燃焼

燃焼、または燃焼^[1]は、燃料（還元剤）と酸化剤（通常は大気中の酸素）との間の高温の発熱性酸化 還元 化学反応であり、煙と呼ばれる混合物中に、酸化された、多くの場合は気体の生成物を生成します。燃焼は必ずしも火事になるわけではありません。炎は燃焼している物質が気化したときにのみ見えるからです。しかし、気化した場合、炎は反応の特徴的な指標となります。燃焼を開始するには活性化エネルギーを供給する必要がありますが（例：火のついたマッチを使って火をつける）、炎からの熱は反応を自立させるのに十分なエネルギーを提供する場合があります。燃焼の研究は燃焼科学として知られています。

燃焼は、多くの場合、基本的な ラジカル反応の複雑な連続です。木材や石炭などの固体燃料は、最初に吸熱分解を起こしてガス燃料を生成します。ガス燃料の燃焼により、ガス燃料をさらに生成するために必要な熱が供給されます。燃焼は多くの場合、白熱光が輝くか炎の形で発生するほど高温になります。簡単な例として、水素と酸素が燃焼して水蒸気になる反応が挙げられます。この反応は、ロケットエンジンの燃料としてよく使用されます。この反応では、242 kJ/molの熱が放出され、それに応じてエンタルピーが減少します(温度と圧力が一定の場合)。  

${\displaystyle {\ce {2H_{2}(g){+}O_{2}(g)\rightarrow 2H_{2}O\uparrow }}}$

空気中での無触媒燃焼には比較的高い温度が必要である。完全燃焼は燃料に関して化学量論的であり、燃料は残っておらず、理想的には残留酸化剤もない。熱力学的には、空気中の燃焼の化学平衡は圧倒的に生成物側に傾いている。しかし、化学平衡に必ずしも達しないか、一酸化炭素、水素、さらには炭素（すすまたは灰）などの未燃焼生成物を含む可能性があるため、完全燃焼を達成することはほぼ不可能である。したがって、生成される煙は通常有毒であり、未燃焼または部分的に酸化された生成物を含む。窒素の燃焼は熱 力学的に高温では有利であるが低温では有利ではないため、大気中の窒素（ 78パーセントが窒素）での高温燃焼では、一般にNOxと呼ばれるいくつかの窒素酸化物も少量生成される。燃焼がクリーンであることはめったにないため、燃料ガス洗浄または触媒コンバーターが法律で義務付けられる場合がある。

火は自然に発生し、落雷や火山噴出物によって点火されます。燃焼（火）は、キャンプファイヤーや焚き火の形で人類が発見した最初の制御された化学反応であり、現在でも人類のためのエネルギー生産の主な方法となっています。通常、燃料は炭素、炭化水素、または部分的に酸化された炭化水素を含む木材などのより複雑な混合物です。石炭や石油などの化石燃料、または薪などの再生可能燃料の燃焼から生成される熱エネルギーは、調理、発電、産業用または家庭用の暖房など、さまざまな用途に利用されています。燃焼は現在、ロケットの動力源として使用されている唯一の反応でもあります。燃焼は、無害および有害廃棄物の破壊（焼却）にも使用されます。

燃焼用の酸化剤は高い酸化力を持ち、大気中または純酸素、塩素、フッ素、三フッ化塩素、亜酸化窒素、硝酸などがある。例えば、水素は塩素中で燃焼して塩化水素を形成し、燃焼特有の熱と光を放出する。通常は触媒されないが、接触プロセスのように白金やバナジウムによって燃焼が触媒されることがある。

完全燃焼では、反応物は酸素中で燃焼し、限られた数の生成物を生成します。炭化水素が酸素中で燃焼すると、反応は主に二酸化炭素と水を生成します。元素が燃焼すると、生成物は主に最も一般的な酸化物です。炭素は二酸化炭素を、硫黄は二酸化硫黄を、鉄は鉄(III)酸化物を生成します。酸素が酸化剤である場合、窒素は可燃性物質とは見なされません。それでも、少量のさまざまな窒素酸化物（一般にNO
_x空気が酸化剤である場合に、細菌種が形成されます。

燃焼は必ずしも酸化度を最大にするのに有利とは限らず、温度に依存することもあります。例えば、三酸化硫黄は硫黄の燃焼では定量的に生成されません。NO _{x種は約 2,800 °F (1,540 ° C) を超えると大量に生成され、温度が上がるとさらに多く生成されます。NO x}の量も酸素過剰の関数です。^[2]

ほとんどの工業用途や火災では、空気が酸素（O
₂空気中では、酸素1モルあたり約3.71 モルの窒素。窒素は燃焼には関与しないが、高温では窒素の一部がNOに変換される。
_x（大部分はNO、ごく少量のNO
₂）。一方、燃料を完全に燃焼させるのに十分な酸素がない場合、燃料の炭素の一部は一酸化炭素に変換され、水素の一部は未反応のまま残ります。したがって、空気中の炭化水素の燃焼に関する完全な方程式には、燃料内の炭素と水素間の酸素の分配に関する追加の計算が必要です。

完全燃焼に必要な空気の量は「理論空気」または「化学量論的空気」として知られています。^[3]この値を超えて実際に最適な燃焼に必要な空気の量は「過剰空気」として知られており、天然ガスボイラーでは5％、無煙炭では40％、ガスタービンでは300％まで変化します。^[4]

不完全燃焼は、燃料が完全に反応して二酸化炭素と水を生成するのに十分な酸素がない場合に発生します。また、固体表面や炎トラップなどのヒートシンクによって燃焼が抑制された場合にも発生します。完全燃焼の場合と同様に、不完全燃焼でも水が生成されますが、二酸化炭素の代わりに 炭素と一酸化炭素が生成されます。

ディーゼル油、石炭、木材などのほとんどの燃料では、燃焼前に熱分解が起こります。不完全燃焼では、熱分解生成物が燃えずに残り、煙を有害な粒子状物質やガスで汚染します。部分酸化された化合物も懸念事項です。エタノールの部分酸化により有害なアセトアルデヒドが生成され、炭素により有毒な一酸化炭素が生成されます。

バーナーや内燃機関などの燃焼装置の設計により、燃焼の質を向上させることができます。触媒後燃焼装置（触媒コンバータなど）や、排気ガスの一部を燃焼プロセスに戻すだけで、さらに改善することができます。このような装置は、ほとんどの国で自動車の環境法で義務付けられています。火力発電所などの大型燃焼装置が法的排出基準を満たすためには、このような装置が必要になる場合があります。

燃焼の度合いは、試験装置で測定および分析できます。HVAC請負業者、消防士、エンジニアは、燃焼分析装置を使用して、燃焼プロセス中のバーナーの効率をテストします。 また、内燃機関の効率もこの方法で測定できます。米国の一部の州および地方自治体では、燃焼分析を使用して、現在道路を走行している車両の効率を定義し、評価しています。

一酸化炭素は不完全燃焼の生成物の1つです。^[5]一酸化炭素の生成は二酸化炭素の生成よりも熱をあまり発生させないため、特に一酸化炭素は有毒ガスであるため、完全燃焼が非常に好まれます。呼吸すると、一酸化炭素は酸素の代わりとなり、血液中のヘモグロビンの一部と結合して、酸素を運ぶことができなくなります。^[6]

これらの酸化物は大気中の水と酸素と結合して硝酸と硫酸を生成し、酸性の沈着物、つまり「酸性雨」として地表に戻る。酸性の沈着物は水生生物に害を与え、木々を枯らす。カルシウムやリンなど、植物にあまり利用されない特定の栄養素を形成するため、生態系と農場の生産性が低下する。窒素酸化物に関連するもう1つの問題は、炭化水素汚染物質とともに、スモッグの主成分である地上オゾンの形成に寄与することです。 ^[7]

一酸化炭素を吸い込むと、頭痛、めまい、嘔吐、吐き気などの症状が起こります。一酸化炭素濃度が高すぎると、人は意識を失ったり、死亡したりします。中程度から高濃度の一酸化炭素に長期間さらされると、心臓病のリスクと正の相関関係があります。重度の一酸化炭素中毒から生き延びた人でも、長期的な健康問題に悩まされる可能性があります。^[8]空気中の一酸化炭素は肺で吸収され、その後、人間の赤血球の ヘモグロビンと結合します。これにより、体全体に酸素を運ぶ赤血球の能力が低下します。

くすぶりは、酸素が凝縮相燃料の表面を直接攻撃するときに発生する熱によって維持される、ゆっくりとした低温の無炎の燃焼形態です。これは、典型的な不完全燃焼反応です。くすぶり反応を維持できる固体材料には、石炭、セルロース、木材、綿、タバコ、泥炭、腐植土、合成フォーム、炭化ポリマー（ポリウレタンフォームを含む）、およびほこりなどがあります。くすぶり現象の一般的な例としては、弱い熱源（タバコ、ショートした電線など）によって布張りの家具で住宅火災が発生することや、山火事の炎の背後でバイオマスが持続的に燃焼することが挙げられます。

自然発火は、自己発熱（内部の発熱反応による温度上昇）によって起こり、続いて熱暴走（自己発熱が急速に高温に加速する）を経て最終的に発火する燃焼の一種です。例えば、リンは熱を加えなくても室温で自己発火します。バクテリアによる堆肥化を受けている有機物は、燃焼点に達するのに十分な熱を発生することがあります。^[9]

乱流炎を生じる燃焼は、乱流が燃料と酸化剤の混合プロセスを助けるため、産業用途（ガスタービン、ガソリンエンジンなど）で最も多く使用されています。

「マイクロ」重力という用語は、重力が「低い」（つまり、「マイクロ」は「小さい」という意味で、必ずしも地球の通常の重力の100万分の1ではない）状態を指し、浮力が物理プロセスに与える影響は、通常の重力で存在する他の流動プロセスと比較して小さいと考えられます。このような環境では、熱および流動輸送ダイナミクスは、通常の重力条件とはまったく異なる動作をする可能性があります（たとえば、ろうそくの炎は球形になります。^{[10] ）。微小重力燃焼研究は、宇宙船の環境（たとえば、}国際宇宙ステーションの乗組員の安全に関連する火災ダイナミクス）と地上（地球ベース）条件（たとえば、燃焼を改善するための新しい燃料ブレンドの開発を支援する液滴燃焼ダイナミクス、材料製造プロセス、電子システムの熱管理、多相流沸騰ダイナミクス、その他多数）の両方に関連するさまざまな側面の理解に貢献します。

非常に小さな容積で起こる燃焼プロセスは、マイクロ燃焼と見なされます。表面積と容積の比率が高いと、比熱損失が増加します。このような燃焼室で炎を安定させるには、消炎距離が重要な役割を果たします。

一般的に、酸素中での炭化水素の化学量論的燃焼の化学式は次のようになります。

${\displaystyle {\ce {C}}_{x}{\ce {H}}_{y}+\left(x+{y \over 4}\right){\ce {O2->}}x{\ce {CO2}}+{y \over 2}{\ce {H2O}}}$

たとえば、酸素中の メタンの化学量論的燃焼は次のようになります。

${\displaystyle {\ce {{\underset {メタン}{CH4}}+ 2O2 -> CO2 + 2H2O}}}$

空気を酸素源として化学量論的燃焼が起こる場合、空気中（地球の大気）に存在する窒素を式に加えることができます（反応しませんが）、空気中の燃料の化学量論的組成と結果として生じる排気ガスの組成を示します。空気中の酸素以外のすべての成分を窒素として扱うと、「窒素」と酸素の比率は3.77、つまり（100％−O
₂%) / 0
₂% ここでO
₂% は 20.95% vol:

${\displaystyle {\ce {C}}_{x}{\ce {H}}_{y}+z{\ce {O2}}+3.77z{\ce {N2 ->}}x{\ce {CO2}}+{y \over 2}{\ce {H2O}}+3.77z{\ce {N2}}}$

どこ。 ${\displaystyle z=x+{y \over 4}}$

たとえば、空気中のメタンの化学量論的燃焼は次のようになります。

${\displaystyle {\ce {{\underset {メタン}{CH4}}+ 2O2}}+7.54{\ce {N2-> CO2 + 2H2O}}+7.54{\ce {N2}}}$

空気中のメタンの化学量論的組成は、1 / (1 + 2 + 7.54) = 9.49% vol です。

_{空気中のC α} H _β O _γの化学量論的燃焼反応：

${\displaystyle {\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right){\ce {N_{2}}}}$

_{C α} H _β O _γ S _δの化学量論的燃焼反応:

${\displaystyle {\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}S_{\mathit {\delta }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\delta \right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\delta {\ce {SO_{2}}}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\delta \right){\ce {N_{2}}}}$

_{C α} H _β O _γ N _δ S _εの化学量論的燃焼反応:

${\displaystyle {\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}N_{\mathit {\delta }}S_{\mathit {\epsilon }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\epsilon \right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\epsilon {\ce {SO_{2}}}+\left(3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\epsilon \right)+{\frac {\delta }{2}}\right){\ce {N_{2}}}}$

_{C α} H _β O _γ F _δの化学量論的燃焼反応:

${\displaystyle {\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}F_{\mathit {\delta }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta -\delta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta -\delta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\delta {\ce {HF}}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta -\delta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right){\ce {N_{2}}}}$

炎の温度が約100℃を超えると、燃焼生成物中に他のさまざまな物質が大量に現れ始めます。1600  K。過剰の空気を使用すると、窒素はNOに酸化され、さらにごくわずかではあるがNOに酸化される可能性がある。
₂. COはCO _2の不均化によって形成され、H
₂そして、H ₂ Oの不均化によりOH が形成される。

例えば、1 モルのプロパンは燃焼すると28.6 モルの空気（化学量論量の120％）、燃焼生成物には3.3％のOが含まれる。
₂。 で1400  Kでは、平衡燃焼生成物には0.03%のNOと0.002%のOHが含まれています。1800  Kでは、燃焼生成物には0.17%のNO、0.05%のOH、0.01%のCO、0.004%のHが含まれる。
₂^[11 ]

ディーゼルエンジンは、化学量論的量の酸素のみで形成される傾向のある微粒子を燃焼させるために過剰な酸素で作動し、必然的に窒素酸化物を排出します。米国と欧州連合はどちらも車両の窒素酸化物排出に制限を設けており、特別な触媒コンバーターの使用や尿素による排気処理が必要となります(ディーゼル排気液を参照)。

炭化水素と酸素の不完全燃焼（部分燃焼）により、主にCOを含むガス混合物が生成される。
₂、CO、H ₂ O、H
₂このようなガス混合物は、金属の熱処理やガス炭化の保護雰囲気として使用するために一般的に調製されます。^{[12]酸素中の炭化水素1}モルの不完全燃焼の一般的な反応式は次のとおりです。

${\displaystyle {\ce {{\underset {fuel}{C_{\mathit {x}}H_{\mathit {y}}}}+{\underset {oxygen}{{\mathit {z}}O2}}->{\underset {carbon\ dioxide}{{\mathit {a}}CO2}}+{\underset {carbon\ monoxide}{{\mathit {b}}CO}}+{\underset {water}{{\mathit {c}}H2O}}+{\underset {hydrogen}{{\mathit {d}}H2}}}}}$

zが化学量論値の約50％を下回ると、 CH
₄重要な燃焼生​​成物になる可能性があり、z が化学量論値の約 35% を下回ると、元素炭素が安定する可能性があります。

不完全燃焼の生成物は、燃焼生成物が平衡に達するという仮定のもと、物質収支の助けを借りて計算することができる。^{[13] [14]}例えば、1モルのプロパン（C
₃H
₈）4モルのO
₂7 モルの燃焼ガスが生成され、z は化学量論値の 80% になります。3 つの元素バランス方程式は次のとおりです。

• 炭素：${\displaystyle a+b=3}$
• 水素：${\displaystyle 2c+2d=8}$
• 酸素：${\displaystyle 2a+b+c=8}$

これら 3 つの式だけでは燃焼ガスの組成を計算するには不十分です。ただし、平衡位置では、水性ガスシフト反応によって別の式が得られます。

${\displaystyle {\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}}$;${\displaystyle K_{eq}={\frac {a\times d}{b\times c}}}$

例えば、1200  KではK _eqの値は0.728です。^[15]解くと、燃焼ガスは42.4% H ₂ O、29.0% CO _2、14.7 % Hで構成されています。
₂、13.9% CO。炭素は安定相となり、1200  Kと1 気圧では、zが化学量論値の30%未満となり、燃焼生成物には98%以上のHが含まれる。
₂そしてCOと約0.5%のCH
₄。

燃焼する物質または材料は燃料と呼ばれます。最も一般的な例としては、天然ガス、プロパン、灯油、ディーゼル、ガソリン、木炭、石炭、木材など があります。

酸化雰囲気における液体燃料の燃焼は、実際には気相で起こります。燃焼するのは液体ではなく蒸気です。したがって、液体は通常、特定の温度、つまり引火点を超えたときにのみ発火します。液体燃料の引火点とは、空気と混合して発火性混合物を形成できる最低温度です。これは、燃焼を開始するのに十分な量の蒸発燃料が空気中に存在する最低温度です。

気体燃料の燃焼は、拡散炎、予混合炎、自己発火反応面、またはデトネーションの4つの異なるタイプの燃焼のいずれかで発生します。^{[16]実際に発生する燃焼の種類は、加熱前に}燃料と酸化剤が混合されている程度によって異なります。たとえば、燃料と酸化剤が最初に分離している場合は拡散炎が形成されますが、そうでない場合は予混合炎が形成されます。同様に、燃焼の種類も圧力によって異なります。たとえば、デトネーションは、自己発火反応面が強い衝撃波と結合したもので、特徴的な高圧ピークと高いデトネーション速度をもたらします。^[16]

燃焼の行為は、比較的明確に区別されながらも重なり合う 3 つの段階から構成されます。

• 予熱段階では、未燃焼の燃料が引火点、そして発火点まで加熱されます。乾留に似たプロセスで可燃性ガスが発生し始めます。
• 蒸留段階または気相、発生した可燃性ガスと酸素の混合物が点火される段階。エネルギーは熱と光の形で生成されます。炎はしばしば目に見える形で現れます。燃焼から固体への熱伝達により、可燃性蒸気の発生が維持されます。
• 炭化相または固体相では、物質からの可燃性ガスの発生が炎の持続的な存在には低すぎるため、炭化した燃料は急速に燃焼せず、ただ赤く光り、後にはくすぶるだけになります。

効率的なプロセス加熱には、燃料の燃焼熱の可能な限り最大部分を処理対象物質に回収することが必要である。^{[17] [18]}加熱プロセスの操作では、多くの損失経路があります。通常、支配的な損失は、排ガス（すなわち、排気ガス）とともに放出される顕熱です。排ガスの温度と量はその熱量（エンタルピー）を示すため、排ガスの量を低く保つと熱損失が最小限に抑えられます。

完璧な炉では、燃焼空気の流れが燃料の流れと一致するため、各燃料分子に完全燃焼に必要な正確な量の酸素が供給されます。しかし、現実の世界では、燃焼は完璧には進みません。未燃焼の燃料（通常はCOとH
₂）がシステムから排出されると、発熱量の損失（および安全上の問題）となります。オフガス中の可燃物は望ましくありませんが、未反応の酸素の存在は安全性と環境への懸念が最小限であるため、燃焼管理の第一原則は、すべての燃料が燃焼することを保証するため、理論上必要な量よりも多くの酸素を供給することです。メタン（CH
₄）燃焼には、例えば 2 分子強の酸素分子が必要になります。

しかし、燃焼管理の 2 番目の原則は、酸素を使いすぎないことです。適切な酸素量を得るには、3 種類の測定が必要です。1 つ目は、空気と燃料の流量のアクティブ制御、2 つ目は、オフガス酸素の測定、3 つ目は、オフガス可燃物の測定です。各加熱プロセスには、オフガスの熱損失が最小で、可燃物濃度が許容レベルという最適条件が存在します。過剰酸素を最小限に抑えることには、さらなる利点があります。特定のオフガス温度では、過剰酸素を最低に抑えるとNOxレベルが最低になります。 ^[2]

これら2つの原則の遵守は、燃焼プロセスにおける物質と熱のバランスをとることによってさらに促進される。^{[19] [20] [21] [22]}物質バランスは、空気/燃料比とOの割合を直接関連付ける。
₂燃焼ガス中の熱バランスは、充填物に利用可能な熱と燃料燃焼によって生成される総正味熱量を関連付けます。^{[23] [24]追加の物質バランスと熱バランスを作成することで、燃焼空気を予熱したり、 [25] [26]}酸素を豊富にしたりすることによる熱的利点を定量化することができます。^{[27] [28]}

酸素の燃焼は、多くの異なるラジカル中間体が関与する連鎖反応である。燃焼開始に必要な高エネルギーは、二酸素分子の異常な構造によって説明される。二酸素分子のエネルギーが最も低い構成は、三重項スピン状態の安定した、比較的反応性の低い二ラジカルである。結合は、3つの結合電子対と2つの反結合電子で記述でき、スピンが整列しているため、分子の全角運動量はゼロではない。一方、ほとんどの燃料は一重項状態にあり、対になったスピンとゼロの全角運動量を持つ。この2つの間の相互作用は、量子力学的には「禁制遷移」、つまり非常に低い確率で発生する。燃焼を開始するには、二酸素をスピン対状態、つまり一重項酸素にするためのエネルギーが必要である。この中間体は極めて反応性が高い。エネルギーは熱として供給され、反応によって追加の熱が発生し、反応が継続する。

炭化水素の燃焼は、燃料から酸素への水素原子引き抜き（陽子引き抜きではない）によって開始され、ヒドロペルオキシドラジカル（HOO）を生成すると考えられている。これがさらに反応してヒドロペルオキシドが生成され、これが分解してヒドロキシルラジカルを生成する。燃料ラジカルと酸化ラジカルを生成するこれらのプロセスは多種多様である。酸化種には、一重項酸素、ヒドロキシル、一原子酸素、ヒドロペルオキシルなどがある。このような中間体は寿命が短く、分離することはできない。しかし、非ラジカル中間体は安定しており、不完全燃焼で生成される。一例として、エタノールの燃焼で生成されるアセトアルデヒドがある。炭素と炭化水素の燃焼における中間体である一酸化炭素は、有毒ガスであるため特に重要であるが、合成ガスの生成に経済的にも有用である。

固体燃料と重質液体燃料も、多数の熱分解反応を経て、より酸化されやすいガス燃料になります。これらの反応は吸熱反応であり、進行中の燃焼反応から一定のエネルギー入力を必要とします。酸素不足やその他の不適切な設計条件により、これらの有毒で発がん性のある熱分解生成物が濃い黒煙として排出されます。

燃焼速度とは、一定時間内に燃焼する物質の量です。これは、グラム/秒 (g/s) またはキログラム/秒 (kg/s) で表されます。

化学反応速度論の観点から燃焼プロセスを詳細に記述するには、大規模で複雑な基本反応の網を定式化する必要があります。^[29]たとえば、炭化水素燃料の燃焼には通常、数百の化学種が数千の反応に従って反応します。

このようなメカニズムを計算フローソルバーに組み込むことは、主に2つの点で依然としてかなり難しい作業です。第一に、自由度の数（化学種の数に比例）が劇的に大きくなる可能性があります。第二に、反応によるソース項が異なる数の時間スケールを導入し、動的システム全体を硬直させます。その結果、重質燃料による乱流反応流の直接数値シミュレーションは、現代のスーパーコンピューターでもすぐに手に負えなくなります。^[30]

そのため、高度な詳細レベルに頼ることなく燃焼メカニズムの複雑さを軽減するためのさまざまな方法論が考案されてきました。例としては次のようなものがあります。

• 緩和再分配法（RRM）^{[31] [32] [33] [34]}
• 本質的低次元多様体（ILDM）アプローチとさらなる発展^{[35] [36] [37]}
• 不変制約平衡エッジ前像曲線法。^[38]
• いくつかの変分アプローチ^{[39] [40]}
• 計算特異摂動法（CSP）とその発展。^{[41] [42]}
• 速度制御制約平衡（RCCE）と準平衡マニホールド（QEM）アプローチ。^{[43] [44]}
• Gスキーム^[45]
• 不変グリッド法（MIG）。^{[46] [47] [48]}

熱重量分析などを用いて、さまざまな物質の燃焼における熱分解の反応メカニズムを理解するために、速度論的モデリングを検討することができます。^[49]

断熱条件下での完全燃焼（熱損失や熱取得がない）などの完全燃焼条件を想定すると、断熱燃焼温度を決定できます。この温度を導く式は熱力学の第一法則に基づいており、燃焼熱は燃料、燃焼空気または酸素、および燃焼生成ガス（一般に排気ガスと呼ばれる）の加熱にのみ使用されるという事実を考慮しています。

空気中で燃焼する化石燃料の場合、燃焼温度は以下のすべてに依存します。

• 発熱量;
• 理論空燃比 ;${\displaystyle {\lambda }}$
• 燃料と空気の比熱容量。
• 空気と燃料の入口温度。

断熱燃焼温度（断熱炎温度とも呼ばれる）は、発熱量と入口空気および燃料温度が高くなると、また、化学量論的空気比が 1 に近づくと増加します。

最も一般的な断熱燃焼温度は、石炭の場合約2,200℃（3,992℉）（入口空気と燃料が常温の場合）、石油の場合約2,150℃（3,902℉）、天然ガスの場合約2,000℃（3,632℉）です。^{[50] [51]}${\displaystyle \lambda =1.0}$

工業用燃焼ヒーター、発電所の 蒸気発生器、大型ガス燃焼タービンでは、化学量論的燃焼空気よりも多くの使用量を表す一般的な方法は、過剰燃焼空気の割合です。たとえば、過剰燃焼空気が 15 パーセントの場合、必要な化学量論的空気よりも 15 パーセント多く使用されていることを意味します。

燃焼不安定性は、典型的には燃焼室内の激しい圧力振動です。これらの圧力振動は 180  dB にも達することがあり、これらの周期的な圧力および熱負荷に長期間さらされると、エンジン部品の寿命が短くなります。サターン V プログラムで使用された F1 などのロケットでは、不安定性により燃焼室と周囲の部品に甚大な損傷が発生しました。この問題は、燃料インジェクターを再設計することで解決しました。液体ジェット エンジンでは、液滴のサイズと分布を利用して不安定性を緩和できます。燃焼不安定性は、NO _x排出のため、地上設置型ガスタービン エンジンでは大きな懸念事項です。燃焼温度を下げてNO _x排出を減らすために、当量比が 1 未満の希薄燃焼を行う傾向がありますが、燃焼を希薄燃焼にすると、燃焼不安定性の影響を非常に受けやすくなります。

レイリー基準は熱音響燃焼不安定性の解析の基礎であり、不安定性の1サイクルにわたるレイリー指数を使用して評価される^[52]

${\displaystyle G(x)={\frac {1}{T}}\int _{T}q'(x,t)p'(x,t)dt}$

ここでq'は熱発生率の摂動、p'は圧力変動である。^{[53] [54]} 熱発生振動が圧力振動と同位相の場合、レイリー指数は正となり、熱音響不安定性の大きさは最大となる。一方、レイリー指数が負の場合、熱音響減衰が発生する。レイリー基準によれば、熱発生振動を同じ周波数の圧力振動と180度位相をずらすことで、熱音響不安定性を最適に制御できる。^{[55] [56]}これによりレイリー指数が最小となる。

無料辞書『ウィクショナリー』で「燃焼」を調べてください。

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