这是为什么呢？这是因为天然气灶中的甲烷火焰与化学实验中的甲烷火焰具有不同的燃烧方式。
天然气灶中的甲烷火焰的燃烧方式称为预混燃烧（preximed combustion）。如图4是天然气灶的原理图，而图5是相应的实物。从供气管网送来的甲烷，从喷嘴喷入引射管，由于喷嘴的孔径较小，因此具有较高的喷射速度，从而形成引射效应，使得一定量的空气被吸入引射管。这些空气和甲烷混合之后，形成预混气体。所谓预混气体，就是指可燃气体和空气或者氧气的混合物。最后，这些预混气体从火盖的小孔喷出，形成火焰。调风板的作用是调节进入引射管的空气的流量。之所以叫做“预混燃烧”，就是因为在燃烧之前，甲烷已经和空气充分混合，形成了预混气体。
图4 天然气灶原理
图5 与图4相应的实物
图6是天然气灶火焰的局部放大照片甲烷燃烧现象，从图中可以清楚地看出从火盖的每一个小孔喷出的钝头锥形的预混火焰。
图6 天然气灶火焰局部放大
图7是这种预混火焰的结构示意图。预混火焰是气流中的一个钝头锥形的薄层，在薄层中发生激烈的化学反应。预混火焰的蓝绿色可见光辐射正是这个薄层中的C2原子团和CH原子团受激发而发出的。如果假定气流速度为零，则化学反应释放出来的热量通过热传导将下方的预混气体加热到着火点后，化学反应区便会向下移动。但是，真实的情况是，气流有着向上的流动速度，这个速度与化学反应区向下传播的速度恰好抵消，于是火焰得以稳定在一个固定的位置。
图7 从小孔喷出的预混火焰的结构。
下面我们再来看化学实验中的甲烷火焰（即前面图3中的火焰）。这里，集气瓶中的气体不含空气，只含有甲烷。当打开瓶盖并点燃时，瓶子里面的甲烷由于浮力作用往上流动，与周围的空气一边混合一边燃烧。所以，对于这个火焰来说，其燃烧过程属于扩散燃烧（diffusion combustion）。所谓扩散燃烧，是指在燃烧之前，燃料和氧化剂并不混合；燃料和氧化剂是在燃烧过程中一边混合一边燃烧的。
图8是这种甲烷扩散火焰的结构示意图。可以看出，一股甲烷射流从瓶口往上流动，在甲烷射流与周围的空气的接触面上，发生化学反应（即图中的“火焰区”），而化学反应的产物则同时向射流内部和外界空间扩散。在火焰区的内部，只存在燃料和燃烧产物，不存在氧化剂；而在火焰区的外部，则只存在氧化剂和燃烧产物，不存在燃料。从图8右侧的各种物质的浓度分布曲线，容易看出上述的规律。
图8 甲烷扩散火焰的结构
为什么这种燃烧方式会产生黄色的火焰呢？原来，在火焰区内侧，由于只存在燃料和燃烧产物，不存在氧化剂，因此，在靠近火焰区的一个薄层里面，甲烷就会在没有氧化剂的条件下受热分解产生固体碳颗粒。图9是碳颗粒区域的示意图。我们所看到的“黄色火焰”，其实是高温的碳颗粒发出的可见光辐射。这种可见光辐射本质上是高温的碳颗粒发出的热辐射的一部分，其性质与高温的钢水发出的光芒（图10）是一样的。蜡烛的火焰发出的光（图11）也是这个原因而产生的。
图9 甲烷扩散火焰中的碳颗粒区域。
图10 高温的钢水发出的光芒
图11 蜡烛
由于甲烷中的碳含量不多（碳原子和氢原子数量之比为1:4），所以当上述的碳颗粒随着气流流动到火焰顶部时，由于那里的氧化剂比较充足，碳颗粒会被氧化掉（如图9中的“soot oxidation zone”）甲烷燃烧现象，因此甲烷的扩散燃烧过程并不产生黑烟。但是，对于含碳量较高的燃料，例如乙炔，在进行扩散燃烧时，由于碳颗粒不能被全部氧化，往往会产生黑烟（图12）。
图12 乙炔在进行扩散燃烧时产生大量黑烟。
admin
