燃焼

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燃焼による炎

燃焼(ねんしょう、英語:combustion)とは、発熱を伴う激しい物質化学反応のこと。発光現象を伴うことも多い。ただし、一般的には可燃物質と酸素化合の内、発熱と発光を伴うものを指す(ろうそくの燃焼、木炭の燃焼、マグネシウムの燃焼などがこれである)。また、生体内で起こる緩やかな酸化反応(ブドウ糖が酸化されて二酸化炭素になる反応など)も燃焼と呼ぶことがある。

特に気体の燃焼現象はまたは火炎と呼ばれる。は燃焼現象(特に発光を伴う場合)を指す一般的な名称である。燃焼には炎を有する有炎燃焼と有しない無炎燃焼(燻焼)があり、後者の例に線香の火がある。

爆燃爆轟爆発を伴う燃焼のことであり、反応速度が音速以下の場合が爆燃、反応速度が音速を超え衝撃波を伴う場合が爆轟(detonation)と定義される。TNTの爆轟波は約8,000m/sである。爆発の際の爆轟波の衝撃に耐え切れずに建築物が破壊され、生物の肉体強度を遥かに上回るゆえに、事故が発生する。

燃焼の3要素[編集]

燃焼に必要な要素として、次の3要素が挙げられる[1]

  1. 可燃性物質
  2. 酸素
  3. 温度(火源)

これらに「燃焼の連鎖反応」を加え、燃焼の4要素とする場合もある[2]

燃焼の3T[編集]

完全燃焼の要素として、次の3つの「T」が挙げられる[3]

  1. 燃焼温度(Temperature)
  2. 滞留時間(Time)
  3. 空気との混合状態(Turbulance)

燃焼の種類[編集]

気体燃焼[編集]

  • 拡散燃焼 - 燃料と酸化剤が別々に供給される燃焼。
  • 予混合燃焼 - 燃料と酸化剤が予め混合される燃焼。

液体燃焼[編集]

  • 蒸発燃焼 - 液面から燃料が蒸発して燃焼すること。
  • 灯芯燃焼 - 芯を用いて燃料を吸い上げて燃焼する。

固体燃料[編集]

  • 分解燃焼 - 物が加熱によって可燃性ガス、または酸素を発生し燃焼すること。
  • 蒸発燃焼
  • 表面燃焼
  • イブリ燃焼 - 燻り燃焼。通気が悪い、酸素が薄いなどの原因があり、不完全燃焼する。酸素が供給されれば一気に燃え上がる(バックドラフト)。
  • 触媒燃焼 - 白金(プラチナ)等を触媒とした燃焼。

燃焼機器[編集]

  • バーナー - 気体液体粉体を空気などと混合して燃焼させる機器。
  • 火格子燃焼 - 格子の上に固体の固定層を作り燃焼させる。
  • ストーカー燃焼(移動火格子): 固体を移動する火格子の上で燃焼させる。
  • 流動床燃焼 - 空気などで流動させた高温のケイ砂などに固体を接触させ燃焼させる。

反応機構[編集]

燃焼の化学反応機構は100以上の素反応を経るためかなり複雑である。各素反応は、開始反応、連鎖分岐反応、置換反応、停止反応の4つに分類される。

水素ガスの場合[編集]

水素ガス(H2)の燃焼が最も単純なため(理由は、反応には水素と酸素の2種類の元素のみが関わるため)、先ず水素の燃焼機構について記す。

開始反応
  • H2 + M → H + H + M (水素分子の開裂)
  • O2 + M → O + O + M (酸素分子の開裂)

このうち、結合エネルギーから、水素分子の開裂のほうが起こりやすい。

連鎖分岐反応ラジカルの数が増える反応で、開始反応以外のもの)
  • O2 + H → OH + O
  • H2 + O → OH + H
  • O2 + OH → HO2 + O
置換反応(ラジカルの個数は変わらず、種類が変わるもの)
  • H2 + OH → H2O + H
  • H2 + HO2 → H2O + OH
停止反応(ラジカルの数が減少するもの)
  • H + OH + M → H2O + M
  • H + H + M → H2 + M
  • O + O + M → O2 + M

高校までの化学の授業では、水素ガスが燃焼する反応は、単に

  • 2H2 + O2 → 2H2O

と習うのであるが、これは反応前と反応後の物質収支を述べたに過ぎず、実際には上記のように複雑な過程を経て最終的には停止反応により反応が終息する。

また、燃焼がいったん開始すると継続して行われ、悪条件により暴走すると爆発爆燃または爆轟)に至るのは、ラジカルが急速(等比級数的に)に増加する連鎖分岐反応を経るからである。 [4]

脚注[編集]

  1. ^ 化学工学会SCE・Net、2011年『熱とエネルギーを科学する』東京電機大学、ISBN 9784501419004、47ページ目。
  2. ^ 能美防災 解説ページ
  3. ^ Miyoshi, Y.、2000年「Selection guide of incinerator on medical organizations」『臨床病理』2000年5月、補冊112、53~63ページ、PMID: 10901046
  4. ^ 燃焼の化学反応機構を研究する分野では、慣習上例えば水素ラジカル2個を表現する場合、"2H"とは書かず、"H + H"のように表記する。また、Mはここでは任意の化学種である(エネルギーだけを与えたり、持ち去ったりするもの。反応の前後で化学変化をしない)。

関連項目[編集]

外部リンク[編集]