Use of high temperature heat pump for solvent regeneration in post-combustion carbon capture unit with liquefaction facility: Concept and thermodynamic analysis

सीमेंट आधुनिक दुनिया का अदृश्य कंकाल है, वह सामग्री जो हमारे शहरों को एक साथ थामे रखती है। फिर भी, इसे बनाने की प्रक्रिया ग्लोबल वार्मिंग में एक प्रमुख योगदानकर्ता है। जब सीमेंट बनाने के लिए चूना पत्थर (लाइमस्टोन) को गर्म किया जाता है, तो यह कार्बन डाइऑक्साइड की भारी मात्रा छोड़ता है, जो एक ग्रीनहाउस गैस है और वातावरण में गर्मी को रोक लेती है। इसे रोकने के लिए, इंजीनियरों ने उस गैस को आकाश में भागने से पहले पकड़ने के तरीके विकसित किए हैं। सबसे विश्वसनीय तरीकों में से एक में धुएं को एक विशेष तरल पदार्थ से धोना शामिल है जो कार्बन डाइऑक्साइड को सोख लेता है। हालांकि, यह तरल अंततः भर जाता है और इसे दोबारा उपयोग करने के लिए साफ करने की आवश्यकता होती है। सफाई की इस प्रक्रिया के लिए अत्यधिक गर्मी की आवश्यकता होती है, जो अक्सर फैक्ट्री के पास उपलब्ध अतिरिक्त गर्मी से भी अधिक होती है। यदि फैक्ट्री सफाई के लिए पर्याप्त गर्मी नहीं ढूंढ पाती है, तो कार्बन कैप्चर सिस्टम कुशलता से काम नहीं कर पाएगा, जिससे प्रदूषण की समस्या अनसुलझी रह जाएगी।

साथ ही, एक बार कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ लिए जाने के बाद, इसे भंडारण के लिए भेजने हेतु तरल में बदलना आवश्यक होता है। इस परिवर्तन के लिए गैस को अत्यंत कम तापमान तक ठंडा करना पड़ता है। ऐसा करने में, गैस को ठंडा करने वाली मशीनरी बड़ी मात्रा में अपशिष्ट ऊष्मा (वेस्ट हीट) उत्पन्न करती है, जिसे आमतौर पर हवा में छोड़ दिया जाता है। यह एक निराशाजनक विरोधाभास पैदा करता है: फैक्ट्री को तरल को साफ करने के लिए गर्मी की आवश्यकता है, लेकिन गैस को परिवहन के लिए तैयार करने की प्रक्रिया ठीक उसी तरह की गर्मी को फेंक देती है जिसकी उसे आवश्यकता है। नॉर्वेजियन यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और सिंटेफ (SINTEF) एनर्जी रिसर्च के शोधकर्ताओं ने इस पहेली को सुलझाने का एक तरीका प्रस्तावित किया है। वे सुझाव देते हैं कि कूलिंग सिस्टम को हीटिंग सिस्टम से एक चतुर लूप (चक्र) में जोड़कर, एक अपशिष्ट उत्पाद को एक उपयोगी संसाधन में बदला जा सकता है।

टीम ने सीमेंट संयंत्रों में उपयोग किए जाने वाले एक विशिष्ट सेटअप पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ा जाता है और फिर उसे तरल बनाया जाता है। इस प्रक्रिया के मानक संस्करण में, गैस को अमोनिया का उपयोग करके ठंडा किया जाता है, जो एक सामान्य औद्योगिक रेफ्रिजरेंट (शीतलक) है। जैसे ही अमोनिया कार्बन डाइऑक्साइड से गर्मी सोखकर उसे ठंडा करता है, अमोनिया स्वयं गर्म हो जाता है। एक सामान्य प्लांट में, इस गर्म अमोनिया को आसपास की हवा में गर्मी छोड़कर वापस ठंडा किया जाता है, जो अनिवार्य रूप से उस ऊर्जा को फेंक देता है जिसे उसने अभी-अभी अवशोषित किया था। शोधकर्ताओं ने एक सरल प्रश्न पूछा: यदि उस गर्मी को फेंकने के बजाय, हम इसका उपयोग कार्बन पकड़ने वाले तरल को साफ करने के लिए करें तो क्या होगा?

इसे काम करने योग्य बनाने के लिए, उन्होंने एक ऐसा सिस्टम डिजाइन किया जो एक 'थर्मल एलीवेटर' (ऊष्मीय लिफ्ट) की तरह कार्य करता है। उन्होंने मौजूदा अमोनिया सेटअप में एक दूसरा लूप जोड़ा, जिसमें पेंटेन (pentane) नामक एक अलग तरल का उपयोग किया गया। कूलिंग चक्र से प्राप्त गर्म अमोनिया, पेंटेन को अपनी गर्मी स्थानांतरित करता है। यह गर्मी पेंटेन को उबालने और उसे गैस में बदलने के लिए पर्याप्त है। जैसे ही पेंटेन गैस को कंप्रेस (दबाया) किया जाता है, वह और भी गर्म हो जाता है। इस अति-गर्म (सुपरहीटेड) पेंटेन को फिर फैक्ट्री के उस हिस्से में भेजा जाता है जिसे कार्बन पकड़ने वाले तरल को साफ करने की आवश्यकता होती है। वहाँ, यह अपनी गर्मी छोड़ देता है, जिससे तरल को बस इतना गर्म कर दिया जाता है कि वह पकड़ी गई कार्बन डाइऑक्साइड को छोड़ सके ताकि तरल का पुन: उपयोग किया जा सके। इसके बाद पेंटेन ठंडा हो जाता है, वापस तरल में बदल जाता है, और अमोनिया से और अधिक गर्मी लेने के लिए तैयार रहता है, जिससे एक निरंतर चक्र बनता है।

शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए कि यह वास्तविक दुनिया के परिदृश्य में कितनी अच्छी तरह काम करेगा, परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने एक ऐसे प्लांट का मॉडल तैयार किया जो हर साल दस लाख टन कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ता है। उनके गणनाओं ने दिखाया कि यह नया सिस्टम तरल को साफ करने के लिए आवश्यक गर्मी के एक महत्वपूर्ण हिस्से को सफलतापूर्वक प्राप्त कर सकता है। विशेष रूप से, यदि तरल को पुनर्जीवित करने के लिए मानक मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता है, तो यह सिस्टम कुल आवश्यक गर्मी का लगभग 22 प्रतिशत प्रदान कर सकता है। यदि प्लांट एक अधिक कुशल प्रकार के तरल का उपयोग करता है जिसे शुरू में कम गर्मी की आवश्यकता होती है, तो यह आवश्यकता के 34 प्रतिशत तक को पूरा कर सकता है। इसका अर्थ है कि फैक्ट्री को भाप उत्पन्न करने के लिए बहुत कम ईंधन जलाना होगा, जिससे पैसा बचेगा और उत्सर्जन भी कम होगा।

अध्ययन में इस बात पर भी गौर किया गया कि नए सिस्टम को पंपों और कंप्रेसर चलाने के लिए कितनी ऊर्जा की खपत होगी। हालांकि अतिरिक्त लूप जोड़ने के लिए कुछ अतिरिक्त बिजली की आवश्यकता होती है, लेकिन समग्र संतुलन सकारात्मक है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह सिस्टम अपने द्वारा किए गए कार्य को उपयोगी ऊष्मा में बदलने में अत्यधिक कुशल है। उनके सिमुलेशन में, सेटअप ने 57 प्रतिशत से अधिक की दक्षता रेटिंग हासिल की, जो एक मजबूत प्रदर्शन है क्योंकि यह एक साथ दो काम करता है: गैस को ठंडा करना और तरल को गर्म करना। यह मानक प्रणाली की तुलना में काफी बेहतर है, जो केवल गैस को ठंडा करती है और गर्मी को बर्बाद करती है। टीम ने पाया कि यह सिस्टम सबसे अच्छा तब काम करता है जब गैस को ठंडा करने से पहले एक विशिष्ट दबाव तक कंप्रेस किया जाता है, जो एक ऐसा विवरण है जो ऊष्मा प्राप्ति को सही तापमान पर होने में मदद करता है।

इस दृष्टिकोण का एक प्रमुख लाभ यह है कि यह मौसम या फैक्ट्री के स्थान पर निर्भर नहीं है। दुनिया के कई हिस्सों में, सीमेंट प्लांट को अपशिष्ट ऊष्मा खोजने में संघर्ष करना पड़ता है क्योंकि कच्चा माल गीला होता है और उसे सुखाने के लिए सारी उपलब्ध तापीय ऊर्जा का उपयोग हो जाता है। उन गीले जलवायु वाले क्षेत्रों में, फैक्ट्री के अन्य हिस्सों से गर्मी चुराने की सामान्य विधि अक्सर विफल हो जाती है। हालाँकि, यह नया सिस्टम अपनी ज़रूरत के स्थान पर ही अपना स्वयं का ऊष्मा स्रोत उत्पन्न करता है, जो कूलिंग प्रक्रिया की ऊर्जा का उपयोग करता है। यह कार्बन डाइऑक्साइड को जमाने (फ्रीज करने) की क्रिया को सफाई वाले तरल को गर्म करने के तरीके में बदलकर, उस ऊर्जा को पुनर्चक्रित करता है जो अन्यथा नष्ट हो जाती।

शोधकर्ताओं ने स्वीकार किया कि इस सिस्टम को बनाने के लिए एक मानक प्लांट की तुलना में बड़े और अधिक शक्तिशाली कंप्रेसर की आवश्यकता होगी, जो एक महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग चुनौती है। मशीनों को ऊर्जा बर्बाद किए बिना पेंटेन तरल के प्रवाह को कुशलतापूर्वक संभालना होगा। उन्होंने यह भी उल्लेख किया कि हालांकि उनके परिणाम कंप्यूटर मॉडल पर आधारित हैं, लेकिन डिजाइन के पीछे का भौतिक विज्ञान (फिजिक्स) ठोस है और ऊष्मागतिकी (थर्मोडायनामिक्स) के स्थापित सिद्धांतों पर आधारित है। अध्ययन सुझाव देता है कि मौजूदा कार्बन कैप्चर प्लांट्स को इस दोहरे-लूप सिस्टम के साथ अपग्रेड करना एक व्यवहार्य मार्ग हो सकता है, विशेष रूप से उन सुविधाओं के लिए जहाँ अपशिष्ट ऊष्मा के अन्य स्रोत उपलब्ध नहीं हैं। प्लांट की कूलिंग और हीटिंग आवश्यकताओं को जोड़कर, यह तकनीक कार्बन कैप्चर को कम ऊर्जा-गहन और सीमेंट उद्योग के लिए अधिक व्यावहारिक बनाने का एक तरीका प्रदान करती है, जिससे प्रदूषण के एक बड़े स्रोत को समाधान का एक प्रबंधनीय हिस्सा बनाने में मदद मिलती है।