快看，为什么火场的烟气可燃？
火场会形成烟气层，烟气层的成分相当复杂，由多种不同的气体混合而成。有时候，烟气层还会出现火焰。烟气层为什么会燃烧？为什么会在特定的时间燃烧？为什么在那个位置会发生燃烧？
答案其实很简单，那就是在那个时间点具备了“燃烧三要素”。作为燃料的气体与氧气的混合气，达到了自燃的温度。许多消防队员对这一概念很不解。到底是如何燃烧的？为什么某些混合气体起初比较稀薄，后来又变得浓厚？下面本文将试图以可理解的方式来解释这一切。
一、燃烧极限或爆炸极限
爆炸下限（LEL）和燃烧下限（LFL）是同一原理的两种不同的表达。许多消防队员可能已经在复合气体检测仪（“测爆仪”）上看见过LEL这个缩写了。在本文中，我将使用燃烧下限这个术语，因为它更符合本文所要表达的含义。
当烟气和空气的混合比例达到燃烧下限时，它就可以被点燃。假如某房间的卧室存在混合气，而混合气比例恰巧略高于燃烧下限，则不会发生爆炸。最多会发生缓慢燃烧。需要记住的是，本文实质上是介绍火和烟气的关系。烟气所含的能量比甲烷少，下文所提及的烟气，就是用来解释燃烧极限原理的。
（a） 燃烧刚刚发生，火焰正以圆形向四周蔓延
（b）火焰体积在扩大
图1 煤气和空气的混合气燃烧情况。（照片由Karel Lambert提供）
后来，随着可燃气体的量增加，可燃气体在混合气体中的比例将增大。在某个时刻，可燃气体的量再增加将会导致混合气体不能被点燃。这就是所谓的爆炸上限（UEL），或者更确切地说是燃烧上限（UFL）。
位于这两个极限之间的氧气和可燃气体的混合气体是可以燃烧的。它们可以被点燃（参见图1和图2）。介于这两个极限之间的是理想的混合气体状态。这种混合状态能引起最猛烈的爆炸。
本文将以甲烷爆炸极限为例进行解释。虽然，火场产生的烟，是由许多不同种类的气体组成的。不过，甲烷是描述燃烧极限原理的最合适的气体。
（c）火焰进一步蔓延
（d）火焰进一步蔓延
图2 这些图片显示了图1之后的反应过程。（照片由Karel Lambert提供）
通常，这两种物质都是气态的。在这个特定的方程式中，一个甲烷分子与两个氧分子发生反应。反应发生后，不再有甲烷或氧气。生成一个二氧化碳（CO2）分子和两个水分子（H2O）分子。
如果混合气中所有的氧气和所有的燃料都被燃烧完，这种混合气被称为化学当量混合气，这是理想混合气的另一种叫法。
CH4 + 2 O2 →CO2 + 2 H2O
假设混合气是由甲烷和氧气混合而成，在混合气中，甲烷分子与氧分子的比例是1:2。假设，总共有1kg甲烷燃烧，将会产生50mJ（毫焦）的能量。如果想要深入研究的话，可以从消防燃烧学中获得相关信息。
CH4 + 2 O2 →CO2 + 2 H2O + energy
然而，这种反应本身是不会自行发生的。如果你打开家里厨房的天然气阀门，泄漏的天然气会和空气混合，但混合气不会自行起火燃烧，因为需要点火能。氧气和天然气的温度大约在20°C左右，点火能量会使温度升高到一个特定值，在对应的温度下才开始发生反应，这个对应的温度称为燃点。
两种气体的初始温度越高，所需的点火能量就越低。换言之，在冬天室外零下20°C点燃混合气体，比在夏天室外30°C，需要更多的点火能量。毕竟，在冬天混合气体需要额外加热50°C。这一点很重要，因为火场产生的可燃烟气，在温度上也有极大的不同。烟气的温度越高，点燃烟气所需的能量就越少，这种能量称为活化能（AE）。
在化学反应过程中产生的能量，会使反应产物的温度高于初始反应气体的初始温度。甲烷中所含的化学能已转化为热能。事实上，在反应过程中能量释放比能量产生的表述更为准确。因为在反应过程发生之前，能量是被储存在甲烷气体中的。通常，我们简单地说，能量产生了。本文中也使用了这一措辞。
释放出的能量分布在反应产物二氧化碳和水中。当混合气体中某处着火时，就会产生热量。这种热量会扩散到邻近的分子上，并作为邻近分子的活化能。这将引起链锁反应。火焰会在混合气体中蔓延（见图1和图2）。高温烟气流到哪里，火就烧到哪里。
图3 煤气和空气的混合气燃烧情况
甲烷在纯氧中进行理想状态燃烧的示意图。这两种物质（甲烷和氧气）大 约在室温（20℃）左右。加入一定的活化能，反应开始。反应产物被加热到最终温度。（Karel Lambert绘制）
可以通过图示说明这一点。图3纵轴上显示温度。初始气体甲烷和氧气用蓝色表示。在这种特定的情况下，初始物质的温度为20°C，这也是反应的初始温度。蓝色矩形的区域代表了两种气体中储存的能量。这意味着X轴不代表能量。能量大小用面积表示。X轴虚线的左侧是初始反应物，虚线右侧是反应产物。
如上所述，气体要燃烧，需要在混合气中加入一定量的活化能。为此，我们需要点火源。这可以是一个火花，一个火柴，一个受热的表面，……需要添加的能量，就是上图中的橙色矩形。
只有在初始的物质达到一定温度后，增加能量才会发生反应。这个最低温度就是燃点Ti。反应本身用黑色虚线表示。再次重申一下，虚线的左侧是初始反应物，右侧是反应产物。在反应过程中，产生了大量的能量。产生的能量加热了反应产物。图3显示产物二氧化碳和水的温度比初始温度高得多。反应产物的温度在图上用T1表示。
反应产生的能量用红色矩形的表面积表示。这是燃烧过程产生的热能。需要指出的是，纵轴不是按真实比例绘制的。如果红色矩形按真实大小绘制，它将是几米高，而不是现在所绘的几厘米。这意味着后面所有的插图显示的反应产物温度远远低于实际温度。
CH4 + 2 02 + 7.52 N2 → C02 + 2 H20 + 7.52 N2 + energy
图4 甲烷在空气中燃烧的理想状态
不参与燃烧过程的氮气用绿色矩形表示。虚线右侧的反应产物温度比上一张图的温度低。虚线右侧红色和绿色矩形的面积之和代表热能。（Karel Lambert绘制）
这个反应的示意图也发生了变化。在两种物质发生化学反应后，增加了一个额外的元素。图4中，两个绿色矩形表示氮气。燃烧发生之前氮气就存在，即使不参与化学反应，它仍然需要被加热到Ti。
毕竟，自然界中万物几乎都努力保持温度平衡。如果我们想点燃混合气体（或者说：如果我们想把混合气体加热到燃点），那么我们就必须比在纯氧气和甲烷的混合气体中添加更多的能量（因为还有一部分能量是加热氮气的）。这一点在图中表示的很清楚。
橙色矩形区域的面积大幅度增加。甲烷在空气中燃烧，比甲烷在纯氧中燃烧，需要更多的点火能。
甲烷在空气中燃烧，和甲烷在纯氧中燃烧相比，燃烧的结果也不同。甲烷在空气中燃烧，氮气不参与化学反应，反应后还存在。反应产物是二氧化碳、水和氮气的混合物。燃烧产生的热量与之前的情况完全相同。因为，燃烧的甲烷的量是相等。但是，现在产生的热量分布在三种不同的物质中，其中氮气会吸收大量的热量，如图4所示。反应产物最终温度T2低于图3中的 T1。图4中，红色矩形和绿色矩形的面积之和，等于图3中红色矩形的面积，这在图上可以清楚地看到。
CH4 + 3 02 + 11.28 N2 → C02 + 2 H20 + 11.28 N2 + 02 + energy
除了多余的氧气，混合物中还有多余的氮气。在混合气体中，氧气分子和氮气分子的比例是1：3.76。这意味着，现在混合气体中有11.28个氮气分子。反应会再次发生变化。
在反应产物中，现在我们可以看到过量的氧气分子。反应图形进一步改变。
图5 甲烷在过剩空气中燃烧
紫色矩形代表过剩的氧气。绿色矩形比前一张图更宽了。在虚线右侧，反应产物的最终温度，比前一张图更低，反应产物一侧的所有矩形面积之和等于燃烧所产生的热能。（Karel Lambert绘制）
图5中虚线的左侧是初始气体。实际参与燃烧反应的甲烷和氧气的量仍然用蓝色矩形表示，氮气用绿色矩形表示。
但是，氮气的量增加了，因此绿色矩形现在变宽了。紫色矩形表示过量的氧气分子。现在我们要讨论一下可燃气体浓度低的情况，可燃气体比理想燃烧状态下的可燃气体量要少。橙色矩形的尺寸再次增大。因为所有的初始物质都必须加热到Ti，其中包括不参与化学反应的氧气。
在图5虚线的右侧，是反应的最终产物。与前面的图一样，红色矩形仍然表示燃烧产物。同样，不参与反应过程的氮气和氧气仍然分别用绿色矩形和紫色矩形表示。反应产生的能量与前面理想状态下燃烧产生的能量相等。
图3中红色矩形的面积大小等于图5中红色、绿色和紫色矩形的面积之和。如果对图3—图5进行比较，可以明显看出，需要加热的元素越多，反应产物的最终温度会越低，即T3 < T2 < T1。
反应产物的高温，这时就成了周围可燃气体的点火能量。这意味着反应产物会向它们周围的气体提供点火能量。图3—图5显示，每一次需要的点火能量（AE）都在递增。但同时也可以看出，燃烧产物的温度在递降 (T3 < T2 < T1)。
在某个点，由于氧气（和氮气）过多，反应产物的温度，不足以点燃周围的可燃气体，可燃气体将不能燃烧。这时空气量远远多于可燃气体的混合气体就达到了爆炸下限或燃烧下限。
在图5中，如果加入过量的甲烷代替过量的氧气。反应结果将是甲烷过量剩余，而氧气消耗光了。同时，氮气的量保持不变。过量的甲烷会被反应产生的能量加热。另外，因为有更多的甲烷存在，这一反应过程将需要更多的点火能。
过量的甲烷不会燃烧，但会吸收反应产生的能量。这将导致反应产物的总温度降低。在某个点，混合气体中的甲烷量远远多于空气量，不能发生燃烧。这一点就是爆炸上限或燃烧上限。
爆炸极限用体积百分数表示。爆炸下限（LEL）表示，形成可以发生燃烧的混合气体中可燃气体的最低浓度。爆炸上限（UEL）表示，形成可以发生燃烧的混合气体中可燃气体的最高浓度。
物质 | LEL or LFL (Vol %) | UEL or UFL (Vol %) |
氢气 | 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 |