快看，為什麼火場的煙氣可燃？

翻譯 | 老g 我愛我家

綜合校對｜橙Sir

編輯丨天藍

火場會形成煙氣層，煙氣層的成分相當複雜，由多種不同的氣體混合而成。有時候，煙氣層還會出現火焰。煙氣層為什麼會燃燒？為什麼會在特定的時間燃燒？為什麼在那個位置會發生燃燒？

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？為什麼某些混合氣體起初比較稀薄，後來又變得濃厚？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

燃燒極限或爆炸極限是很重要的概念，有助於全面理解火場特性。在火場中，由於熱分解產生可燃氣體，這些熱解氣體可以與周圍的其他氣體混合。當產生充足的可燃氣體時，爆炸下限就達到了。

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在複合氣體檢測儀（「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。假如某房間的卧室存在混合氣，而混合氣比例恰巧略高於燃燒下限，則不會發生爆炸。最多會發生緩慢燃燒。需要記住的是，本文實質上是介紹火和煙氣的關係。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）

後來，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）。

位於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）。介於這兩個極限之間的是理想的混合氣體狀態。這種混合狀態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之後的反應過程。（照片由Karel Lambert提供）

下面給出了描述甲烷燃燒的化學方程式。甲烷（CH4）是天然氣的學名。廚房爐灶里使用的就是這種氣體。當氧氣存在時，甲烷會被點燃。

通常，這兩種物質都是氣態的。在這個特定的方程式中，一個甲烷分子與兩個氧分子發生反應。反應發生後，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 O2CO2+ 2 H2O

然而，這兩種物質並不是反應的唯一產物。甲烷燃燒是放熱反應，這就意味著會產生能量。

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 O2CO2+ 2 H2O + energy

然而，這種反應本身是不會自行發生的。如果你打開家裡廚房的天然氣閥門，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生的能量，會使反應產物的溫度高於初始反應氣體的初始溫度。甲烷中所含的化學能已轉化為熱能。事實上，在反應過程中能量釋放比能量產生的表述更為準確。因為在反應過程發生之前，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物二氧化碳和水中。當混合氣體中某處著火時，就會產生熱量。這種熱量會擴散到鄰近的分子上，並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）。高溫煙氣流到哪裡，火就燒到哪裡。

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燃燒的示意圖。這兩種物質（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。反應產物被加熱到最終溫度。（Karel Lambert繪製）

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，初始物質的溫度為20°C，這也是反應的初始溫度。藍色矩形的區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軸虛線的左側是初始反應物，虛線右側是反應產物。

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。

只有在初始的物質達到一定溫度後，增加能量才會發生反應。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，虛線的左側是初始反應物，右側是反應產物。在反應過程中，產生了大量的能量。產生的能量加熱了反應產物。圖3顯示產物二氧化碳和水的溫度比初始溫度高得多。反應產物的溫度在圖上用T1表示。

反應產生的能量用紅色矩形的表面積表示。這是燃燒過程產生的熱能。需要指出的是，縱軸不是按真實比例繪製的。如果紅色矩形按真實大小繪製，它將是幾米高，而不是現在所繪的幾厘米。這意味著後面所有的插圖顯示的反應產物溫度遠遠低於實際溫度。

我們回頭再來看廚房的爐灶，一種與上面描述不同的情況正在發生。廚房裡，甲烷不會在純氧中燃燒。實際混合氣體中除了甲烷和氧氣外，還含有氮氣。我們環境的空氣是由21%的氧氣和79%的氮氣組成的。這意味著，有一個氧氣分子，就有3.76個氮氣分子。空氣中甲烷燃燒的化學方程式如下：

CH4+22+7.52N2C2+2H2+7.52N2+energy

圖4 甲烷在空氣中燃燒的理想狀態

不參與燃燒過程的氮氣用綠色矩形表示。虛線右側的反應產物溫度比上一張圖的溫度低。虛線右側紅色和綠色矩形的面積之和代表熱能。（Karel Lambert繪製）

這個反應的示意圖也發生了變化。在兩種物質發生化學反應後，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），那麼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，反應後還存在。反應產物是二氧化碳、水和氮氣的混合物。燃燒產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，現在產生的熱量分布在三種不同的物質中，其中氮氣會吸收大量的熱量，如圖4所示。反應產物最終溫度T2低於圖3中的 T1。圖4中，紅色矩形和綠色矩形的面積之和，等於圖3中紅色矩形的面積，這在圖上可以清楚地看到。

上述兩種混合氣體的反應都在理想狀況下進行的。事實上，理想狀態很少出現。現實情況不是氮氣多，就是氧氣多。這都會影響到反應的進行。假設現在有三個氧分子，而不是兩個，那麼反應過程如下：

CH4+32+11.28N2C2+2H2+11.28N2+2+energy

除了多餘的氧氣，混合物中還有多餘的氮氣。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，現在混合氣體中有11.28個氮氣分子。反應會再次發生變化。

在反應產物中，現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，反應產物的最終溫度，比前一張圖更低，反應產物一側的所有矩形面積之和等於燃燒所產生的熱能。（Karel Lambert繪製）

圖5中虛線的左側是初始氣體。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，因此綠色矩形現在變寬了。紫色矩形表示過量的氧氣分子。現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，是反應的最終產物。與前面的圖一樣，紅色矩形仍然表示燃燒產物。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。反應產生的能量與前面理想狀態下燃燒產生的能量相等。

圖3中紅色矩形的面積大小等於圖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，反應產物的最終溫度會越低，即T3

反應產物的高溫，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，燃燒產物的溫度在遞降 (T3

在某個點，由於氧氣（和氮氣）過多，反應產物的溫度，不足以點燃周圍的可燃氣體，可燃氣體將不能燃燒。這時空氣量遠遠多於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餘，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，但會吸收反應產生的能量。這將導致反應產物的總溫度降低。在某個點，混合氣體中的甲烷量遠遠多於空氣量，不能發生燃燒。這一點就是爆炸上限或燃燒上限。

爆炸極限用體積百分數表示。爆炸下限（LEL）表示，形成可以發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，形成可以發生燃燒的混合氣體中可燃氣體的最高濃度。

甲烷通常被認為可以代表天然氣，其爆炸下限是5%。這意味著，天然氣和空氣的混合氣體要發生燃燒，天然氣的體積比例最低應達到5%，即5%甲烷和95%空氣。

準確地說是：5%的甲烷，19.95%的氧氣，75.05%的氮氣。甲烷的爆炸上限為15%。這兩個極限值都是整數。有時候，在不同的文獻中，極限值的數值是有一定差距的。

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