ईंधन (Fuel) : Chemistry

  • ईंधन (Fuel) वह पदार्थ है जो दहन (combustion) पर ऊष्मा ऊर्जा (heat energy) मुक्त करता है।
  • वर्गीकरण (Classification):
    • प्राथमिक/प्राकृतिक ईंधन (Primary/Natural Fuels): प्राकृतिक रूप से पाए जाते हैं (जैसे: लकड़ी, कोयला, प्राकृतिक गैस, कच्चा तेल)।
    • द्वितीयक/कृत्रिम ईंधन (Secondary/Artificial Fuels): प्राथमिक ईंधनों से संसाधित किए जाते हैं (जैसे: कोक, मिट्टी का तेल, पेट्रोल, डीजल, CNG)।
  • अवस्था के अनुसार (State-wise):
    • ठोस (Solid): लकड़ी, कोयला, कोक
    • तरल (Liquid): पेट्रोल, डीजल, मिट्टी का तेल
    • गैसीय (Gaseous): प्राकृतिक गैस, LPG, CNG, बायोगैस
  • कैलोरी मान (Calorific Value)
    • किसी ईंधन के इकाई द्रव्यमान या आयतन के पूर्ण दहन से मुक्त होने वाली कुल ऊष्मा ऊर्जा।
    • ठोस/तरल के लिए इकाई: kcal/kg या kJ/kg
    • हाइड्रोजन (Hydrogen): ≈ 150,000 kJ/kg (उच्चतम)
    • मीथेन (CNG): ≈ 55,000 kJ/kg
    • पेट्रोल (Petrol): ≈ 50,000 kJ/kg
    • डीजल (Diesel): ≈ 45,000 kJ/kg
    • कोयला (Coal): ≈ 25,000‑33,000 kJ/kg
    • लकड़ी (Wood): ≈ 17,000‑22,000 kJ/kg
    • बायोगैस (Biogas): ≈ 35,000‑40,000 kJ/m³
  • ज्वलन ताप (Ignition Temperature)
    • वह न्यूनतम तापमान जिस पर कोई ईंधन आग पकड़ता है और जलना जारी रखता है। मिट्टी के तेल (Kerosene) का ज्वलन ताप पेट्रोल से अधिक होता है, जिससे पेट्रोल अधिक ज्वलनशील हो जाता है।
  • एक अच्छे ईंधन की विशेषताएं (Characteristics of a Good Fuel)
    • उच्च कैलोरी मान (High Calorific Value)।
    • मध्यम ज्वलन ताप (Moderate Ignition Temperature)।
    • कम नमी और गैर-दहनशील सामग्री (राख) की कम मात्रा।
    • परिवहन और भंडारण में आसान।
    • कम लागत और आसानी से उपलब्ध।
    • बिना हानिकारक गैसों के उत्सर्जन के जलना (यानी, कम N और S सामग्री)।

  • CNG (Compressed Natural Gas): मुख्य रूप से मीथेन (CH4)। स्वच्छ दहन, कम CO2।
  • LPG (Liquefied Petroleum Gas): मुख्य रूप से ब्यूटेन (C4H10) और प्रोपेन (C3H8)।
  • बायोगैस (Biogas): कार्बनिक पदार्थों के अवायवीय अपघटन (anaerobic decomposition) से उत्पन्न। ≈ 50‑70% मीथेन (CH4) और ≈ 30‑40% CO2।
  • कोकिंग कोल (Coking Coal): कोक बनाने के लिए उपयोग किया जाता है, जो लोहे के उत्पादन के लिए ब्लास्ट फर्नेस में एक महत्वपूर्ण ईंधन है।
  • ईंधन लकड़ी का संकट (Firewood Crisis): प्राथमिक ईंधन के रूप में लकड़ी के अत्यधिक उपयोग के कारण वनों की कटाई।
  • जीवाश्म ईंधन (Fossil Fuels): कोयला, पेट्रोलियम, प्राकृतिक गैस। ये गैर-नवीकरणीय (non-renewable) हैं।

दहन समीकरण और दक्षता (Combustion Equations & Efficiency)

  • हाइड्रोकार्बन ईंधन के पूर्ण दहन से CO2 और H2O उत्पन्न होता है।
  • सामान्य समीकरण (General Equation):
    • CxHy + (x + y/4) O2 → x CO2 + y/2 H2O + ऊष्मा
  • उदाहरण (Examples):
    • CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (Methane Combustion)
    • 2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O (Octane/Petrol Combustion)
  • अपूर्ण दहन (Incomplete Combustion) से जहरीली कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) उत्पन्न होती है।
    • 2C + O2 → 2CO
  • दक्षता गणना (Efficiency Calculation):
    • ईंधन की दक्षता इस प्रकार दी जाती है:
      η = (Useful Energy Output) / (Total Energy Input) × 100%

पर्यावरणीय प्रभाव (Environmental Impact)

  • कार्बन ईंधन → CO2 → ग्लोबल वार्मिंग
  • सल्फर → SO2 → अम्लीय वर्षा (Acid Rain)
  • नाइट्रोजन → NOx → स्मॉग और अम्लीय वर्षा
  • अपूर्ण दहन → CO (जहरीली) और कालिख (Soot)

ईंधन (Fuel) कैलोरी मान (लगभग) मुख्य घटक (Key Component)
Hydrogen 150,000 kJ/kg H2
Methane (CNG) 55,000 kJ/kg CH4
LPG 50,000 kJ/kg C3H8 / C4H10
Petrol (Gasoline) 47,000 kJ/kg C8H18
Diesel 45,000 kJ/kg C12H26
Kerosene 46,000 kJ/kg C12H26 – C15H32
Bituminous Coal 30,000 kJ/kg Carbon
Wood 20,000 kJ/kg Cellulose
Biogas 40,000 kJ/m³ CH4 (≈60%)

  • पेट्रोल बनाम डीजल (Petrol vs. Diesel): पेट्रोल अधिक वाष्पशील है, इसका ज्वलन ताप कम है, और इसका उपयोग SI इंजनों में किया जाता है। डीजल कम वाष्पशील है, इसका ज्वलन ताप अधिक है (compression ignition), और यह अधिक कुशल है।
  • CNG बनाम LPG: CNG हवा से हल्की है (मीथेन), LPG हवा से भारी है (प्रोपेन/ब्यूटेन)। CNG को उच्च दबाव में संग्रहित किया जाता है, LPG को मध्यम दबाव में तरल के रूप में संग्रहित किया जाता है।
ईंधन (Fuel) : Chemistry