Καύση

Παραδείγματα τέλειας και ατελούς καύσης

Σε μια τέλεια καύση το καύσιμο που καίγεται σε οξυγόνο παράγει έναν περιορισμένο αριθμό προϊόντων. Όταν ένας υδρογονάνθρακας καίγεται με οξυγόνο, τα προϊόντα που παράγονται είναι μόνο διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμοί. Όταν καίγονται χημικά στοιχεία, τα προϊόντα τους είναι κυρίως τα πιο συνηθισμένα τους οξείδια. Όταν καίγεται άνθρακας παράγεται μόνο διοξείδιο του άνθρακα. Όταν καίγεται το άζωτο παράγεται διοξείδιο του αζώτου (NO₂). Όταν καίγεται θείο παράγεται τριοξείδιο του θείου (SO₃). Τέλος, όταν καίγεται σίδηρος παράγεται τριοξείδιο του σιδήρου (Fe₂O₃).
Η συνήθης καύση δεν ευνοεί απαραίτητα την παραγωγή προϊόντων με το μέγιστο δυνατό αριθμό οξείδωσης των χημικών στοιχείων (σε στοιχειακή μορφή ή στη μορφή ενώσεών τους) που παίρνουν μέρος σε αυτήν (την καύση). Το αποτέλεσμα μπορεί να εξαρτάται π.χ. από τη θερμοκρασία που πραγματοποιείται η καύση. Για παράδειγμα, το τριοξείδιο του θείου δεν παράγεται συνήθως ποσοτικά (δηλαδή 100%) όταν καίγεται θείο. Τα οξείδια του αζώτου αρχίζουν να παράγονται (κατά την καύση αζωτούχων ενώσεων ή σε περίπτωση καύσης παρουσία αζώτου) σε θερμοκρασίες πάνω από 1.540°C και πάνω από ένα είδος οξειδίων του αζώτου παράγονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Κάτω από αυτήν τη θερμοκρασία (δηλαδή κάτω από 1.540°C) παράγεται (ή παραμένει αν ήδη υπήρχε) ευνοϊκά στοιχειακό άζωτο. Το αποτέλεσμα της καύσης εξαρτάται επίσης από τη συγκέντρωση του οξυγόνου.
Στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές φωτιάς, η πηγή του οξειδωτικού είναι ο ατμοσφαιρικός αέρας. Σύμφωνα με τη μέση σύσταση του ατμοσφαιρικού αέρα, για κάθε γραμμομόριο (mole) οξυγόνου συνυπάρχουν ακριβώς 3,76 γραμμομόρια αζώτου. Το άζωτο δεν παίρνει μέρος στην καύση, αλλά ιδιαίτερα σε υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 1.540°C), μια ποσότητα αζώτου μετατρέπεται σε NOₓ (ο τύπος αυτός εκπροσωπεί όλα τα οξείδια του αζώτου). Συνήθως το ποσοστό σχηματισμού NOₓ είναι μεταξύ 2 ppm και 1%. Επιπλέον, όταν έχουμε ατελή καύση, μέρος του άνθρακα (αν μετέχει ανθρακούχα ουσία στην καύση) μετατρέπεται σε μονοξείδιο του άνθρακα. Ένα πιο πλήρες σύνολο στοιχειομετρικών εξισώσεων για την καύση μεθανίου σε ατμοσφαιρικό αέρα είναι το ακόλουθο:
Ατελής καύση υπάρχει μόνο όταν δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο για να επιτραπεί στο καύσιμο να αντιδράσει ολοκληρωτικά και να παράξει διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμούς (όταν καίγεται υδρογονάνθρακας σε αέρα ή οξυγόνο). Μπορεί επίσης να συμβεί όταν η καύση γίνεται παγιδευμένη σε ένα «χωνευτήρι θερμότητας», όπως είναι μια στερεή επιφάνεια ή μια παγίδα φλόγας.
Στα περισσότερα οργανικά καύσιμα, όπως το ντήζελ, το κάρβουνο ή το ξύλο, συμβαίνει πρώτα πυρόλυση του καυσίμου και μετά καύση των προϊόντων αυτής. Στην περίπτωση της ατελούς καύσης, μέρος των προϊόντων της πυρόλυσης μπορεί να παραμένουν χωρίς να καούν και να ρυπάνουν τον παραγόμενο καπνό με επιβλαβή σωματίδια ή και αέρια. Μερικώς οξειδωμένα προϊόντα μπορεί να αποτελούν επίσης ένα πρόβλημα. Π.χ. μερική οξείδωση της αιθανόλης μπορεί να δώσει τη βλαβερή αιθανάλη, αιθάλη και τοξικό μονοξείδιο του άνθρακα.
Η ποιότητα της καύσης μπορεί να βελτιωθεί με τον αρτιότερο σχεδιασμό των συσκευών καύσης, είτε πρόκειται για καυστήρες είτε για κινητήρες εσωτερικής καύσης. Επιπλέον βελτιώσεις είναι διαθέσιμες με τη χρήση συσκευών καταλυτικών μετατροπέων ή και με την επιστροφή των καυσαερίων στη διεργασία καύσης. Τέτοιες συσκευές είναι νομικώς απαραίτητες σε ορισμένες χώρες για τα αυτοκίνητα που κυκλοφορούν σ' αυτές. Επίσης, παρόμοιες μεγάλες συσκευές πρέπει να περιλαμβάνονται σε καυστήρες οικιακής θέρμανσης και βιομηχανικές εγκαταστάσεις, όπως θερμοηλεκτρικές μονάδες, για να επιτύχουν τα νόμιμα επίπεδα εκπομπών ρύπων.
Ο βαθμός της καύσης μπορεί να μετρηθεί και να αναλυθεί με υον κατάλληλο εξοπλισμό ελέγχου. Οι κατασκευαστές, οι πυροσβέστες, διάφοροι μηχανικοί και περιβαντολλογικοί επιστήμονες χρησιμοποιούν αναλυτές καυσαερίων για να ελέγξουν την αποτελεσματικότητα ενός καυστήρα κατά τη διάρκεια μιας καύσης. Επιπλέον και η αποτελεσματικότητα ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης επίσης μπορεί να μετρηθεί με τον ίδιο τρόπο. Σε κάποιες χώρες οι αρχές της τοπικής αυτοδιοίκησης ή η τροχαία είναι επιφορτισμένες με το καθήκον ελέγχου των καυσαερίων των οχημάτων που κυκλοφορούν στους δρόμους ευθύνης τους.