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

ถึงเวลาแล้วหรือยัง!! ถ้าจะเปลี่ยนมาผลิตก๊าซเองในโรงงานอุตสาหกรรมของเรา

2019 ระบบการผลิตก๊าซไนโตรเจน ระบบอากาศอัดสำหรับอุตสาหกรรม Gas generation 2018 2017

เรามีการใช้ก๊าซไนโตรเจนและก๊าซออกซิเจนในงานอุตสาหกรรมมาตั้งแต่ประเทศอังกฤษเริ่มทำการปฎิวัติภาคอุตสาหกรรม ซึ่งปัจจุบันนั้นก๊าซไนโตรเจนและก๊าซออกซิเจนมีความสำคัญอย่างมากต่อระบบการผลิตสาธาณูปโภค ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันทำให้เราสามารถผลิตก๊าซได้เองในโรงงานอุตสาหกรรมหรือที่เรียกว่า Gas Generator On-Site บริษัทและโรงงานอุตสาหกรรมหลายแห่ง ได้เปลี่ยนมาใช้วิธีการผลิตก๊าซใช้จากหน้างาน (On-Site Gas Generator) ทำให้สามารถลดต้นทุนด้านการผลิตมากขึ้น รวมถึงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้อย่างคุ้มค่า

การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการผลิตก๊าซหรือ Gas Generation

Nitrogen separation principle (PSA)NG generator

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

Atlas Copco Compressor for the sika Limited Project

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

Nitrogen skid - generation of on-site nitrogen

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

Application of compressed air and nitrogen solution to craft brewery in Manchester area, United Kingdom

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