Experimental investigation and engineering numerical modeling of forced oxidation ignition for deep drilling-based underground coal gasification

पृथ्वी की सतह से काफी नीचे, कोयले की विशाल परतें अछूती पड़ी हैं, जो उन सीमों (seams) में बंद हैं जो पारंपरिक खनन के लिए बहुत गहरी या बहुत खतरनाक हैं। दशकों से, इंजीनियर इस ऊर्जा तक पहुँचने का एक तरीका खोजने का प्रयास कर रहे हैं, जिसमें सतह पर एक भी छेद न किया जाए। समाधान जो वे देखते हैं, वह है 'अंडरग्राउंड कोल गैसीफिकेशन' (भूमिगत कोयला गैसीकरण), एक ऐसी प्रक्रिया जो कोयले को उसी स्थान पर एक दहनशील गैस में बदल देती है जहाँ वह स्थित है। कल्पना कीजिए कि एक गहरी कोयला सीम में दो कुएँ ड्रिल किए जाते हैं, एक में ऑक्सीजन पंप की जाती है, और कोयले को प्रज्वलित किया जाता है। जैसे ही आग जलती है, यह ठोस चट्टान को गैसों के एक मिश्रण में बदल देती है जिसे टर्बइनों को चलाने या घरों को गर्म करने के लिए दूसरे कुएँ से ऊपर खींचा जा सकता है। हालाँकि, इस भूमिगत आग को शुरू करना बेहद कठिन है। कोयला अक्सर नम, ठंडा और अत्यधिक दबाव के नीचे दबा होता है, जिससे इसे जलाना मुश्किल हो जाता है। यदि प्रज्वलन विफल हो जाता है, तो पूरी प्रक्रिया रुक जाती है, जिससे समय और संसाधनों की बर्बादी होती है। इस पहली चिंगारी को पकड़ने और एक स्वतः-अनुरक्षण दहन (self-sustaining burn) में बदलने में सक्षम बनाना वह महत्वपूर्ण बाधा है जो यह निर्धारित करती है कि क्या यह तकनीक कभी एक विश्वसनीय ऊर्जा स्रोत बन सकती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने बिटुमिनस (bituminous) नामक कोयले के प्रकार के लिए इस विशिष्ट समस्या को हल करने के उद्देश्य से काम शुरू किया, जो गहरे भूगर्भीय संरचनाओं में प्रचुर मात्रा में पाया जाता है। उन्होंने 'फोर्स्ड ऑक्सीडेशन इग्निशन' (forced oxidation ignition) नामक पद्धति पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ प्रतिक्रिया को शुरू करने के लिए शुद्ध गर्म ऑक्सीजन को सीधे कोयले में इंजेक्ट किया जाता है। अन्य प्रकार के कोयले के लिए डिज़ाइन की गई पुरानी विधियों या अनुमान लगाने के बजाय, उन्होंने इस विशिष्ट ईंधन को जलाने के लिए आवश्यक सटीक परिस्थितियों को खोजने के लिए नियंत्रित प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की। एक विशेष भट्टी का उपयोग करते हुए जो गहरे भूमिगत कुएं के वातावरण की नकल करती है, उन्होंने कोयले को एक ट्यूब में भरा और उसे विभिन्न तापमानों, ऑक्सीजन प्रवाह दरों और नमी के स्तरों के अधीन किया। उनका लक्ष्य यह मानचित्रित करना था कि विभिन्न परिदृश्यों के तहत कोयला कितनी देर में आग पकड़ता है और एक कंप्यूटर मॉडल बनाना था जो वास्तविक दुनिया की इंजीनियरिंग परियोजनाओं के लिए इन परिणामों की भविष्यवाणी कर सके।

प्रयोगों से पता चला कि इस प्रक्रिया में तापमान सबसे शक्तिशाली कारक है। जब शोधकर्ताओं ने ऐसी ऑक्सीजन इंजेक्ट की जो 150 से 160 डिग्री सेल्सियस के बीच गर्म थी, तो कोयला प्रज्वलित होने से इनकार कर देता था, भले ही उसे लगातार बारह घंटों तक गर्म किया गया हो। प्रारंभिक रासायनिक प्रतिक्रियाओं से उत्पन्न ऊष्मा आसपास की चट्टान और कोयले की नमी के शीतलन प्रभाव को दूर करने के लिए पर्याप्त नहीं थी। हालाँकि, जैसे ही उन्होंने आने वाली ऑक्सीजन के तापमान को 160 से 170 डिग्री सेल्सियस की सीमा में बढ़ाया, व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। कोयला लगातार गर्म होने लगा, और कुछ ही घंटों के भीतर, यह उस मोड़ पर पहुँच गया जहाँ इसके अपने द्वारा उत्पन्न ऊष्मा स्वतः-अनुरक्षण (self-sustaining) बन गई। तापमान को और अधिक बढ़ाकर, 170 से 180 डिग्री सेल्सियस के बीच करने पर, यह प्रक्रिया और भी तेज़ हो गई, जिससे प्रज्वलन तक पहुँचने में लगने वाला समय काफी कम हो गया। इसने एक स्पष्ट सीमा स्थापित की: इस प्रकार के गहरे कोयले के लिए, ऑक्सीजन इतनी गर्म होनी चाहिए कि वह प्रारंभिक प्रतिरोध को पार कर सके, लेकिन इतनी भी गर्म नहीं कि उसे बनाए रखने के लिए अत्यधिक महंगी मशीनों की आवश्यकता हो।

ऑक्सीजन पंप करने की गति ने भी भूमिका निभाई, हालांकि तापमान की तुलना में इसका प्रभाव कम नाटकीय था। टीम ने पाया कि प्रति घंटा 2.5 घन मीटर की मध्यम प्रवाह दर सबसे अच्छी रही। यदि ऑक्सीजन बहुत धीमी गति से पंप की जाती थी, तो प्रतिक्रिया को ऊष्मा बनाने के लिए पर्याप्त ईंधन नहीं मिल पाता था। यदि इसे बहुत तेज़ी से पंप किया जाता था, तो बहती हुई गैस वास्तव में कोयले को ठंडा कर देती थी, जिससे आग पकड़ने से पहले ही ऊष्मा बह जाती थी। यह एक नाजुक संतुलन था, जहाँ गैस को ऊष्मा स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त समय तक कोयले में रहना था, लेकिन प्रतिक्रिया को जारी रखने के लिए पर्याप्त तेज़ी से भी चलना था। शायद आश्चर्यजनक रूप से, कोयले में पानी की मात्रा एक प्रमुख कारक थी। जब कोयला बहुत गीला था, जिसमें 50 प्रतिशत नमी थी, तो प्रज्वलन का समय बढ़कर लगभग पांच घंटे हो गया। कोयले के भीतर मौजूद पानी को पहले उबलकर उड़ना पड़ता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो भारी मात्रा में ऊष्मा ऊर्जा सोख लेती है और आग में देरी करती है। हालाँकि, 20 प्रतिशत की मध्यम नमी के स्तर पर, प्रज्वलन अपेक्षाकृत जल्दी हुआ, जिससे पता चलता है कि थोड़ी मात्रा में पानी कोयले में सूक्ष्म छिद्रों को खोलकर ऑक्सीजन को अधिक सतह क्षेत्र तक पहुँचने में मदद कर सकता है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि इन निष्कर्षों का उपयोग वास्तविक गैसिफिकेशन प्लांट डिजाइन करने वाले इंजीनियरों द्वारा किया जा सके, शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया का एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। इस मॉडल ने ट्रैक किया कि कैसे गर्म ऑक्सीजन गैस से ठोस कोयले में ऊष्मा स्थानांतरित होती है, कैसे पानी वाष्पित होता है, और पूरे कोयला सीम में तापमान कैसे बढ़ता है। जब उन्होंने कंप्यूटर की भविष्यवाणियों की भौतिक प्रयोगों के साथ तुलना की, तो परिणाम उल्लेखनीय सटीकता के साथ मेल खाए, जिसमें त्रुटि 10 प्रतिशत से भी कम थी। इसका अर्थ है कि मॉडल अब वास्तविक क्षेत्र में कोयला सीम को प्रज्वलित करने में कितना समय लगेगा, इसकी भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किया जा सकता है, बिना हर बार महंगे भौतिक परीक्षण किए। शोधकर्ताओं ने एक सरल गणितीय संबंध भी विकसित किया जो ऑपरेटरों को केवल तीन संख्याओं के आधार पर प्रज्वलन समय का अनुमान लगाने की अनुमति देता है: ऑक्सीजन का तापमान, प्रवाह की गति और कोयले का गीलापन।

इस कार्य के निहितार्थ प्रयोगशाला से परे तक विस्तृत हैं। पहली बार, बिटुमिनस कोयले का उपयोग करके गहरे भूमिगत कोयला गैसीफिकेशन परियोजनाओं को शुरू करने के लिए स्पष्ट, डेटा-संचालित दिशा-निर्देश उपलब्ध हैं। अध्ययन सुझाव देता है कि इंजीनियरों को 170 से 180 डिग्री सेल्सियस के बीच ऑक्सीजन तापमान और 2.5 घन मीटर प्रति घंटा की प्रवाह दर का लक्ष्य रखना चाहिए, साथ ही यह सुनिश्चित करना चाहिए कि प्रज्वलन शुरू करने से पहले कोयले की नमी 20 प्रतिशत से कम हो। इन मापदंडों का पालन करके, ऑपरेटर विफल प्रज्वलन प्रयासों के कारण होने वाली महंगी देरी से बच सकते हैं और अधिक विश्वास के साथ अपने उपकरणों को डिजाइन कर सकते हैं। यह शोध एक व्यावहारिक टूलकिट प्रदान करता है जो भूमिगत कोयला गैसीफिकेशन के सैद्धांतिक वादे को एक विश्वसनीय, कम-कार्बन ऊर्जा वास्तविकता में बदलने का मार्ग प्रशस्त करता है, जिससे उन गहरे कोयला भंडारों तक पहुँचने का एक तरीका मिलता है जिन्हें पहले उपयोग करना बहुत कठिन माना जाता था।