燃焼

くすぶり燃焼は、酸素が凝縮相燃料の表面を直接攻撃する際に発生する熱によって維持される、低温でゆっくりとした炎のない燃焼形態です。これは通常、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、腐植土、合成フォーム、炭化性ポリマー（ポリウレタンフォームを含む）、および粉塵などがあります。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に火がつき、住宅火災が発生することや、山火事の炎の先端の後ろでバイオマスが持続的に燃焼することなどが挙げられます。

自然発火は、自己発熱（発熱反応による温度上昇）に続いて熱暴走（自己発熱が急速に高温に加速する）が起こり、最終的に着火に至るタイプの燃焼です。例えば、リンは加熱しなくても室温で自然発火します。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させることができます。^{[ 10 ]}

乱流炎を伴う燃焼は、乱流が燃料と酸化剤の混合プロセスを促進するため、産業用途（ガスタービン、ガソリンエンジンなど）で最もよく使用されています。

「微小」重力という用語は、「低い」（つまり、「微小」は「小さい」という意味であり、必ずしも地球の通常の重力の百万分の一という意味ではない）重力状態を指し、浮力が物理プロセスに及ぼす影響は、通常の重力下で発生する他の流れプロセスに比べて小さいと考えられる。このような環境では、熱および流れの輸送ダイナミクスは、通常の重力条件とはかなり異なる挙動を示す可能性がある（例えば、ろうそくの炎は球形になる。^{[ 11 ]}）。微小重力燃焼研究は、宇宙船の環境（例えば、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）の条件（例えば、燃焼を改善するための新しい燃料混合物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など）の両方に関連するさまざまな側面の理解に貢献している。

極めて小さな体積内で起こる燃焼プロセスは、マイクロ燃焼と呼ばれます。表面積対体積比が高いため、比熱損失が増加します。このような燃焼室では、消炎距離が炎の安定化に重要な役割を果たします。

一般的に、炭化水素の酸素中での化学量論的燃焼の化学反応式は次のとおりです。

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

例えば、酸素中で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行われる場合、空気中に存在する窒素（地球の大気）を式に加えることで（反応はしないものの）、空気中の燃料の化学量論的組成と、結果として生じる排ガスの組成を示すことができます。空気中の酸素以外の成分をすべて窒素として扱うと、「窒素」と酸素の比率は3.77、すなわち（100% − O）となります。₂ %) /O₂％（O₂ %は20.95%の体積比です。

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

どこ${\displaystyle z=x+{y \over 4}}$。

例えば、空気中における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。

_空気中における_CαHβOγ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様々な物質がかなりの量で出現し始める。1600 K。 過剰空気を使用すると、窒素は酸化されてNOになり、さらにごくわずかですがNOにもなります。_2．COはCO₂と_H₂の不均化反応によって生成される。₂とOHH₂Oの不均化によって生成されます。

例えば、1モル のプロパンは、28.6モル の空気（化学量論量の120%）の燃焼生成物には3.3%の酸素が含まれている。₂ .1400 Kでは 、平衡燃焼生成物には0.03%のNOと0.002%のOHが含まれている。1800 K において、燃焼生成物には0.17%のNO、0.05%のOH、0.01%のCO、および0.004%のHが含まれる。_2. ^{[ 12 ]}​

ディーゼルエンジンは、酸素が化学量論量しかない場合に生成されやすい微粒子を燃焼させるために、過剰な酸素を用いて運転され、必然的に窒素酸化物を排出します。米国と欧州連合はともに車両の窒素酸化物排出量に制限を設けており、そのためには特殊な触媒コンバーターの使用、または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）。

炭化水素が酸素と不完全（部分）燃焼すると、主にCOを含む混合ガスが生成される。₂、CO、H₂O、およびH_​2．このような混合ガスは、金属の熱処理ガス浸炭の保護雰囲気として一般的に用いられる。 ^{[ 13 ]}酸素中における炭化水素1モルの不完全燃焼の一般的な反応式は次のとおりである。

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

zが化学量論値の約50%を下回ると、CH_4は重要な燃焼生​​成物となる可能性があり、zが化学量論値の約35%を下回ると、元素状炭素が安定する可能性がある。

不完全燃焼生成物は、物質収支と燃焼生成物が平衡状態に達するという仮定を用いて計算することができる。^{[ 14 ] [ 15 ]}例えば、1モルのプロパン（C）の燃焼では₃ H₈）4モルのO_2、7モルの燃焼ガスが生成され、zは化学量論値の80%である。3つの元素バランス方程式は次のとおりである。

• 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ある。しかし、平衡状態では、水性ガスシフト反応によって別の式が得られる。

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

例えば、1200 K におけるK _eqの値は0.728 である。^{[ 16 ]}解くと、燃焼ガスは 42.4% H ₂ O、29.0% CO ₂、14.7% Hから構成される。₂、および13.9%CO。炭素は安定相になります。1200 K と zが化学量論値の30%未満の場合、1気圧の圧力で燃焼生成物は98%以上のHを含む。₂とCO、そして約0.5%のCH₄ .

燃焼する物質や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、ディーゼル油、ガソリン、木炭、石炭、木材などが挙げられます。

酸化性雰囲気中での液体燃料の燃焼は、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、ある一定の温度、すなわち引火点以上でのみ発火します。液体燃料の引火点とは、空気と可燃性混合物を形成できる最低温度のことです。つまり、空気中に燃焼を開始するのに十分な量の蒸発燃料が存在する最低温度です。

気体燃料の燃焼は、拡散火炎、予混合火炎、自己発火反応前線、または爆轟という4つの特徴的な燃焼様式のいずれかによって起こる可能性があります。^{[ 17 ]}実際に起こる燃焼様式は、加熱前に燃料と酸化剤がどの程度混合されているかによって決まります。たとえば、燃料と酸化剤が最初に分離されている場合は拡散火炎が形成され、そうでない場合は予混合火炎が形成されます。同様に、燃焼様式は圧力にも依存します。たとえば、爆轟は、強い衝撃波と結合した自己発火反応前線であり、特徴的な高圧ピークと高い爆轟速度をもたらします。^{[ 17 ]}

燃焼という行為は、比較的明確に区別できるものの、互いに重なり合う3つの段階から構成される。

• 予熱段階では、未燃焼燃料が引火点、そして燃焼点まで加熱されます。可燃性ガスは、乾留に似たプロセスで発生し始めます。
• 蒸留段階、または気相とは、発生した可燃性ガスと酸素の混合物に点火する段階のことです。このとき、熱と光の形でエネルギーが生成されます。炎がしばしば目視できます。燃焼から固体への熱伝達によって、可燃性蒸気の発生が維持されます。
• 炭化相または固体相とは、材料からの可燃性ガスの発生量が炎の持続的な存在には低すぎる場合、炭化した燃料が急速に燃焼せず、ただ光り、その後くすぶるだけになる状態を指します。

熱重量分析などを用いて、さまざまな材料の燃焼における熱分解の反応機構を解明するために、速度論的モデリングを検討することができる。^{[ 50 ]}