Spalanie

Spalanie – reakcja chemiczna przebiegająca między materiałem palnym lub paliwem a utleniaczem, z wydzieleniem ciepła i światła. Paliwa i utleniacze mogą występować w trzech stanach skupienia: gazowym, ciekłym i stałym. Powszechnie dostępnym utleniaczem gazowym jest tlen zawarty w powietrzu. Utleniacze ciekłe i stałe są stosowane w silnikach rakietowych.
Często terminem tym określa się też procesy utleniania zachodzące w organizmach żywych (oddychanie komórkowe), mimo że nie towarzyszy temu żaden efekt świetlny.
 
Są trzy typy zapoczątkowania reakcji spalania:
·         zapłon – punktowy bodziec energetyczny (np. zapałka, iskra itp.)
·         samozapłon – ciągły bodziec energetyczny (np. strumień ciepła elementów grzejnych)
·         samozapalenie – proces samorzutnego zapoczątkowania reakcji spalania przy pomocy przemian zachodzących w samym materiale na drodze fizycznej i chemicznej.
 
Zależnie od zastosowanego materiału palnego wyróżnia się spalanie :
·         homogeniczne – charakterystyczne dla mieszanin gazów palnych, par cieczy z powietrzem.
·         heterogeniczne – dotyczy spalania ciał stałych, charakterystyczne jest żarzenie na powierzchni zetknięcia się ciała stałego z tlenem, przykładem jest spalanie węgla drzewnego, sadzy, niektórych metali.
·         homogeniczno-heterogeniczne – najczęściej występujące spalanie przejściowe, przykładem surowca jest węgiel kamienny.
 
W zależności od sposobu wymieszania paliwa z powietrzem wyróżnia się:
·         spalanie dyfuzyjne – występuje przy braku wstępnego wymieszania paliwa z powietrzem, tak spalają się ciała stałe, ciecze swobodnie parujące, czyste gazy na końcu palnika. Spalanie dyfuzyjne jest stosunkowo łatwo przerwać.
·         spalanie kinetyczne – spalanie homogenicznej mieszaniny paliwa (gazu lub par) z powietrzem, lub w przypadku pseudohomogenicznej mieszaniny np. pyłu ciała stałego lub mgły w powietrzu. Przerwanie spalania kinetycznego jest trudniejsze.
 
Podział procesów spalania
·         Wyróżnia się dwa rodzaje spalania: płomieniowe i bezpłomieniowe.

Spalanie płomieniowe (homogeniczne) ma miejsce podczas spalania substancji, które podczas ogrzewania przechodzą w stan lotny. Tak spala się większość materiałów palnych. Czynnikami warunkującymi wystąpienie spalania płomieniowego, jako reakcji ciągłej są: paliwo w odpowiedniej ilości, źródło ciepła o odpowiedniej energii i temperaturze, odpowiednie stężenie substancji lotnej w stosunku do tlenu oraz dostępie tlenu do strefy
spalania, czyli cienkiej zewnętrznej warstwy płomienia.

Spalaniem bezpłomieniowe (heterogeniczne) ma miejsce w przypadku takich substancji, które w czasie palenia nie prze­chodzą w stan lotny – w czasie spalania nie występuje płomień. Tak spalają się („żarzą się”) węgiel drzewny czy torf.
 
Palenie się ciał stałych, ciekłych i gazowych
 
·         Spalanie ciał stałych poprzedzone musi być nagrzaniem do temperatury charakterystycznej dla każdego materiału, w której ilość wydzielanych z ich masy palnych produktów gazowych stworzy w powietrzu stężenie umożliwiające zapalenie od bodźca energetycznego np. płomienia). Temperaturę taką nazywa się temperaturą zapalenia. Spalanie ciała stałego następuje na jego powierzchni, a następnie obejmuje dalsze warstwy w głąb materiału.
Spalanie cieczy zachodzi przy intensywności parowania zapewniającej właściwe dla danej substancji stężenie par w powietrzu nad jej powierzchnią. Temperaturę, w której intensywność parowania osiąga graniczną wartość, umożliwiającą zapalenie się cieczy od bodźca energetycznego w postaci iskry, nazywa się temperaturą zapłonu. Spalanie cieczy przebiega bezpośrednio nad jej powierzchnią.
Spalanie gazów zachodzi w obecności tlenu zawartego w powietrzu. Do zapalenia gazu potrzebna jest odpowiednia ilość gazu w stosunku do powietrza (tlenu) i energia cieplna wywołująca proces spalania.
 
Zjawiska towarzyszące spalaniu
 
Zjawiskami tymi są: płomień, dym, ciepło oraz produkty spalania. Wpływają one na rozwój niepożądanego w przypadku pożaru procesu oraz utrudniają warunki prowadzenia działań ratowniczo–gaśniczych. Intensywność tych zjawisk zależy m. in. od szybkości spalania materiału, a szybkość z kolei od rodzaju spalanego materiału. Różnice w szybkości mogą być uzależnione od wytworzonej temperatury pożaru lub zachodzącej w środowisku spalania wymiany...gazowej. 
 
Piroliza (inaczej: destylacja rozkładowa) - proces rozkładu termicznego substancji prowadzony poprzez poddawanie ich działaniu wysokiej temperatury, ale bez kontaktu z tlenem i innymi czynnikami utleniającymi. Zwykle w trakcie pirolizy bardziej złożone związki chemiczne wchodzące ulegają rozkładowi do prostszych związków o mniejszej masie cząsteczkowej, jednak część z nich ulegając rekombinacji tworzy jeszcze bardziej złożone struktury, a w efekcie sadzę.
 
Półspalanie - proces spalania węgla lub związków organicznych w warunkach niedoboru tlenu, z wytworzeniem tlenku węgla i wody.
Przykładowa reakcja półspalania metanu:

2CH4 + 3O2 → 2CO + 4H2O

Spalanie całkowite ma miejsce, gdy cała masa spalanej substancji ulegnie utlenieniu. Występuje ono wtedy, gdy nie tylko nie ma dymu czy palnych substancji w popiele, ale i nie ulatnia się część paliwa w postaci pary. Spalanie całkowite zachodzi w wyniku reakcji tlenu z substancją, gdy ilość tlenu jest nie mniejsza niż wynikająca ze stechiometrii.
Przykładowa reakcja spalania całkowitego etylenu:

C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O

Spalanie niecałkowite ma miejsce, gdy niecała masa spalanej substancji ulegnie utlenieniu. Występuje ono wtedy, gdy część substancji spalanej nie utleni się, lecz pozostanie w postaci sadzy, dymu, czy popiołu. Zdarza się to przy niedostatecznym dostępie tlenu do spalanej substancji. Alkiny w powietrzu spalają się zawsze niecałkowicie np. acetylen:
2C2H2 + O2 → 4C + 2H2O
 
 
 
Spalanie zupełne to spalanie, którego produktem jest najtrwalszy z możliwych do uzyskania w danej reakcji związek chemiczny.
Np.: C + O2 → CO2                              2H2 + O2 → 2H2O
O tym czy spalanie będzie zupełne czy niezupełne decyduje m.in. współczynnik nadmiaru powietrza.