การเผาถ่านแบบถังครึ่ง_๐๕ การเปลี่ยนไม้กลายเป็นถ่าน

บันทึกนี้ ผมจับเอาความรู้จากคู่มือการผลิตถ่านคุณภาพสูงและน้ำส้มควันไม้เพื่อใช้ในครัวเรือน ที่เขียนโดย สุพรชัย มั่งมีสิทธิ์ ซึ่งเผยแพร่ไว้ตั้งแต่ พ.ศ. ๒๕๕๑ (ดาวน์โหลดได้ที่นี่) มาแลกเปลี่ยนเรียนรู้กับเพื่อนผู้เผาถ่านทุกท่านครับ 

ก่อนจะอ่านทฤษฎีของการเปลี่ยนไม้กลายเป็นถ่าน เราควรจะรู้และยอมรับในผลการศึกษาที่ผ่านมาว่า ไม้ประกอบด้วยอะไร และหลังจากทำให้ไม้กลายเป็นถ่านแล้ว สิ่งที่ยังเหลืออยู่ในถ่านคืออะไร 

ไม้กับถ่าน

นักวิทยาศาสตร์ ตัดเอากิ่งก้านใบลำต้นและรากของพืชมาตัดเป็นชิ้นเล็ก ๆ บ้าง บดเป็นผงบ้าง อบด้วยอุณหภมิไม่สูงนักให้น้ำระหว่างเซล์ออกแล้วใช้วิธีการต่าง ๆ ศึกษาว่า มันประกอบด้วยอะไร ผลปรากฏว่า เขาพบธาตุทั้งหมด ๑๗ ชนิด จึงสรุปว่า ธาตุ ๑๗ ชนิดนี้คืออาหารพืช โดยใช้หลักคิดว่า "กินอะไร ก็เป็นอันนั้น" 

การวิเคราะห์ปริมาณของธาตุเหล่านั้น สามารถแบ่งธาตุเหล่านั้นออกเป็น ๒ กลุ่ม ธาตุที่มีมากเรียกว่า "มหธาตุ"  (มี ๙ ธาตุ) ธาตุที่พบน้อยเรียกว่า "จุลธาตุ" (มี ๘ ธาตุ) รวมกันอยู่ในรูปขององค์ประกอบของไม้ เช่น แป้ง น้ำตาล (ในเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลส) ลิกนิน แทนนิน แว๊กซ์ หรือเกลืออนินทรีย์ เป็นต้น องค์ประกอบส่วนใหญ่ทางเคมีของสิ่งเหล่านี้ ได้แก่ คาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน กำมะถัน น้ำ และขี้เถ้า

ถ้าให้ความร้อนกับไม้(ภายใต้สภาวะที่ไม่มีออกซิเจนหรือออกซิเจนน้อย) สารไฮโดรคาร์บอนส่วนหนึ่งจะถูกแยกออกจากเนื้อไม้ในรูปของก๊าซชนิดต่าง ๆ น้ำมันดินหรือทาร์ และจุลธาตุต่าง ๆ  คาร์บอนที่เหลืออยู่จะกลายมาเป็นถ่าน (charcoal) นั่นเอง ความบริสุทธิ์ของถ่านจะขึ้นกับอุณหภูมิสูงสุดและระยะเวลาที่ให้กับไม้ 

ถ่านคุณภาพ

ผมชอบวิธีการที่ อ.กิตติ เลิศล้ำ ท่านจำแนกคุณภาพของถ่าน โดยเอาคุณประโยชน์ของถ่านมาสื่อสารง่าย ๆ เรียงตามลำดับคุณภาพถ่าน ได้แก่ ถ่านหุงต้ม->ถ่านปิ๊งย่าง->ถ่านดูดซับกลิ่น->ถ่านสุขภาพ ก่อนจะอธิบายปริมาณมาตรฐานสากลที่ทำให้คนผู้สนใจศึกษาลงลึกสามารถสื่อสารเชื่อมโยงกันได้ชัด เช่น ความต้านทานไฟฟ้า ปริมาณคาร์บอนเสถียร (fixed carbon) ปริมาณสารระเหยได้ (Volatile) ขี้เถ้า เป็นต้น 

ส่วนชนิดของถ่านที่ "คนเผาถ่าน" สื่อสารกันในวงการ แบ่งประเภทตามเทคนิคการผลิตถ่าน ได้แก่ ถ่านดำ (black charcoal) ถ่านชีวภาพ (biocharcoal) ถ่านกัมมันต์ (activated charcoal) และถ่านขาว (white charcoal) หรือ ถ่านบินโจตัน 

สำหรับผู้ใช้ถ่าน การแยกคุณภาพด้วยการใช้ตา หู จมูก มือ สามารถจำแนกลักษณะของถ่านเบื้องต้นได้เช่นกัน เช่น ถ่านที่มีคุณภาพ ถ้าหักดูจะเห็นเป็นมันวาว เวลาติดไฟไม่แตก ไม่มีประกาย ไม่มีควัน ไม่มีกลิ่น แกร่ง เคาะดูมีเสียงดังกังวาน (แสดงถึงความหนาแน่นสูง) ... และสิ่งที่เป็นภาษาว่ากันคำแรกเลยก็คือ "ความกล้า" ภาษาอีสานเรียกว่า "โฮง" ซึ่งบ่งบอกถึงค่าความร้อนของถ่านแต่ละชนิด 

ฟืนไม่ใช่ถ่าน ถ่านไม่ใช่ฟืน แต่ถ่านมาจากฟืน

"ฟืน" คือไม้สำหรับนำไป "เผ้าไหม้" (combustion) ส่วน "ถ่าน" คือไม้ที่ถูกทำให้กลายเป็นถ่าน (cabornization) โดยการแยกส่วนประกอบอื่น ๆ ให้เหลือคาร์บอน  ถ้ายอมรับว่า การเผาถ่านไม่ใช่การเผาไหม้ จะเข้าใจว่า ทำไม เราจึงต้องติดไฟนอกห้องอบ แยกห้องอบและห้องเผาออกจากกัน สร้างระบบให้อากาศร้อนไหลจากห้องเผาไปยังห้องอบ ... ต้องไม่ให้ฟืนในห้องอบเกิดการเผาไหม้

ถ้าเกิดการเผาไหม้ คาร์บอนจะรวมกับออกซิเจนกลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นก๊าซเรือนกระจกที่ทำให้โลกร้อน ส่วนไฮโดรเจนก็จะรวมกับออกซิเจนได้น้ำ (H2O) ในกรณีของการเผาไหม้ไม่เพียงพอจะเกิดคาร์บอนมอนนอกไซด์ (CO) ซึ่งเป็นอันตราย เช่นเดียวกับ ไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) และ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SOx) 

กระบวนการเปลี่ยนไม้กลายเป็นถ่าน

ยังจำ E=mc^2 ของไอน์สไตน์และกฎกรอนุรักษ์พลังงานได้ไหมครับ ( "มวลคือพลังงาน พลังงานคือมวล" และ  "พลังงานไม่สูญหาย ไม่เกิดขึ้นใหม่ เพียงแต่เปลี่ยนรูปไปเท่านั้น" ตามลำดับ) กระบวนการเปลี่ยนไม้กลายเป็นถ่านก็อยู่ภายใต้หลักการนี้ มวลของไม้ที่หายไปก็กลายมาเป็นถ่านและสารที่ถูกแยกออกมา

การเปลี่ยนไม้กลายเป็นถ่านแบ่งได้เป็น ๔ ขั้นตอน (ข้อมูลจากคู่มือการผลิตถ่านคุณภาพสูง, สุพรชัย มั่งมีสิทธิ์ ดาวน์โหลดที่นี่) ได้แก่ การไล่ความชื้น การกลายเป็นถ่าน การทำให้ถ่านบริสุทธิ์ และการทำให้เย็น แต่ละขั้นตอนมีกระบวนการเคมีความร้อนเกิดขึ้นแตกต่างกัน 

ขั้นตอนที่ ๑ ไล่ความชื้น (dehydration)

ไม้เปียกปกติมีน้ำถึง ๕๐-๖๐ เปอร์เซ็นต์ เพื่อประหยัดฟืนจุดเตา ต้องผึ่งไว้ก่อน (ฟังมาว่าประมาณ ๒ สัปดาห์) ให้น้ำหนักลดลงสัก ๓๐ ถึง ๔๐ เปอร์เซ็นต์ ไม้แห้งทั่วไปอาจมีความชื้นสูงถึง ๒๐ เปอร์เซ็นต์ 

เมื่อเพิ่มอุณหภูมิไปจนถึง ๑๐๐ องศา ไม้จะเริ่มคลายน้ำที่อยู่ระหว่างเซล์และที่ผนังเซล์ก่อน ควันที่ออกมาจะมีสีขาว เป็นเพียงไอน้ำเท่านั้น จะไม่มีน้ำที่เกิดจากการสลายตัวของเนื้อไม้ น้ำจะเหยหมดที่อุณหภูมิประมาณ ๑๑๐ องศา 

ถ้าเพิ่มอุณหภูมิขึ้นจากช่วง ๑๑๐ - ๑๘๐ ไม้จะสะสมความร้อนมากขึ้นเรื่อย ๆ เกือบจะเกิดการแยกองค์ประกอบของเนื้อไม้ได้ ถึงตรงนี้ความชื้นในเนื้อไม้จะไม่เหลืออยู่เลย 

เมื่อเพิ่มอุณหภูมิขึ้นอีก ในช่วง ๑๘๐ -๒๗๐ องศา เฮมิเซลลูโลส (แป้งและน้ำตาล) จะเริ่มสลายตัว และสลายตัวหมดที่อุณหภูมิ ๒๖๐ องศา ผู้เผาถ่านควรรักษาอุณหภูมิช่วงนี้ไว้ให้นานพอสมควร เพื่อให้ไม้สะสมความร้อนได้เท่ากันทุกจุดของเตา สีของควันในช่วงนี้จะมีขาวปนเหลืองจาง ๆ เจือปนอยู่ด้วย 

ห้ามเก็บน้ำส้มควันไม้ในช่วงนี้เด็ดขาด เพราะนอกจากจะมีก๊าซคาร์บอนมอนน็อกไซด์ (CO) ที่เป็นอันตรายต่อผู้เผาแล้ว ยังมีเมธานอลผสมออกมากับกรดน้ำส้มด้วย ซึ่งเป็นอันตรายต่อผู้นำไปใช้ด้วย 

ขั้นตอนที่ ๒ การเปลี่ยนไม้เป็นถ่าน (carbonization)

เมื่ออุณหภูมิ ๒๗๐ จะเกิดปฏิกิริยาคายความร้อนออกมาจากเนื้อไม้ จะเกิดการลุกไหม้เองและสลายตัวให้ความร้อน จึงไม่จำเป็นต้องเติมฟืนที่ห้องจุดเตาอีก 

เซลลูโลสจะเริ่มสลายตัวที่ ๒๗๕ องศา และสลายตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดควันสีขาวปนเหลืองกลิ่นฉุนจัดพวยพุ่งออกมา ที่เรียกกันทั่วไปว่า "ควันบ้า"  

หลังจาก "ควันบ้า" น้อยลงจนกลายเป็นสีเทาแล้ว จำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องรักษาอุณหภูมิไว้ให้คงที่ให้นานพอสมควร เพื่อให้ความร้อนด้านบนของเตาค่อย ๆ ถ่ายเทไปสม่ำเสมอทั่วเตา ถ้าปล่อยให้อุณหภูมิสูงขึ้นเร็วเกินไป ฟืนด้านบนจะกลายเป็นขี้เถ้าก่อนที่ไม้ด้านล่างจะกลายเป็นถ่าน (ที่เรียกว่าส้นถ่าน) ... วิธีที่เราควบคุมอุณหภูมิก็คือการปรับช่องหรี่หน้าเตานั่นเองครับ (ควบคุมปริมาณออกซิเจนซึ่งเป็นปัจจัยให้เกิดการเผาไหม้)

ระหว่างที่เซลลูโลสสลายตัวนี้ เมื่ออุณหภูมิสูงถึง ๓๑๐ องศา ลิกนินจะเริ่มสลายตัว และสลายตัวจนหมดที่อุณหภูมิ ๔๐๐ องศา กระบวนการแยกของเหลวต่าง ๆ ออกจากเนื้อไม้ก็จะเกิดในช่วงนี้ รวมทั้งน้ำมันดินหรือทาร์ด้วย ช่วงนี้เป็นช่วงที่ควรเก็บน้ำส้มควันไม้ และเพื่อให้น้ำมันดินตกตะกอนออกจากน้ำส้มควันไม้ที่ต้อง จึงต้องตั้งทิ้งไว้ให้ตกตะกอนในภาชนะที่ทนความเป็นกรด อย่างน้อย ๙๐ วัน 

ขั้นตอนที่ ๓ การทำถ่านให้บริสุทธิ์

ปกติแล้วการหุงต้มทำอาหารอุณหภูมิจะสูงประมาณ ๕๐๐ - ๖๐๐ ดังนั้นแม้ว่าไม้จะกลายเป็นถ่านทั้งหมดแล้วที่ ๔๐๐ องศา แต่ถ้าปิดเตาและนำถ่านไปใช้ในช่วงนี้ น้ำมันดินหรือทาร์ที่ยังหลงเหลืออยู่ เมื่อถูกเผาให้ร้อนถึง ๔๒๕ องศา จะเกิดเป็นสารประกอบใหม่ เช่น เบนโซไพรีน ฯลฯ ซึ่งเป็นสารก่อมะเร็ง ดังนั้นจึงห้ามเก็บน้ำส้มควันไม้ในช่วงนี้ 

ดังนั้นจึงต้องเพิ่มอุณหภูมิของเตาต่อไป แต่ต้องค่อย ๆ เพิ่มขึ้น หากเพิ่มเร็วเกินไปถ่านด้านบนจะกลายเป็นขี้เถ้าก่อนที่อุณหภูมิพื้นเตาจะถึง ๕๐๐ องศาตามต้องการ

ในทางปฏิบัติจะเพิ่มอุณหภูมิด้านบนเตาให้สูงถึง ๗๐๐ องศา (สังเกตว่าควันเริ่มใสปนฟ้า ๆ) จึงปิดช่องอากาศหน้าเตาไม่ให้ออกซิเจนเข้าเตา แล้วรอให้อุณหภูมิถ่ายเทลงด้านล่างไปทั่วเตา ซึ่งจะเฉลี่ยลดลงมาอยู่ประมาณ ๕๐๐ องศา สังเกตจากที่ควันหายไปเหลือแต่เพียงไอร้อนเท่านั้น ค่อยปิดปากปล่อง 

ขั้นตอนที่ ๔ การทำให้เย็น

เมื่อปิดเตาไม่ให้มีออกซิเจนไหลเข้าเตาได้ การเผาไหมจะหยุดและอุณหภูมิค่อย ๆ ลดลง จนต่ำกว่า ๖๐ องศา ซึ่งอาจต้องใช้เวลานานหลายชั่วโมง ถ้าอุณหภูมิสูงกว่า ๖๐ องศา ถ่านจะเกิดการลุกไหม้ได้อีก

กรณีที่เราเผาที่อุณหภูมิไม่เกิน ๕๐๐ องศา จะได้ปริมาณถ่านสูงที่สุด (ปริมาณผลผลิตสูงสุด) และได้ถ่านที่เหมาะสำหรับนำไปใช้ในการหุงต้ม แต่หากต้องการเพิ่มคุณภาพของถ่าน ให้ได้คาร์บอนบริสุทธิ์มากขึ้น เพื่อนำไปใช้ประโยชน์ต่าง ๆ ตามที่ อ.กิตติ ได้จำแนกไว้นั้น จำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิของเตาให้สูงขึ้น อย่างไรก็ตามปริมาณถ่านที่ได้จะลดลงไป 

เขียนถึงภาคปริยัติมาหลายบันทึกแล้ว บันทึกต่อไปมาว่ากันในภาคปฏิบัติบ้างครับ 

อย่างไรก็ดี มีคำศัพท์เฉพาะอีก ๒ คำที่ผู้สนใจต้องศึกษาในทางทฤษฎีให้รู้จะดีที่สุด คือ กระบวนการไพโรไลซีส (Pyrolysis) และกระบวนการเกิดแก๊ส (Gassification) โอกาสหน้าค่อยมาว่ากันต่อนะครับ หวังว่าจะมีประโยชน์ต่อพ่อแม่พี่น้องเกษตรกรผู้รักการพิทักษ์โลกและพอเพียงนะครับ 

ก่อนจบมีภาพที่ อ.กิตติ แชร์ในกลุ่มผุ้ใช้เตาแบบถังครึ่ง ภาพเดียวนี้อาจจะดีกว่าคำอธิบายที่ผมสาธยายมายาวยืดนะครับ