快看，為什么火場的煙氣可燃？
火場會形成煙氣層，煙氣層的成分相當復雜，由多種不同的氣體混合而成。有時候，煙氣層還會出現(xiàn)火焰。煙氣層為什么會燃燒？為什么會在特定的時間燃燒？為什么在那個位置會發(fā)生燃燒？
答案其實很簡單，那就是在那個時間點具備了“燃燒三要素”。作為燃料的氣體與氧氣的混合氣，達到了自燃的溫度。許多消防隊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。許多消防隊員可能已經(jīng)在復合氣體檢測儀（“測爆儀”）上看見過LEL這個縮寫了。在本文中，我將使用燃燒下限這個術語，因為它更符合本文所要表達的含義。
當煙氣和空氣的混合比例達到燃燒下限時，它就可以被點燃。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，則不會發(fā)生爆炸。最多會發(fā)生緩慢燃燒。需要記住的是，本文實質(zhì)上是介紹火和煙氣的關系。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，隨著可燃氣體的量增加，可燃氣體在混合氣體中的比例將增大。在某個時刻，可燃氣體的量再增加將會導致混合氣體不能被點燃。這就是所謂的爆炸上限（UEL），或者更確切地說是燃燒上限（UFL）。
位于這兩個極限之間的氧氣和可燃氣體的混合氣體是可以燃燒的。它們可以被點燃（參見圖1和圖2）。介于這兩個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）火焰進一步蔓延
（d）火焰進一步蔓延
圖2 這些圖片顯示了圖1之后的反應過程。（照片由Karel Lambert提供）
通常，這兩種物質(zhì)都是氣態(tài)的。在這個特定的方程式中，一個甲烷分子與兩個氧分子發(fā)生反應。反應發(fā)生后，不再有甲烷或氧氣。生成一個二氧化碳（CO2）分子和兩個水分子（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當量混合氣，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，總共有1kg甲烷燃燒，將會產(chǎn)生50mJ（毫焦）的能量。如果想要深入研究的話，可以從消防燃燒學中獲得相關信息。
CH4 + 2 O2 →CO2 + 2 H2O + energy
然而，這種反應本身是不會自行發(fā)生的。如果你打開家里廚房的天然氣閥門，泄漏的天然氣會和空氣混合，但混合氣不會自行起火燃燒，因為需要點火能。氧氣和天然氣的溫度大約在20°C左右，點火能量會使溫度升高到一個特定值，在對應的溫度下才開始發(fā)生反應，這個對應的溫度稱為燃點。
兩種氣體的初始溫度越高，所需的點火能量就越低。換言之，在冬天室外零下20°C點燃混合氣體，比在夏天室外30°C，需要更多的點火能量。畢竟，在冬天混合氣體需要額外加熱50°C。這一點很重要，因為火場產(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，點燃煙氣所需的能量就越少，這種能量稱為活化能（AE）。
在化學反應過程中產(chǎn)生的能量，會使反應產(chǎn)物的溫度高于初始反應氣體的初始溫度。甲烷中所含的化學能已轉(zhuǎn)化為熱能。事實上，在反應過程中能量釋放比能量產(chǎn)生的表述更為準確。因為在反應過程發(fā)生之前，能量是被儲存在甲烷氣體中的。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產(chǎn)物二氧化碳和水中。當混合氣體中某處著火時，就會產(chǎn)生熱量。這種熱量會擴散到鄰近的分子上，并作為鄰近分子的活化能。這將引起鏈鎖反應。火焰會在混合氣體中蔓延（見圖1和圖2）。高溫煙氣流到哪里，火就燒到哪里。
圖3 煤氣和空氣的混合氣燃燒情況
甲烷在純氧中進行理想狀態(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，反應開始。反應產(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。圖3縱軸上顯示溫度。初始氣體甲烷和氧氣用藍色表示。在這種特定的情況下，初始物質(zhì)的溫度為20°C，這也是反應的初始溫度。藍色矩形的區(qū)域代表了兩種氣體中儲存的能量。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)是初始反應物，虛線右側(cè)是反應產(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，我們需要點火源。這可以是一個火花，一個火柴，一個受熱的表面，……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)達到一定溫度后，增加能量才會發(fā)生反應。這個最低溫度就是燃點Ti。反應本身用黑色虛線表示。再次重申一下，虛線的左側(cè)是初始反應物，右側(cè)是反應產(chǎn)物。在反應過程中，產(chǎn)生了大量的能量。產(chǎn)生的能量加熱了反應產(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。反應產(chǎn)物的溫度在圖上用T1表示。
反應產(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，縱軸不是按真實比例繪制的。如果紅色矩形按真實大小繪制，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產(chǎn)物溫度遠遠低于實際溫度。
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氣用綠色矩形表示。虛線右側(cè)的反應產(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）
這個反應的示意圖也發(fā)生了變化。在兩種物質(zhì)發(fā)生化學反應后，增加了一個額外的元素。圖4中，兩個綠色矩形表示氮氣。燃燒發(fā)生之前氮氣就存在，即使不參與化學反應，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。如果我們想點燃混合氣體（或者說：如果我們想把混合氣體加熱到燃點），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（因為還有一部分能量是加熱氮氣的）。這一點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，燃燒的結果也不同。甲烷在空氣中燃燒，氮氣不參與化學反應，反應后還存在。反應產(chǎn)物是二氧化碳、水和氮氣的混合物。燃燒產(chǎn)生的熱量與之前的情況完全相同。因為，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，其中氮氣會吸收大量的熱量，如圖4所示。反應產(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氣。在混合氣體中，氧氣分子和氮氣分子的比例是1：3.76。這意味著，現(xiàn)在混合氣體中有11.28個氮氣分子。反應會再次發(fā)生變化。
在反應產(chǎn)物中，現(xiàn)在我們可以看到過量的氧氣分子。反應圖形進一步改變。
圖5 甲烷在過剩空氣中燃燒
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)，反應產(chǎn)物的最終溫度，比前一張圖更低，反應產(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)是初始氣體。實際參與燃燒反應的甲烷和氧氣的量仍然用藍色矩形表示，氮氣用綠色矩形表示。
但是，氮氣的量增加了，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?，F(xiàn)在我們要討論一下可燃氣體濃度低的情況，可燃氣體比理想燃燒狀態(tài)下的可燃氣體量要少。橙色矩形的尺寸再次增大。因為所有的初始物質(zhì)都必須加熱到Ti，其中包括不參與化學反應的氧氣。
在圖5虛線的右側(cè)，是反應的最終產(chǎn)物。與前面的圖一樣，紅色矩形仍然表示燃燒產(chǎn)物。同樣，不參與反應過程的氮氣和氧氣仍然分別用綠色矩形和紫色矩形表示。反應產(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進行比較，可以明顯看出，需要加熱的元素越多，反應產(chǎn)物的最終溫度會越低，即T3 < T2 < T1。
反應產(chǎn)物的高溫，這時就成了周圍可燃氣體的點火能量。這意味著反應產(chǎn)物會向它們周圍的氣體提供點火能量。圖3—圖5顯示，每一次需要的點火能量（AE）都在遞增。但同時也可以看出，燃燒產(chǎn)物的溫度在遞降 (T3 < T2 < T1)。
在某個點，由于氧氣（和氮氣）過多，反應產(chǎn)物的溫度，不足以點燃周圍的可燃氣體，可燃氣體將不能燃燒。這時空氣量遠遠多于可燃氣體的混合氣體就達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。反應結果將是甲烷過量剩余，而氧氣消耗光了。同時，氮氣的量保持不變。過量的甲烷會被反應產(chǎn)生的能量加熱。另外，因為有更多的甲烷存在，這一反應過程將需要更多的點火能。
過量的甲烷不會燃燒，但會吸收反應產(chǎn)生的能量。這將導致反應產(chǎn)物的總溫度降低。在某個點，混合氣體中的甲烷量遠遠多于空氣量，不能發(fā)生燃燒。這一點就是爆炸上限或燃燒上限。
爆炸極限用體積百分數(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氣體的最低濃度。爆炸上限（UEL）表示，形成可以發(fā)生燃燒的混合氣體中可燃氣體的最高濃度。
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 |