Что такое горение?

Реакция горения проста 2H₂ + O₂ = 2H₂O. Но это только с виду. В это время выделяется свет, тепло, излучение, звук и т.д.

Горение, это экзотермическая реакция (выделяющая тепло), т.е. процесс соединения газов с кислородом, в результате которого выделяются другие вещества: углекислый газ, вода, скипидар, а также тепло и свет. Процесс этот называется окисление.

Окисление по скорости бывает разное: медленное — это ржавчина на металле. Среднее – это горение. Быстрое – это взрыв.

Для запуска химической реакции горения нужно извлечь газ из топлива, а для этого его нужно разогреть. Например, бензин и бумагу нужно нагреть до 220 С°, дерево до 250-300 С°, а каменный уголь до 600 С°. Именно по этой причине некоторые вещества трудно зажечь – трудно их нагреть до нужной температуры.

Кстати, большинство металлов горючи (кроме золота и платины), только горят они в чистом кислороде и при большой температуре. Например, сталь горит при температуре 1350 С°.

Процесс горения

Древесина, как органическое вещество, содержит в себе преимущественно углерод (С) и водород (Н). Для их воспламенения требуется кислород (О).

Соединяя водород (Н₂) и кислород (О) мы получаем воду – Н₂O конденсат. Водородное топливо с точки зрения экологии самое чистое, т.к. отходом горения является вода.
Соединяя углерод (С) и кислород (О) мы получаем либо безвредную углекислоту СO₂, которая содержится в газировке, либо угарный газ СO, который загрязняет атмосферу и в определенных дозировках смертелен для человека.
Кстати, именно на уменьшение выбросов угарного газа в атмосферу направлено Парижское соглашение 2015 года, от которого в 2018 году отказался президент США Дональд Трамп.
Более того, во многих странах Европе по протоколу DIN EN 303-5-2012 вам не позволят использовать печи, которые по выбросам превышают норм СО₂, впрочем, как и автомобили без катализатора.
Не стоит думать, что в горении твердого топлива участвуют только водород и кислород. Во первых, этапы горения идут последовательно, во вторых, в топливе содержится множество химических веществ, и каждое горит в своё время и со своей спецификой.

Образования угарного газа

Формулы углекислоты CO₂ и угарного газа СО похожи, но разница большая.
Для горения с образованием углекислоты СО₂ требуется много кислорода (О), а если кислорода не хватает, то образуется угарный газ СО. Более того, при горении с недостатком кислорода (О), выделяется меньше энергии.
С + 2О = СО₂ + 8137 калорий.
С + О = СО + 2428 калорий.
Аналогичные процессы происходят и в нашем организме при преобразовании углеводов (С₆Н₁₂0₆) в энергию. При недостатке кислорода (О), анаэробном дыхании, у спринтеров, выделяется в 2 раза меньше энергии, чем при аэробном дыхании у марафонцев.
Помимо того, что горение с недостатком кислорода снижает КПД топлива, так еще и остальные компоненты топлива не успевают сгорать. Они оседают на стенках дымохода в виде сажи и улетают в трубу. Темный дым из трубы в большинстве случаев как раз и говорит нам о том, что в топке не хватает воздуха и выделяется угарный газ (СО). Также при таком режиме горения печь или котел требуется чистить чаще, вдобавок сажа может воспламениться и привести к пожару.
Попытки растянуть время горения топлива путем ограничения подачи воздуха загрязняют атмосферу, котел и не позволяют извлечь из топлива большинство энергии. Поэтому лучше сжигать топливо сразу, а излишки тепла передавать, например, при водяном отоплении, в резервную емкость, которая потом тепло будет передавать теплоносителю. Либо сжигать маленькие порции топлива, например, в пеллетном котле с автозагрузкой.
Не забудьте и про то, что угарный газ может попасть в помещение и привести к отравлению или смерти его обитателей.
Существуют модели твердотопливных котлов, в которых подачу воздуха может регулировать автоматика. Это удобно, когда вы хотите ночью поддерживать тепло и при этом не просыпаться для закладки топлива, но это не должно приводить к тлению и образованию угарного газа (СО), по описанным выше причинам.
Есть тонкость с угарным газом: в основном на планете он появляется от сжигания угля, нефти (бензина) и газа. До момента сжигания угарный газ находился в твердом или жидком состоянии, и не загрязнял атмосферу, а после сжигания стал. Биотопливо, такое как пеллеты или брикеты, сделаны из дерева, дерево поглотили углерод (С) из атмосферы, при сжигании выделили обратно, т.е. в атмосфере его не стало больше. Поэтому биотопливо считается экологичным, при условии его правильно сжигания.

Пламя

Как видно из рисунка, температура на конце пламени может достичь 1400 С°. Этого достаточно для нагрева топлива и воспламенения выделившихся из него газов.
В пункте 1 температура самая низкая, т.к. в ней мало кислорода (О), но много газов. Цвет пламени голубой или бесцветный, т.к. в этот момент из-за нагрева идет пиролиз, т.е. выделение газа. По краям кислорода становится больше и окрас пламени усиливается.
В пункте 2, центре, кислорода все еще недостаточно, но газов много. Яркий цвет, это сгоревший углерод (С) и другие частицы.
В пункте 3 горючие вещества практически полностью смешались с кислородом и температура пламени наиболее высокая. Цвет не такой яркий, т.к. твердые частички уже сгорели.

Желтый и красный цвет пламени получается из-за наличия в нем твердых частиц. Когда их нет, пламя синее или голубое, как в газовой плите. А вот если пламя горит зеленым и другими странными цветами, это означает, что в топливе есть примеси, возможно, вредные.
Горение происходит не только в видимой области, но и в невидимом инфракрасном диапазоне. Мы думаем, что это жар от огня, а это инфракрасные волны. Их можно увидеть с помощью инфракрасного сканера (термографии).

Тление, копчение и пиролиз

Тление при недостатке кислорода, с точки зрения эффективности горения и выделения продуктов распада, наиболее неудачный процесс. Выделяется угарный газ, это раз. Выделяется бензпирен, вещество первого класса опасности, это два. А также сажа, скипидар, кислоты, канцерогенные смолы и токсичные вещества. Однозначно, это вредно. В больших городах именно этим и дышат, а воздух в провинции чистый из-за отсутствий этих примесей.
При копчении продуктов горение топлива не применяется, а идет его распад методом пиролиза, т.е. выделением энергии путем нагрева без участи кислорода. При таком методе обработки пищи большинство вредных элементов в неё и переходит.

Сажа

Сажа (копоть, деготь) это частицы, состоящие преимущественно из углерода. При наличии температуры и кислорода они сгорают. Если этого нет, то они слипаются в крупные кусочки, и осаживаются на стенках печки и трубы, но могут и в трубу улететь.
Мало того, что это требует очистки печи, может воспламениться, так еще и снижает её КПД, т.к. образуется слой, который препятствует поглощению тепла стенками печи.
К вопросу о недостаточной изученности процесса горения: в 1996 году дали Нобелевскую премию Роберту Кёрлу за открытие в саже фуллеренов.

Образование конденсата

Как мы уже знаем, при реакции горении водорода (Н) с кислородом (О), помимо выделения энергии, образуется вода Н₂О. Также вода, как правило, содержится и в самом топливе, т.к. твердого топлива с влажность 0% практически не существует. В случае с котлом или печью, полученная вода находится в газообразном состоянии. Когда этот пар поднимается по дымоходу, а дымоход холодный, происходит охлаждение пара и преобразование его в воду. Вследствие чего, на стенках трубы появляется пленка конденсата и стекает вниз.
Тоже происходит и в жилом помещении, когда в воздухе помещения много влаги, за окном холодно, и окна запотевают, или в ванной комнате.
Накопления конденсата в дымоходе можно избежать его нагревом, снизить принудительной вентиляцией.
Кстати, образование сажи на стенках дымохода отчасти идет по схожему принципу. Не сгоревший углерод охлаждается на стенках дымохода и накапливается на них.

Зола

Из чего состоит зола? Когда дерево растет, оно формируется за счет фотосинтеза, т.е. преобразования солнечной энергии и углекислого газа (СО) в углерод (С). Из которого и состоит на 50%. Также дерево потребляет влагу. А из почвы забирает азот (Т), фосфор (Р), калий (К) и другие микроэлементы – вот это и есть зола. Наибольшее содержание будущей золы в коре (7%) и листьях (3%), а в древесине её до 2%. Кстати, чем старше дерево, тем меньше в нем золы. Поэтому в премиальных пеллетах и брикетах после сгорания золы остается меньше 1%. Также часть этих элементов разрушается во время горения и улетает в трубу.
На образование золы в топке тратится энергия, соответственно чем больше золы, тем меньше тепла ушло по назначению.
Зола хорошее удобрение, т.к. элементы, которое забрало растение из почвы возвращаются обратно.
Зола может спекаться в шлак. Для каменного угля это нормальное явление. А вот для дров, премиальных пеллетов и брикетов нет, т.к. означает, что при их производстве были применены добавки. Для пеллетов из шелухи, соломы и других отходов наличие золы является нормальным показателем.