Yanma

Bir yakıtın yanmaya maruz kalması (yanması) sonucu oluşan alevler ⓘ

Hava kirliliği azaltma ekipmanı, endüstriyel prosesler için yanma kontrolü sağlar. ⓘ

Yanma veya yakma, bir yakıt (indirgeyici) ile bir oksidan, genellikle atmosferik oksijen arasında gerçekleşen ve duman olarak adlandırılan bir karışımda oksitlenmiş, genellikle gaz halindeki ürünler üreten yüksek sıcaklıkta ekzotermik bir redoks kimyasal reaksiyonudur. Yanma her zaman yangınla sonuçlanmaz, çünkü alev sadece yanmaya maruz kalan maddeler buharlaştığında görülebilir, ancak buharlaştığında alev reaksiyonun karakteristik bir göstergesidir. Yanmayı başlatmak için aktivasyon enerjisinin üstesinden gelinmesi gerekirken (örneğin, ateş yakmak için yanan bir kibrit kullanmak), alevden gelen ısı reaksiyonun kendi kendine devam etmesini sağlamak için yeterli enerji sağlayabilir. ⓘ

Yanma genellikle temel radikal reaksiyonların karmaşık bir dizisidir. Odun ve kömür gibi katı yakıtlar önce endotermik pirolize uğrayarak gaz yakıtlar üretir ve bunların yanması daha fazlasını üretmek için gereken ısıyı sağlar. Yanma genellikle parlayan ya da alev şeklinde akkor ışık üretecek kadar sıcaktır. Basit bir örnek, roket motorlarına yakıt sağlamak için yaygın olarak kullanılan bir reaksiyon olan hidrojen ve oksijenin su buharına dönüşmesinde görülebilir. Bu reaksiyon 242 kJ/mol ısı açığa çıkarır ve buna bağlı olarak entalpiyi azaltır (sabit sıcaklık ve basınçta):

Ayrıştırılamadı (sözdizim hatası): {\displaystyle \ce{2H_2(g){+}O_2(g)\rightarrow 2H_2O\uparrow <span title="Kaynak: İngilizce Vikipedi, Giriş bölümü" class="plainlinks">[https://en.wikipedia.org/wiki/Combustion <span style="color:#dddddd">ⓘ</span>]</span>}}

Havada katalizlenmemiş yanma nispeten yüksek sıcaklıklar gerektirir. Tam yanma, yakıtla ilgili olarak stokiyometriktir, burada kalan yakıt ve ideal olarak artık oksidan yoktur. Termodinamik olarak, havadaki yanmanın kimyasal dengesi ezici bir çoğunlukla ürünlerin tarafındadır. Bununla birlikte, kimyasal dengeye mutlaka ulaşılamayacağı veya karbon monoksit, hidrojen ve hatta karbon (kurum veya kül) gibi yanmamış ürünler içerebileceği için tam yanma elde etmek neredeyse imkansızdır. Bu nedenle, üretilen duman genellikle toksiktir ve yanmamış veya kısmen oksitlenmiş ürünler içerir. Yüzde 78'i azot olan atmosferik havada yüksek sıcaklıklarda gerçekleşen herhangi bir yanma, azotun yanması termodinamik olarak düşük sıcaklıklarda değil yüksek sıcaklıklarda tercih edildiğinden, genellikle NOx olarak adlandırılan az miktarda çeşitli azot oksitleri de oluşturacaktır. Yanma nadiren temiz olduğundan, yakıt gazının temizlenmesi veya katalitik konvertörler kanunen gerekli olabilir. ⓘ

Yangınlar doğal olarak, yıldırım çarpması veya volkanik ürünler tarafından tutuşturularak meydana gelir. Yanma (ateş), kamp ateşleri ve şenlik ateşleri şeklinde insanlar tarafından keşfedilen ilk kontrollü kimyasal reaksiyondur ve insanlık için enerji üretmenin ana yöntemi olmaya devam etmektedir. Yakıt genellikle karbon, hidrokarbonlar veya kısmen oksitlenmiş hidrokarbonlar içeren odun gibi daha karmaşık karışımlardır. Kömür veya petrol gibi fosil yakıtların ya da yakacak odun gibi yenilenebilir yakıtların yakılmasıyla elde edilen termal enerji, yemek pişirme, elektrik üretimi veya endüstriyel ya da evsel ısıtma gibi çeşitli kullanımlar için hasat edilir. Yanma aynı zamanda şu anda roketlere güç sağlamak için kullanılan tek reaksiyondur. Yanma, hem tehlikeli olmayan hem de tehlikeli atıkları yok etmek (yakmak) için de kullanılır. ⓘ

Yanma için oksidanlar yüksek oksidasyon potansiyeline sahiptir ve atmosferik veya saf oksijen, klor, flor, klor triflorür, nitröz oksit ve nitrik asit içerir. Örneğin, hidrojen klor içinde yanarak hidrojen klorür oluşturur ve yanmanın karakteristik özelliği olan ısı ve ışık açığa çıkar. Genellikle katalize edilmemesine rağmen, yanma, temas işleminde olduğu gibi platin veya vanadyum ile katalize edilebilir. ⓘ

Kuru ot alevi ⓘ

Türleri

Eksiksiz ve tamamlanmamış

Tamamlandı

Bir hidrokarbon olan metanın yanması. ⓘ

Tam yanmada, reaktan oksijen içinde yanar ve sınırlı sayıda ürün üretir. Bir hidrokarbon oksijen içinde yandığında, reaksiyon öncelikle karbondioksit ve su verecektir. Elementler yandığında, ürünler öncelikle en yaygın oksitlerdir. Karbon karbondioksit, sülfür sülfür dioksit ve demir demir(III) oksit verir. Oksijen oksidan olduğunda azot yanıcı bir madde olarak kabul edilmez. Yine de, çeşitli azot oksitlerin küçük miktarları (genellikle NO
x türleri) hava oksidatif olduğunda oluşur. ⓘ

Yanma, maksimum oksidasyon derecesi için mutlaka elverişli değildir ve sıcaklığa bağlı olabilir. Örneğin, sülfür trioksit, sülfürün yanması ile niceliksel olarak üretilmez. NOx türleri yaklaşık 2.800 °F (1.540 °C) üzerinde önemli miktarlarda ortaya çıkar ve daha yüksek sıcaklıklarda daha fazla üretilir. NOx miktarı aynı zamanda oksijen fazlalığının bir fonksiyonudur. ⓘ

Çoğu endüstriyel uygulamada ve yangınlarda, hava oksijen kaynağıdır (O
₂). Havada her bir mol oksijen yaklaşık 3,71 mol nitrojen ile karışır. Azot yanmada yer almaz, ancak yüksek sıcaklıklarda bir miktar azot NO
_x (çoğunlukla NO, çok daha az miktarda NO
₂). Öte yandan, yakıtın tamamen yanması için yeterli oksijen olmadığında, yakıt karbonunun bir kısmı karbon monoksite dönüşür ve hidrojenlerin bir kısmı reaksiyona girmeden kalır. Bu nedenle, bir hidrokarbonun havada yanması için tam bir denklem seti, yakıttaki karbon ve hidrojen arasındaki oksijen dağılımı için ek bir hesaplama gerektirir. ⓘ

Tam yanmanın gerçekleşmesi için gereken hava miktarı saf hava olarak bilinir. Ancak pratikte kullanılan hava, saf havanın 2-3 katıdır. ⓘ

Eksik yanma

Yakıtın karbondioksit ve su üretmek için tamamen reaksiyona girmesine izin verecek yeterli oksijen olmadığında eksik yanma meydana gelecektir. Ayrıca yanma katı bir yüzey veya alev kapanı gibi bir ısı emici tarafından söndürüldüğünde de gerçekleşir. Tam yanmada olduğu gibi, eksik yanmada da su üretilir; ancak karbondioksit yerine karbon, karbon monoksit ve hidroksit üretilir. ⓘ

Dizel yağı, kömür veya odun gibi çoğu yakıt için piroliz yanmadan önce gerçekleşir. Tamamlanmamış yanmada piroliz ürünleri yanmadan kalır ve dumanı zararlı partikül madde ve gazlarla kirletir. Kısmen oksitlenmiş bileşikler de endişe vericidir; etanolün kısmi oksidasyonu zararlı asetaldehit üretebilir ve karbon toksik karbon monoksit üretebilir. ⓘ

Brülörler ve içten yanmalı motorlar gibi yanma cihazlarının tasarımları yanma kalitesini artırabilir. Katalitik yanma sonrası cihazlar (katalitik konvertörler gibi) veya egzoz gazlarının yanma sürecine basit bir şekilde kısmi geri dönüşü ile daha fazla iyileştirme sağlanabilir. Bu tür cihazlar çoğu ülkede otomobiller için çevre mevzuatı tarafından zorunlu tutulmaktadır. Termik santraller gibi büyük yakma cihazlarının yasal emisyon standartlarına ulaşmasını sağlamak için gerekli olabilirler. ⓘ

Yanma derecesi test ekipmanı ile ölçülebilir ve analiz edilebilir. HVAC müteahhitleri, itfaiyeciler ve mühendisler, yanma işlemi sırasında bir brülörün verimliliğini test etmek için yanma analizörleri kullanırlar. Ayrıca, bir içten yanmalı motorun verimliliği de bu şekilde ölçülebilir ve bazı ABD eyaletleri ve yerel belediyeler bugün yollardaki araçların verimliliğini tanımlamak ve derecelendirmek için yanma analizini kullanmaktadır. ⓘ

Eksik yanma karbon monoksit üretir

Karbon monoksit, eksik yanma sonucu ortaya çıkan ürünlerden biridir. Normal eksik yanma reaksiyonunda karbon açığa çıkarak kurum ve toz oluşturur. Karbon monoksit zehirli bir gaz olduğu için tam yanma tercih edilir, çünkü karbon monoksit oksijenin yerini alıp hemoglobinle birleştiği için solunduğunda solunum sorunlarına da yol açabilir. ⓘ

Eksik yanma ile ilgili sorunlar

Çevresel sorunlar:

Bu oksitler atmosferde su ve oksijenle birleşerek nitrik asit ve sülfürik asitler oluşturur ve bunlar Dünya yüzeyine asit birikimi veya "asit yağmuru" olarak geri döner. Asit birikimi suda yaşayan organizmalara zarar verir ve ağaçları öldürür. Kalsiyum ve fosfor gibi bitkiler için daha az kullanılabilir olan bazı besin maddelerini oluşturması nedeniyle ekosistemin ve çiftliklerin verimliliğini azaltır. Azot oksitlerle ilgili bir diğer sorun da hidrokarbon kirleticilerle birlikte dumanın önemli bir bileşeni olan yer seviyesi ozonunun oluşumuna katkıda bulunmalarıdır. ⓘ

İnsan sağlığı sorunları:

Karbon monoksit solumak baş ağrısı, baş dönmesi, kusma ve mide bulantısına neden olur. Karbon monoksit seviyeleri yeterince yüksekse, insanlar bilinçsiz hale gelir veya ölür. Uzun süre orta ve yüksek düzeyde karbon monoksite maruz kalmak kalp hastalığı riski ile pozitif ilişkilidir. Şiddetli karbon monoksit zehirlenmesinden kurtulan kişiler uzun vadeli sağlık sorunları yaşayabilir. Havadaki karbon monoksit akciğerlerde emilir ve daha sonra insanın kırmızı kan hücrelerindeki hemoglobin ile bağlanır. Bu da kırmızı kan hücrelerinin vücutta oksijen taşıma kapasitesini azaltır. ⓘ

Yanma

İçin için yanma, oksijen doğrudan yoğun fazlı bir yakıtın yüzeyine saldırdığında ortaya çıkan ısı ile sürdürülen yavaş, düşük sıcaklıklı, alevsiz yanma şeklidir. Tipik olarak tamamlanmamış bir yanma reaksiyonudur. İçten içe yanma reaksiyonunu sürdürebilen katı maddeler arasında kömür, selüloz, odun, pamuk, tütün, turba, tüf, humus, sentetik köpükler, kömürleşen polimerler (poliüretan köpük dahil) ve toz bulunur. İçten içe yanma olaylarının yaygın örnekleri, döşemeli mobilyalarda zayıf ısı kaynakları (örneğin sigara, kısa devre yapmış bir tel) tarafından konut yangınlarının başlatılması ve orman yangınlarının alevli cephelerinin arkasında biyokütlenin kalıcı yanmasıdır. ⓘ

Hızlı

Etanolün yanması sırasında açığa çıkan büyük miktarda enerjiyi gösteren bir deney. Küçük boyunlu büyük bir plastik şişe içindeki alkol (bu durumda etanol) buharı ve hava karışımı tutuşturulduğunda büyük mavi bir alev ve 'vınlama' sesi ortaya çıkar. ⓘ

Hızlı yanma, yangın olarak da bilinen, büyük miktarlarda ısı ve ışık enerjisinin açığa çıktığı ve genellikle alevle sonuçlanan bir yanma şeklidir. Bu, içten yanmalı motorlar gibi bir tür makinede ve termobarik silahlarda kullanılır. Böyle bir yanma sıklıkla Hızlı yanma olarak adlandırılır, ancak içten yanmalı bir motor için bu doğru değildir. Bir içten yanmalı motor nominal olarak kontrollü hızlı yanma ile çalışır. Bir içten yanmalı motordaki yakıt-hava karışımı patladığında, bu patlama olarak bilinir. ⓘ

Kendiliğinden

Kendiliğinden yanma, kendiliğinden ısınma (ekzotermik iç reaksiyonlar nedeniyle sıcaklık artışı), ardından termal kaçak (hızla yüksek sıcaklıklara çıkan kendiliğinden ısınma) ve son olarak tutuşma ile meydana gelen bir yanma türüdür. Örneğin fosfor, ısı uygulanmadan oda sıcaklığında kendiliğinden tutuşur. Bakteriyel kompostlama sürecinden geçen organik malzemeler yanma noktasına ulaşacak kadar ısı üretebilir. ⓘ

Türbülanslı

Türbülanslı bir alevle sonuçlanan yanma, endüstriyel uygulamalarda (örn. gaz türbinleri, benzinli motorlar, vb.) en çok kullanılan yöntemdir çünkü türbülans, yakıt ve oksitleyici arasındaki karıştırma işlemine yardımcı olur. ⓘ

Mikro yerçekimi

Mikro yerçekiminde yanan arkadan aydınlatmalı bir yakıt damlacığının videosundaki ayrı karelerin renklendirilmiş gri ölçekli kompozit görüntüsü. ⓘ

'Mikro' yerçekimi terimi, 'düşük' (yani, 'küçük' anlamında 'mikro' ve Dünya'nın normal yerçekiminin milyonda biri olması gerekmeyen) bir yerçekimi durumunu ifade eder, öyle ki kaldırma kuvvetinin fiziksel süreçler üzerindeki etkisi, normal yerçekiminde mevcut olabilecek diğer akış süreçlerine göre küçük kabul edilebilir. Böyle bir ortamda, termal ve akış taşıma dinamikleri normal yerçekimi koşullarından oldukça farklı davranabilir (örneğin, bir mumun alevi küre şeklini alır). Mikro yerçekimli yanma araştırmaları, hem bir uzay aracının ortamıyla (örneğin, Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki mürettebatın güvenliğiyle ilgili yangın dinamikleri) hem de karasal (Dünya tabanlı) koşullarla (örneğin, daha iyi yanma için yeni yakıt karışımlarının geliştirilmesine yardımcı olacak damlacık yanma dinamikleri, malzeme üretim süreçleri, elektronik sistemlerin termal yönetimi, çok fazlı akış kaynama dinamikleri ve diğerleri) ilgili çok çeşitli yönlerin anlaşılmasına katkıda bulunur. ⓘ

Mikro yanma

Çok küçük hacimlerde gerçekleşen yanma süreçleri mikro yanma olarak kabul edilir. Yüksek yüzey/hacim oranı özgül ısı kaybını artırır. Söndürme mesafesi, bu tür yanma odalarında alevin stabilize edilmesinde hayati bir rol oynar. ⓘ

Kimyasal denklemler

Bir hidrokarbonun oksijen içinde stokiyometrik yanması

Genel olarak, bir hidrokarbonun oksijen içinde stokiyometrik yanması için kimyasal denklem şöyledir:

${\ce {C_{\mathit {x}}H_{\mathit {y}}{}+{\mathit {z}}O2->{\mathit {x}}CO2{}+{\frac {\mathit {y}}{2}}H2O}}$

nerede $z=x+{\frac {y}{4}}$. ⓘ

Örneğin, propanın oksijen içinde stokiyometrik yanması şöyledir:

Ayrıştırılamadı (sözdizim hatası): {\displaystyle \ce{\underset{propan\atop (yakıt)}{C3H8} + \underset{oksijen}{5O2} -> \underset{karbon\dioksit}{3CO2} + \underset{su}{4H2O} <span title="Kaynak: İngilizce Vikipedi, Bölüm &quot;Stoichiometric combustion of a hydrocarbon in oxygen&quot;" class="plainlinks">[https://en.wikipedia.org/wiki/Combustion#Stoichiometric_combustion_of_a_hydrocarbon_in_oxygen <span style="color:#dddddd">ⓘ</span>]</span>}}

Bir hidrokarbonun havada stokiyometrik yanması

Stokiyometrik yanma oksijen kaynağı olarak hava kullanılarak gerçekleşiyorsa, havadaki yakıtın stokiyometrik bileşimini ve ortaya çıkan baca gazının bileşimini göstermek için havada (Dünya Atmosferi) bulunan nitrojen denkleme eklenebilir (reaksiyona girmemesine rağmen). Havadaki tüm oksijen olmayan bileşenlerin nitrojen olarak ele alınmasının 3,77'lik bir 'nitrojen' / oksijen oranı verdiğini unutmayın, yani (%100 - % O2) / % O2, burada % O2 % 20,95 hacimdir:

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

nerede $z=x+{\frac {1}{4}}y$. ⓘ

Örneğin, propanın stokiyometrik yanması (${\ce {C3H8}}$) havadaki oranıdır:

${\ce {{\underset {fuel}{C3H8}}+{\underset {oxygen}{5O2}}}}+{\underset {\ce {nitrogen}}{18.87{\ce {N2}}}}{\ce {->{\underset {carbon\ dioxide}{3CO2}}+{\underset {water}{4H2O}}}}+{\underset {\ce {nitrogen}}{18.87{\ce {N2}}}}$ ⓘ

Propan'ın havadaki stokiyometrik bileşimi 1 / (1 + 5 + 18,87) = %4,02 hacimdir. ⓘ

Havadaki C_αH_βO_γ için stokiyometrik yanma reaksiyonu:

${C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)\left(O_{2}+3.77N_{2}\right)\longrightarrow \alpha CO_{2}+{\frac {\beta }{2}}H_{2}O+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)N_{2}$ ⓘ

C_αH_βO_γS_δ için stokiyometrik yanma reaksiyonu:

${C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}S_{\mathit {\delta }}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\delta \right)\left(O_{2}+3.77N_{2}\right)\longrightarrow \alpha CO_{2}+{\frac {\beta }{2}}H_{2}O+\delta SO_{2}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\delta \right)N_{2}$ ⓘ

C_αH_βO_γN_δS_ε için stokiyometrik yanma reaksiyonu:

${C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}N_{\mathit {\delta }}S_{\mathit {\epsilon }}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\epsilon \right)\left(O_{2}+3.77N_{2}\right)\longrightarrow \alpha CO_{2}+{\frac {\beta }{2}}H_{2}O+\epsilon SO_{2}+\left(3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\epsilon \right)+{\frac {\delta }{2}}\right)N_{2}$ ⓘ

C_αH_βO_γF_δ için stokiyometrik yanma reaksiyonu:

${C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}F_{\mathit {\delta }}}+\left(\alpha +{\frac {\beta -\delta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)\left(O_{2}+3.77N_{2}\right)\longrightarrow \alpha CO_{2}+{\frac {\beta -\delta }{2}}H_{2}O+\delta HF+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta -\delta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)N_{2}$ ⓘ

Eser yanma ürünleri

Alev sıcaklığı yaklaşık 1600 K'nin üzerine çıktığında, yanma ürünlerinde önemli miktarlarda başka maddeler de ortaya çıkmaya başlar. Fazla hava kullanıldığında, azot NO'ya ve çok daha az oranda NO
₂. CO, CO₂'nin orantısızlaşması ile oluşur ve H
₂ ve OH, H₂O'nun orantısızlaşması ile oluşur. ⓘ

Örneğin, 1 mol propan 28,6 mol hava ile yakıldığında (stokiyometrik miktarın %120'si), yanma ürünleri %3,3 O
₂. 1400 K'de denge yanma ürünleri %0,03 NO ve %0,002 OH içerir. 1800 K'de, yanma ürünleri %0,17 NO, %0,05 OH, %0,01 CO ve %0,004 H içerir.
₂. ⓘ

Dizel motorlar, sadece stokiyometrik miktarda oksijenle oluşma eğiliminde olan küçük parçacıkları yakmak için fazla oksijenle çalıştırılır ve zorunlu olarak nitrojen oksit emisyonları üretir. Hem Amerika Birleşik Devletleri hem de Avrupa Birliği, özel katalitik konvertörlerin kullanılmasını veya egzozun üre ile işlenmesini gerektiren araç nitrojen oksit emisyonlarına sınırlamalar getirmektedir (bkz. Dizel egzoz sıvısı). ⓘ

Bir hidrokarbonun oksijen içinde eksik yanması

Bir hidrokarbonun oksijen ile tam olmayan (kısmi) yanması, esas olarak CO içeren bir gaz karışımı üretir
₂, CO, H₂O ve H
₂. Bu tür gaz karıĢımları genellikle metallerin ısıl iĢleminde ve gaz karbonlama iĢleminde koruyucu atmosfer olarak kullanılmak üzere hazırlanır. Bir mol hidrokarbonun oksijen içinde tam olmayan yanması için genel reaksiyon denklemi şöyledir:

Ayrıştırılamadı (sözdizim hatası): {\displaystyle \ce{\underset{yakıt}{C_\mathit{x} H_\mathit{y}} + \underset{oksijen}{\mathit{z} O2} -> \underset{karbon \ dioksit}{\mathit{a}CO2} + \underset{karbon\monoksit}{\mathit{b}CO} + \underset{water}{\mathit{c}H2O} + \underset{hydrogen}{\mathit{d}H2} <span title="Kaynak: İngilizce Vikipedi, Bölüm &quot;Incomplete combustion of a hydrocarbon in oxygen&quot;" class="plainlinks">[https://en.wikipedia.org/wiki/Combustion#Incomplete_combustion_of_a_hydrocarbon_in_oxygen <span style="color:#dddddd">ⓘ</span>]</span>}}

z stokiyometrik değerin yaklaşık %50'sinin altına düştüğünde, CH
₄ önemli bir yanma ürünü haline gelebilir; z stokiyometrik değerin yaklaşık %35'inin altına düştüğünde, elemental karbon kararlı hale gelebilir. ⓘ

Eksik yanma ürünleri, yanma ürünlerinin dengeye ulaştığı varsayımıyla birlikte bir malzeme dengesi yardımıyla hesaplanabilir. Örneğin, bir mol propanın yanmasında (C
₃H
₈) ile dört mol O
₂, yedi mol yanma gazı oluşur ve z stokiyometrik değerin %80'idir. Üç element denge denklemi şunlardır:

• Karbon: $a+b=3$
• Hidrojen: $2c+2d=8$
• Oksijen: $2a+b+c=8$ ⓘ

Bu üç denklem yanma gazı bileşimini hesaplamak için tek başına yeterli değildir. Ancak, denge konumunda, su-gaz kayması reaksiyonu başka bir denklem verir:

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

Örneğin, 1200 K'de K_eq değeri 0,728'dir. Çözüldüğünde, yanma gazı %42,4 H₂O, %29,0 CO₂, %14,7 H
₂ ve %13,9 CO içerir. Karbon, z stokiyometrik değerin %30'undan az olduğunda 1200 K ve 1 atm basınçta kararlı bir faz haline gelir ve bu noktada yanma ürünleri %98'den fazla H
₂ ve CO ve yaklaşık %0,5 CH
₄. ⓘ

Yanmaya maruz kalan maddeler veya materyaller yakıt olarak adlandırılır. En yaygın örnekler doğal gaz, propan, gazyağı, dizel, benzin, odun kömürü, kömür, odun vb. ⓘ

Sıvı yakıtlar

Oksitleyici bir atmosferde sıvı bir yakıtın yanması aslında gaz fazında gerçekleşir. Yanan sıvı değil buhardır. Bu nedenle, bir sıvı normalde yalnızca belirli bir sıcaklığın üzerinde alev alır: parlama noktası. Sıvı bir yakıtın parlama noktası, hava ile tutuşabilir bir karışım oluşturabileceği en düşük sıcaklıktır. Yanmayı başlatmak için havada yeterince buharlaşmış yakıtın bulunduğu minimum sıcaklıktır. ⓘ

Gaz yakıtlar

Gaz yakıtların yanması dört farklı yanma türünden biriyle gerçekleĢebilir: difüzyon alevi, önceden karıĢtırılmıĢ alev, kendiliğinden tutuĢan reaksiyon cephesi veya patlama. Gerçekte meydana gelen yanma türü, yakıt ve oksitleyicinin ısıtma öncesinde ne derece karıĢtırıldığına bağlıdır: örneğin, yakıt ve oksitleyici baĢlangıçta ayrılırsa difüzyon alevi oluĢurken, aksi takdirde ön karıĢım alevi oluĢur. Benzer şekilde, yanma türü de basınca bağlıdır: örneğin bir patlama, karakteristik yüksek basınç zirvesini ve yüksek patlama hızını veren güçlü bir şok dalgasıyla birleşmiş bir otoignitif reaksiyon cephesidir. ⓘ

Katı yakıtlar

Polimer yanmasının genel bir şeması ⓘ

Yanma eylemi nispeten farklı ancak birbiriyle örtüşen üç aşamadan oluşur:

• Ön ısıtma aşaması, yanmamış yakıtın parlama noktasına ve ardından ateşlenme noktasına kadar ısıtıldığı aşamadır. Yanıcı gazlar kuru damıtmaya benzer bir süreçte ortaya çıkmaya başlar.
• Damıtma fazı veya gaz fazı, evrimleşen yanıcı gazların oksijenle karışımı tutuşturulduğunda. Isı ve ışık şeklinde enerji üretilir. Alevler genellikle görülebilir. Yanmadan katıya ısı transferi yanıcı buharların oluşumunu sürdürür.
• Kömür fazı veya katı faz, malzemeden çıkan yanıcı gazların alevin kalıcı varlığı için çok düşük olduğu ve kömürleşmiş yakıtın hızla yanmadığı ve sadece parladığı ve daha sonra sadece küflendiği zaman. ⓘ

Yanma yönetimi

Verimli proses ısıtması, bir yakıtın yanma ısısının mümkün olan en büyük kısmının işlenen malzemeye geri kazanılmasını gerektirir. Bir ısıtma prosesinin işletilmesinde birçok kayıp yolu vardır. Tipik olarak baskın kayıp, atık gaz (yani baca gazı) ile çıkan hissedilebilir ısıdır. Atık gazın sıcaklığı ve miktarı ısı içeriğini (entalpi) gösterir, bu nedenle miktarını düşük tutmak ısı kaybını en aza indirir. ⓘ

Mükemmel bir fırında, yanma havası akışı yakıt akışıyla eşleştirilerek her bir yakıt molekülüne tam yanma için gereken oksijen miktarı sağlanır. Ancak gerçek dünyada yanma mükemmel bir şekilde gerçekleşmez. Yanmamış yakıt (genellikle CO ve H
₂) sistemden atılan oksijen ısıtma değeri kaybına (ve aynı zamanda güvenlik tehlikesine) neden olur. Atık gazda yanıcı maddeler istenmediğinden, reaksiyona girmemiş oksijenin varlığı minimum güvenlik ve çevresel endişe yaratırken, yanma yönetiminin ilk prensibi tüm yakıtın yanmasını sağlamak için teorik olarak gerekenden daha fazla oksijen sağlamaktır. Metan için (CH
₄) yanma, örneğin, iki molekülden biraz daha fazla oksijen gereklidir. ⓘ

Ancak yanma yönetiminin ikinci ilkesi çok fazla oksijen kullanmamaktır. Doğru oksijen miktarı üç tür ölçüm gerektirir: birincisi, hava ve yakıt akışının aktif kontrolü; ikincisi, gaz dışı oksijen ölçümü; ve üçüncüsü, gaz dışı yanıcı maddelerin ölçümü. Her ısıtma prosesi için, kabul edilebilir seviyelerde yanıcı madde konsantrasyonu ile minimum gaz dışı ısı kaybının olduğu optimum bir koşul vardır. Fazla oksijenin en aza indirilmesi ek bir fayda sağlar: belirli bir atık gaz sıcaklığı için, fazla oksijen en düşük seviyede tutulduğunda NOx seviyesi en düşüktür. ⓘ

Bu iki ilkeye bağlılık, yanma prosesinde malzeme ve ısı dengelerinin yapılmasıyla daha da ileri götürülür. Malzeme dengesi doğrudan hava/yakıt oranı ile O
₂ yanma gazında. Isı dengesi, şarj için mevcut ısıyı yakıtın yanmasıyla üretilen toplam net ısıyla ilişkilendirir. Yanma havasının ön ısıtılmasından veya oksijen bakımından zenginleştirilmesinden kaynaklanan termal avantajı ölçmek için ek malzeme ve ısı dengeleri yapılabilir. ⓘ

Reaksiyon mekanizması

Oksijende yanma, birçok farklı radikal ara ürünün katıldığı zincirleme bir reaksiyondur. Başlatma için gereken yüksek enerji, dioksijen molekülünün alışılmadık yapısı ile açıklanmaktadır. Dioksijen molekülünün en düşük enerjili konfigürasyonu, triplet spin durumunda kararlı, nispeten reaktif olmayan bir diradikaldir. Bağlanma, molekülün sıfır olmayan toplam açısal momentuma sahip olacağı şekilde spinleri hizalanmış üç bağ elektron çifti ve iki anti-bağ elektron ile tanımlanabilir. Öte yandan çoğu yakıt, eşleştirilmiş spinlere ve sıfır toplam açısal momentuma sahip singlet durumdadır. İkisi arasındaki etkileşim kuantum mekaniksel olarak "yasak geçiş "tir, yani çok düşük bir olasılıkla mümkündür. Yanmayı başlatmak için, dioksijeni spin-eşli bir duruma veya singlet oksijene zorlamak için enerji gereklidir. Bu ara madde son derece reaktiftir. Enerji ısı olarak sağlanır ve reaksiyon daha sonra devam etmesini sağlayan ek ısı üretir. ⓘ

Hidrokarbonların yanmasının, bir hidroperoksit radikali (HOO) vermek için yakıttan oksijene hidrojen atomu soyutlaması (proton soyutlaması değil) ile başlatıldığı düşünülmektedir. Bu, hidroksil radikalleri vermek üzere parçalanan hidroperoksitler vermek için daha fazla reaksiyona girer. Yakıt radikalleri ve oksitleyici radikaller üreten bu süreçlerin büyük bir çeşitliliği vardır. Oksitleyici türler arasında singlet oksijen, hidroksil, monatomik oksijen ve hidroperoksil bulunur. Bu tür ara ürünler kısa ömürlüdür ve izole edilemezler. Bununla birlikte, radikal olmayan ara ürünler kararlıdır ve eksik yanmada üretilir. Etanolün yanmasında üretilen asetaldehit buna bir örnektir. Karbon ve hidrokarbonların yanmasındaki bir ara ürün olan karbon monoksit, zehirli bir gaz olduğu için özel bir öneme sahiptir, ancak aynı zamanda sentez gazı üretimi için ekonomik olarak yararlıdır. ⓘ

Katı ve ağır sıvı yakıtlar da daha kolay oksitlenen gaz yakıtlar veren çok sayıda piroliz reaksiyonuna uğrar. Bu reaksiyonlar endotermiktir ve devam eden yanma reaksiyonlarından sürekli enerji girişi gerektirir. Oksijen eksikliği veya diğer uygunsuz tasarlanmış koşullar, bu zararlı ve kanserojen piroliz ürünlerinin kalın, siyah duman olarak yayılmasına neden olur. ⓘ

Yanma hızı, belirli bir süre boyunca yanmaya maruz kalan bir malzemenin miktarıdır. Saniyede gram (g/s) veya saniyede kilogram (kg/s) olarak ifade edilebilir. ⓘ

Kimyasal kinetik perspektifinden yanma süreçlerinin ayrıntılı açıklamaları, büyük ve karmaşık temel reaksiyon ağlarının formüle edilmesini gerektirir. Örneğin, hidrokarbon yakıtların yanması tipik olarak binlerce reaksiyona göre reaksiyona giren yüzlerce kimyasal türü içerir. ⓘ

Bu tür mekanizmaların hesaplamalı akış çözücülerine dahil edilmesi, temel olarak iki açıdan hala oldukça zorlu bir görevi temsil etmektedir. Birincisi, serbestlik derecesi sayısı (kimyasal türlerin sayısıyla orantılı olarak) önemli ölçüde büyük olabilir; ikincisi, reaksiyonlardan kaynaklanan kaynak terimi, tüm dinamik sistemi katı hale getiren farklı sayıda zaman ölçeği sunar. Sonuç olarak, ağır yakıtlarla türbülanslı reaktif akışların doğrudan sayısal simülasyonu, modern süper bilgisayarlar için bile kısa sürede zorlayıcı hale gelmektedir. ⓘ

Bu nedenle, yüksek detay seviyesine başvurmadan yanma mekanizmalarının karmaşıklığını azaltmak için çok sayıda metodoloji geliştirilmiştir. Bunlara örnek olarak şunlar verilebilir:

• Rahatlama Yeniden Dağıtım Yöntemi (RRM)
• İçsel Düşük Boyutlu Manifold (ILDM) yaklaşımı ve daha ileri gelişmeler
• Değişmez kısıtlı denge kenar ön görüntü eğrisi yöntemi.
• Birkaç varyasyonel yaklaşım
• Hesaplamalı Tekil pertürbasyon (CSP) yöntemi ve daha ileri gelişmeler.
• Hız Kontrollü Kısıtlı Denge (RCCE) ve Yarı Denge Manifoldu (QEM) yaklaşımı.
• G-Şeması.
• Değişmez Izgaralar Yöntemi (MIG). ⓘ

Kinetik modelleme

Kinetik modelleme, örneğin Termogravimetrik analiz kullanılarak farklı malzemelerin yanmasında termal ayrışmanın reaksiyon mekanizmaları hakkında bilgi edinmek için araştırılabilir. ⓘ

Sıcaklık

Antoine Lavoisier, güçlendirilmiş güneş ışığı tarafından oluşturulan yanma ile ilgili bir deney yapıyor. ⓘ

Adyabatik koşullar altında tam yanma (yani ısı kaybı veya kazancı olmadan) gibi mükemmel yanma koşulları varsayıldığında, adyabatik yanma sıcaklığı belirlenebilir. Bu sıcaklığı veren formül termodinamiğin birinci yasasına dayanır ve yanma ısısının tamamen yakıtı, yanma havasını veya oksijeni ve yanma ürünü gazları (genellikle baca gazı olarak adlandırılır) ısıtmak için kullanıldığı gerçeğini dikkate alır. ⓘ

Havada yakılan fosil yakıtlar söz konusu olduğunda, yanma sıcaklığı aşağıdakilerin tümüne bağlıdır:

• ısıtma değeri;
• stokiyometrik hava/yakıt oranı ${\lambda }$;
• yakıt ve havanın özgül ısı kapasitesi;
• hava ve yakıt giriş sıcaklıkları. ⓘ

Adyabatik yanma sıcaklığı (adyabatik alev sıcaklığı olarak da bilinir) daha yüksek ısıtma değerleri, giriş havası ve yakıt sıcaklıkları ve bire yaklaşan stokiyometrik hava oranları için artar. ⓘ

En yaygın olarak, kömürler için adyabatik yanma sıcaklıkları 2.200 °C (3.992 °F) civarındadır (ortam sıcaklıklarında giriş havası ve yakıt için ve $\lambda =1.0$), petrol için yaklaşık 2.150 °C (3.902 °F) ve doğal gaz için 2.000 °C (3.632 °F). ⓘ

Endüstriyel ateşlemeli ısıtıcılarda, güç istasyonu buhar jeneratörlerinde ve büyük gaz yakıtlı türbinlerde, stokiyometrik yanma havasından daha fazlasının kullanımını ifade etmenin daha yaygın yolu yüzde fazla yanma havasıdır. Örneğin, yüzde 15'lik fazla yanma havası, gerekli stokiyometrik havadan yüzde 15 daha fazla kullanıldığı anlamına gelir. ⓘ

Kararsızlıklar

Yanma dengesizlikleri tipik olarak bir yanma odasındaki şiddetli basınç salınımlarıdır. Bu basınç salınımları 180 dB kadar yüksek olabilir ve bu döngüsel basınç ve termal yüklere uzun süre maruz kalmak motor bileşenlerinin ömrünü kısaltır. Saturn V programında kullanılan F1 gibi roketlerde, kararsızlıklar yanma odası ve çevresindeki bileşenlerde büyük hasara yol açmıştır. Bu sorun yakıt enjektörünün yeniden tasarlanmasıyla çözülmüştür. Sıvı jet motorlarında, damlacık boyutu ve dağılımı kararsızlıkları azaltmak için kullanılabilir. Yanma dengesizlikleri, NOx emisyonları nedeniyle yer tabanlı gaz türbini motorlarında büyük bir endişe kaynağıdır. Eğilim, yanma sıcaklığını düşürmek ve böylece NOx emisyonlarını azaltmak için 1'den daha düşük bir eşdeğerlik oranı olan yağsız çalıştırmaktır; ancak yanmayı yağsız çalıştırmak onu yanma kararsızlığına karşı çok hassas hale getirir. ⓘ

Rayleigh Kriteri termoakustik yanma kararsızlığının analizi için temel oluşturur ve bir kararsızlık döngüsü boyunca Rayleigh İndeksi kullanılarak değerlendirilir ⓘ

$G(x)={\frac {1}{T}}\int _{T}q'(x,t)p'(x,t)dt$ ⓘ

Burada q' ısı salınım hızı pertürbasyonu ve p' basınç dalgalanmasıdır. Isı salınımı salınımları basınç salınımları ile aynı fazda olduğunda Rayleigh İndeksi pozitif olur ve termoakustik kararsızlığın büyüklüğü maksimize edilir. Öte yandan, Rayleigh İndeksi negatifse, termoakustik sönümleme meydana gelir. Rayleigh Kriteri, ısı salınım salınımlarının aynı frekanstaki basınç salınımlarıyla 180 derece faz dışı olmasıyla termoakustik kararsızlığın en iyi şekilde kontrol edilebileceğini ima eder. Bu, Rayleigh İndeksini en aza indirir. ⓘ

Örnekler

• CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O + enerji
• C₂H₆ + 7/2 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O + enerji
• C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + enerji
• C₂H₅OH + 3 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O + enerji
• 4 Fe + 3 O₂ → 2 Fe₂O₃ (demirin paslanması) ⓘ