Spalania jest reakcja egzotermiczna z utleniania-redukcji . Gdy spalanie jest ożywione, dochodzi do powstania płomienia lub wybuchu ( deflagracji , a nawet detonacji, jeśli front płomienia przekroczy prędkość dźwięku). Spalanie biomasy i paliw jest głównym źródłem zanieczyszczenia powietrza , w szczególności o działaniu rakotwórczym , reprotoksycznym i sercowo - naczyniowym .
Przed 1980 r. uważano, że reakcja chemiczna spalania może zachodzić tylko wtedy, gdy połączy się trzy elementy: paliwo , utleniacz , i energię aktywacji w wystarczających ilościach. Dlatego zwykliśmy mówić o „ trójkącie ognia ”.
Od lat 80. odkryto, że jednym z zasadniczych etapów reakcji chemicznej jest wytwarzanie wolnych rodników ; ten krok jest konieczny, aby spalanie było podtrzymane i można było mówić o ogniu . To jest powód, dla którego mówimy od “ czworościanu ognia ”.
Zniknięcie jednego z czterech elementów wystarczy, aby zatrzymać spalanie.
Paliwo może być:
Te pięć rodzajów paliwa odpowiada odpowiednio pięciu głównym klasom pożarów A, B, C, D i F.
Utleniaczem jest drugi reagent w reakcji chemicznej. Przez większość czasu jest to powietrze otaczające , a dokładniej jeden z jego głównych składników, tlen . Przez pozbawienie ogień z powietrza , jest ugaszony; Na przykład, jeśli umieścić świecę tealight oświetlone w słoiku dżemu i zamknąć słoik, płomień gaśnie; odwrotnie, jeśli nadmuchamy ogień na drewno, to go aktywuje (dostarczamy więcej powietrza). W niektórych palnikach dodawany jest czysty tlen, który poprawia spalanie i podnosi temperaturę płomienia.
W niektórych bardzo specyficznych przypadkach (często wybuchowych, jak w przypadku aluminium), utleniacz i paliwo są jednym i tym samym ciałem; na przykład słynna nitrogliceryna , niestabilna cząsteczka zawierająca część utleniającą zaszczepioną na części redukującej.
Reakcja jest wyzwalana przez energię aktywującą , zwykle ciepło lub płomień. Na przykład, to jest ogrzewanie tarcia dla meczu, doładowaniem kabel elektryczny, który podgrzewa izolacji lub inny płomień (ogień rozprzestrzenia) iskrę (z gazem lżejsze , z zapalniczki krzemień), albo , że spowodowane przez elektryczną maszyna, która uruchamia się lub zatrzymuje).
Istnieją jednak inne sposoby dostarczania energii aktywacji: łuk elektryczny, promieniowanie, wzrost temperatury poprzez sprężanie powietrza, np. w silniku Diesla .
Istnieją jednak przypadki, w których czynnikiem wyzwalającym spalanie nie jest energia aktywacji. Na przykład wybuch dymu to bardzo gwałtowne spalanie niespalonych gazów obecnych w dymie (patrz spalanie niepełne ) spowodowane nagłym dopływem powietrza, a tym samym utleniacza. Przedział czasu, w którym mieszanina powietrze/gaz może się palić, jest ograniczony granicami wybuchowości . Przedział ten może wahać się od kilku procent ( nafta ) do kilkudziesięciu procent ( acetylen ).
Wytwarzanie ciepła przez spalanie umożliwia w większości przypadków samopodtrzymanie reakcji, a nawet nasilenie się do reakcji łańcuchowej (np. w przypadku pożaru lasu ).
Spalać się mogą tylko materiały w postaci gazowej (ponieważ dają możliwość bardzo dobrego mieszania się z utleniaczem, co nie ma miejsca w przypadku cieczy lub ciał stałych, gdzie główny utleniacz, tlen, nie może przeniknąć do wnętrza substancji gazowej), co Dlatego też wystarczającą ilość energii powinna być dostarczana do palnego produktu (zarówno w postaci stałej lub ciekłej), tak, że zaczyna parować lub rozkładają się odparowywalne i palnych elementów (takich jak terpeny w iglastych poprzez pomocą destylacji i rozkładu termicznego ). Osiągnięty w tym przypadku próg temperatury nazywany jest temperaturą zapłonu . Niektóre produkty mają temperaturę zapłonu znacznie poniżej temperatury otoczenia, co czyni je substancjami bardzo łatwopalnymi, ponieważ niewielka energia aktywacji wystarcza do zainicjowania spalania (prosta iskra…).
Zapałka wrzucona do zbiornika oleju napędowego w temperaturze pokojowej nie przyniesie efektu, ponieważ jej temperatura zapłonu wynosi średnio 68 °C , średnio zgodnie z przepisami instalacji klasyfikowanych i transportu materiałów niebezpiecznych płomień zostanie przed nią zatopiony w oleju napędowym był w stanie przekazać wystarczającą ilość ciepła, aby wystarczająco odparować. Odwrotnie, zapałka wrzucona do pojemnika z benzyną o temperaturze zapłonu około -40 ° C wystarczy do zapalenia oparów już obecnych w postaci gazu na powierzchni cieczy. Przy tej okazji zauważymy, że:
Kiedy spalanie wytwarza wystarczającą ilość energii, aby się utrzymać, temperatura wzrosła powyżej temperatury zapłonu .
Reakcji chemicznej jest rekombinacja cząsteczek. Przechodzi przez etap pośredni, podczas którego cząsteczki są „zdestrukturyzowane”, ale jeszcze nie zrekombinowane; nazywają się one rodnikami i są bardzo reaktywne. W przypadku spalania rodniki powstają w wyniku rozpadu wiązań chemicznych pod wpływem energii cieplnej i będą mogły oddziaływać na cząsteczki produktu (uwalniając inne rodniki) i faktycznie generować reakcję łańcuchową, która zachodzi. kontynuować dopóki spełnione są dwa warunki: obecność paliwa i utleniacza.
Aby zatrzymać reakcję spalania, jeden z czterech elementów czworościanu ognia musi zostać usunięty:
usuwanie paliwa zamykanie zaworu lub kurka podającego palenisko, usuwanie materiałów palnych w pobliżu ognia, ujście do odprowadzania dymu (zawierającego niespalony materiał) itp. ; usuwanie utleniacza (uduszenie) użycie wygaszacza do dwutlenku węgla , koca, skrapianie wodą paliwa stałego (utworzona para wodna napędza powietrze) itp. ; tłumienie energii aktywacji (chłodzenie) zraszanie wodą w przypadku wstępnie zmieszanej atmosfery (mieszanina gazu lub cząstek palnych i gazu utleniającego), kratka ciepłochłonna ( lampa górnicza "Davy" ), wylot do odprowadzenia dymu (który jest gorący) itp. Woda może pełnić dwie różne role:Odkrycie spalania tlenem można przypisać francuskiemu chemikowi Lavoisier w 1775 roku , ponieważ powszechnie uważa się że Joseph Priestley , który po raz pierwszy wyizolował (nieczysty) tlen w 1774 roku, nie odkrył jednak rola utleniacza tlenu . Rzeczywiście, o ile opierała się na teorii flogistonu , uniemożliwiało to pojmowanie roli tlenu w spalaniu.
Według filozofa nauki Thomasa Samuela Kuhna odkrycie spalania przez tlen stanowi poważną rewolucję naukową w historii nauki. Stanowiło to zmianę paradygmatu , zastępując stary paradygmat flogistonu.
Spalanie przez tlen cząsteczkowy był XIX p wieku , a w XX p wieku , wielu zastosowań przemysłowych (zob Zastosowanie poniżej). Jednak w epoce przemysłowej doprowadziło to do masowej emisji dwutlenku węgla , który jest gazem cieplarnianym, który w dużej mierze przyczynia się do zjawisk zmiany klimatu .
Szybkie spalanie to forma spalania, w której uwalniane są duże ilości ciepła i energii w postaci światła, powodując pożar. Jest stosowany w niektórych maszynach, takich jak silniki spalinowe lub broń termobaryczna .
Powolne spalanie to reakcja zachodząca w niskich temperaturach.
Podczas całkowitego spalania odczynnik będzie reagował z utleniaczem aż do powstania produktów, których nie można już utleniać, tj. produkty te nie mogą już reagować z utleniaczem: produkty osiągnęły stopień stabilności , którego reakcja spalania nie może zmienić. W przypadku węglowodoru reagującego z tlenem produktami spalania są dwutlenek węgla i woda. Dla każdego pierwiastka istnieje stabilny produkt spalania, więc całkowite spalanie zapewnia te same produkty reakcji niezależnie od reagentów.
Całkowite spalanie zapewnia maksymalną ilość energii dostępnej z substancji, a energia ta jest określana jako wartość opałowa .
Spalanie turbulentne to spalanie charakteryzujące się przepływami ciepła. Jest często stosowany w przemyśle (np. turbiny gazowe i silniki o zapłonie iskrowym ), ponieważ ciepło ułatwia operację mieszania między paliwem a utleniaczem .
Niecałkowite spalanie ma miejsce, gdy ilość utleniacza jest niewystarczająca, aby umożliwić całkowitą reakcję paliwa lub gdy czas kontaktu w temperaturze umożliwiającej spalanie jest zbyt krótki. Wytwarza pozostałości spalania w postaci popiołu, z którego wydzielają się opary : niektóre związki, takie jak tlenek węgla (gaz śmiertelny), cząstki czystego węgla ( sadza , smoła , popiół ), tlenki azotu (NO x), węglowodory (np. rakotwórczy benzen ) są bardzo toksyczne dla ludzi i środowiska lub wysoce toksyczne, takie jak WWA lub lotne związki organiczne (LZO).
Reakcja spalania jest zwykle niepełna. Tylko kontrola warunków umożliwia uzyskanie całkowitego spalania, na przykład poprzez dostarczenie nadmiaru tlenu w wysokiej temperaturze. W przypadku niecałkowitego spalania możliwe jest oczyszczanie spalin w celu zmniejszenia emisji niespalonych, podobnie jak rury wydechowe i filtry cząstek stałych silników samochodowych. Obecność katalizatorów zapewnia następnie drugie spalanie w niższej temperaturze. Opracowywane są również filtry cząstek stałych do urządzeń do spalania drewna , przy czym paliwo stałe jest szczególnie narażone na ryzyko niepełnego spalania.
Spalanie to reakcja chemiczna, w której złożone cząsteczki są rozkładane na mniejsze, bardziej stabilne cząsteczki poprzez przegrupowanie wiązań między atomami. Chemia spalania jest głównym składnikiem chemii wysokotemperaturowej, która obejmuje głównie reakcje rodnikowe . Możliwe jest jednak potraktowanie spalania poprzez pojedynczą reakcję globalną.
Przykład: CO 4 + 2O 2→ CO 2+ 2 H 2 O.Dwutlenek węgla CO 2i woda H 2 O są bardziej stabilne niż tlen i metan.
Spalanie to reakcja redoks , w tym przypadku utlenianie paliwa przez utleniacz :
Jak w przypadku wszystkich reakcji chemicznych, katalizator ułatwia spalanie, a ponieważ ten ostatni często ma wysoką energię aktywacji , zastosowanie katalizatora umożliwia pracę w niższej temperaturze. Pozwala to na całkowite spalanie jak w przypadku katalizatorów, które dzięki obecności metali katalitycznych spalają pozostałości spalin w temperaturze niższej niż panująca w silniku.
W przypadku paliw stałych energia aktywacji umożliwi odparowanie lub pirolizę paliwa. Wytworzone w ten sposób gazy mieszają się z utleniaczem i tworzą palną mieszankę. Jeżeli energia wytworzona przez spalanie jest większa lub równa wymaganej energii aktywacji, reakcja spalania jest samowystarczalna.
Ilość energii wytworzonej przez spalanie wyrażana jest w dżulach (J); to jest entalpia reakcji . W obszarach zastosowań (piece, palniki, silniki spalinowe, gaszenie pożarów) często używane jest pojęcie wartości opałowej , która jest entalpią reakcji na jednostkę masy paliwa lub energią uzyskaną ze spalenia kilograma paliwa , ogólnie wyrażany w kilodżulach na kilogram (oznaczony jako kJ / kg lub kJ kg -1 ).
Spalanie węglowodorów uwalnia wodę w postaci pary. Ta para wodna zawiera dużą ilość energii. Ten parametr jest zatem brany pod uwagę specjalnie do oceny wartości opałowej; definiujemy :
ciepła spalania (PCS) „Ilość energii uwolnionej w wyniku całkowitego spalania jednostki paliwowej, przy założeniu, że para wodna jest skondensowana, a ciepło odzyskane” ; niższą wartość opałową (PCI) „Ilość ciepła uwolniona w wyniku całkowitego spalania jednostki paliwowej, przy założeniu, że para wodna nie ulega kondensacji i ciepło nie jest odzyskiwane” .Różnica między PCI i PCS jest ciepło utajone na odparowanie wody ( L v ), która jest równa około 2250 K J kg -1 (wartość w zależności od ciśnienia i temperatury), pomnożony przez masę wytwarzanej pary ( m ).
Mamy zależność: PCS = PCI + m · L v .
W przypadku płomienia premiksu spalanie charakteryzuje się prędkością czoła płomienia :
Utlenianie metali jest generalnie powolne. Uwalniane ciepło jest zatem niskie i jest powoli odprowadzane do środowiska; Jest to obszar, na korozję (na przykład rdzewieniem z żelaza i stali ).
Jednak w niektórych przypadkach utlenianie jest gwałtowne i dlatego stanowi spalanie. Istnieje pięć godnych uwagi przypadków:
Spalanie jest szeroko stosowane w spalinowych silnikach , do napędu pojazdów ( samochody , ciężarówki , śmigłowe samoloty , motocykle , łodzie , itp ), a także do narzędzi mobilnych (kosiarki, piły łańcuchowe, itd. ) Oraz do instalacji stałych (generatory , pompy itp . ).
W sektorze krajowym spalanie służy głównie do:
Niektóre urządzenia wykorzystują również silnik spalinowy: kosiarka, piła łańcuchowa itp.
Spalanie można zastąpić instalacjami elektrycznymi: kuchenka elektryczna, elektryczny podgrzewacz wody, żarówka, silniki elektryczne itp.
Historycznie, pożar domowy jest bardzo silnym symbolem; termin „ palenisko ” oznacza zarówno miejsce ogniska, jak i miejsce zamieszkania rodziny.
Spalanie jest stosowane w elektrowniach cieplnych wykorzystujących paliwa kopalne ( węgiel , gaz ziemny , ropa naftowa ), paliwa odnawialne (odpady rolnicze lub leśne oraz biomasę, jeśli są eksploatowane w sposób zrównoważony) lub różne rodzaje odpadów (na przykład w spalarniach odpadów z gospodarstw domowych), ciepło, które wytwarza energię elektryczną za pomocą turboalternatorów .
W naturze metale występują na ogół w postaci rud . Niektóre rudy można zredukować , to znaczy przekształcić w metal , w reakcji z gazem powstałym w wyniku spalania; to jest dziedzina pirometalurgii . Najbardziej znanym przykładem jest redukcja rudy żelaza tlenkiem węgla w wielkich piecach, a następnie w wielkich piecach . Dotyczy to również produkcji niklu, miedzi, cynku, tytanu i cyrkonu, nawet jeśli istnieją inne drogi produkcji.
Spalanie może być również stosowane do podgrzewania metalu w celu jego lepszego odkształcenia ( walcowanie , kucie ) lub do jego topienia ( odlewnia , spawanie palnikiem, lutowanie twarde , cięcie płomieniowe ). Oprócz cięcia płomieniowego energia elektryczna może być wykorzystywana jako alternatywa dla spalania.
Produkcja cementu wymaga dużej ilości energii do podniesienia mieszanki, która wytworzy klinkier do ponad 1450 °C , energię tę zapewnia spalanie szerokiej gamy paliw (gaz, olej opałowy) i odpadów (zużyte oleje, rozdrobnione opony, mączka zwierzęca , woda z oczyszczalni ścieków ).
Spalanie jest stosowane w dziedzinie astronautyki do zasilania napędu na statek kosmiczny . Odpowiednie terminy w języku angielskim to spalanie i spalanie .
W zależności od rodzaju spalania zastosowanego w paliwie mówimy o: