煤の科学と燃焼における役割

燃焼によって生じる煤（すす）は、燃料の熱分解過程において酸素が不足した環境下で、燃焼ガス中の油滴や微粉炭の残炭分が重合し、未燃のまま排出されたものである。主成分は炭素原子であり、1から3パーセント程度の水素を含むほか、燃料の純度が低い場合には多くの灰分を含有する。

生成機構

煤の生成機構における初期の分子レベルの状態については、主に3つの説が存在している。

• 多環芳香族炭化水素（PAH）を経由して生成される説
• アセチレンを経由して生成される説
• C3H3+やCHO+などの炭化水素イオンを経由して生成される説

当初は電荷を帯びた巨大分子であったものが電気的に引き合うことで凝縮し、微細な液体状や固体状の粒子同士が衝突と合体を繰り返す。その過程で脱水素反応が進行し、数ナノメートルから数十ナノメートル程度の固体の球状粒子へと成長する。この球状粒子は、電荷によって数珠繋ぎになり、やがてぶどうの房状に集まって数十ナノメートルから数百ナノメートル程度の凝集体を形成する。この凝集体は、煙道や排気経路付近に堆積することでさらに大きな煤煙となる。

燃焼への寄与

ボイラーなどの火炎中に一時的に生じる煤は、熱線を放つことで燃焼プロセスに寄与している。燃焼時にOHラジカル、CHラジカル、C2ラジカルなどが放つ化学発光は青色や紫外線領域の狭いバンドが多く加熱源としての寄与は限定的であるが、高温の固体である煤が放つ赤外線領域の連続スペクトル放射が周囲の燃料を輻射によって加熱し、燃焼を助ける働きを持つ。

このような煤を伴う炎は輝炎と呼ばれ、煤を全く生じない不輝炎と比較して強力な赤外線を放射するという特徴がある。