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燃燒科技:燃燒火焰知多少

從搖曳生姿的蠟燭擴散火焰,了解薄薄一片的火焰,體會「燃燒自己照亮別人」的真義;從動態平衡的瓦斯爐預混火焰,了解會跑、有燃燒速度的火焰波,體會媽媽烹煮食物的危險。
 
 
 
燃燒現象就是以火焰呈現出來的燃料和氧化物在適當環境下產生的放熱化學反應。其所產生的光和熱可以轉換成動力或作為熱源;而排放物則以二氧化碳和水為主,通常伴隨著少量的氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳和固體微粒。顯然地,燃燒火焰直接或間接地影響了人類文明的進步和生態環境的變遷。

正常的火焰存在於氣體狀態,燃燒化學反應的兩個要角–燃料分子和氧化物(通常是氧氣)分子,藉著質量輸送而相互碰撞,假如碰撞的動能夠大,超過了化學反應所需的活化能,便可促成燃燒化學反應的進行。

燃燒化學反應並非一次即成,而是經由各種中間產物彼此間,或與燃料分子、氧化物分子間的多次相互碰撞,進行多次中間化學反應,最後生成穩定的排放物並釋放出化學能。因此,它是一個多步驟的化學反應。於此,我們將以蠟燭擴散火焰和瓦斯爐預混火焰為例,來介紹常見的燃燒火焰。

蠟燭擴散火焰

在停電的颱風夜,搖曳生姿的燭火幻影中,許多人都曾有促膝傾談的溫馨經驗;「蠟炬成灰淚始乾」、「燃燒自己照亮別人」,常成為蠟燭火焰的感性詮釋。或許,從另一個角度的科學描述,會使大家更深入地認識蠟燭火焰,也帶給大家不一樣的體會。

蠟燭的化學組成是石蠟,基本上是固態的碳氫化合物,碳氫化合物是大自然中最主要的燃料,煤炭、石油和天然氣皆由碳氫化合物所組成。碳氫化合物中的碳原子、氫原子,經由燃燒過程和氧原子結合,而分別形成二氧化碳和水,此即燃燒火焰的排放物。

我們稱蠟燭火焰為典型的擴散火焰,因其燃燒現象完全由氣體分子的擴散行為來主導,蠟油分子和氧氣分子分別由燭芯和外界擴散進入火焰面燃燒,而燃燒產生的二氧化碳和水分子,則由火焰面往內或往外將質量和能量擴散出去。

蠟燭擴散火焰在靜止環境中非常穩定,但是外在輕微的氣流很容易干擾燭火,形成火焰面不規則的擺動,於是我們看見燭火搖曳生姿。如果大風一吹,吹散了原先預期在火焰面和氧氣分子相見的蠟油分子,阻斷了後續的燃燒化學反應,燭火就滅了。氣流中的燭火擺動或熄滅現象,表現出巨觀的整體對流對微觀的分子擴散行為的影響。

基本上,體積大的分子不易擴散,而且分子不易在對流流動強的環境中擴散,就好像我們不易通過車水馬龍的街道一樣,車流快就不易找到空隙鑽過去。因此,外在氣流增強會抑制蠟油分子和氧氣分子擴散到火焰面燃燒,甚至阻絕而導致燭火熄滅。

蠟油分子和氧氣分子的燃燒是多步驟化學反應,似乎應該很慢,其實不然。因它是高活化能的連鎖化學反應,反應時間極短,幾乎瞬間完成,從空間尺度來看,燃燒只需要微小的區間就可以完成。從燭芯往外擴散的蠟油分子和從四面八方往內擴散的氧氣分子,它們碰撞和燃燒的區間形成一立體錐面,因此呈現出來的火焰形態是一接近錐形的火焰面。

蠟燭擴散火焰面的厚度約一公厘左右,火焰面的氣體溫度可達攝氏1,200度以上,我們稱之為火焰溫度;但是稍微離開火焰面兩三公厘,亦即離開正在釋放化學能的化學反應區,氣體溫度可能陡降至攝氏200度,甚至更低。拿一根細鐵絲伸過蠟燭火焰,我們可以看見接觸火焰面的鐵絲部分被燒紅,燭火內部燭芯處的鐵絲並沒有被燒紅,這就是錐形火焰面的證明。兒時常用手指迅速通過蠟燭火焰來表現自己的勇敢,其實手指快速劃過薄薄的火焰面,雖然火焰溫度高,但是手指和它的接觸時間極短,是不會被燙到的,這也是錐形火焰面的另類證明。

蠟燭是高碳的碳氫化合物,含碳量高,當蠟油分子靠近火焰面進行多步驟化學反應時,蠟油分子因吸熱而切斷化學鍵,產生大量的碳原子,部分碳原子在火焰面和氧原子結合成為二氧化碳或一氧化碳,其他尚未反應的碳原子因為量多,可能相互碰撞而結合成為碳微粒。

常溫下的碳微粒是黑色的,但是靠近火焰面高溫狀態的碳微粒則呈現明亮的黃色,因此蠟燭擴散火焰的顏色通常是黃色的,顯示火焰面附近聚集許多未燃的碳微粒。富含碳微粒的黃色火焰,也表現出強烈的輻射熱傳,所以我們可以在較遠的距離便感受到燭火的溫暖。壁爐內燃燒木頭所產生的黃色火焰,類似蠟燭火焰,富含碳微粒且輻射熱傳強烈,因此可以帶來整個房間的溫暖。

擴散火焰的工業應用

擴散火焰的燃燒結構被廣泛地應用在工業製程上,而一般工業加熱爐的噴流擴散火焰,可用簡易的同心管燃燒器來說明。燃燒器內管噴出氣態燃料,如天然瓦斯或液化石油氣,而外管則供應空氣;內管高速噴出的燃料具有強大的整體對流特性,將燃料帶離噴口並延伸相當距離成為一燃料噴流,噴流中的燃料分子往外擴散,而外環同向流動空氣中的氧氣分子則向內擴散,兩者碰撞並進行化學反應,形成噴流擴散火焰。

蠟燭擴散火焰由分子擴散行為來主控,但是噴流擴散火焰除了分子擴散行為外,整體對流流動也扮演了非常重要的角色。因此,由於對流的作用,噴流擴散火焰的長度可以百倍、千倍於蠟燭擴散火焰的長度。一般而言,低速流體具有分層流動特性,通常稱之為層流;高速流體的流動行為混亂,主要是由渦漩群所組成,通常稱之為紊流。層流狀態下的噴流擴散火焰具有整體性的火焰面形態,焰色為黃色且輻射熱傳強烈,火焰長度隨著噴流出口流速的增加而增加;至於紊流狀態下的噴流擴散火焰呈現局部性的火焰微片組合,由於紊流混合效果良好,焰色偏向藍色,火焰長度隨著噴口口徑的增加而增加。

許多工業製程燃燒液態燃料如柴油、重油,其燃燒器中心噴出液態燃料而外圍仍然供應空氣。液態燃料有別於氣態燃料,它必須經過蒸發過程才能繼續進行燃燒化學反應,就好像蠟油需要氣化成氣體的蠟油分子一樣。因此,液態燃料的燃燒過程,首先需利用流體壓力或流體混合方式將其碎化成霧狀液滴群,霧狀液滴群是由大大小小的液滴所組成,很像園藝用的水霧器所產生的錐狀水霧,可以是實心噴霧也可以是中空噴霧。霧狀液滴群增加液態燃料的總表面積,促進其蒸發能力,進而達成迅速完全燃燒。

油蒸氣需先有蒸發過程再往外擴散,其質量傳輸能力比不上純氣體氧氣分子,所以噴霧火焰通常緊貼著油霧錐面。顯然地,液態燃料需要碎化及蒸發過程來產生油蒸氣,而其所建構的噴霧火焰則具有擴散火焰的基本特性。

回顧前述各類燃料的燃燒機制,它們需要經過熔融或碎化、蒸發、擴散混合、化學反應等各項過程,最後才能將化學能釋放出來,進而發光和生熱。而在此時,它們也失去了原先的本質,成了二氧化碳和水。蠟燭不經歷熔化和蒸發的物理變化,無法發光和生熱,蠟燭不破碎自己成為二氧化碳和水的化學變化,也無法發光和生熱。燭光中我們可以更深入地體會「燃燒自己照亮別人」這一句話,燃燒自己意味著不是犧牲而是質變,唯有常常尋求改變、提升自我的生命,才能真正的發光和生熱。

瓦斯爐預混火焰

有別於前述的蠟燭擴散火焰,瓦斯爐預混火焰是具有動態行為的燃燒現象,我們取環狀瓦斯爐火焰中個別的小預混火焰,以本生燈火焰來加以闡述其燃燒特性。

顧名思義,預混火焰代表著燃料分子和氧化物分子必須在燃燒反應之前預先混合,因此兩者同時存在並均勻混合於預混火焰上游。反之,擴散火焰藉著火焰面本身將燃料和氧化物隔開,兩類分子只有在火焰面彼此相遇、碰撞而進行燃燒反應。

外界空氣被吸入並且和燃料均勻混合,主要肇因於燃料流的對流流動形成局部壓力低於外界大氣壓力所致。對流流動強的流體迫使所有流體分子同向前進,減少四面八方的分子碰撞運動,進而減少流體本身的壓力。至於外界靜止不動的流體分子,依然維持四面八方的碰撞運動,造成靜止流體壓力大於對流流體壓力。因此,靜止流體中四面八方碰撞的流體分子很容易被吸入或撞入對流流體,均勻混合,並且和對流流體分子同向前進。延續前述車水馬龍街道的例子來進一步說明,我們不易在車流快時找到空隙鑽過去,而且在尋隙鑽動的過程中,我們往往陷入車流,隨波逐流,跟著車流往前移動,當我們到達對面街道時,已經遠離原先所欲跨越的位置了。

全然關閉空氣吸入口,會限制外界空氣的吸入和混合,本生燈管口所呈現的是黃色的噴流擴散火焰。將空氣吸入口從密閉逐漸調開,藉以提高空氣吸入量,我們發現本生燈火焰會由黃色轉變成藍色,搖曳擺動的擴散火焰特性逐漸消失,藍色火焰變得穩定,而且火焰長度逐漸縮短,接著形成雙層藍色火焰。

預混火焰的可燃極限

一般而言,預混火焰的燃燒反應被限制在可燃極限範圍內,亦即燃料和氧化物混合比如果高於富燃料上限,代表燃料過多,或低於貧燃料下限,代表燃料太少,皆無法形成預混火焰。最佳的燃燒化學反應是把燃料和氧化物通通燒光,轉變成二氧化碳和水,此時的燃料和氧化物混合比稱之為化學計量比,意味著燃燒反應中反應物(燃料和氧化物)和生成物(二氧化碳和水)間的質量平衡。

燃料超過富燃料上限,過多的燃料在燃燒反應中會同時吸熱切斷化學鍵,但卻無法找到足夠的氧化物以形成穩定的生成物且放出燃燒熱,因此造成內部能量耗損。少量的氧化物和相匹配的燃料完成反應所釋放出的燃燒熱,無法勝過過多燃料的能量耗損,進而導致燃燒化學反應無法持續進行,就沒有預混火焰的存在。同理,低於貧燃料下限,燃料太少且氧化物過多,也不可能形成預混火焰。

常見的甲烷和空氣預混火焰,以甲烷所占體積百分比而言,其化學計量比為9.5%,而富燃料上限和貧燃料下限則分別為15%和5%。由此可見,調開空氣吸入口以提高空氣吸入量,是逐漸地降低本生燈管內預混氣的燃料混合比,使其逼近富燃料上限,當燃料混合比進入可燃極限範圍內,預混火焰就形成了,例如14%或12%甲烷的噴流火焰。此時,本生燈口出現雙層藍色火焰,內層是富燃料預混火焰,而富燃料預混火焰燃燒反應所賸餘的燃料分子繼續往下游流動,再和外界大氣中的氧氣分子建立外層的擴散火焰。如果外界環境中沒有氧化物,就沒有外層擴散火焰,本生燈口只有富燃料預混火焰而已。針對本生燈雙層火焰而言,由於外層擴散火焰的幫助,內層富燃料預混火焰可以在略高於富燃料上限時存在,如16%甲烷噴流火焰。由此得知,預混火焰的可燃極限可能由於外在影響而放寬或縮小。

增加預混空氣量會使本生燈火焰的燃料側擁有較多的氧原子,促進碳原子氧化成為二氧化碳或一氧化碳,進而抑制碳原子結合成為碳微粒,因此火焰焰色由黃色轉變成藍色。雖然預混空氣可以抑制碳微粒形成,但對於在富燃料狀態的高碳燃料而言,碳原子過多而氧原子依然不足,其抑制效果有限,因此高碳燃料的富燃料預混火焰通常呈現黃色。一般而言,丙烷以上的氣態燃料,其富燃料預混火焰多為黃色,而甲烷富燃料預混火焰則為藍色。

前述擴散火焰強調黃色火焰的輻射熱傳強,可以提升加熱效果。因此,餐廳爐火常使用黃色預混火焰,特別是大火快炒的烹調方式,如台南有名的鱔魚麵。但是,家庭烹調所使用的瓦斯爐火,我們習慣上會適當地調整混合空氣量,使其呈現藍色,主要是避免黃色火焰的碳微粒接觸鍋具,進而粘黏於鍋具底部,造成清洗鍋具的困難。

另外值得注意的是,黃色火焰除了碳微粒多外,不完全燃燒的一氧化碳也多,為了健康著想,家中爐火應避免使用黃色火焰。話說回來,藍色火焰也有它的嚴重缺陷,它通常代表燃燒完全,局部溫度高,因而較易產生一氧化氮,當然也影響人體健康。最好的解決方法是,烹調時一定要啟動排油煙機,而且要採用鐵板燒所使用的側吸方式。

預混火焰傳播速度

本生燈口噴出的燃料和空氣預混流,在沒有燃燒化學反應的情況下,流體黏滯性效應使噴流流速隨著離開管口距離的增加而降低。一般噴流在管口附近會有一個沒有黏滯性效應的勢流錐,勢流錐內部噴流的流速和噴流出口流速一樣,但是超出勢流錐外,噴流會往外擴張,其流速也隨之往外遞減,越遠離管口流速越小。

關於噴流擴散火焰,或關閉空氣吸入口的本生燈火焰,燃料隨著噴流動量帶離管口至遠處,並往外擴散與外界氧化物燃燒反應,擴散火焰通常形成於對流流動微弱的區域,因此,火焰長度長且易受外在干擾而搖曳擺動。本生燈雙層火焰的外層擴散火焰,因為內層富燃料預混火焰所賸餘的燃料少,擴散能力弱,外界氧化物因而得以擴散進入噴流內部,在內層預混火焰的伴隨下,存活於對流流動稍強處,所以火焰長度較短且穩定。當然,此時的內層富燃料預混火焰是滯留在對流流動較強處,通常靠近勢流錐或在勢流錐內部,顯示預混火焰的動態平衡特性。亦即預混火焰的傳播速度和流體流速相互平衡的位置,就是預混火焰面的滯留位置。

預混火焰的火焰傳播速度代表著預混火焰的動態行為。我們試想,在靜止的燃料和空氣預混流場中,一片點燃的預混火焰面,往四面八方掃過去,就好像一顆石頭丟進靜止的水塘,一片漣漪往四面八方傳遞出去一樣。顯然地,預混火焰面具有類似水波的動態行為,我們常稱之為火焰波。火焰波的傳遞速度就是火焰傳播速度,通常是等速的,其大小主要取決於預混氣的混合比,通常火焰溫度高就代表火焰傳播速度快。常見氣態燃料的預混火焰傳播速度,在層流狀態時約為1公尺/秒,而紊流狀態時可達10公尺/秒以上。預混火焰面和擴散火焰面一樣,火焰面溫度高,熱量往上游傳遞,促使新鮮預混氣的燃料和氧化物化學分解,而分解所得的中間型分子擴散進入火焰面而燃燒,因此火焰面出現往上游移動的特性,是為火焰波。當然,也顯示出預混火焰吃掉新鮮預混氣的能力。

試想一隻會吃肉包子的狗,它每秒可以吃五個包子,我們若沿著直線擺著許多包子,這隻狗會以每秒吃五個包子的速度直線跑下去,這隻等速往前移動吃包子的狗代表著火焰波的動態行為。我們若進一步期望狗能停在固定位置不動,就必須源源不斷供應包子給狗吃,而且是每秒丟五個包子給狗吃,這就是火焰波的動態平衡,亦即,新鮮預混氣流向火焰面的流速(丟包子的速度)必須和火焰的傳播速度(狗吃包子的速度)相等。由此可見,本生燈內層預混火焰的滯留位置,其流體流速必須和火焰傳播速度達到動態平衡。

再繼續思考狗吃包子的問題,當我們供應包子的速度超過狗吃包子的速度,這隻狗將吃不消而往後退,以減緩承受包子的時間。反之,丟包子的速度太慢,吃不到包子的狗會往前移,期望儘快吃到包子。當流體流速大於火焰傳播速度時,就好像狗因吃不消而往後退的情形,預混火焰面會往流場下游的低速區移動,過大的流速最後將預混火焰面推離流場而消失,這就是預混火焰的吹離現象,瓦斯爐的浮火是常見的實例。

反向思考,當流體流速小於火焰傳播速度時,預混火焰面就像吃不到包子的狗會往流場上游的高速區移動,流速太小,預混火焰面將燒進去噴口,這就是預混火焰的回火現象。我們關閉瓦斯爐火時,瞬間切斷瓦斯供應源,使得瓦斯爐開關和爐面間的瓦斯失去流動特性,瓦斯爐火因此產生回火,火焰焠擊在瓦斯爐面產生音爆。通常瓦斯爐面的噴口很小,可以熄滅回燒的火焰。

最後,略加說明火焰的焰色。前面提及的黃色火焰肇因於火焰高溫區中存有大量的碳顆粒,至於藍色火焰的火焰高溫區擁有較多的中間型分子,如一氧化碳分子、氫氧及碳氫自由基等,因而表現出藍色偏紫的顏色。火災現場常見的紅色火焰則代表火焰高溫區存在大量的水分子,因而呈現紅色。 □
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