เชื้อเพลิง

เชื้อเพลิง คือวัสดุใดๆ ที่นำไปเผาไหม้หรือแปรเปลี่ยนเพื่อนำมาซึ่งพลังงาน  เชื้อเพลิงจะปลดปล่อยพลังงานผ่านปฏิกิริยาทางเคมีเช่นการเผาไหม้ หรือปฏิกิริยานิวเคลียร์เช่นการแตกตัวหรือการรวมตัวของนิวเคลียส อย่างใดอย่างหนึ่ง คุณสมบัติสำคัญของเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์คือพลังงานที่มีอยู่สามารถถูกบรรจุและปลดปล่อยได้ตามต้องการ และการปลดปล่อยนั้นถูกควบคุมในทางใดทางหนึ่งเพื่อให้สามารถใช้สร้างงานทางวิศวกรรมได้ สิ่งมีชีวิตที่มีคาร์บอนเป็นพื้นฐาน (carbon-based life) ทุกชนิด คือตั้งแต่จุลชีพไปจนถึงสัตว์รวมทั้งมนุษย์ ใช้เชื้อเพลิงเป็นแหล่งพลังงาน เซลล์ต่างๆ จะต้องเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมีที่เรียกว่า เมแทบอลิซึม (metabolism) ซึ่งดึงเอาพลังงานออกมาจากอาหารหรือแสงอาทิตย์ในรูปแบบที่สามารถใช้ในการดำรงชีวิต  นอกจากนั้นมนุษย์ใช้เทคนิคที่หลากหลายเพื่อแปรเปลี่ยนพลังงานรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง ซึ่งการสร้างพลังงานก็เพื่อจุดประสงค์ที่มากไปกว่าพลังงานในร่างกายมนุษย์ การใช้พลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกจากเชื้อเพลิงมีตั้งแต่ การทำความร้อนเพื่อการปรุงอาหาร การผลิตไฟฟ้า หรือแม้แต่การเพิ่มแสนยานุภาพของอาวุธ องค์ประกอบสำคัญของเชื้อเพลิงเหลวคือ คาร์บอนและไฮโดรเจน ซึ่งรวมตัวกันทางเคมีอยู่ในรูปของไฮโดรคาร์บอน วิธีการรวมตัวมีหลายแบบ ซึ่งทำให้เชื้อเพลิงเหลวแต่ละชนิดมีคุณสมบัติและลักษณะที่แตกต่างกัน ดังนั้นเชื้อเพลิงเหลวจึงถูกแบ่งตามชนิดของไฮโดรคาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบ และตามกากที่เหลือหลังจากสารพวกไอระเหยได้ถูกนำออกไปแล้ว องค์ประกอบสำคัญของน้ำมันปิโตรเลียมสามารถแบ่งได้ 3 ประเภทคือ 1.พาราฟิน เบส ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนชนิดพาราฟินนิคเป็นส่วนมาก ซึ่งหลังจากกระบวนการกลั่นแล้วกากเหลือเป็นพวกขี้ผึ้งพาราฟิน และให้น้ำมันหล่อลื่นคุณภาพสูง 2.แอสฟัลติค เบส ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนชนิดเนพธานิคเป็นส่วนมาก หลังจากผ่านการกลั่นแล้วจะให้กากเหลือในรูปของยางมะตอย 3.เบสผสม ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนหลายชนิดรวมกัน เช่น ชนิดพาราฟีนนิค, แอสฟัลติค, แอโรมาติคและกากเหลือพวกโอลีฟฟีนนิค ที่ได้จะเป็นของผสมระหว่างขี้ผึ้งพาราฟินและแอสฟัลท์ ส่วนใหญ่ของน้ำมันดิบจะเป็นประเภทเบสผสม เชื้อเพลิงเหลวที่ได้จากการกลั่นปิโตรเลียม น้ำมันเบนซิน คือน้ำมันที่ได้จากการกลั่นที่อุณหภูมิ 200 – 350 องศาฟาเรนไฮต์ น้ำมันเบนซินเป็นน้ำมันที่ได้จากการปรุงแต่งคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกลั่นน้ำมันโดยตรง และจากการแยกก๊าซธรรมชาติเหลวหรือเบนซินธรรมชาติ น้ำมันเบนซินจะผสมสารเคมีเพิ่มคุณภาพเพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งาน เช่น สารเคมีที่ใช้ในการเพิ่มค่าออกเทน สารเคมีสำหรับป้องกันสนิมและการกัดกร่อนในถังน้ำมัน รวมทั้งสารเคมีที่ช่วยทำความสะอาดคาร์บูเรเตอร์ที่มีใช้ในเครื่องยนต์เบนซิน น้ำมันก๊าด คือน้ำมันที่ได้จากการกลั่นที่อุณหภูมิ 350 – 450 องศาฟาเรนไฮต์ น้ำมันก๊าดเป็นน้ำมันปิโตรเลียมที่มีใช้ในสมัยแรกแรก โดยจะใช้เป็นเชื้อเพลิงในการจุดตะเกียง แต่ในปัจจุปันผลิตภัณฑ์ชนิดนี้ใช้ประโยชน์ได้อีกหลายประการ เช่น ใช้เป็นส่วนผสมสำหรับยาฆ่าแมลง สี น้ำมันขัดเงา และเป็นส่วนผสมของน้ำยาทำความสะอาด ในด้านการเกษตรน้ำมันก๊าดมิใช้น้ำมันที่ใช้เฉพาะรถแทร็กเตอร์แต่ยังใช้เป็นเชื้อเพลิงที่ใช้ในการบ่มใบยาสูบและพืชผลทางการเกษตร และในโรงงานอุตรสาหกรรมบางชนิดต่องการการเผาไหม้ที่สะอาด เช่น อุตรสาหกรรมเซรามิกก็ใช้น้ำมันก๊าดเช่นกัน น้ำมันดีเซล คือน้ำมันที่ได้จากการกลั่นที่อุณหภูมิ 450 – 525 องศาฟาเรนไฮต์ น้ำมันดีเซลมีการระเหยต่ำ และเป็นผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมที่ได้จากส่วนล่างของหอกลั่นปิโตรเลียม น้ำมันดีเซลจะมีช่วงจุดเดือดและความข้นใสสูงกว่าน้ำมันเบนซิน ดังแสดงใน น้ำมันเตา คือน้ำมันที่ได้จากการกลั่นที่อุณหภูมิ 650 – 750 องศาฟาเรนไฮต์ น้ำมันเตาเป็นเชื้อเพลิงสำหรับหม้อไอน้ำ เตาเผา หรือเตาหลอมในโรงงานอุตรสาหกรรม เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ เครื่องยนต์เรือเดินสมุทร และเตาต้มน้ำร้อนในโรงงานอุตรสาหกรรม ดังแสดงใน เชื้อเพลิงเหลวที่ได้จากพืชผลทางการเกษตร น้ำมันไบโอดีเซล เป็นเชื้อเพลิงดีเซลที่ผลิตจากแหล่งทรัพยากรหมุนเวียน เช่น น้ำมันพืช ไขมันสัตว์ หรือสาหร่าย ไบโอดีเซลเป็นเชื้อเพลิงดีเซลทางเลือก นอกเหนือจากดีเซลที่ผลิตจากปิโตรเลียม โดยมีคุณสมบัติการเผาไหม้ เหมือนกับดีเซลจากปิโตรเลียมมากและสามารถใช้แทนกันได้ คุณสมบัติสำคัญของไบโอดีเซลคือ สามารถย่อยสลายได้เอง ตามกระบวนการชีวภาพในธรรมชาติและไม่เป็นพิษ ดังแสดงใน น้ำมันจากเมล็ดสบู่ดำ เป็นน้ำมันที่ได้จากเมล็ดสบู่ดำที่ผ่านกระบวนการสกัดแล้ว สามารถใช้กับเครื่องยนต์ดีเซล โดยไม่ต้องใช้น้ำมันชนิดอื่นผสมอีกการสกัดน้ำมันสบู่ดำ ดังแสดงใน การสกัดน้ำมันจากเมล็ดสบู่ดำทำได้ 3 วิธีคือ 1.การสกัดด้วยตัวทำละลาย ปิโตรเลียมอีเทอร์ จะได้น้ำมัน 34.96% จากเมล็ดรวมเปลือก และ 54.68% จากเนื้อเมล็ด 2.การสกัดด้วยระบบไฮดรอริค จะได้น้ำมันประมาณ 25-30% มีน้ำมันตกค้างในกาก 10-15% 3.การสกัดด้วยระบบอัดเกลียว จะได้น้ำมันประมาณ 25-30% มีน้ำมันตกค้างในกาก 10-15% เชื้อเพลิงแข็ง ถึงแม้จะหาได้ง่ายและมีราคาถูก แต่ไม่นิยมใช้เท่าที่ควร ทั้งนี้เพราะเชื้อเพลิงดังกล่าวต้องการเนื้อที่ในการเผาไหม้มากทำให้เกิดความจำเป็นที่จะต้องใช้ห้องเผาไหม้ขนาดใหญ่ นอกจากนี้ยังมีเถ้าในสัดส่วนที่ค่อนข้างสูงซึ่งก่อให้เกิดปัญหาทางด้านความสึกกร่อนของผนังหม้อน้ำและเขม่าในไอเสีย ในการใช้เชื้อเพลิงแข็ง เชื้อเพลิงจะถูกบดเป็นก้อนเล็กๆก่อนถูกป้อนเข้าไปในห้องเผาไหม้ เพื่อให้อัตราการเผาไหม้เป็นไปอย่างรวดเร็วและผสมกันระหว่างเชื้อเพลิงและออกซิเจนเป็นไปอย่างทั่วถึง ถ่านหิน คือ หินตะกอนชนิดหนึ่งและเป็นแร่เชื้อเพลิงสามารถติดไฟได้ มีสีน้ำตาลอ่อนจนถึงสีดำ มีทั้งชนิดผิวมันและผิวด้าน น้ำหนักเบา ถ่านหินประกอบด้วยธาตุที่สำคัญ 4 อย่างได้แก่ คาร์บอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน และออกซิเจน นอกจากนั้น มีธาตุหรือสารอื่น เช่น กำมะถัน เจือปนเล็กน้อย ถ่านหินที่มีจำนวนคาร์บอนสูงและมีธาตุอื่นๆต่ำ เมื่อนำมาเผาจะให้ความร้อนมาก ถือว่าเป็นถ่านหินคุณภาพดี ถ่านหินสามารถแยกประเภทตามลำดับชั้นได้เป็น 5 ประเภท คือ - พีต (Peat) เป็นขั้นแรกในกระบวนการเกิดถ่านหิน ประกอบด้วยซากพืชซึ่งบางส่วนได้สลายตัวไปแล้วสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ - ลิกไนต์ (Lignite) มีซากพืชหลงเหลืออยู่เล็กน้อย มีความชื้นมาก เป็นถ่านหินที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในงานอุตสาหกรรรม ประเทศไทยพบมากที่ลำปาง ลำพูน กระบี่ เป็นต้น - ซับบิทูมินัส (Sub Bituminous) มีสีดำ เป็นเชื้อเพลิงที่มีคุณภาพเหมาะสมในการผลิตกระแสไฟฟ้า - บิทูมินัส (Bituminous) เป็นถ่านหินเนื้อแน่น แข็ง ประกอบด้วยชั้นถ่านหินสีดำมันวาว ใช้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อการถลุงโลหะ - แอนทราไซต์ (Anthracite) เป็นถ่านหินที่มีลักษณะดำเป็นเงา มันวาวมาก มีรอยแตกเว้าแบบก้นหอย ติดไฟยาก รูปที่ 5 แอนทราไซต์ ถ่านโค้ก เป็นเชื้อเพลิงที่ผลิตจากการเผาถ่านหินบิทูมินัสในที่ที่มีอากาศน้อยมาก เพื่อลดปริมาณเถ้าและเพิ่มสัดส่วนของคาร์บอน ถ่านไม้ เป็นเชื้อเพลิงที่ผลิตจากไม้โดยขบวนการให้ความร้อนเพียงเล็กน้อยเพื่อให้มันกลายสภาพเป็นคาร์บอน ถ่านไม้จะถูกใช้แทนถ่านหินในประเทศที่มีไม้มากแต่ไม่มีถ่านหิน ถ่านไม้จะถูกนำมาเป็นเชื้อเพลิงในการทำอาหารหรือทำเป็นเชื้อเพลิงอื่น ๆ ส่วนประกอบของแร่ธาตุและสารต่าง ๆ จะระเหยออกมาอยู่ในรูปของไอร้อน และ ควัน เป็นต้น หินน้ำมัน คือ หินตะกอนชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยอินทรีย์วัตถุในรูปของสารที่เรียกว่า คีโรเจน และ คีโรเจนนี้เอง เมื่อถูกทำให้ร้อนด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง ประมาณ 500 องศาเซลเซียส จะให้น้ำมันและก๊าซไฮโดรคาร์บอนออกมา สำหรับการเกิดของหินน้ำมันนั้นเกิดจากพวกพืชและสัตว์ที่ตายแล้ว ซึ่งได้สะสมรวมกันกับเศษหินดินทรายต่าง ๆ อยู่ในที่ที่เคยเป็นแหล่งน้ำขนาดใหญ่ทั่วไปมาก่อน เมื่อเวลาได้ผ่านไปนานนับล้านปีพวกอินทรีย์วัตถุอันได้แก่ ซากพืชและสัตว์ต่าง ๆ ดังกล่าวนั้น ก็จะแปรสภาพเป็นสารคล้ายยางเหนียว ๆ หรือที่เรียกว่า คีโรเจน ส่วนเศษหินดินทรายต่าง ๆ ซึ่งมีสารคีโรเจนอยู่ด้วยนี้ ก็แปรสภาพเป็นหินตะกอนออกสีเข้ม เรียกว่า หินน้ำมัน ก๊าซที่นำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงและวัตถุดิบสำหรับผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ส่วนใหญ่ได้มาจากธรรมชาติ นอกจากนี้ก็สามารถได้จากกระบวนการผลิตโดยตรง เช่น พวกก๊าซสังเคราะห์ หรืออีกทางหนึ่งอาจจะเป็นผลพลอยได้มาจากกระบวนการผลิตสิ่งอื่นและได้แก๊สออกมาโดยไม่ได้ตั้งใจ เช่น ก๊าซที่ได้จากการถลุงเหล็ก เป็นต้น ก๊าซชีวมวล เป็นก๊าซเชื้อเพลิงที่ได้จากกระบวนการผลิตโดยการใช้ถ่านหินเป็นวัตถุดิบโดยการเผาถ่านหินหรือไม้ในเตาปฏิกรณ์แบบแพ็กเบน ที่มีอากาศจำกัด ซึ่งปริมาณอากาศที่ใช้จะต้องมีอัตาส่วนที่พอเหมาะ ก๊าซชีวะมวลจะประกอบไปด้วย โฟรดิวเซอร์ก๊าซ วอเตอร์ก๊าซ คาร์บูเร็ตต์วอเตอร์ก๊าซ เป็นต้น ก๊าซธรรมชาติหรือก๊าซเอ็น.จี.วี เป็นเชื้อเพลิงที่มีสารประกอบไฮโดรคาร์บอน โดยมีธาตุคาร์บอนกับธาตุไฮโดรเจนจับตัวกันเป็นโมเลกุลเช่นเดียวกับน้ำมัน ธาตุสองชนิดนี้จะรวมตัวกันในสัดส่วนของอะตอมที่แตกต่างกันและให้สารประกอบที่ต่างกันด้วย โดยเริ่มตั้งแต่แก๊สมีเทน ซึ่งประกอบไปด้วยคาร์บอน 1 อะตอม และโฮโดรเจน 6 อะตอมจะได้สารประกอบชื้อมีเทน เป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งระดับคาร์บอนเพิ่มเป็น 8 อะตอม และไฮโดรเจน 18 อะตอม สารประกอบที่ได้จะมีชื่อว่าออกเทน ก๊าซหุงต้มหรือก๊าซแอล.พี