3. कोयला और तापीय संयंत्र

मॉड्यूल 2 एक वादे के साथ समाप्त हुआ: प्रत्येक विद्युत संयंत्र चुम्बकों को घुमाने वाली एक मशीन है, और पाठ्यक्रम का शेष भाग शाफ्ट को घुमाने के विभिन्न तरीकों का भ्रमण है। हम उस तरीके से शुरुआत करते हैं जो भारत में आज भी अधिकांश काम करता है।

वित्त वर्ष 2024-25 में कोयले ने भारत की 1,824 टेरावाट-घंटा बिजली में से लगभग 1,332 — यानी करीब 73% पैदा की (केंद्रीय विद्युत प्राधिकरण के आँकड़े)। उस संख्या के बारे में आपकी जो भी राय हो, अगर आप यह समझना चाहते हैं कि भारत में बिजली कैसे जलती रहती है, तो शुरुआत यहीं से करें।

दुनिया की सबसे जटिल केतली

पैमाने को हटा दें तो, एक कोयला संयंत्र वही काम करता है जो आप स्वयं कर चुके हैं: यह पानी को उबालता है और भाप का उपयोग करता है। बस इतना ही। बाकी सब इंजीनियरिंग है।

यह सात चरणों वाला लूप है:

1. पिसाना। कोयला रेलगाड़ी से आता है और उसे पीसकर टैल्कम पाउडर जितना बारीक पाउडर बनाया जाता है। कोयले का टुकड़ा केवल सतह पर जलता है; पाउडर लगभग तुरंत जल जाता है।

2. जलाना। पाउडर को भट्टी में डाला जाता है और लगभग 1,300–1,500 °C तापमान पर आग के गोले के रूप में प्रज्वलित हो जाता है।

3. उबालना। भट्टी की दीवारों में कई किलोमीटर लंबी पानी से भरी नलियाँ लगी होती हैं — बॉयलर। अंदर का पानी भाप में बदल जाता है।

4. अतिताप। भाप को सबसे गर्म गैसों में अधिक नलिकाओं के माध्यम से तब तक धकेला जाता है जब तक कि वह उबलने की सीमा से बहुत आगे न निकल जाए — लगभग 540–600 °C अतितापित भाप, 150 से अधिक दबाव पर वायुमंडलीय दबाव से गुना।

5. घूर्णन। उस भाप को एक भाप टरबाइन के ब्लेडों पर छोड़ा जाता है, जो 3,000 आरपीएम पर घूमता है — और उसी शाफ्ट पर मॉड्यूल 2 का जनरेटर लगा होता है। यही एकमात्र चरण है जिससे बिजली उत्पन्न होती है। बाकी सब कुछ इसी की सेवा के लिए मौजूद है।

6. संघनन। प्रयुक्त भाप संघननक से मिलती है: ठंडे पानी से भरी नलियों की एक दीवार जो भाप को वापस तरल में बदल देती है।

7. पंप करें और दोहराएं। एक फीड पंप पानी को वापस बॉयलर के दबाव तक धकेलता है, और चक्र बंद हो जाता है। हमेशा के लिए।

इंजीनियर इसे रैंकिन चक्र कहते हैं। इसे चलते हुए देखें:

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चरण 1 / 4

1. बायलर

कोयला जलाने से पानी उबलकर उच्च दाब वाली भाप में परिवर्तित हो जाता है, फिर वह क्वथनांक से कहीं अधिक तापमान तक गर्म हो जाता है।

कार्यकारी द्रव: पानी → अतितापित भाप

दो बातें ध्यान देने योग्य हैं। पहली बात, पानी कभी खत्म नहीं होता — वही शुद्ध पानी वर्षों तक बार-बार उपयोग में आता रहता है; जो खपत होता है वह कोयला और शीतलन पानी है। दूसरी बात, वह कंडेंसर कोई मामूली चीज़ नहीं है। संघनित भाप अपने आयतन के लगभग एक हज़ारवें हिस्से तक सिकुड़ जाती है, जिससे एक आंशिक निर्वात बनता है जो सक्रिय रूप से भाप को टरबाइन से खींचता है। कंडेंसर के बिना, एक भाप संयंत्र अपने उत्पादन का एक बड़ा हिस्सा खो देता है।

वास्तविक इमारत का भ्रमण

अब वे हिस्से जो आपको सड़क से दिखाई देते हैं।

लंबी पतली चिमनी जलने के बाद बची हुई फ्लू गैस को ले जाती है: जिसमें मुख्य रूप से नाइट्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड होती है, साथ ही प्रदूषक भी होते हैं जिनके बारे में हम आगे बात करेंगे। यह लंबी इसलिए है ताकि बची हुई गैस हवा में ऊपर तक फैल जाए।

मोटे रेतघड़ी के आकार के टावर शीतलन टावर हैं, और वे हमारे मुख्य प्रश्न का उत्तर देते हैं। कंडेंसर को एक ठंडे सिरे की आवश्यकता होती है, इसलिए ठंडा पानी अपशिष्ट ऊष्मा को अवशोषित करता है और फिर टावर के माध्यम से नीचे की ओर छिड़का जाता है। कुछ वाष्पीकृत हो जाता है, ऊष्मा को दूर ले जाता है; गर्म नम हवा ऊपर उठती है और ठंडी बाहरी हवा से मिलकर एक दृश्यमान सफेद बादल में संघनित हो जाती है।

वह धुआं एक बादल है। इसका दहन से कोई लेना-देना नहीं है। वही भौतिकी जो ठंडी सुबह में आपकी सांस या उबलती केतली में होती है। जब कोई समाचार तस्वीर प्रदूषण को दर्शाना चाहती है, तो वह लगभग हमेशा कूलिंग टावर दिखाती है — जो हानिरहित हिस्सा है — क्योंकि वास्तव में प्रदूषण फैलाने वाला धुआं काफी हद तक अदृश्य होता है।

टरबाइन तीन आकारों में क्यों आती है

टरबाइन हॉल को ध्यान से देखें और आप पाएंगे कि टरबाइन एक मशीन नहीं बल्कि तीन मशीनें हैं, जो एक ही शाफ्ट पर पंक्तिबद्ध हैं, और प्रत्येक पिछली मशीन से बड़ी है। इसका एक कारण है, और यह मॉड्यूल 1 से सीधे जुड़ा हुआ है।

565 °C के कोण पर प्रवेश करने वाली भाप और अत्यधिक दबाव के कारण घनी और सघन होती है। जैसे ही यह ब्लेड को ऊर्जा देता है यह ठंडा होता है और विस्तारित होता है — नाटकीय रूप से। जब तक यह कंडेंसर तक पहुँचता है, तब तक यह शुरुआत की तुलना में सैकड़ों गुना अधिक आयतन घेर लेता है। प्रवेश द्वार के लिए उपयुक्त आकार की एक ही टरबाइन निकास द्वार पर बुरी तरह से अवरुद्ध हो जाएगी; निकास द्वार के लिए उपयुक्त आकार की होने पर, वह प्रवेश द्वार पर अत्यधिक बड़ी साबित होगी।

इसलिए विस्तार को चरणों में पूरा किया जाता है:

• उच्च दाब (HP) टरबाइन — छोटे ब्लेड, जो सबसे पहले और सबसे तेज़ गति से भाप उत्पन्न करते हैं।

• मध्यम दाब (IP) टरबाइन — बड़े ब्लेड, अब भाप के लिए अधिक जगह।

• निम्न दाब (LP) टरबाइन — विशाल ब्लेड, एक मीटर से भी अधिक लंबे, जो भाप को घुमाते हैं,

जो अब पतली और तेज़ गति से चलने वाली होती है। तस्वीरों में दिखाई देने वाले ये विशाल पंखे जैसे रोटर हैं।

एचपी और आईपी के बीच भाप आमतौर पर रीहीट नामक एक चक्कर लगाती है: यह आगे बढ़ने से पहले दोबारा गर्म होने के लिए बॉयलर में वापस जाती है। इससे चक्र में ऊष्मा प्रवेश करने का औसत तापमान बढ़ जाता है — जो, जैसा कि 🔥🔥 ब्लॉक दिखाएगा, ठीक वही लीवर है जिसे कार्नोट खींचने के लिए कहता है — और यह भाप को शुष्क रखता है। गीली भाप जितना लगता है उससे कहीं अधिक महत्वपूर्ण है: सैकड़ों मीटर प्रति सेकंड की गति से ब्लेड पर पानी की बूंदें टपकने से वे सैंडब्लास्टिंग की तरह घिस जाते हैं।

वास्तव में क्या निकलता है

कोयले के बारे में ईमानदार होने का मतलब है इसके सभी रूपों का नाम लेना।

• कार्बन डाइऑक्साइड। अपरिहार्य — कार्बन जलाने से यही उत्पन्न होता है। एक सामान्य कोयला संयंत्र के लिए लगभग एक टन CO₂ प्रति मेगावाट-घंटा। कोई फ़िल्टर इसे नहीं हटाता; यही जलवायु समस्या का सार है, और मॉड्यूल 13 इसे ठीक से समझाता है।

• सल्फर डाइऑक्साइड (SO₂), जो अम्लीय वर्षा और फेफड़ों की बीमारी का कारण बनता है। इसे हटाया जा सकता है

: फ्लू-गैस डीसल्फराइजेशन निकास के माध्यम से चूना पत्थर के घोल का छिड़काव करता है, जिससे सल्फर जिप्सम के रूप में प्राप्त होता है — जिसे बाद में बेचा जाता है प्लास्टरबोर्ड बनाने के लिए।

• नाइट्रोजन ऑक्साइड (NOx), तब बनता है जब हवा में मौजूद नाइट्रोजन भट्टी के तापमान पर जलती है। कुशल बर्नर डिज़ाइन और रासायनिक उपचार द्वारा नियंत्रित।

फ्लाई ऐश — खनिज अवशेष, और भारतीय कोयले से इसकी प्रचुर मात्रा उत्पन्न होती है (उच्च राख सामग्री घरेलू कोयले की एक ज्ञात विशेषता है)। एक

विद्युतस्थैतिक अवक्षेपक राख कणों को आवेशित करता है ताकि वे संग्राहक प्लेटों से चिपक जाएं, जिससे उनमें से 99% से अधिक कणों को ग्रहण कर लिया जाता है। ग्रहण की गई फ्लाई ऐश वास्तव में उपयोगी है — इसका उपयोग सीमेंट, ईंटों और सड़क तटबंधों में किया जाता है। जो उपयोग में नहीं आता वह राख के तालाबों में चला जाता है, जो रिसाव या टूटने पर गंभीर स्थानीय प्रदूषण का कारण बनते हैं।

संक्षेप में कहें तो: स्थानीय प्रदूषकों को काफी हद तक कम किया जा सकता है, हालांकि इसमें लागत आएगी, और भारत के एफजीडी रेट्रोफिट कार्यक्रम को बार-बार बढ़ाया गया है क्योंकि संयंत्र इसके अनुपालन में संघर्ष कर रहे हैं। वैश्विक प्रदूषक, CO₂, को बिल्कुल भी फ़िल्टर नहीं किया जा सकता।

भारत की कोयला मशीन

यहां कोयला कोई अमूर्त अवधारणा नहीं है; यह एक विशाल भौतिक लॉजिस्टिक्स ऑपरेशन है।

विंध्याचल, मध्य प्रदेश के सिंगरौली जिले में स्थित एनटीपीसी का स्टेशन, भारत का सबसे बड़ा बिजली स्टेशन है 4,783 MW, जिसमें 13 कोयला इकाइयाँ हैं। इसकी पहली इकाई 1987 में शुरू हुई और आखिरी 2015 में – एक ऐसा संयंत्र जिसका निर्माण तीन दशकों में हुआ।

गुजरात के कच्छ जिले में स्थित मुंद्रा कहानी का दूसरा हिस्सा बयां करता है। अदानी पावर का स्टेशन वहाँ 4,620 MW (चार 330 MW इकाइयाँ और पाँच 660 MW इकाइयाँ) पर चलता है, मुख्य रूप से आयातित कोयले पर, जिसमें से अधिकांश इंडोनेशिया से आता है — यही कारण है कि इसे तट पर बनाया गया था, अपने बंदरगाह के साथ। उस एक डिजाइन संबंधी निर्णय ने इसकी अर्थव्यवस्था को अंतरराष्ट्रीय कोयले की कीमत और रुपये-डॉलर विनिमय दर से जोड़ दिया, और जब वैश्विक कोयले की कीमतों में उछाल आया, तो आयातित कोयले से चलने वाले संयंत्रों ने खुद को ऐसी बिजली उत्पन्न करते हुए पाया जिसकी लागत उनके अनुबंधों के अनुसार वसूलने की अनुमति से अधिक थी। किसी संयंत्र का स्थान और वह किस कंपनी का कोयला जलाता है, यह उतना ही मायने रखता है जितना कि उसकी कार्यकुशलता।

इस तरह के स्टेशनों को ईंधन मुहैया कराने के लिए, कोयले की ढुलाई रेल द्वारा इतने बड़े पैमाने पर की जाती है कि इसका असर पूरे देश पर पड़ता है। कोयला भारतीय रेलवे की सबसे बड़ी माल ढुलाई वस्तु है, जो माल ढुलाई राजस्व का लगभग 45% है। यही कारण है कि रेलवे और बिजली क्षेत्र की वित्तीय स्थिति आपस में गहराई से जुड़ी हुई है, और यही वजह है कि डीकार्बोनाइजेशन ऊर्जा क्षेत्र की समस्या होने के साथ-साथ रेलवे के लिए भी उतनी ही महत्वपूर्ण है।

कोयला शहरों का निर्माण भी करता है। सिंगरौली, कोरबा, तालचर, धनबाद — ये वो स्थान हैं जहाँ खदान, संयंत्र, रेलवे साइडिंग और हर किसी की आजीविका एक ही कहानी बयां करती है। जब मॉड्यूल 13 “न्यायसंगत परिवर्तन” की चर्चा करता है, तो ये शहर ही इस वाक्यांश का वास्तविक अर्थ दर्शाते हैं।

और जमीन खिसक रही है। वित्त वर्ष 2025-26 में, भारत में कोयला-आधारित उत्पादन लगभग 4% गिरा — पाँच साल में इसकी पहली गिरावट, और पहली बार यह गिरावट माँग ढहने से नहीं बल्कि स्वच्छ ऊर्जा की बढ़त से आई — क्योंकि सौर और पवन की नई क्षमता तेज़ी से जुड़ी। कोयले की स्थापित क्षमता का आधा से भी कम हो गया है। फिलहाल, यह वास्तव में बिजली का सबसे बड़ा स्रोत बना हुआ है।

🔥अधिक ताप उत्पन्न करने वाला संयंत्र अधिक लाभ क्यों देता है: उप-क्रांतिक से अति-अतिक्रांतिकउन्नत · वैकल्पिक

कोयला संयंत्रों को तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जाता है, और अंतर केवल इस बात में है कि वे कितनी गर्मी पैदा करते हैं और कितनी तेजी से भाप उत्पन्न करते हैं।

पानी का क्रांतिक बिंदु लगभग 22.1 मेगापास्कल (लगभग 218 वायुमंडल) पर है और 374 °C। इसके नीचे, पानी और भाप अलग-अलग दिखाई देते हैं: आप उबलती हुई सतह की ओर इशारा कर सकते हैं। इसके ऊपर, यह अंतर गायब हो जाता है — आपको एक ऐसा तरल पदार्थ मिलता है जो न तो पूरी तरह तरल है और न ही पूरी तरह गैस।

• सबक्रिटिकल संयंत्र उस दबाव से नीचे काम करते हैं। भारत के अधिकांश पुराने संयंत्र इसी दबाव पर चलते हैं।

दक्षता लगभग 33–38% है।

• सुपरक्रिटिकल संयंत्र इससे ऊपर काम करते हैं, आमतौर पर लगभग 24 MPa और 565 °C के आसपास। उबालने के लिए ड्रम की आवश्यकता नहीं होती, क्योंकि अलग करने के लिए कोई उबाल नहीं होता। दक्षता लगभग 40–42% है।

• अल्ट्रा-सुपरक्रिटिकल इससे भी आगे जाता है — लगभग 600 °C और उससे भी आगे — लगभग 45% तक पहुँचता है।

इनाम पीछा करने लायक है: दक्षता 35% से बढ़ाकर 45% करने का मतलब है लगभग 20% कम कोयला, और 20% कम CO₂, बिल्कुल उतनी ही बिजली के लिए। भारत ने नई बड़ी इकाइयों के लिए सुपरक्रिटिकल या उससे बेहतर तकनीक कई साल पहले से अनिवार्य कर रखी है।

तो फिर और भी ज़्यादा गर्म क्यों न किया जाए? धातु विज्ञान। 700 °C पर, 30 वर्षों तक दबावयुक्त भाप को रोक पाने के लिए पर्याप्त मजबूत मिश्र धातुएँ दुर्लभ और बेहद महंगी हो जाती हैं। हर एक वृद्धि सामग्री विज्ञान की चुनौती है, और यही कोयला इंजीनियरिंग की असली सीमा है।

🔥🔥कार्नोट सीलिंग — और यह कि 'अपशिष्ट' ऊष्मा वास्तव में अपव्यय क्यों नहीं हैगहन · वैकल्पिक

1824 में एक युवा फ्रांसीसी इंजीनियर, सादी कार्नोट ने ऊष्मा इंजनों के बारे में एक असाधारण बात साबित की: उनकी अधिकतम संभव दक्षता केवल उन दो तापमानों पर निर्भर करती है जिनके बीच वे काम करते हैं। न तो ईंधन, न ही कार्यकारी द्रव, न ही डिजाइन की चतुराई।

η_max = 1 − T_cold / T_hot (तापमान केल्विन में)

एक आधुनिक सुपरक्रिटिकल प्लांट में रखें: 565 °C पर भाप = 838 K; 40 °C पर संघनन = 313 K।

η_मैक्स = 1 − 313/838 ≈ 0.626

एक आदर्श, घर्षण रहित, असीम रूप से अच्छी तरह से इंजीनियर किया गया संयंत्र भी ऊष्मा के केवल लगभग 63% भाग को कार्य में परिवर्तित कर सकता है। अपरिहार्य कारकों के कारण वास्तविक संयंत्र 40-45% दक्षता प्राप्त करते हैं: घर्षण, अशांति, सीमित दर पर ऊष्मा स्थानांतरण, संयंत्र के अपने पंपों और मिलों को चलाने में खर्च की गई ऊर्जा।

इसकी गहरी वजह ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम है। एक ऊष्मा इंजन ऊष्मा का उपभोग नहीं करता; यह ऊष्मा को गर्म से ठंडे की ओर गिरने देता है और इस प्रक्रिया में एक हिस्सा काट लेता है, ठीक उसी तरह जैसे एक जल टरबाइन गिरते हुए पानी से एक हिस्सा काट लेता है। प्रवाह को जारी रखने के लिए आपको ठंडे सिरे पर ऊष्मा छोड़नी होगी। तापमान-एंट्रॉपी (T-s) आरेख पर, चक्र का संलग्न क्षेत्र है वह कार्य जो आपको प्राप्त होता है; इसके नीचे का आयत, जो संघनन तापमान तक फैला हुआ है, वह है वह ऊष्मा जिसे आपको त्यागना अनिवार्य है। यह किसी भी प्रकार का खनन कार्य करने के लिए लिया जाने वाला लाइसेंस शुल्क है।

इससे दो बातें नए सिरे से परिभाषित होती हैं:

1. कंडेंसर की अपशिष्ट ऊष्मा लापरवाही नहीं है — यह द्वितीय नियम की कीमत है। इसीलिए एक कोयला संयंत्र अपने ईंधन की लगभग आधी ऊर्जा को गर्म पानी और नम हवा के रूप में त्याग देता है, और इसीलिए कोई भी आविष्कार इसे कभी समाप्त नहीं कर पाएगा।

2. यह भाग B के संपूर्ण डिज़ाइन तर्क की व्याख्या करता है। अधिक दक्षता चाहते हैं? T_hot बढ़ाएँ

(सुपरक्रिटिकल बॉयलर, और मॉड्यूल 4 के गैस टर्बाइन, जो लगभग 1,400 °C पर प्रवेश करते हैं) या T_cold घटाएँ (ठंडा समुद्री जल, ठंडी जलवायु)। कोई तीसरा विकल्प नहीं है, क्योंकि कार्नोट कहते हैं कि ऐसा कोई विकल्प नहीं है।

एक उपाय मौजूद है: निम्न-श्रेणी की ऊष्मा को बिजली का असफल उप-उत्पाद मानना बंद करें और इसका उपयोग करें — चाहे वह जिला हीटिंग के लिए हो या औद्योगिक प्रक्रियाओं (सह-उत्पादन) के लिए। आप कार्नोट के सिद्धांत को हरा नहीं सकते, लेकिन आप उस चीज़ को बर्बाद करने से इनकार कर सकते हैं जिसे कार्नोट आपको अस्वीकार करने के लिए मजबूर करता है।

आगे क्या आता है

अब आप उस मशीन को जानते हैं जिसने आधुनिक दुनिया का निर्माण किया, उसी रूप में जो आज भी भारत के ग्रिड पर हावी है — और वह सटीक कारण भी कि यह 45% दक्षता से अधिक बेहतर क्यों नहीं हो सकती। मॉड्यूल 4 में ईंधन तो बरकरार रखा गया है, लेकिन इंजन बदल दिया गया है: गैस टर्बाइन, जो जेट इंजन हैं, जिन्हें जमीन पर बोल्ट से कस दिया गया है, और कोयले की अधिकतम दक्षता सीमा को पूरी तरह से पार करने के लिए उनके निकास पर एक स्टीम प्लांट को बोल्ट से कसने की एक अनोखी तरकीब अपनाई गई है।