रासायनिक लूपिंग दहन

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चित्र 1. सीएलसी रिएक्टर प्रणाली का आरेख
चित्र 2. (बाएं) दोहरी द्रवीकृत बेड डिजाइन, डार्मस्टेड रासायनिक लूपिंग कंबुस्शन पायलट संयंत्र[1] और (दाएं) इंटरकनेक्टेड मूविंग बेड-फ्लुइडाइज्ड बेड डिजाइन, ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी कोल डायरेक्ट केमिकल लूपिंग पायलट प्लांट[2]

रासायनिक लूपिंग कंबुस्शन (सीएलसी) एक तकनीकी प्रक्रिया है जो सामान्यतः दोहरी द्रवीकृत बेड प्रणाली को नियोजित करती है। द्रवीकृत बेड प्रणाली के साथ एक इंटरकनेक्टेड मूविंग बेड के साथ संचालित सीएलसी को एक प्रौद्योगिकी प्रक्रिया के रूप में भी नियोजित किया गया है। सीएलसी में एक धातु ऑक्साइड को एक बेड सामग्री के रूप में नियोजित किया जाता है जो द्रवित बेड कंबुस्शन में कंबुस्शन के लिए ऑक्सीजन प्रदान करता है। घटी हुई धातु को फिर दूसरे बेड (द्रवयुक्त बेड रिएक्टर) में स्थानांतरित किया जाता है और लूप को पूरा करने वाले ईंधन रिएक्टर में वापस लाने से पहले पुन: ऑक्सीकरण किया जाता है। चित्र 1 सीएलसी प्रक्रिया का एक सरलीकृत आरेख दिखाता है। चित्र 2 एक दोहरे द्रवीकृत बेड परिसंचारी रिएक्टर प्रणाली और एक गतिशील बेड -द्रवयुक्त बेड परिसंचारी रिएक्टर प्रणाली का एक उदाहरण दिखाता है।

हवा से ईंधन को अलग करने से कंबुस्शन में रासायनिक प्रतिक्रियाओं की संख्या सरल हो जाती है। नाइट्रोजन और हवा में पाई जाने वाली सूक्ष्म गैसों के बिना ऑक्सीजन का उपयोग नाइट्रोजन ऑक्साइड (NOx) के निर्माण के प्राथमिक स्रोत को समाप्त कर देता है, मुख्य रूप से कार्बन डाइऑक्साइड और जल वाष्प से बनी ग्रिप गैस का उत्पादन करता है; अन्य सूक्ष्म प्रदूषक चयनित ईंधन पर निर्भर करते हैं।

विवरण

रासायनिक लूपिंग कंबुस्शन (सीएलसी) हाइड्रोकार्बन-आधारित ईंधन के ऑक्सीकरण को करने के लिए दो या दो से अधिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करता है। अपने सरलतम रूप में, एक ऑक्सीजन-वाहक प्रजाति (सामान्यतः एक धातु) सबसे पहले हवा में ऑक्सीकृत होकर एक ऑक्साइड बनाती है। इस ऑक्साइड को दूसरी प्रतिक्रिया में रिड्यूसर के रूप में हाइड्रोकार्बन का उपयोग करके कम किया जाता है। उदाहरण के रूप से, शुद्ध कार्बन जलाने वाली लौह आधारित प्रणाली में दो रिडॉक्स प्रतिक्रियाएं सम्मिलित होंगी:

C(s) + Fe
2O
3(s) → Fe
3O
4(s) + CO
2(g)

 

 

 

 

(1)

Fe
3O
4(s) + O2(g) → Fe
2O
3(s)

 

 

 

 

(2)

यदि (1) और (2) को एक साथ जोड़ा जाता है, प्रतिक्रिया सेट सीधे कार्बन ऑक्सीकरण में कम हो जाता है अथार्त :

C(s) + O
2(g) → CO2(g)

 

 

 

 

(3)

सीएलसी का अध्ययन सबसे पहले उत्पादन के विधि के रूप में किया गया था CO2जीवाश्म ईंधन से, दो परस्पर जुड़े द्रवीकृत बेड का उपयोग करते है।[3] और इसके पश्चात् में इसे पावर स्टेशन दक्षता बढ़ाने के लिए एक प्रणाली के रूप में प्रस्तावित किया गया था।[4] दो रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं की बढ़ी हुई उत्क्रमणीयता के कारण दक्षता में वृद्धि संभव है; पारंपरिक एकल चरण कंबुस्शन में, ईंधन की ऊर्जा का विमोचन अत्यधिक अपरिवर्तनीय विधि से होता है - संतुलन से अधिक हटकर सीएलसी में, यदि एक उपयुक्त ऑक्सीजन वाहक चुना जाता है, तो दोनों रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं को लगभग विपरीत रूप से और अपेक्षाकृत कम तापमान पर घटित किया जा सकता है। सैद्धांतिक रूप से, यह सीएलसी का उपयोग करने वाले एक पावर स्टेशन को अत्यधिक कार्यरत तापमान के घटकों को प्रकाशित किए बिना आंतरिक कंबुस्शन इंजन के लिए आदर्श कार्य आउटपुट तक पहुंचने की अनुमति देता है।

ऊष्मागतिकी

चित्र 3. एक प्रतिवर्ती सीएलसी प्रणाली में ऊर्जा प्रवाह का सैंकी आरेख।

चित्र 3 सीएलसी प्रणाली में ऊर्जा विनिमय को ग्राफिक रूप से दिखाता है और एक प्रतिवर्ती सीएलसी आधारित इंजन में होने वाले ऊर्जा प्रवाह का एक सैंकी आरेख दिखाता है। चित्र 1 का अध्ययन करते हुए, ऊष्मा इंजन को एक्ज़ोथिर्मिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया से उच्च तापमान पर गर्मी प्राप्त करने की व्यवस्था की जाती है। इस ऊर्जा के एक भाग को कार्य में परिवर्तित करने के बाद ऊष्मा इंजन शेष ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में अस्वीकार कर देता है। इस ऊष्मा अस्वीकृति का लगभग सारा भाग रेड्यूसर में होने वाली एन्दोठेर्मिक कमी प्रतिक्रिया द्वारा अवशोषित किया जा सकता है। इस व्यवस्था के लिए रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं को क्रमशः एक्ज़ोथिर्मिक और एंडोथर्मिक होना आवश्यक है, किंतु यह सामान्यतः अधिकांश धातुओं के स्थिति में होता है।[5] दूसरे नियम को संतुष्ट करने के लिए पर्यावरण के साथ कुछ अतिरिक्त ताप विनिमय की आवश्यकता होती है; सैद्धांतिक रूप से, एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया के लिए, ताप विनिमय प्राथमिक हाइड्रोकार्बन ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया के मानक स्थिति एन्ट्रापी परिवर्तन, ΔSo से संबंधित है:

Qo = ToΔSo

चूँकि अधिकांश हाइड्रोकार्बन के लिए, ΔSo एक छोटा मूल्य है और, परिणामस्वरूप, उच्च समग्र दक्षता वाला इंजन सैद्धांतिक रूप से संभव है।[6]


CO2 अधिकृत

चूँकि इसे दक्षता बढ़ाने के साधन के रूप में प्रस्तावित किया गया है, वर्तमान`के वर्षों में कार्बन अधिकृत तकनीक के रूप में सीएलसी में रुचि दिखाई गई है[7][8] कार्बन अधिकृत को सीएलसी द्वारा सुविधाजनक बनाया गया है क्योंकि दो रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं दो आंतरिक रूप से अलग-अलग ग्रिप गैस धाराओं को उत्पन्न करती हैं: वायु रिएक्टर से एक धारा, जिसमें वायुमंडलीय N
2 और अवशिष्ट O
2 सम्मिलित हैं, किंतु समझदारी से CO2 से मुक्त है; और ईंधन रिएक्टर से निकलने वाली एक धारा में मुख्य रूप से CO2 और H
2O के साथ बहुत कम पतला नाइट्रोजन होता है। वायु रिएक्टर फ़्लू गैस को वायुमंडल में छोड़ा जा सकता है जिससे न्यूनतम CO2 प्रदूषण होता है। रेड्यूसर निकास गैस में प्रणाली द्वारा उत्पन्न लगभग सभी CO2 होती है और CLC को 'अंतर्निहित कार्बन कैप्चर' प्रदर्शित करने के लिए कहा जा सकता है, क्योंकि जल वाष्प को संघनन के माध्यम से दूसरी ग्रिप गैस से आसानी से हटाया जा सकता है, जिससे लगभग शुद्ध की धारा बन जाती है। CO2 . प्रतिस्पर्धी कार्बन अधिकृत प्रौद्योगिकियों के साथ तुलना करने पर यह सीएलसी को स्पष्ट लाभ देता है, क्योंकि उत्तरार्द्ध में समान्यत: कंबुस्शन के बाद स्क्रबिंग प्रणाली या वायु पृथक्करण संयंत्रों के लिए आवश्यक कार्य इनपुट से जुड़ा एक महत्वपूर्ण ऊर्जा पेनाल्टी सम्मिलित होता है। इसके कारण सीएलसी को एक ऊर्जा कुशल कार्बन अधिकृत तकनीक के रूप में प्रस्तावित किया गया है,[9][10] जो लगभग सभी CO2 को अधिकृत करने में सक्षम है, उदाहरण के लिए, कोल डायरेक्ट केमिकल लूपिंग (सीडीसीएल) संयंत्र से।[11][12] 25 किलोवाट सीडीसीएल उप-पायलट इकाई के 200 घंटे के निरंतर प्रदर्शन के परिणाम ने लगभग 100% कोयले को CO2 में परिवर्तित करने का संकेत दिया, जिसमें वायु रिएक्टर में कोई कार्बन नहीं था।।[13][14]

प्रौद्योगिकी विकास

गैसीय ईंधन के साथ रासायनिक-लूपिंग कंबुस्शन का पहला ऑपरेशन 2003 में प्रदर्शित किया गया था,[15] और बाद में 2006 में ठोस ईंधन के साथ[16] 0.3 से 3 मेगावाट के 34 पायलटों का कुल परिचालन अनुभव 9000 घंटे से अधिक है।[17][18][19] ऑपरेशन में उपयोग की जाने वाली ऑक्सीजन वाहक सामग्रियों में निकल, तांबा, मैंगनीज और लौह के मोनोमेटेलिक ऑक्साइड, साथ ही मैंगनीज ऑक्साइड समेत विभिन्न संयुक्त ऑक्साइड सम्मिलित हैं। कैल्शियम, लौह और सिलिका के साथ संयुक्त इसके अतिरिक्त प्राकृतिक अयस्कों का भी उपयोग किया जाता रहा है, विशेषकर ठोस ईंधन के लिए, जिनमें लौह अयस्क, मैंगनीज अयस्क और इल्मेनाइट सम्मिलित हैं।

निवेश और ऊर्जा पेनाल्टी

1000 मेगावाट के लिए ठोस ईंधन, अथार्त कोयले के रासायनिक-लूपिंग कंबुस्शन का एक विस्तृत प्रौद्योगिकी मूल्यांकन पावर प्लांट से पता चलता है कि प्रौद्योगिकियों की समानता के कारण सामान्य परिसंचारी द्रवयुक्त बेड बॉयलर की तुलना में अतिरिक्त सीएलसी रिएक्टर की निवेश कम है। इसके अतिरिक्त प्रमुख निवेश CO2 हैं संपीड़न, सभी CO2 में आवश्यक प्रौद्योगिकियों और ऑक्सीजन उत्पादन पर अधिकृत ईंधन रिएक्टर से उत्पाद गैस को चमकाने के लिए कुछ सीएलसी कॉन्फ़िगरेशन में आणविक ऑक्सीजन उत्पादन की भी आवश्यकता हो सकती है। कुल मिलाकर अतिरिक्त निवेश 20 €/टन CO2 होने का अनुमान लगाया गया था जबकि ऊर्जा पेनाल्टी 4% था.[20]

विविध और संबंधित प्रौद्योगिकियां

सीएलसी का एक प्रकार ऑक्सीजन अनकपलिंग (सीएलओयू) के साथ रासायनिक-लूपिंग कंबुस्शन है जहां एक ऑक्सीजन वाहक का उपयोग किया जाता है जो ईंधन रिएक्टर में गैस-चरण ऑक्सीजन छोड़ता है, उदाहरण के लिए CuO/Cu
2O.[21] यह उच्च गैस रूपांतरण प्राप्त करने में सहायक है और विशेष रूप से ठोस ईंधन का उपयोग करते समय जहां चारे की धीमी भाप गैसीकरण से बचा जा सकता है। इस प्रकार ठोस ईंधन के साथ CLOU संचालन उच्च प्रदर्शन दर्शाता है[22][23]

केमिकल लूपिंग का उपयोग केमिकल-लूपिंग रिफॉर्मिंग (सीएलआर) प्रक्रियाओं में हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए भी किया जा सकता है।।[24][25] सीएलआर प्रक्रिया के एक विन्यास में, स्टीम रिएक्टर और द्रवीकृत बेड एयर रिएक्टर के साथ एकीकृत मूविंग बेड ईंधन रिएक्टर का उपयोग करके कोयले और/या प्राकृतिक गैस से हाइड्रोजन का उत्पादन किया जाता है। सीएलआर का यह विन्यास CO2 पृथक्करण की आवश्यकता के बिना 99% से अधिक शुद्धता वाले H2 का उत्पादन कर सकता है.[19][26]

रासायनिक लूपिंग प्रौद्योगिकी पर वर्तमान की समीक्षाओं में क्षेत्र का व्यापक अवलोकन दिया गया है।[7][27][28]

संक्षेप में, सीएलसी कम ऊर्जा पेनाल्टी कार्बन अधिकृत के साथ-साथ पावर स्टेशन दक्षता में वृद्धि दोनों प्राप्त कर सकता है। इस प्रकार सीएलसी के साथ चुनौतियों में दोहरे द्रवीकृत बेड का संचालन (क्रशिंग और घर्षण से बचते हुए वाहक द्रवीकरण को बनाए रखना चाहिए) सम्मिलित है[29] और कई चक्रों में वाहक स्थिरता बनाए रखते है।

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Ströhle, Jochen; Orth, Matthias; Epple, Bernd (January 2014). "1MWth रासायनिक लूपिंग संयंत्र का डिज़ाइन और संचालन". Applied Energy. 113: 1490–1495. doi:10.1016/j.apenergy.2013.09.008. ISSN 0306-2619.
  2. ↑ Liang-Shih, Fan. Chemical looping partial oxidation : gasification, reforming, and chemical syntheses. Cambridge. ISBN 9781108157841. OCLC 1011516037.
  3. ↑ Lewis, W., Gilliland, E. and Sweeney, M. (1951). "कार्बन का गैसीकरण". Chemical Engineering Progress. 47: 251–256.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  4. ↑ Richter, H.J.; Knoche, K.F. (1983). "Reversibility of combustion processes, in Efficiency and Costing – Second law analysis of processes". ACS symposium series (235): 71–85. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
  5. ↑ Jerndal, E., Mattisson, T. and Lyngfelt, A. (2006). "रासायनिक-लूपिंग दहन का थर्मल विश्लेषण". Chemical Engineering Research and Design. 84 (9): 795–806. doi:10.1205/cherd05020.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  6. ↑ McGlashan, N.R. (2008). "Chemical looping combustion – a thermodynamic study". Proc. Inst. Mech. Eng. C. 222 (6): 1005–1019. CiteSeerX 10.1.1.482.5166. doi:10.1243/09544062JMES790. S2CID 14865943.
  7. ↑ Jump up to: 7.0 7.1 Liang-Shih., Fan (2010). जीवाश्म ऊर्जा रूपांतरण के लिए रासायनिक लूपिंग सिस्टम. Hoboken, NJ: Wiley-AIChE. ISBN 9780470872888. OCLC 663464865.
  8. ↑ Fan, Liang-Shih; Zeng, Liang; Wang, William; Luo, Siwei (2012). "Chemical looping processes for CO2 capture and carbonaceous fuel conversion – prospect and opportunity". Energy & Environmental Science (in English). 5 (6): 7254. doi:10.1039/c2ee03198a. ISSN 1754-5692.
  9. ↑ Ishida, M.; Jin, H. (1997). "CO2 Recovery in a power plant with chemical looping combustion". Energy Conv. MGMT. 38: S187–S192. doi:10.1016/S0196-8904(96)00267-1.
  10. ↑ Brandvoll, Ø.; Bolland, O. (2004). "Inherent CO2 Capture Using Chemical Looping Combustion in a Natural Gas Fired Power Cycle". Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 126 (2): 316–321. doi:10.1115/1.1615251.
  11. ↑ Gorder, Pam (February 5, 2013). "नई कोयला प्रौद्योगिकी बिना जलाए ऊर्जा का उपयोग करती है, पायलट-स्केल विकास के करीब है". researchnews.osu.edu. Archived from the original on December 21, 2016. Retrieved 2016-11-04.
  12. ↑ Bayham, Samuel; McGiveron, Omar; Tong, Andrew; Chung, Elena; Kathe, Mandar; Wang, Dawei; Zeng, Liang; Fan, Liang-Shih (May 2015). "Parametric and dynamic studies of an iron-based 25-kW th coal direct chemical looping unit using sub-bituminous coal". Applied Energy. 145: 354–363. doi:10.1016/j.apenergy.2015.02.026. ISSN 0306-2619.
  13. ↑ Bayham, Samuel C.; Kim, Hyung R.; Wang, Dawei; Tong, Andrew; Zeng, Liang; McGiveron, Omar; Kathe, Mandar V.; Chung, Elena; Wang, William (2013-03-08). "Iron-Based Coal Direct Chemical Looping Combustion Process: 200-h Continuous Operation of a 25-kWth Subpilot Unit". Energy & Fuels (in English). 27 (3): 1347–1356. doi:10.1021/ef400010s. ISSN 0887-0624.
  14. ↑ Chung, Cheng; Pottimurthy, Yaswanth; Xu, Mingyuan; Hsieh, Tien-Lin; Xu, Dikai; Zhang, Yitao; Chen, Yu-Yen; He, Pengfei; Pickarts, Marshall (December 2017). "कोयला-प्रत्यक्ष रासायनिक लूपिंग सिस्टम में सल्फर का भाग्य". Applied Energy. 208: 678–690. doi:10.1016/j.apenergy.2017.09.079. ISSN 0306-2619.
  15. ↑ Lyngfelt, A. (2004). "एक नई दहन प्रौद्योगिकी". Greenhouse Gas Issues. No.73: 2–3.
  16. ↑ Lyngfelt, A. (2007). "ठोस ईंधन का रासायनिक-लूपिंग दहन". Greenhouse Gas Issues. No. 85: 9–10.
  17. ↑ Lyngfelt, A. (2011). "Oxygen carriers for chemical-looping combustion - 4000 h of operational experience". Oil & Gas Science and Technology. 66:2 (2): 161–172. doi:10.2516/ogst/2010038.
  18. ↑ Lyngfelt, A; Linderholm, C. "Chemical-Looping Combustion of Solid Fuels – status and recent progress". 13th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, GHGT-13, 14–18 November 2016, Lausanne, Switzerland.
  19. ↑ Jump up to: 19.0 19.1 Tong, Andrew; Bayham, Samuel; Kathe, Mandar V.; Zeng, Liang; Luo, Siwei; Fan, Liang-Shih (January 2014). "ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी में आयरन-आधारित सिनगैस रासायनिक लूपिंग प्रक्रिया और कोयला-प्रत्यक्ष रासायनिक लूपिंग प्रक्रिया विकास". Applied Energy. 113: 1836–1845. doi:10.1016/j.apenergy.2013.05.024. ISSN 0306-2619.
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  22. ↑ Abad, A., Adánez-Rubio, I. Gayán, P. García-Labiano, F. de Diego L. F. and Adánez, J. (2012). "Demonstration of chemical-looping with oxygen uncoupling (CLOU) process in a 1.5kW th continuously operating unit using a Cu-based oxygen-carrier". International Journal of Greenhouse Gas Control. 6: 189–200. doi:10.1016/j.ijggc.2011.10.016. hdl:10261/75134.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  23. ↑ Zhou, Zhiquan; Han, Lu; Nordness, Oscar; Bollas, George M. (2015-05-01). "CuO ऑक्सीजन वाहकों की रासायनिक-लूपिंग दहन (सीएलसी) और ऑक्सीजन अनकपलिंग (सीएलओयू) प्रतिक्रियाशीलता के साथ रासायनिक-लूपिंग की निरंतर व्यवस्था". Applied Catalysis B: Environmental. 166–167: 132–144. doi:10.1016/j.apcatb.2014.10.067.
  24. ↑ Rydén, M.; Lyngfelt, A. (2006). "रासायनिक-लूपिंग दहन द्वारा कार्बन डाइऑक्साइड कैप्चर के साथ हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए भाप सुधार का उपयोग करना". Journal of Hydrogen Energy. 31 (10): 1631–1641. doi:10.1016/j.ijhydene.2005.12.003.
  25. ↑ Rydén, M.; Lyngfelt, A. & Mattisson, T. (2006). "लगातार संचालित प्रयोगशाला रिएक्टर में रासायनिक-लूपिंग सुधार द्वारा संश्लेषण गैस उत्पादन". Fuel. 85 (12–13): 1631–1641. doi:10.1016/j.fuel.2006.02.004.
  26. ↑ Tong, Andrew; Sridhar, Deepak; Sun, Zhenchao; Kim, Hyung R.; Zeng, Liang; Wang, Fei; Wang, Dawei; Kathe, Mandar V.; Luo, Siwei (January 2013). "Continuous high purity hydrogen generation from a syngas chemical looping 25kWth sub-pilot unit with 100% carbon capture". Fuel. 103: 495–505. doi:10.1016/j.fuel.2012.06.088. ISSN 0016-2361.
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  28. ↑ Adánez, J.; Abad, A. Garcia-Labiano; F. Gayan P. & de Diego, L. (2012). "केमिकल-लूपिंग दहन और सुधार प्रौद्योगिकियों में प्रगति'". Progress in Energy and Combustion Science. 38 (2): 215–282. doi:10.1016/j.pecs.2011.09.001. hdl:10261/78793.
  29. ↑ Kim, J.Y., Ellis, N., Lim, C.J. and Grace, J.R. (2019). "जेट एट्रिशन यूनिट में ठोस पदार्थों के बाइनरी मिश्रण का एट्रिशन". Powder Technology. 352: 445–452. doi:10.1016/j.powtec.2019.05.010. S2CID 164585879.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)


बाहरी संबंध

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