快看，為什么火場的煙氣可燃？
火場會(huì)形成煙氣層，煙氣層的成分相當(dāng)復(fù)雜，由多種不同的氣體混合而成。有時(shí)候，煙氣層還會(huì)出現(xiàn)火焰。煙氣層為什么會(huì)燃燒？為什么會(huì)在特定的時(shí)間燃燒？為什么在那個(gè)位置會(huì)發(fā)生燃燒？
答案其實(shí)很簡單，那就是在那個(gè)時(shí)間點(diǎn)具備了“燃燒三要素”。作為燃料的氣體與氧氣的混合氣，達(dá)到了自燃的溫度。許多消防隊(duì)員對這一概念很不解。到底是如何燃燒的？為什么某些混合氣體起初比較稀薄，后來又變得濃厚？下面本文將試圖以可理解的方式來解釋這一切。
一、燃燒極限或爆炸極限
爆炸下限（LEL）和燃燒下限（LFL）是同一原理的兩種不同的表達(dá)。許多消防隊(duì)員可能已經(jīng)在復(fù)合氣體檢測儀（“測爆儀”）上看見過LEL這個(gè)縮寫了。在本文中，我將使用燃燒下限這個(gè)術(shù)語，因?yàn)樗媳疚乃磉_(dá)的含義。
當(dāng)煙氣和空氣的混合比例達(dá)到燃燒下限時(shí)，它就可以被點(diǎn)燃。假如某房間的臥室存在混合氣，而混合氣比例恰巧略高于燃燒下限，則不會(huì)發(fā)生爆炸。最多會(huì)發(fā)生緩慢燃燒。需要記住的是，本文實(shí)質(zhì)上是介紹火和煙氣的關(guān)系。煙氣所含的能量比甲烷少，下文所提及的煙氣，就是用來解釋燃燒極限原理的。
（a） 燃燒剛剛發(fā)生，火焰正以圓形向四周蔓延
（b）火焰體積在擴(kuò)大
圖1 煤氣和空氣的混合氣燃燒情況。（照片由Karel Lambert提供）
后來，隨著可燃?xì)怏w的量增加，可燃?xì)怏w在混合氣體中的比例將增大。在某個(gè)時(shí)刻，可燃?xì)怏w的量再增加將會(huì)導(dǎo)致混合氣體不能被點(diǎn)燃。這就是所謂的爆炸上限（UEL），或者更確切地說是燃燒上限（UFL）。
位于這兩個(gè)極限之間的氧氣和可燃?xì)怏w的混合氣體是可以燃燒的。它們可以被點(diǎn)燃（參見圖1和圖2）。介于這兩個(gè)極限之間的是理想的混合氣體狀態(tài)。這種混合狀態(tài)能引起最猛烈的爆炸。
本文將以甲烷爆炸極限為例進(jìn)行解釋。雖然，火場產(chǎn)生的煙，是由許多不同種類的氣體組成的。不過，甲烷是描述燃燒極限原理的最合適的氣體。
（c）火焰進(jìn)一步蔓延
（d）火焰進(jìn)一步蔓延
圖2 這些圖片顯示了圖1之后的反應(yīng)過程。（照片由Karel Lambert提供）
通常，這兩種物質(zhì)都是氣態(tài)的。在這個(gè)特定的方程式中，一個(gè)甲烷分子與兩個(gè)氧分子發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)發(fā)生后，不再有甲烷或氧氣。生成一個(gè)二氧化碳（CO2）分子和兩個(gè)水分子（H2O）分子。
如果混合氣中所有的氧氣和所有的燃料都被燃燒完，這種混合氣被稱為化學(xué)當(dāng)量混合氣，這是理想混合氣的另一種叫法。
CH4 + 2 O2 →CO2 + 2 H2O
假設(shè)混合氣是由甲烷和氧氣混合而成，在混合氣中，甲烷分子與氧分子的比例是1:2。假設(shè)，總共有1kg甲烷燃燒，將會(huì)產(chǎn)生50mJ（毫焦）的能量。如果想要深入研究的話，可以從消防燃燒學(xué)中獲得相關(guān)信息。
CH4 + 2 O2 →CO2 + 2 H2O + energy
然而，這種反應(yīng)本身是不會(huì)自行發(fā)生的。如果你打開家里廚房的天然氣閥門，泄漏的天然氣會(huì)和空氣混合，但混合氣不會(huì)自行起火燃燒，因?yàn)樾枰c(diǎn)火能。氧氣和天然氣的溫度大約在20°C左右，點(diǎn)火能量會(huì)使溫度升高到一個(gè)特定值，在對應(yīng)的溫度下才開始發(fā)生反應(yīng)，這個(gè)對應(yīng)的溫度稱為燃點(diǎn)。
兩種氣體的初始溫度越高，所需的點(diǎn)火能量就越低。換言之，在冬天室外零下20°C點(diǎn)燃混合氣體，比在夏天室外30°C，需要更多的點(diǎn)火能量。畢竟，在冬天混合氣體需要額外加熱50°C。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榛饒霎a(chǎn)生的可燃煙氣，在溫度上也有極大的不同。煙氣的溫度越高，點(diǎn)燃煙氣所需的能量就越少，這種能量稱為活化能（AE）。
在化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的能量，會(huì)使反應(yīng)產(chǎn)物的溫度高于初始反應(yīng)氣體的初始溫度。甲烷中所含的化學(xué)能已轉(zhuǎn)化為熱能。事實(shí)上，在反應(yīng)過程中能量釋放比能量產(chǎn)生的表述更為準(zhǔn)確。因?yàn)樵诜磻?yīng)過程發(fā)生之前，能量是被儲(chǔ)存在甲烷氣體中的。通常，我們簡單地說，能量產(chǎn)生了。本文中也使用了這一措辭。
釋放出的能量分布在反應(yīng)產(chǎn)物二氧化碳和水中。當(dāng)混合氣體中某處著火時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱量。這種熱量會(huì)擴(kuò)散到鄰近的分子上，并作為鄰近分子的活化能。這將引起鏈鎖反應(yīng)。火焰會(huì)在混合氣體中蔓延（見圖1和圖2）。高溫?zé)煔饬鞯侥睦铮鹁蜔侥睦铩?/span>
圖3 煤氣和空氣的混合氣燃燒情況
甲烷在純氧中進(jìn)行理想狀態(tài)燃燒的示意圖。這兩種物質(zhì)（甲烷和氧氣）大 約在室溫（20℃）左右。加入一定的活化能，反應(yīng)開始。反應(yīng)產(chǎn)物被加熱到最終溫度。（Karel Lambert繪制）
可以通過圖示說明這一點(diǎn)。圖3縱軸上顯示溫度。初始?xì)怏w甲烷和氧氣用藍(lán)色表示。在這種特定的情況下，初始物質(zhì)的溫度為20°C，這也是反應(yīng)的初始溫度。藍(lán)色矩形的區(qū)域代表了兩種氣體中儲(chǔ)存的能量。這意味著X軸不代表能量。能量大小用面積表示。X軸虛線的左側(cè)是初始反應(yīng)物，虛線右側(cè)是反應(yīng)產(chǎn)物。
如上所述，氣體要燃燒，需要在混合氣中加入一定量的活化能。為此，我們需要點(diǎn)火源。這可以是一個(gè)火花，一個(gè)火柴，一個(gè)受熱的表面，……需要添加的能量，就是上圖中的橙色矩形。
只有在初始的物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，增加能量才會(huì)發(fā)生反應(yīng)。這個(gè)最低溫度就是燃點(diǎn)Ti。反應(yīng)本身用黑色虛線表示。再次重申一下，虛線的左側(cè)是初始反應(yīng)物，右側(cè)是反應(yīng)產(chǎn)物。在反應(yīng)過程中，產(chǎn)生了大量的能量。產(chǎn)生的能量加熱了反應(yīng)產(chǎn)物。圖3顯示產(chǎn)物二氧化碳和水的溫度比初始溫度高得多。反應(yīng)產(chǎn)物的溫度在圖上用T1表示。
反應(yīng)產(chǎn)生的能量用紅色矩形的表面積表示。這是燃燒過程產(chǎn)生的熱能。需要指出的是，縱軸不是按真實(shí)比例繪制的。如果紅色矩形按真實(shí)大小繪制，它將是幾米高，而不是現(xiàn)在所繪的幾厘米。這意味著后面所有的插圖顯示的反應(yīng)產(chǎn)物溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際溫度。
CH4 + 2 02 + 7.52 N2 → C02 + 2 H20 + 7.52 N2 + energy
圖4 甲烷在空氣中燃燒的理想狀態(tài)
不參與燃燒過程的氮?dú)庥镁G色矩形表示。虛線右側(cè)的反應(yīng)產(chǎn)物溫度比上一張圖的溫度低。虛線右側(cè)紅色和綠色矩形的面積之和代表熱能。（Karel Lambert繪制）
這個(gè)反應(yīng)的示意圖也發(fā)生了變化。在兩種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，增加了一個(gè)額外的元素。圖4中，兩個(gè)綠色矩形表示氮?dú)?。燃燒發(fā)生之前氮?dú)饩痛嬖?，即使不參與化學(xué)反應(yīng)，它仍然需要被加熱到Ti。
畢竟，自然界中萬物幾乎都努力保持溫度平衡。如果我們想點(diǎn)燃混合氣體（或者說：如果我們想把混合氣體加熱到燃點(diǎn)），那么我們就必須比在純氧氣和甲烷的混合氣體中添加更多的能量（因?yàn)檫€有一部分能量是加熱氮?dú)獾模?。這一點(diǎn)在圖中表示的很清楚。
橙色矩形區(qū)域的面積大幅度增加。甲烷在空氣中燃燒，比甲烷在純氧中燃燒，需要更多的點(diǎn)火能。
甲烷在空氣中燃燒，和甲烷在純氧中燃燒相比，燃燒的結(jié)果也不同。甲烷在空氣中燃燒，氮?dú)獠粎⑴c化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后還存在。反應(yīng)產(chǎn)物是二氧化碳、水和氮?dú)獾幕旌衔?。燃燒產(chǎn)生的熱量與之前的情況完全相同。因?yàn)?，燃燒的甲烷的量是相等。但是，現(xiàn)在產(chǎn)生的熱量分布在三種不同的物質(zhì)中，其中氮?dú)鈺?huì)吸收大量的熱量，如圖4所示。反應(yīng)產(chǎn)物最終溫度T2低于圖3中的 T1。圖4中，紅色矩形和綠色矩形的面積之和，等于圖3中紅色矩形的面積，這在圖上可以清楚地看到。
CH4 + 3 02 + 11.28 N2 → C02 + 2 H20 + 11.28 N2 + 02 + energy
除了多余的氧氣，混合物中還有多余的氮?dú)?。在混合氣體中，氧氣分子和氮?dú)夥肿拥谋壤?：3.76。這意味著，現(xiàn)在混合氣體中有11.28個(gè)氮?dú)夥肿?。反?yīng)會(huì)再次發(fā)生變化。
在反應(yīng)產(chǎn)物中，現(xiàn)在我們可以看到過量的氧氣分子。反應(yīng)圖形進(jìn)一步改變。
圖5 甲烷在過?？諝庵腥紵?/span>
紫色矩形代表過剩的氧氣。綠色矩形比前一張圖更寬了。在虛線右側(cè)，反應(yīng)產(chǎn)物的最終溫度，比前一張圖更低，反應(yīng)產(chǎn)物一側(cè)的所有矩形面積之和等于燃燒所產(chǎn)生的熱能。（Karel Lambert繪制）
圖5中虛線的左側(cè)是初始?xì)怏w。實(shí)際參與燃燒反應(yīng)的甲烷和氧氣的量仍然用藍(lán)色矩形表示，氮?dú)庥镁G色矩形表示。
但是，氮?dú)獾牧吭黾恿?，因此綠色矩形現(xiàn)在變寬了。紫色矩形表示過量的氧氣分子。現(xiàn)在我們要討論一下可燃?xì)怏w濃度低的情況，可燃?xì)怏w比理想燃燒狀態(tài)下的可燃?xì)怏w量要少。橙色矩形的尺寸再次增大。因?yàn)樗械某跏嘉镔|(zhì)都必須加熱到Ti，其中包括不參與化學(xué)反應(yīng)的氧氣。
在圖5虛線的右側(cè)，是反應(yīng)的最終產(chǎn)物。與前面的圖一樣，紅色矩形仍然表示燃燒產(chǎn)物。同樣，不參與反應(yīng)過程的氮?dú)夂脱鯕馊匀环謩e用綠色矩形和紫色矩形表示。反應(yīng)產(chǎn)生的能量與前面理想狀態(tài)下燃燒產(chǎn)生的能量相等。
圖3中紅色矩形的面積大小等于圖5中紅色、綠色和紫色矩形的面積之和。如果對圖3—圖5進(jìn)行比較，可以明顯看出，需要加熱的元素越多，反應(yīng)產(chǎn)物的最終溫度會(huì)越低，即T3 < T2 < T1。
反應(yīng)產(chǎn)物的高溫，這時(shí)就成了周圍可燃?xì)怏w的點(diǎn)火能量。這意味著反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)向它們周圍的氣體提供點(diǎn)火能量。圖3—圖5顯示，每一次需要的點(diǎn)火能量（AE）都在遞增。但同時(shí)也可以看出，燃燒產(chǎn)物的溫度在遞降 (T3 < T2 < T1)。
在某個(gè)點(diǎn)，由于氧氣（和氮?dú)猓┻^多，反應(yīng)產(chǎn)物的溫度，不足以點(diǎn)燃周圍的可燃?xì)怏w，可燃?xì)怏w將不能燃燒。這時(shí)空氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于可燃?xì)怏w的混合氣體就達(dá)到了爆炸下限或燃燒下限。
在圖5中，如果加入過量的甲烷代替過量的氧氣。反應(yīng)結(jié)果將是甲烷過量剩余，而氧氣消耗光了。同時(shí)，氮?dú)獾牧勘３植蛔儭＿^量的甲烷會(huì)被反應(yīng)產(chǎn)生的能量加熱。另外，因?yàn)橛懈嗟募淄榇嬖?，這一反應(yīng)過程將需要更多的點(diǎn)火能。
過量的甲烷不會(huì)燃燒，但會(huì)吸收反應(yīng)產(chǎn)生的能量。這將導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物的總溫度降低。在某個(gè)點(diǎn)，混合氣體中的甲烷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于空氣量，不能發(fā)生燃燒。這一點(diǎn)就是爆炸上限或燃燒上限。
爆炸極限用體積百分?jǐn)?shù)表示。爆炸下限（LEL）表示，形成可以發(fā)生燃燒的混合氣體中可燃?xì)怏w的最低濃度。爆炸上限（UEL）表示，形成可以發(fā)生燃燒的混合氣體中可燃?xì)怏w的最高濃度。
物質(zhì) | LEL or LFL (Vol %) | UEL or UFL (Vol %) |
氫氣 | 4 | 75 |
一氧化碳 | 12.5 | 74 |
甲烷 | 5 | 15 |
乙烷 | 3 | 12.4 |
丙烷 | 2.1 | 9.5 |
丁烷 | 1.8 | 8.4 |
甲醇 | 6.7 | 36 |
乙醇 | 3.3 | 19 |
丙酮 | 2.6 | 13 |