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快看,為什么火場(chǎng)的煙氣可燃?

火場(chǎng)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(jiǎn)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(duì)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(lái)又變得濃厚?下面本文將試圖以可理解的方式來(lái)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,有助于全面理解火場(chǎng)特性。在火場(chǎng)中,由于熱分解產(chǎn)生可燃?xì)怏w,這些熱解氣體可以與周圍的其他氣體混合。當(dāng)產(chǎn)生充足的可燃?xì)怏w時(shí),爆炸下限就達(dá)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(dá)。許多消防隊(duì)員可能已經(jīng)在復(fù)合氣體檢測(cè)儀(“測(cè)爆儀”)上看見(jiàn)過(guò)LEL這個(gè)縮寫(xiě)了。在本文中,我將使用燃燒下限這個(gè)術(shù)語(yǔ),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(lái)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(lái),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(shuō)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(jiàn)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(chǎng)產(chǎn)生的煙,是由許多不同種類的氣體組成的。不過(guò),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(guò)程。(照片由Karel Lambert提供)

下面給出了描述甲烷燃燒的化學(xué)方程式。甲烷(CH4)是天然氣的學(xué)名。廚房爐灶里使用的就是這種氣體。當(dāng)氧氣存在時(shí),甲烷會(huì)被點(diǎn)燃。

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

 
 
然而,這兩種物質(zhì)并不是反應(yīng)的唯一產(chǎn)物。甲烷燃燒是放熱反應(yīng),這就意味著會(huì)產(chǎn)生能量。

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(kāi)家里廚房的天然氣閥門(mén),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(duì)應(yīng)的溫度下才開(kāi)始發(fā)生反應(yīng),這個(gè)對(duì)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?chǎng)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(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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)單地說(shuō),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)?;鹧鏁?huì)在混合氣體中蔓延(見(jiàn)圖1和圖2)。高溫?zé)煔饬鞯侥睦?,火就燒到哪里?/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(kāi)始。反應(yīng)產(chǎn)物被加熱到最終溫度。(Karel Lambert繪制)

 

 

可以通過(guò)圖示說(shuō)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(guò)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(guò)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。

我們回頭再來(lái)看廚房的爐灶,一種與上面描述不同的情況正在發(fā)生。廚房里,甲烷不會(huì)在純氧中燃燒。實(shí)際混合氣體中除了甲烷和氧氣外,還含有氮?dú)?。我們環(huán)境的空氣是由21%的氧氣和79%的氮?dú)饨M成的。這意味著,有一個(gè)氧氣分子,就有3.76個(gè)氮?dú)夥肿?。空氣中甲烷燃燒的化學(xué)方程式如下:
 
 

CH4  2 02 + 7.52 N2 → C02  2 H2 + 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(guò)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(wàn)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(shuō):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)獾幕旌衔铩H紵a(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。

上述兩種混合氣體的反應(yīng)都在理想狀況下進(jìn)行的。事實(shí)上,理想狀態(tài)很少出現(xiàn)?,F(xiàn)實(shí)情況不是氮?dú)舛啵褪茄鯕舛?。這都會(huì)影響到反應(yīng)的進(jìn)行。假設(shè)現(xiàn)在有三個(gè)氧分子,而不是兩個(gè),那么反應(yīng)過(guò)程如下:
 
 

CH4  3 02 + 11.28 N2 → C02  2 H2 + 11.28 N2  02 + energy

除了多余的氧氣,混合物中還有多余的氮?dú)狻T诨旌蠚怏w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)夥肿印7磻?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(guò)量的氧氣分子。反應(yīng)圖形進(jìn)一步改變。

 

圖5  甲烷在過(guò)??諝庵腥紵?/span>

 

 

紫色矩形代表過(guò)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(guò)量的氧氣分子?,F(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(guò)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(duì)圖3&mdash;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&mdash;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┻^(guò)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(guò)量的甲烷代替過(guò)量的氧氣。反應(yīng)結(jié)果將是甲烷過(guò)量剩余,而氧氣消耗光了。同時(shí),氮?dú)獾牧勘3植蛔儭_^(guò)量的甲烷會(huì)被反應(yīng)產(chǎn)生的能量加熱。另外,因?yàn)橛懈嗟募淄榇嬖冢@一反應(yīng)過(guò)程將需要更多的點(diǎn)火能。

 

過(guò)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

甲烷通常被認(rèn)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(fā)生燃燒,天然氣的體積比例最低應(yīng)達(dá)到5%,即5%甲烷和95%空氣。
 
準(zhǔn)確地說(shuō)是:5%的甲烷,19.95%的氧氣,75.05%的氮?dú)?。甲烷的爆炸上限?5%。這兩個(gè)極限值都是整數(shù)。有時(shí)候,在不同的文獻(xiàn)中,極限值的數(shù)值是有一定差距的。