焚付材や小割に火が移ると中割が徐々に燃焼が移っていきます。彩りも鮮やかになり、部屋も暖かく感じます。
最近ではバイオマスエネルギーとして注目されており、ますます薪ストーブや焚き火がメジャーになってきています。いずれにしても、炉内や焚き火台の上では、薪が燃焼して光と暖かさを感じることになります。
では、この燃焼というメカニズムはどのようなものでしょうか？
薪はどのようにして燃焼するのでしょうか？
今回は薪の燃焼と温度の変化について書いてみたいと思います。
燃焼のメカニズム
焚付材を着火剤などの炎に晒すと、木材の表面は焦げて黒くなっていきます。このような表面が黒くなる状態は木材が炭化していく過程です。
それでは、化学的には燃焼とはどのような現象でしょうか、燃焼は燃料と空気が化学反応して生じることです。
C (炭素) + O2 (酸素) → CO2 (二酸化炭素)
学校で習ったように、炭素と酸素が結合すると二酸化炭素が発生しますが、このときに熱エネルギーが発生します。
このとき、燃焼によって、発熱と発光を伴う現象が生じます。ゆらゆらと立ち上る炎と薪ストーブから感じる暖かさはこれら燃焼の酸化反応で生じています。
この薪ストーブの燃焼状態には 薪ストーブの内部(炉内)の温度が大きく影響しています。
薪ストーブと温度の関係
一般的に薪ストーブの温度管理は、薪ストーブ表面であるトップ(天板)の温度を測定しています。トップの温度が200度以上であれば炉内では十分な燃焼の温度が確保されているといわれており、これを下回った場合はススが多く出る傾向があると言われています。つまり、十分な燃焼温度が確保できていないことを意味します。
しかし、薪ストーブの内部の温度はとても高く500度を越えるほど高くなります。薪ストーブでは燃料となる薪を燃焼させるのでとても高温になり、このなかに薪をくべると薪は炭へとなっていきます。
このように、高温度の状態であると薪の燃焼状態は大きく変化していきます。
低温状態の薪の燃焼
ここからは、薪ストーブの内部の温度と燃料となる薪の関係について書いていきます。
木材が常温から加熱されると、木材の中の自由水・結合水、いわゆる水成分が移動します。薪ストーブの内部が100度を越えるころでは、薪の中にある水分が気化して薪の外に放出されます。
薪の樹皮があるとそこから水分は放出されることが少なく、切断した部分から水分がシューシューと音を立ててきます。悪いときには薪の断面からジュワジュワと泡が出たりするほど水分を含んでいることもあります。
含水率が高い材では、熱を加えてもなかなか着火せずに、水分の蒸発に着火剤のエネルギーが消費してしまいます。着火剤をいくらつかっても、水分を十分に含んでいる場合には、なかなか100度を越えずに不完全燃焼が続くことになります。
このように、水分が多い状態の薪を燃焼しても、なかなか炭化しないためススが多くなります。これらが長い時間続くと温度も上がりにくく、煙突外への煙が多い結果となります。
これら薪ストーブの煙についてはこちらでも書いています
高温になると薪の状態は一変する
100度以上を超え、水分が少ないと薪は炭化が進みます。実際には薪の中の水分が気化して、樹木は乾燥が進みます。
温度が250度を越えると木材内にある揮発性物質である木炭ガス(可燃ガス)が発生します。この可燃ガスに着火することで、炎がみられ引火することになります。
この木炭ガスと酸素によって燃焼が加速します、この木炭ガスが燃える物質、つまりこのガスが燃料となり燃焼が生じています。
薪が炭化すると、木炭表面での炭素の酸化反応による発熱によって、燃焼を続けていくことになります。これらが270度になると木炭ガスが引火してさらに燃焼が進みやすくなります。この270度付近では木炭ガスが発火しやすく、色鮮やかな炎を演出します。
このように、木材を空気中で加熱すればまず水分を失って乾燥し、次いで熱分解を起して可燃性ガスを放出します。さらに、可燃性ガスに着火して生じた炎の熱がさらに木材の熱分解を促進して燃焼を継続していきます。これらの一連の過程を分解燃焼と呼び、一般的に呼ばれる炎がある燃焼を発炎燃焼と呼びます。
煙突火災の原因となるタールと温度の変化
温度が290度になるとタール分が生成され、300度で木炭ガスの放出は最大になります。この温度付近では薪の重量は急激に減っていきます。これは木材に含まえる繊維素であるヘミセルロースが分解されることで重量が減ると考えられています。
400度以上になるとタールがガス化となり、煙を放出しにくくなります。
さらに450度の臨界期を越えるとガスの放出は止まり、タール分生成しなくなると言われています。
このように高温度になると、煙突のなかにこびりつきやすいタールが出にくくなるので、しっかりとした燃焼温度が煙突を汚さないコツといえるでしょう。
さらに薪は燃焼が500度に進むとその重量が減っていきます。木質素であるリグニンが分解されていくためです。
熾火と温度の関係性
熾火の状態を赤熱燃焼と呼びます。炎は見えないですがかなりの高温の状態を維持しています。
薪は炭化が進みいわゆる炭と呼ばれる状態になります。この状態で燃え続けている状態を無炎燃焼(赤熱燃焼)とも呼びます。熾火の状態では表面で炎を出さずに燃焼が続きます。木炭の表面は多孔性の状態なので、空気を含みやすく、燃焼に向いている構造となっています。
そのため熾火の状態は、木炭の表面で炭素との酸化反応が続き、発熱が続きます。熾火では熱分解や蒸発も起こさずに表面では高温を保ちながら、空気と接触した部分で着火して熱を発生し続けます。
最終的に熾き火は灰となり、温度が低下していくことになります。
まとめ
長々と調べたことをまとめると・・・
100度ぐらいで水分の気化が始まる
250度ぐらいで木炭ガスが放出される
270度ぐらいで木炭ガスに引火が始まる
500度ぐらいで赤熱して、炎を出さずに燃える
ということでしょうか。木を燃やすということはいろいろな現象が生じた結果、暖められた薪ストーブから温度が放出されるということです。
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