊าซทั้งในระหว่างการขนย้ายและในกระบวนการจัดเก็บอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

เมื่อไนโตรเจนจัดส่งมาถึงหน้างานแล้ว จะถูกจัดเก็บไว้ในถังเก็บ (Cooled Tank) ที่หน้างานก่อน และจะมีปริมาณการสูญเสียก๊าซจากการระบายความดันภายในถังเก็บ (cooled tank) โดยเฉลี่ยที่ 0.3 - 3% ของแต่ละวัน ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสภาพแวดล้อมและปริมาณที่ใช้งาน อีกกรณีหนึ่งคือ หากมีการใช้ก๊าซแบบบรรจุถัง ปริมาณการสูญเสียก๊าซจะขึ้นอยู่กับขนาดของถังและความดันสุดท้ายภายในถัง โดยทุกครั้งที่ส่งถังบรรจุคืนกลับไปยังผู้ผลิต จะมีโอกาสสูญเสียก๊าซได้มากถึง 10%

ข้อกำหนดเฉพาะหรือความต้องการที่เฉพาะเจาะจงของงาน

เพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุดจากการผลิตก๊าซที่หน้างาน (On-site gas generator) เราจำเป็นต้องดูว่าจะนำไปใช้งานกับ application ประเภทไหน ถ้าเราลองเปรียบเทียบวิธีการขนส่ง, ระดับความบริสุทธิ์ของก๊าซ, ประสิทธิภาพของต้นทุนทั้งหมดที่เกี่ยวข้อง และผลประโยชน์ที่จะได้รับ ระหว่างวิธีการขนส่งก๊าซแบบเก่า กับ วิธีการผลิตก๊าซที่หน้างาน (On-site gas generator)

ไนโตรเจนนั้น เป็นสิ่งสำคัญในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโรงเบียร์ รวมถึงการบรรจุหีบห่อ โดยก๊าซไนโตรเจนจะถูกนำมาใช้ในการฉีดไล่ภายในถังเบียร์และถังบรรจุ ด้วยวิธีการบรรจุแบบ Modified Atmospheric Packaging (MAP) ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อยืดอายุการเก็บรักษาผลิตภัณฑ์ให้ยาวนานขึ้น

สำหรับก๊าซไนโตรเจนที่ใช้ในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม โดยทั่วไปจะมีค่าความบริสุทธิ์ที่เหมาะสมประมาณ 99.5% ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐานของเกณฑ์ความปลอดภัยในอุตสาหกรรมอาหารที่กำหนดไว้โดย EU (เกณฑ์ความบริสุทธิ์ของสิ่งที่เจือปนในอาหารตามคำสั่งที่ 2008/84/EC) คือ ระดับค่าความบริสุทธิ์ที่ไม่ต่ำกว่า 99%

ยิ่งค่าความบริสุทธิ์ของก๊าซไนโตรเจนสูงขึ้นมากเท่าไหร่ ต้นทุนของผลิตภัณฑ์ก็จะยิ่งสูงขึ้นมากเท่านั้น เช่นเดียวกัน หากไนโตรเจนเหลวนั้นบรรจุมาในถังหรือหลอด ค่าความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนจะถูกกำหนดไว้ที่ 99.999 % ซึ่งเป็นค่าความบริสุทธิ์ที่สูงมากเกินความต้องการในการใช้งาน จึงทำให้เกิดต้นทุนที่แพงเกินความจำเป็น นอกจากนี้ ก๊าซไนโตรเจนและก๊าซออกซิเจนส่วนใหญ่จะถูกนำไปใช้ในสถานะของก๊าซ ไม่ใช่ในสถานะของเหลวตามที่ถูกบรรจุมาในถัง

การใช้ Gas Generator ใน Application ต่างของสายงานอุตสาหกรรม

ไนโตรเจนนั้นเป็นที่นิยมใช้กันมากในอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น การใช้ในกระบวนการตัดด้วย fiber laser ก๊าซไนโตรเจนที่นำมาใช้งานมักจะถูกส่งจากถังบรรจุความดันสูง ซึ่งก๊าซไนโตรเจนบรรจุถังเหล่านี้มีราคาแพงมากกว่าการผลิตก๊าซที่หน้างาน (On-site gas generator) อยู่สิบเท่า เมื่อเทียบจากความต้องการพลังงานในการผลิตก๊าซ

เช่นเดียวกัน ไนโตรเจนถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ โดยใช้ในการทำความเย็น และ ปกคลุมสารกึ่งตัวนำ เป็นหลัก รวมถึงการผลิตเครื่องมือและอิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนี้ยังมีการนำไปใช้กับอุตสาหกรรมน้ำมัน ก๊าซ เคมีและปิโตรเคมี เพื่อปกคลุมถังน้ำมันหรือถังสารเคมี ใช้สำหรับป้องกันการระเบิดภายในถัง

การใช้งานในอุตสาหกรรมที่กล่าวมานี้ ไม่ต้องการก๊าซไนโตรเจนที่มีค่าความบริสุทธิ์สูงมากนักสำหรับการป้องกันการระเบิด หรือเกิดประกายไฟ ดังนั้นค่าความบริสุทธิ์ที่ 95 – 99% จึงค่อนข้างเพียงพอสำหรับการนำไปใช้งาน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นต่ำสุดของก๊าซออกซิเจนซึ่งเป็นสารไวไฟ ยิ่งไปกว่านั้น ระบบการผลิตก๊าซที่หน้างาน (On-site gas generator) ยังทำให้เกิดความน่าเชื่อถือ ความต่อเนื่องในการทำงาน และตอบสนองผู้ใช้งานได้อย่างเป็นอิสระเพื่อช่วยรักษากระบวนการดำเนินงาน

หน้าที่ของออกซิเจนในก๊าซชีวภาพกับกลุ่มการบำบัดน้ำและการประมง

ทั้งไนโตรเจนและออกซิเจนนั้น มีความสำคัญต่อกระบวนการเกิดก๊าซชีวภาพ ซึ่งเกิดจากการย่อยสลายโดยเชื้อจูลินทรีย์ในสภาพไร้ออกซิเจน (anaerobic digestion) ในกรณีนี้ ไนโตรเจนจะเป็นส่วนช่วยให้เกิดก๊าซชีวภาพ ส่วนออกซิเจนปริมาณเล็กน้อยจะถูกเติมลงในถังสุญญากาศ เพื่อช่วยลดปริมาณไฮโดรเจนซัลไฟด์ในก๊าซชีวภาพก่อนจะนำไปใช้งาน ซึ่งหากมีการผลิตก๊าซออกซิเจนที่หน้างานได้ จะเป็นประโยชน์ต่อผู้ใช้งานอย่างมาก เพราะผู้ใช้สามารถเลือกค่าความบริสุทธิ์ที่เหมาะสมได้ตามการใช้งาน

ในโรงงานบำบัดน้ำ ออกซิเจนจะถูกเปลี่ยนเป็นโอโซนแล้วนำมาใช้ในกระบวนการบำบัดน้ำเสีย เพื่อลดระดับของสารอินทรีย์ธรรมชาติในน้ำ แต่เนื่องจากออกซิเจนเหลวที่ขนส่งมาในบรรจุภัณฑ์นั้น มักจะมีค่าความบริสุทธิ์สูงมากเกินความจำเป็น จึงทำให้เกิดความต้องการในการผลิตพร้อมทั้งจ่ายลมอัดหรืออากาศอัดจากที่หน้างาน

สำหรับตลาดเพาะพันธุ์ปลา มีการเติมออกซิเจนในปริมาณคงที่ลงไปในน้ำ เพื่อช่วยให้อัตราการแลกเปลี่ยนก๊าซของปลาดีขึ้น ป้องกันปลาขาดออกซิเจน ส่งผลให้เพาะพันธุ์ปลาได้เป็นจำนวนมาก ซึ่งในหลายโรงงานพบว่า การเลือกใช้ออกซิเจนเหลวที่ขนส่งมาในบรรจุภัณฑ์นั้น มีความเสี่ยงและใช้ต้นทุนสูง พวกจึงเขายอมรับตัวเลือกที่ดีที่สุด คือการผลิตก๊าซออกซิเจนที่หน้างาน หรือการผลิตก๊าซออกซิเจนแบบ on-site

ต้นทุนสัมพันธ์

ต้นทุนในการขนส่งไนโตรเจนเหลวนั้นราคาโดยประมาณอยู่ที่ 405 บาท ต่อคิวบิกเมตร ถึง 1300 บาท ต่อคิวบิกเมตร ส่วนต้นทุนของก๊าซไนโตรเจนที่บรรจุมาในถัง จะมีราคาเริ่มต้นที่ 2500 บาทต่อคิวบิกเมตร ในทางกลับกันพบว่าราคาต้นทุนเฉลี่ยของการผลิตก๊าซที่หน้างาน (On-site gas generator) จะอยู่ที่ประมาณ 200 – 380 บาทต่อคิวบิกเมตร ขึ้นอยู่กับค่าความบริสุทธิ์, อัตราการไหล, และความดันที่ต้องการ จะเห็นได้ว่าการที่ผู้ใช้สามารถผลิตก๊าซใช้ได้ที่หน้างาน (On-site gas generator) ไม่ได้พบเพียงข้อดีในด้านการเพิ่มผลผลิตเท่านั้น แต่ยังพบว่าต้นทุนนั้นถูกลงอย่างเห็นได้ชัดจากการติดตั้งระบบผลิตก๊าซที่หน้างานอีกด้วย

ในช่วงเริ่มต้นของการลงทุน โรงงานอุตสาหกรรมจำนวนมากอาจต้องลงทุนด้านอุปกรณ์สำหรับ
การจัดหาก๊าซ โดยไม่ว่าจะเป็นการลงทุนเพื่อจัดเก็บ หรือเพื่อการผลิต แต่เมื่อมีการทบทวนค่าใช้จ่ายดูแล้ว พบว่าวิธีการผลิตก๊าซด้วยตัวเอง (On-site gas generator) มีแนวโน้มว่าจะเป็นที่ดีที่สุด

ผู้ใช้ก๊าซในภาคอุตสาหกรรมพบว่า พวกเขาสามารถประหยัดต้นทุนได้ตั้งแต่วันแรก ในขณะที่มีผลผลิต ผลกำไร และประสิทธิภาพเพิ่มมากขึ้น จากการเปลี่ยนจากรายจ่าย เป็นการลงทุนโดยการผลิตก๊าซด้วยตัวเอง (On-site gas generator)

การปรับรอบของเวลาในการผลิต (Cycle time modulation)

ในระบบการผลิตก๊าซไนโตรเจนและก๊าซออกซิเจนที่หน้างาน (On-site gas generator) มีหลักการทำงานคือ เครื่องอัดอากาศหรือปั๊มลมนั้นจะสามารถเชื่อมต่อเข้าโดยตรงกับเครื่องผลิตก๊าซ และ buffer tank โดยใช้งานได้ทันทีหลังจากมีการเชื่อมต่อ (plug-and-play) จากนั้นจะมีถังเก็บที่แยกออกมา เพื่อเก็บก๊าซไนโตรเจนที่มีค่าความบริสุทธิ์ตามที่ต้องการ

หลักการทำงานของเครื่องผลิตขึ้นอยู่กับเทคโนโลยี Pressure Swing Absorption หรือที่เรียกว่า PSA กล่าวคือ carbon molecular sieve หรือ CMS จะทำการแยกโมเลกุลไนโตรเจนที่มีอยู่ในอากาศอัดออกจากออกซิเจน ไอน้ำ และก๊าซอื่นๆจะถูกดูดซับไว้ ผลที่ได้คือ สามารถมั่นใจได้ว่าก๊าซไนโตรเจนจะถูกจ่ายในกระบวนการผลิตได้อย่างต่อเนื่อง

เทคโนโลยีการผลิตก๊าซที่ใช้เองตามหน้างาน (On-site gas generator) คือการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างสรรค์นวัตกรรมที่โดดเด่น ซึ่งจะช่วยให้มีการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ และเพิ่มผลผลิต โดยไม่มีสิ่งใดโดดเด่นมากไปกว่าหลักการของ Cycle Time Modulation หรือ CTM หรืออธิบายได้ว่าเป็นอัลกอริทึมควบคุมที่เป็นสุดยอดของการประหยัดพลังงานในเทคโนโลยี PSA

เมื่อความต้องการใช้ก๊าซไนโตรเจนจากเครื่องผลิตลดลง หรือมีการเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพแวดล้อม อัลกอริทึมควบคุมจะเปลี่ยน cycle length ในเทคโนโลยี PSA โดยอัตโนมัติ เพื่อที่จะผลิตไนโตรเจนที่มีประสิทธิภาพสูงสุด ส่งผลให้มี cycle length ยาวนานมากขึ้น เช่น การลดการใช้อากาศในสภาวะ low-load ซึ่งสามารถช่วยประหยัดพลังงานได้สูงสุด

มีการสึกหรอของวาล์วน้อยลง เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงรอบไม่มาก ซึ่งจะช่วยยืดเวลาในการเข้า service และกาชดเชยตามสภาพหน้างานที่แตกต่างกันไป นอกจากนี้เทคโนโลยี PSA ช่วยให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้น โดยสามารถปรับให้มีความเหมาะสมได้ตามความต้องการใช้งาน และหากอยู่ในสถานการณ์ที่ความต้องการก๊าซไนโตรเจนตกลงมาจนถึง 0 เครื่องจักรจะอยู่ในสถานะพร้อมใช้งาน แต่จะไม่ใช้พลังงานหรือไม่ผลิตลม

อัตราส่วนของอากาศในการผลิต

สำหรับเครื่องผลิตก๊าซไนโตรเจน อัตราส่วนของอากาศในการผลิต จะเป็นตัวกำหนดปริมาตรของก๊าซไนโตรเจนที่ได้รับ และในฐานะที่เราเป็นผู้นำด้านการออกแบบ การพัฒนาและการสร้างเครื่องผลิตก๊าซไนโตรเจน เราจึงขอนำเสนอ NGP+ รุ่นใหม่ล่าสุด ซึ่งคุณสมบัติที่สำคัญคือ มีความต้องการใช้อัตราส่วนของอากาศที่ไม่สูงมาก ใช้ต้นทุนต่ำในการเป็นเจ้าของ และยังช่วยลดต้นทุนในการดำเนินงานได้ถึง 50% เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องผลิตก๊าซไนโตรเจนรุ่นอื่น

แอตลาส คอปโก้ ได้ทำการรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลอย่างต่อเนื่องจากการใช้งานของเครื่องผลิตก๊าซไนโตรเจนทั่วโลก เพื่อความก้าวหน้าในกระบวนการผลิตก๊าซอุตสาหกรรม ทำให้ได้ข้อเท็จจริงว่า NGP+ นี้ช่วยให้ผู้ผลิตในประเทศอังกฤษได้ปรับปรุงประสิทธิภาพ กระบวนการทำงาน และการประหยัดพลังงาน


การผลิตไนโตรเจนแบบ On-Site พิสูจน์ให้เห็นถึงความสำเร็จที่โดดเด่นสำหรับโรงงานผลิตเบียร์ Salford

นวัตกรรมขั้นสูงจากอากาศอัดหรือลมอัดที่ติดตั้งใหม่ และระบบการผลิตก๊าซไนโตรเจนที่หน้างาน (On-site gas generator) จากแอตลาส คอปโก้ เป็นกุญแจสำคัญที่ช่วยขับเคลื่อนให้บริษัทผลิตเบียร์ก้าวต่อไปในความมุ่งมั่นที่จะพัฒนาคุณภาพ ผลผลิต และการเติบโต

บริษัท Salford ซึ่งอยู่ในอุตสาหกรรมการผลิตเบียร์ที่มีขนาดใหญ่ นั้นเชื่อมั่นในกระบวนการจ่ายอากาศอัดอย่างต่อเนื่อง โดยมีก๊าซไนโตรเจนเป็นส่วนสำคัญของทุกขั้นตอนในกระบวนการผลิตเบียร์ ทั้งการฉีดไล่ภายในถังเบียร์และถังบรรจุ การเติมออกซิเจนลงในเบียร์เพื่อช่วยในการหมัก ใช้การกรอก การบรรจุขวด การติดฉลาก ไปจนถึงการบรรจุภัณฑ์ในขั้นสุดท้าย

เครื่องอัดอากาศหรือปั๊มลมแบบ rotary screw ของเรา สามารถ plug-and-play หรือสามารถเชื่อมต่อเข้ากับเครื่องผลิตก๊าซไนโตรเจนรุ่น NGP+ เทคโนโลยี PSA และใช้งานได้ทันที โดยหลังจากเชื่อมต่อแล้วระบบ on-site จะทำงานอย่างอัตโนมัติ และสามารถตรวจสอบการทำงานได้อย่างสมบูรณ์ด้วยมาตรฐานของออกซิเจนเซ็นเซอร์ นอกจากนี้ระบบยังมีการตรวจสอบคุณภาพของก๊าซที่ผลิต หมายความว่าก๊าซไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์ต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนดจะไม่สามารถเข้าถึงกระบวนการผลิตได้