जैव-ईंधन ऊर्जा (बायोमास): संसाधन, संघटन, अभिलक्षणन, रूपांतरण व जैव-ईंधन

यह अध्याय अभियांत्रिकी विज्ञान (XE) पेपर का है और XE8 ऊर्जा विज्ञान के खंड XE8.1 (ऊर्जा संसाधन एवं रूपांतरण प्रौद्योगिकियाँ) में आता है, जो नौ वैकल्पिक खंडों में से एक है; परीक्षा में अभ्यर्थी इनमें से कोई दो चुनता है। यह शीर्षक “Biomass: Biomass resources, biomass composition, characterisation, conversion methods (pyrolysis, gasification, steam reforming), biofuels” का उत्तर देता है। इसमें बायोमास संसाधन-वर्ग, लिग्नोसेलुलोसिक संघटन, समीपस्थ व अंतिम विश्लेषण (आधार-रूपांतरण व तापन-मान सहित), ऊष्म-रासायनिक रूपांतरण (दहन, पायरोलिसिस, गैसीकरण, भाप सुधार व शिफ़्ट अभिक्रिया) और रूपरेखा में अवायवीय पाचन, फिर बायोएथेनॉल, बायोडीज़ल व बायोगैस सिखाए गए हैं। संख्यात्मक प्रश्न समीपस्थ विश्लेषण का आधार-रूपांतरण, उच्च तापन-मान से निम्न तापन-मान, एथेनॉल उपज, बायोगैस ऊर्जा तथा दिए समतुल्यता अनुपात पर आवश्यक वायु हैं; प्रत्येक स्थिरांक प्रश्न में दिया गया है।

1. बायोमास संसाधन

बायोमास हाल के जैविक मूल का कार्बनिक पदार्थ है जिसे ईंधन या कच्चे माल के रूप में प्रयोग किया जा सकता है। इसका कार्बन प्रकाश-संश्लेषण द्वारा वायुमंडल से कार्बन डाइऑक्साइड के रूप में लिया गया, इसलिए सतत ढंग से उगाने व प्रयोग करने पर उपयोग में निकला कार्बन पुनः-वृद्धि द्वारा लिए कार्बन से संतुलित हो जाता है: बायोमास नवीकरणीय और आदर्शतः लगभग कार्बन-तटस्थ है, सिवाय उस जीवाश्म ऊर्जा के जो उसे उगाने, काटने, ढोने व संसाधित करने में लगती है।

बायोमास संसाधन-वर्ग
संसाधन-वर्गउदाहरणमुख्य चिंताएँ
काष्ठीय बायोमासवानिकी अवशेष, ईंधन-काष्ठ, लकड़ी का बुरादामध्यम आर्द्रता, कम राख, सतत कटाई
कृषि अवशेषपुआल, भूसी, खोई, डंठलअधिक राख, मौसमी आपूर्ति, संग्रहण व भंडारण
ऊर्जा फ़सलेंशर्करा व स्टार्च फ़सलें, तिलहन, तेज़ बढ़ने वाली घासें व वृक्षभूमि व जल का उपयोग, खाद्य से प्रतिस्पर्धा
अपशिष्टपशु-गोबर, मल-जल, नगरीय ठोस अपशिष्ट का कार्बनिक भागगीला व परिवर्ती, संदूषक, पर निपटान-लाभ
जलीय बायोमासशैवाल, जल-खरपतवारअधिक जल, वसा या शर्करा समृद्ध, कटाई की लागत

कच्चे बायोमास की ऊर्जा-घनत्व कम होती है: अधिक नमी, कम स्थूल-घनत्व और बिखरी आपूर्ति से संग्रहण व परिवहन महँगा पड़ता है, इसलिए उसे स्रोत के निकट प्रयोग किया जाता है या घनीभूत (ब्रिकेट, पेलेट) अथवा शुष्क या टॉरेफ़ाइड करके प्रति इकाई आयतन ऊर्जा बढ़ाई व संचालन आसान किया जाता है।

2. बायोमास का संघटन

पादप शुष्क पदार्थ मुख्यतः लिग्नोसेलुलोज है, यानी संयुक्त कोशिका-भित्ति में तीन बहुलक। सेल्युलोज ग्लूकोज़ का रैखिक बहुलक है, आंशिक क्रिस्टलीय व सबसे बड़ा अंश (काष्ठ व पुआल में कोटि 40 से 50 %)। हेमीसेल्युलोज पाँच- व छह-कार्बन शर्कराओं का छोटा, शाखित, अक्रिस्टलीय बहुलक है (कोटि 20 से 30 %), जो सबसे आसानी से टूटता है। लिग्निन क्रॉस-लिंक्ड ऐरोमैटिक बहुलक है (कोटि 15 से 30 %) जो सेल्युलोज को बाँधता व बचाता है, तीनों में सर्वाधिक कार्बन व ऊर्जा रखता है, और जैविक रूपांतरण का प्रतिरोध करता है। छोटे भाग निष्कर्ष (तेल, रालें, शर्कराएँ) व खनिज राख हैं; ये परास प्रजाति से बदलते हैं और केवल सांकेतिक हैं।

संघटन मार्ग तय करता है। अधिक शर्करा व स्टार्च किण्वन के अनुकूल, अधिक तेल ट्रांसएस्टरीकरण के अनुकूल, शुष्क लिग्नोसेलुलोज दहन, पायरोलिसिस व गैसीकरण के अनुकूल, तथा गीला गोबर व मल-जल अवायवीय पाचन के अनुकूल है क्योंकि उन्हें सुखाने में जितनी ऊर्जा मिलेगी उससे अधिक खर्च होगी। लिग्निन लिग्नोसेलुलोज को एथेनॉल में बदलने में बाधा है, इसलिए एंज़ाइम के सेल्युलोज तक पहुँचने से पहले पूर्व-उपचार चरण संरचना खोलना आवश्यक है।

3. अभिलक्षणन: समीपस्थ व अंतिम विश्लेषण, तापन-मान

समीपस्थ विश्लेषण आर्द्रता, वाष्पशील पदार्थ (VM), स्थिर कार्बन (FC) और राख के द्रव्यमान-प्रतिशत देता है: आर्द्रता शुष्कन पर हानि है, VM वायु-संपर्क बिना गर्म करने पर और हानि, राख जलाने पर अवशेष, तथा FC अंतर द्वारा (100 − आर्द्रता − VM − राख) मिलता है। अंतिम विश्लेषण राख से अलग C, H, N, S व O के तात्त्विक द्रव्यमान-प्रतिशत देता है (O प्रायः अंतर से)। बायोमास वाष्पशील पदार्थ में समृद्ध है और स्थिर कार्बन कम रखता है, इसीलिए वह सहजता से जलता है और उसकी अधिकांश ऊर्जा जलती गैसों से निकलती है।

प्रतिवेदन का आधार महत्त्वपूर्ण है। प्राप्त-स्थिति (ar) में आर्द्रता सम्मिलित है; शुष्क आधार में (1 − M) से भाग दिया जाता है; शुष्क-राखमुक्त (daf) आधार में राख भी हटाई जाती है। हल उदाहरण। प्राप्त-स्थिति: आर्द्रता 12 %, VM 60 %, FC 18 %, राख 10 %। शुष्क-आधार VM = 60/0.88 = 68.2 %; शुष्क-आधार FC = 18/0.88 = 20.5 %; शुष्क-आधार राख = 11.4 %। daf आधार पर FC = 18/(60 + 18) = 23.1 %।

उच्च तापन-मान (HHV) उत्पादों के जल को द्रव मानता है; निम्न तापन-मान (LHV) उसे वाष्प मानता है, अतः LHV = HHV − (गुप्त ऊष्मा) × (प्रति kg ईंधन जल के kg)। जल ईंधन की नमी व हाइड्रोजन के जलने से आता है (प्रत्येक kg H से 9 kg जल)। हल उदाहरण। प्राप्त-स्थिति: HHV 15.0 MJ/kg, आर्द्रता 20 %, हाइड्रोजन 5.0 % (दोनों प्राप्त-स्थिति द्रव्यमान के); गुप्त ऊष्मा 2.44 MJ प्रति kg जल। प्रति kg ईंधन जल = 0.20 + 9 × 0.05 = 0.65 kg, अतः LHV = 15.0 − 2.44 × 0.65 = 13.41 MJ/kg।

राख प्रतिशत से आगे भी मायने रखती है। वह ईंधन को तनु करती है, उसे हटाना पड़ता है, और उसकी क्षार-मात्रा (विशेषतः पुआल व भूसी में, जो राख में समृद्ध हैं) राख का गलनांक घटाती है, जिससे बॉयलर-सतहों व गैसीकारक-शय्या पर निक्षेप (स्लैगिंग व फ़ाउलिंग) कोयले जैसी राख की तुलना में कम तापमान पर बनते हैं। इसलिए तापन-मान के साथ राख-गलन व्यवहार भी डिज़ाइन का निवेश है।

⚠️ आधारों या दोनों तापन-मानों को न मिलाएँ
भिन्न आधारों के प्रतिशत जोड़े या तुलना नहीं किए जा सकते; नम ईंधन में शुष्क-आधार राख प्राप्त-स्थिति राख से सदा अधिक होती है। HHV, LHV से बड़ा होता है, उलटा कभी नहीं, और नमी उपयोगी ऊर्जा को दो बार घटाती है: वह ईंधन को तनु करती है और उसका वाष्पन गुप्त ऊष्मा लेता है।

4. रूपांतरण विधियाँ

रूपांतरण मार्गों की तुलना
मार्गस्थितियाँमुख्य उत्पाद
दहनअतिरिक्त वायु, 800 से 1000 °C ज्वाला-क्षेत्रतप्त ग्रीवा-गैस, राख; भाप या सीधे उपयोग हेतु ऊष्मा
पायरोलिसिसऑक्सीजन नहीं; लगभग 400 से 600 °Cचार, संघननीय जैव-तेल, असंघननीय गैस
गैसीकरणवायु, ऑक्सीजन या भाप से आंशिक ऑक्सीकरण; लगभग 800 से 1000 °Cप्रोड्यूसर गैस: CO, H₂, CH₄, CO₂, वायु के साथ N₂
अवायवीय पाचनऑक्सीजन नहीं; मध्यताप लगभग 35 °C या उच्चताप लगभग 55 °Cबायोगैस (CH₄ व CO₂) व डाइजेस्टेट

पायरोलिसिस में बायोमास को ऑक्सीजन के बिना गर्म किया जाता है। मंद पायरोलिसिस (कम तापन-दर, लंबा निवास) चार के पक्ष में है; तीव्र पायरोलिसिस (बहुत अधिक तापन-दर, लगभग 500 °C व शीतलन से पहले वाष्प-निवास एक-दो सेकंड की कोटि) द्रव जैव-तेल को अधिकतम करता है। गैसीकरण ईंधन का केवल भाग जलाता है: समतुल्यता अनुपात ER = वास्तविक वायु/रससमीकरणमितीय वायु 1 से बहुत कम (प्रायः 0.2 से 0.4) रहता है; अधिक ER गैसीकारक को गर्म करता और CO₂ व N₂ अधिक देता है, अतः गैस का तापन-मान घटता है।

गैसीकरण की मुख्य अभिक्रियाएँ, प्रति मोल कार्बन: C + H₂O → CO + H₂ (भाप गैसीकरण, ऊष्माशोषी, +131 kJ/mol); C + CO₂ → 2CO (बूदुआर, ऊष्माशोषी, +172 kJ/mol); CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (जल-गैस शिफ़्ट, मंद ऊष्माक्षेपी, −41 kJ/mol), जो H₂ का अंश बढ़ाने में प्रयुक्त होती है। मीथेन का भाप सुधार CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (ऊष्माशोषी, +206 kJ/mol) बायोगैस या प्रोड्यूसर गैस की मीथेन से हाइड्रोजन-समृद्ध गैस बनाता है, और पायरोलिसिस-वाष्पों का सुधार भी।

अवायवीय पाचन की रूपरेखा में चार चरण हैं: बहुलकों का घुलनशील शर्कराओं, ऐमीनो-अम्लों व वसा-अम्लों में जल-अपघटन; अम्लजनन से वाष्पशील वसा-अम्ल; एसिटोजनन से एसीटेट व हाइड्रोजन; और आर्किया द्वारा मेथैनोजनन से मीथेन व CO₂। यह उदासीन pH (लगभग 6.8 से 7.5) के निकट चलता है, संतुलित कार्बन-नाइट्रोजन अनुपात (कोटि 20 से 30) चाहता है, और ऑक्सीजन व संदमकों से मंद पड़ता है। हल उदाहरण (गैसीकरण हेतु वायु)। बायोमास CH₁.₄O₀.₆ (मोलर द्रव्यमान 23.02 g/mol) के लिए रससमीकरणमितीय ऑक्सीजन 1 + 1.4/4 − 0.6/2 = 1.05 mol प्रति mol है। वायु को 21 mol % O₂ व मोलर द्रव्यमान 29 g/mol लेने पर रससमीकरणमितीय वायु 1.05/0.21 = 5 mol = 23.02 g ईंधन पर 145 g, अर्थात् 6.30 kg/kg। ER = 0.3 पर दी गई वायु 0.3 × 6.30 = 1.89 kg प्रति kg ईंधन है।

5. जैव-ईंधन: बायोएथेनॉल, बायोडीज़ल व बायोगैस

बायोएथेनॉल शर्कराओं के ऑक्सीजन-रहित यीस्ट किण्वन से बनता है: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂। मोलर द्रव्यमान 180.16 व 46.07 g/mol लेने पर सैद्धांतिक उपज 2 × 46.07/180.16 = 0.511 kg एथेनॉल प्रति kg ग्लूकोज़ है (और 0.511 kg CO₂)। स्टार्च को पहले ग्लूकोज़ में जल-अपघटित करना होता है, जिसमें जल का द्रव्यमान जुड़ता है: 180.16/162.14 = 1.111 kg ग्लूकोज़ प्रति kg स्टार्च। शर्करा फ़सलें सीधे किण्वित होती हैं, स्टार्च फ़सलों को शर्करीकरण चाहिए, और लिग्नोसेलुलोज को पहले पूर्व-उपचार व सेल्युलेज़ जल-अपघटन चाहिए। बीयर का आसवन कर उसे ईंधन-श्रेणी तक निर्जलित किया जाता है। हल उदाहरण। 1000 kg शुष्क स्टार्च, सैद्धांतिक उपज के 90 % पर, 1000 × 1.111 × 0.511 × 0.90 = 511 kg एथेनॉल देता है।

बायोडीज़ल वनस्पति तेलों, पशु वसा या प्रयुक्त तेलों से ट्रांसएस्टरीकरण द्वारा बनता है: क्षार (NaOH या KOH) उत्प्रेरक के साथ एक ट्राइग्लिसराइड व तीन मेथेनॉल से तीन वसा-अम्ल मेथिल एस्टर (FAME) और एक ग्लिसरॉल बनते हैं। एस्टर को सघन ग्लिसरॉल से अलग कर धोया जाता है। क्षार उत्प्रेरक हेतु फ़ीड में मुक्त वसा-अम्ल कम होने चाहिए, अन्यथा साबुन बनता है। द्रव्यमान के रूप में 885 kg ट्राइओलीन व 96 kg मेथेनॉल से लगभग 890 kg मेथिल ओलिएट और 92 kg ग्लिसरॉल मिलते हैं, अतः एस्टर उपज तेल के द्रव्यमान से थोड़ी अधिक है। बायोडीज़ल शुद्ध या पेट्रोलियम डीज़ल में मिलाकर प्रयुक्त होता है।

बायोगैस मुख्यतः मीथेन (प्रायः आयतन में 50 से 70 %) व CO₂ है, जिसमें H₂S के अंश होते हैं जिन्हें हटाना पड़ता है। इसकी उपज नष्ट हुए वाष्पशील ठोस (VS) पर निर्भर है। हल उदाहरण। प्रतिदिन 100 kg VS दिया जाता है, 60 % नष्ट होता है, और उपज 0.8 m³ बायोगैस प्रति kg नष्ट VS है जिसमें आयतन में 60 % मीथेन है: मीथेन = 100 × 0.6 × 0.8 × 0.6 = 28.8 m³ प्रतिदिन। दिए 36 MJ/m³ व बॉयलर-दक्षता 0.55 पर उपयोगी ऊष्मा 28.8 × 36 × 0.55 = 570 MJ प्रतिदिन है। उन्नयन CO₂ व H₂S हटाकर पाइपलाइन-श्रेणी के निकट गैस देता है।

मुख्य बिंदु

  • बायोमास नवीकरणीय है और सतत उगाने पर लगभग कार्बन-तटस्थ, पर ऊर्जा-घनत्व में कम: नमी, स्थूल-घनत्व व बिखरी आपूर्ति मार्ग-चयन व घनीकरण की आवश्यकता तय करते हैं।
  • लिग्नोसेलुलोज = सेल्युलोज (क्रिस्टलीय ग्लूकोज़ बहुलक), हेमीसेल्युलोज (अक्रिस्टलीय शर्कराएँ) और लिग्निन (ऐरोमैटिक, रूपांतरण-प्रतिरोधी), साथ में निष्कर्ष व राख। लिग्निन एथेनॉल में बाधा है और पूर्व-उपचार माँगता है।
  • समीपस्थ: आर्द्रता, VM, FC (अंतर से), राख; अंतिम: C, H, N, S, O। आधार 1/(1 − M) से बदलें; LHV = HHV − गुप्त ऊष्मा × (नमी + 9H) प्रति kg ईंधन।
  • दहन में अतिरिक्त वायु; पायरोलिसिस में ऑक्सीजन नहीं (तीव्र से जैव-तेल, मंद से चार); गैसीकरण लगभग 0.2 से 0.4 के ER पर आंशिक ऑक्सीकरण; भाप गैसीकरण, बूदुआर व भाप सुधार ऊष्माशोषी हैं, जल-गैस शिफ़्ट मंद ऊष्माक्षेपी।
  • अवायवीय पाचन: जल-अपघटन, अम्लजनन, एसिटोजनन, मेथैनोजनन। एथेनॉल: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ (सैद्धांतिक 0.511 kg/kg)। बायोडीज़ल: ट्राइग्लिसराइड + 3 मेथेनॉल → 3 FAME + ग्लिसरॉल।

अभ्यास प्रश्न (18)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. लिग्नोसेलुलोसिक बायोमास का कौन-सा घटक क्रॉस-लिंक्ड ऐरोमैटिक बहुलक है जो सेल्युलोज की रक्षा करता है और जैविक रूपांतरण का प्रतिरोध करता है?

    1. सेल्युलोज
    2. लिग्निन
    3. हेमीसेल्युलोज
    4. स्टार्च
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — लिग्निन

    लिग्निन कोशिका-भित्ति का ऐरोमैटिक, क्रॉस-लिंक्ड बहुलक है। हेमीसेल्युलोज अक्रिस्टलीय शर्करा-बहुलक है जो सबसे आसानी से टूटता है, और सेल्युलोज वह ग्लूकोज़ बहुलक है जिसे लिग्निन ढकता है।

  2. बायोमास नमूने के समीपस्थ विश्लेषण में सामान्यतः कौन-सी राशि अंतर द्वारा प्राप्त की जाती है?

    1. आर्द्रता
    2. वाष्पशील पदार्थ
    3. राख की मात्रा
    4. स्थिर कार्बन
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — स्थिर कार्बन

    आर्द्रता, वाष्पशील पदार्थ व राख क्रमिक द्रव्यमान-हानियों या अवशेष से मापे जाते हैं, और स्थिर कार्बन = 100 − आर्द्रता − VM − राख। राख जलाने पर बचे अवशेष के रूप में तौली जाती है, अंतर से नहीं निकाली जाती।

  3. एक ईंधन की शुष्क संरचना समान बताई गई है, पर एक नमूना बारिश में पड़ा रहने से अब अधिक नमी रखता है। शुष्क नमूने की तुलना में गीले नमूने के लिए कौन-सा कथन सही है?

    1. इसकी प्राप्त-स्थिति राख-प्रतिशत कम और निम्न तापन-मान कम है
    2. इसकी प्राप्त-स्थिति राख-प्रतिशत अधिक और निम्न तापन-मान अधिक है
    3. इसकी प्राप्त-स्थिति राख-प्रतिशत अपरिवर्तित है, क्योंकि राख निष्क्रिय है
    4. इसकी शुष्क-आधार राख-प्रतिशत कम है, क्योंकि जल उसे तनु करता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — इसकी प्राप्त-स्थिति राख-प्रतिशत कम और निम्न तापन-मान कम है

    नमी बिना राख के द्रव्यमान जोड़ती है, इसलिए प्राप्त-स्थिति प्रति kg राख घटती है, जबकि प्रति kg ऊर्जा घटती है और जल वाष्पन हेतु अतिरिक्त ऊष्मा चाहिए, जिससे LHV घटता है। शुष्क-आधार मान परिभाषा से नमी से स्वतंत्र है।

  4. बायोमास पायरोलिसिस से द्रव जैव-तेल की अधिकतम उपज किन स्थितियों में होती है?

    1. कम तापन-दर, लंबा वाष्प-निवास समय व लगभग 400 °C, ताकि वाष्प धीरे-धीरे भंजित व संघनित होकर भारी द्रव बनें
    2. अतिरिक्त वायु व लगभग 900 °C
    3. बहुत अधिक तापन-दर, लगभग 500 °C व उसके बाद शीघ्र शीतलन सहित छोटा वाष्प-निवास समय
    4. उच्च दाब की भाप, उत्प्रेरक के साथ और फ़ीड के किसी बाह्य तापन के बिना
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — बहुत अधिक तापन-दर, लगभग 500 °C व उसके बाद शीघ्र शीतलन सहित छोटा वाष्प-निवास समय

    लगभग 500 °C पर एक-दो सेकंड के वाष्प-निवास वाला तीव्र पायरोलिसिस वाष्पों का द्वितीयक भंजन सीमित करता है, इसलिए द्रव उपज अधिकतम होती है। लंबे निवास वाला मंद पायरोलिसिस चार के पक्ष में है, और अतिरिक्त वायु दहन है, पायरोलिसिस नहीं।

  5. वायु-आपूर्ति के संदर्भ में गैसीकरण दहन से कैसे भिन्न है?

    1. गैसीकरण में रससमीकरणमितीय से अधिक वायु लगती है, ताकि सारा कार्बन CO₂ बन जाए और गैस में कोई ईंधन-मान न रहे
    2. गैसीकरण में कोई ऑक्सीकारक नहीं लगता और केवल फ़ीड के बाह्य तापन पर निर्भर रहता है
    3. गैसीकरण समान वायु व ईंधन द्रव्यमानों पर चलता है
    4. गैसीकरण में रससमीकरणमितीय से कम वायु लगती है (समतुल्यता अनुपात 1 से कम), जिससे CO व H₂ समृद्ध ईंधन-गैस मिलती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — गैसीकरण में रससमीकरणमितीय से कम वायु लगती है (समतुल्यता अनुपात 1 से कम), जिससे CO व H₂ समृद्ध ईंधन-गैस मिलती है

    ER 1 से कम पर आंशिक ऑक्सीकरण दहनशील गैस के रूप में CO व H₂ (और CH₄) देता है, जबकि दहन CO₂ व H₂O तक पहुँचने के लिए अतिरिक्त वायु लेता है। कोई ऑक्सीकारक न लगना पायरोलिसिस का वर्णन है।

  6. जल-गैस शिफ़्ट अभिक्रिया CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ को गैसीकारक के आगे मुख्यतः किसलिए लगाया जाता है

    1. गैस में हाइड्रोजन का अंश बढ़ाने के लिए, कुछ CO को CO₂ में बदलने की कीमत पर
    2. गैस से सारी नाइट्रोजन हटाने के लिए, ताकि शेष गैस पर वायु का तनुकरण न रहे
    3. भाप व CO₂ से अधिक CO बनाकर गैस का तापन-मान बढ़ाने के लिए
    4. गैसीकारक में बचे चार को संघनित होने वाले जैव-तेल में बदलने के लिए
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — गैस में हाइड्रोजन का अंश बढ़ाने के लिए, कुछ CO को CO₂ में बदलने की कीमत पर

    शिफ़्ट CO व भाप को H₂ व CO₂ में बदलती है और मंद ऊष्माक्षेपी (−41 kJ/mol) है। यह अधिक H₂ बनाती है, अधिक CO नहीं, और नाइट्रोजन या चार पर उसका प्रभाव नहीं।

  7. अवायवीय पाचन के चरणों का सही क्रम कौन-सा है?

    1. मेथैनोजनन, जल-अपघटन, एसिटोजनन, अम्लजनन
    2. अम्लजनन, जल-अपघटन, मेथैनोजनन, एसिटोजनन
    3. जल-अपघटन, अम्लजनन, एसिटोजनन, मेथैनोजनन
    4. जल-अपघटन, मेथैनोजनन, अम्लजनन, एसिटोजनन
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — जल-अपघटन, अम्लजनन, एसिटोजनन, मेथैनोजनन

    बहुलक पहले घुलनशील एकलकों में जल-अपघटित होते हैं, फिर वाष्पशील वसा-अम्लों में अम्लीकृत, फिर एसीटेट व हाइड्रोजन में परिवर्तित, और अंत में मेथैनोजेनों द्वारा मीथेन व CO₂ में। मेथैनोजनन पहले नहीं आ सकता, क्योंकि उसे अन्य चरणों के उत्पाद चाहिए।

  8. मेथेनॉल से ट्राइग्लिसराइड के ट्रांसएस्टरीकरण द्वारा बायोडीज़ल बनाने में उप-उत्पाद है

    1. एथेनॉल, प्रति मोल ट्राइग्लिसराइड तीन मोल
    2. ग्लिसरॉल, प्रति मोल ट्राइग्लिसराइड एक मोल
    3. कार्बन डाइऑक्साइड, प्रति मोल ट्राइग्लिसराइड तीन मोल
    4. केवल जल, बिना किसी दूसरे द्रव-प्रावस्था के
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — ग्लिसरॉल, प्रति मोल ट्राइग्लिसराइड एक मोल

    एक ट्राइग्लिसराइड व तीन मेथेनॉल से तीन मेथिल एस्टर और एक ग्लिसरॉल बनते हैं, जो सघन दूसरी प्रावस्था के रूप में बैठ जाता है। इस मार्ग में CO₂ नहीं निकलता और एथेनॉल नहीं बनता।

  9. गन्ने के रस की तुलना में पुआल (लिग्नोसेलुलोज) से एथेनॉल बनाने के बारे में कौन-सा कथन सही है?

    1. पहले पूर्व-उपचार व एंज़ाइमी जल-अपघटन से सेल्युलोज व हेमीसेल्युलोज में बंद शर्कराएँ मुक्त करनी होती हैं, क्योंकि लिग्निन उन्हें ढकता है
    2. पुआल को यीस्ट सीधे किण्वित कर सकता है, क्योंकि उसकी शर्कराएँ मुक्त हैं और पूर्व-उपचार नहीं चाहिए
    3. पुआल को पहले मेथेनॉल से ट्रांसएस्टरीकरण चाहिए, जैसा वनस्पति तेलों के साथ किया जाता है
    4. पुआल को पहले बायोगैस में बदला जाता है, जिसे फिर यीस्ट किण्वित कर एथेनॉल देता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — पहले पूर्व-उपचार व एंज़ाइमी जल-अपघटन से सेल्युलोज व हेमीसेल्युलोज में बंद शर्कराएँ मुक्त करनी होती हैं, क्योंकि लिग्निन उन्हें ढकता है

    पुआल की शर्कराएँ लिग्निन से ढके बहुलकों में बँधी हैं, अतः यीस्ट के प्रयोग से पहले उन्हें मुक्त करना होता है। गन्ने के रस में मुक्त सुक्रोज़ होता है जो सीधे किण्वित होता है। ट्रांसएस्टरीकरण तेलों का है, कार्बोहाइड्रेट का नहीं।

  10. एक बायोमास गैसीकारक में समान फ़ीड के साथ समतुल्यता अनुपात 0.25 से बढ़ाकर 0.40 किया जाता है। किन परिवर्तनों का युग्म अपेक्षित है?

    1. गैसीकारक ठंडा होता है और गैस का तापन-मान बढ़ता है, क्योंकि कम वायु जलती है
    2. गैसीकारक बिना ऑक्सीजन के पायरोलिसर बन जाता है, जिससे मुख्यतः चार व जैव-तेल मिलता है
    3. तापमान व तापन-मान दोनों अपरिवर्तित, क्योंकि फ़ीड समान है और केवल वायु भिन्न है
    4. गैसीकारक गर्म होता है और गैस का तापन-मान घटता है, गैस में CO₂ व N₂ अधिक होते हैं
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — गैसीकारक गर्म होता है और गैस का तापन-मान घटता है, गैस में CO₂ व N₂ अधिक होते हैं

    अधिक वायु ईंधन का अधिक भाग जलाती है, जो ऊष्मा निकालकर तापमान बढ़ाती है, पर उत्पाद CO₂ व H₂O होते हैं और वायु की नाइट्रोजन गैस को तनु करती है, अतः तापन-मान घटता है। ठंडा होना व तापन-मान बढ़ना वायु घटाने से होता।

  11. अवायवीय पाचन के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. यह ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में होता है
    2. बायोगैस मुख्यतः मीथेन व कार्बन डाइऑक्साइड है
    3. बचा डाइजेस्टेट पोषक तत्त्व रख सकता है और उर्वरक के रूप में प्रयुक्त हो सकता है
    4. मीथेन बनाने वाले जीव लगभग 3 के प्रबल अम्लीय pH पर सर्वोत्तम काम करते हैं
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — यह ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में होता है; B — बायोगैस मुख्यतः मीथेन व कार्बन डाइऑक्साइड है; C — बचा डाइजेस्टेट पोषक तत्त्व रख सकता है और उर्वरक के रूप में प्रयुक्त हो सकता है

    प्रक्रिया अवायवीय है, CH₄ व CO₂ बनाती है, और पोषक-युक्त डाइजेस्टेट छोड़ती है। मेथैनोजेन लगभग 6.8 से 7.5 के उदासीन pH को पसंद करते हैं; प्रबल अम्लीयता उन्हें रोकती है।

  12. बायोमास ईंधनों के अभिलक्षणन के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. समीपस्थ विश्लेषण आर्द्रता, वाष्पशील पदार्थ, स्थिर कार्बन व राख बताता है
    2. स्थिर कार्बन 100 % में से आर्द्रता, वाष्पशील पदार्थ व राख घटाकर मिलता है
    3. ईंधन का निम्न तापन-मान सदा उसके उच्च तापन-मान से अधिक होता है
    4. नम ईंधन हेतु शुष्क-आधार राख-प्रतिशत प्राप्त-स्थिति मान से अधिक होता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — समीपस्थ विश्लेषण आर्द्रता, वाष्पशील पदार्थ, स्थिर कार्बन व राख बताता है; B — स्थिर कार्बन 100 % में से आर्द्रता, वाष्पशील पदार्थ व राख घटाकर मिलता है; D — नम ईंधन हेतु शुष्क-आधार राख-प्रतिशत प्राप्त-स्थिति मान से अधिक होता है

    समीपस्थ विश्लेषण के घटकों व अंतर-नियम वाले कथन मानक हैं, और (1 − M) से भाग देने पर राख-प्रतिशत बढ़ता है। HHV, LHV से उस जल की गुप्त ऊष्मा जितना अधिक होता है जो बना या उपस्थित है।

  13. जैव-ईंधनों के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. मेथेनॉल से बना बायोडीज़ल वसा-अम्ल मेथिल एस्टरों का मिश्रण है
    2. ग्लूकोज़ का एथेनॉल में किण्वन कार्बन डाइऑक्साइड मुक्त करता है
    3. बायोगैस अतिरिक्त वायु की उपस्थिति में वायवीय पाचन से बनती है
    4. यीस्ट द्वारा एथेनॉल किण्वन को ऑक्सीजन की बड़ी आपूर्ति चाहिए
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — मेथेनॉल से बना बायोडीज़ल वसा-अम्ल मेथिल एस्टरों का मिश्रण है; B — ग्लूकोज़ का एथेनॉल में किण्वन कार्बन डाइऑक्साइड मुक्त करता है

    FAME मेथेनॉल ट्रांसएस्टरीकरण का उत्पाद है, और C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ में CO₂ निकलती है। बायोगैस अवायवीय पाचन से आती है और एथेनॉल किण्वन अवायवीय है।

  14. प्राप्त-स्थिति में एक बायोमास नमूने में आर्द्रता 12 %, वाष्पशील पदार्थ 60 %, स्थिर कार्बन 18 % तथा राख 10 % (सब द्रव्यमान के) है। शुष्क आधार पर वाष्पशील पदार्थ, प्रतिशत में व एक दशमलव स्थान तक, ____ है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 68.2

    शुष्क आधार में (1 − 0.12) = 0.88 से भाग: 60/0.88 = 68.18, अर्थात् 68.2 %। Python से सत्यापित।

  15. प्राप्त-स्थिति में एक ईंधन का HHV = 15.0 MJ/kg, आर्द्रता 20 % तथा हाइड्रोजन 5.0 % (दोनों प्राप्त-स्थिति ईंधन के द्रव्यमान के) है। प्रत्येक kg हाइड्रोजन जलकर 9 kg जल बनाता है, और जल की गुप्त ऊष्मा 2.44 MJ/kg है। निम्न तापन-मान MJ/kg में, दो दशमलव स्थान तक, ____ है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 13.41

    प्रति kg ईंधन जल = 0.20 + 9 × 0.05 = 0.65 kg; LHV = 15.0 − 2.44 × 0.65 = 15.0 − 1.586 = 13.414, अर्थात् 13.41 MJ/kg। हाइड्रोजन का जल छोड़ने पर 14.51 आता।

  16. 1000 kg शुष्क स्टार्च का ग्लूकोज़ में जल-अपघटन होता है (162.14 kg स्टार्च से 180.16 kg ग्लूकोज़) और C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ द्वारा सैद्धांतिक उपज के 90 % पर किण्वन होता है। ग्लूकोज़ का मोलर द्रव्यमान 180.16 व एथेनॉल का 46.07 g/mol लें। एथेनॉल का द्रव्यमान kg में, निकटतम पूर्ण संख्या तक, ____ है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 511

    ग्लूकोज़ = 1000 × 180.16/162.14 = 1111.2 kg; सैद्धांतिक एथेनॉल = 1111.2 × 2 × 46.07/180.16 = 568.3 kg; 90 % पर = 511.4, अर्थात् 511 kg। Python से सत्यापित (511.44)।

  17. एक डाइजेस्टर में प्रतिदिन 100 kg वाष्पशील ठोस दिए जाते हैं, जिनमें से 60 % नष्ट होता है। उपज 0.8 m³ बायोगैस प्रति kg नष्ट वाष्पशील ठोस है, और बायोगैस में आयतन के अनुसार 60 % मीथेन है। मीथेन का तापन-मान 36 MJ/m³ व बॉयलर-दक्षता 0.55 लेकर, उपयोगी ऊष्मा MJ प्रतिदिन में, निकटतम पूर्ण संख्या तक, ____ है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 570

    नष्ट VS = 60 kg; बायोगैस = 60 × 0.8 = 48 m³; मीथेन = 48 × 0.6 = 28.8 m³; ऊष्मा = 28.8 × 36 = 1036.8 MJ; उपयोगी = 1036.8 × 0.55 = 570.2, अर्थात् 570 MJ/दिन।

  18. अनुभवजन्य सूत्र CH₁.₄O₀.₆ वाले बायोमास का मोलर द्रव्यमान 23.02 g/mol है। वायु को 21 mol % ऑक्सीजन व मोलर द्रव्यमान 29 g/mol माना गया है। CO₂ व H₂O तक पूर्ण दहन हेतु रससमीकरणमितीय ऑक्सीजन 1.05 mol प्रति mol बायोमास है। एक गैसीकारक 0.3 समतुल्यता अनुपात पर चलता है। प्रति kg बायोमास आपूर्त वायु का द्रव्यमान, kg में व दो दशमलव स्थान तक, ____ है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 1.89

    रससमीकरणमितीय वायु = 1.05/0.21 = 5.00 mol प्रति mol ईंधन = 5.00 × 29 = 145 g प्रति 23.02 g = 6.299 kg/kg। ER = 0.3 पर: 0.3 × 6.299 = 1.890, अर्थात् 1.89 kg/kg। Python से सत्यापित।