有趣的“贯穿式”燃烧

人类社会发展经历了不同阶段，不同的阶段有着不同的文明标志，而燃烧技术是文明发展的最有代表性的标志之一。

在石器时代，人类用火驱赶猛兽，用火抵御严冷，为了生存从保护火种到钻木取火，化被动为主动；在青铜/铁器时代，火是人类用以制造各种物质财富和精神产品的重要工具和基础性能源，人类驾驭火的能力逐步提高，逐渐把握了铜及各种冶炼铜合金的技术；在蒸汽时代，以煤炭为代表的科学技术发明了浩大的生产力，人类为了高效生产和生活便利，利用燃烧产生气械能驱动蒸汽机，为火车、轮船提供了原动力；在电气时代，火的使用使社会生产力发展再次实现重大飞跃，燃烧产生的电能为人类提供了一种传输和掌握能量最理想的方式；到了信息时代，尽管信息技术、空间技术等新兴领域快速发展，但人类的基本生产生活仍与燃烧亲昵相关，燃烧所能使用的领域领域变得更加广泛，例如在空间技术领域中，利用燃烧可以进行地球以外的探索活动；而未来，随着时代不断进取和社会蓬勃发展，燃烧也会陆续扮演着不可或缺的角色，燃烧技术也会在“双碳”背景下不断突破。

鉴于燃烧对于各行各业的重要性，本文将为大家分享一种有趣的燃烧现象：“贯穿式”燃烧。

人类社会不同阶段的燃烧

为了演示出“贯穿式”燃烧现象，我们仅需要几克煤和一个简单的反应器。首先把煤颗粒加进到底部带有多孔板（作用是使通进的氧气均匀分布）的反应器内部，其次在反应器的多孔板下方通进氧气，最后将一个煤颗粒点燃并将其放置在燃料层顶部。这样，我们便可以看察到“贯穿式”燃烧现象。

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贯穿式燃烧步骤

贯穿式燃烧动态过程

视频中展示了加速20倍后的“贯穿式”燃烧过程，可以看到，燃料层一旦被点燃，便会形成一个水平的燃烧锋面，由上至下稳定连续地传播。在这个过程中，燃料床层没有明显转变。当燃烧锋面传播至燃料层底端时便不再移动。但是，在没有任何参数转变的前提下，此时燃烧区会变得十分明亮，燃烧强度增加。此外，在整个过程中，反应器出口始终存在火焰。

为了更好地分析“贯穿式”燃烧现象，我们可以将其分为三点，第一，火焰向下传播，第二，火焰静止在燃料层底部，第三，反应器出口始终存在火焰。对于如此神异的燃烧现象，我们势必会产生很多疑问：比如，对于第一个现象，火焰为什么会传播？燃烧后，为什么仍残留大量燃料？对于第二个现象，火焰为什么又会静止？燃烧为什么会突然变强？对于第三个现象，为什么会出现火炬？火焰向下传播阶段中出现的火炬和火焰静止阶段中出现的火炬是否有差异？带着这些疑问，接下来我们将和大家一起，对这个燃烧过程进行剖析。

贯穿式燃烧的三大现象

早在初中的化学课上，我们便学习了燃烧的三要素，他们分别是可燃物、助燃物和一定的温度。只有当它们同时存在并且互相发生作用时，燃烧才有可能发生，缺少其中的任一要素，燃烧便不能发生。当然，除了“质”方面（必要条件）的条件外，还需要有“量”方面（足够条件）的保证。在某些情状下，如可燃物的数量不够，氧化剂不足，或点火源的能量不够大，燃烧也不能发生。因此，燃烧还应具备一定数量的可燃物、足够浓度的氧化剂和一定能量的点火源。在这里，燃烧三要素将成为我们剖析贯穿式燃烧的突破点。

燃烧三要素

首先对于火焰传播过程，我们可以得到温度、氧气和燃料沿反应器高度方向上的分布情状。显然，在燃烧区，这三个要素是同时存在的。在燃烧区上部，同时存在燃料和温度，但是没有氧气。在燃烧区下部，同时存在氧气和燃料，但是温度很低，限制了燃烧的发生。尽管如此，热量仍会通过导热和辐射的方式从燃烧区向下传递，这是火焰向下传播的主要原因，其中火焰传播快慢也取决于热量的传递速率。这些特征使“贯穿式”燃烧与一种经典的燃烧现象——预混燃烧（燃料和氧化剂预先混合成均匀的混合气，预混合气进进燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混燃烧）极为类似。

预混燃烧

同理，我们也可以分析火焰静止在燃料层底部的燃烧现象。在燃烧区上部，由于氧气不足，燃烧受到了限制，而在燃烧区下部，由于燃料不足，燃烧受到了限制。此时燃烧火焰相对静止，燃料和氧气分别从两个对立的方向进进燃烧区，这与另一个经典的燃烧现象——扩散燃烧（燃料与空气未经预先混合，在分别送进燃烧设备后摘用边混合边燃烧的燃烧过程称为扩散燃烧）极为类似，只不过，燃烧区位置受到了反应器空间的限制。

扩散燃烧

同样，我们也可以分析反应器出口火炬出现的原因。当煤粉颗粒加热到一定温度时会释放CO、CH4、H2等可燃性气体，因此，可燃性气体流动至反应器出口处便被点燃，此时参与燃烧的燃料为气相燃料，而非固相燃料。在燃烧区上部，燃料逐渐耗尽，在燃烧区下部，氧气逐渐耗尽，这种燃烧现象同样也属于经典的扩散燃烧范畴。

典型扩散燃烧

在火焰向下传播和火焰相对静止这两个阶段中，气相燃料的来源是不同的，火炬自然也有差异。在第一个阶段，气相燃料是煤在加热过程中燃烧区内的有机质分解而析出的气体物质，被称作挥发分；而在第二个阶段，煤受热分解后的焦炭会在局部贫氧条件下与氧化剂接触发生一系列化学反应，我们称之为气化过程，气相燃料主要是该过程中产生的可燃性气体（主要为CO气体）。

气相燃料的产生来源

到这里，我们基本上已经对“贯穿式”燃烧有了一个初步的熟悉。其实，它远比我们想象的复杂。在不同的情形下，其他学者还把“贯穿式”燃烧定义为“对向”燃烧、“反向”燃烧、“异相”燃烧或“逆向”燃烧。相比之下，“贯穿式”燃烧反而是我们依据对它的最新熟悉而首次使用。改变燃烧三要素之间的相互关系，我们可以调控“贯穿式”燃烧的火焰状态，它既可以是一种燃烧强度很弱的阴燃，也可以是一种明亮的没有火焰的炽燃，还可以是一种强烈的有明显火焰的明火燃烧。

在不同的工业生产中，这种奇异的燃烧现象也发扬着它的作用。我们可以对燃料进行化学能向热能及电能的转化，也可以将固体燃料转变为气态化工原料，还可以对燃料分级分质，进行炭素材化利用。此外，研究“贯穿式”燃烧现象对于火灾的预防和扑救也具有重要的科学意义和现实意义。

贯穿式燃烧的不同火焰状态及使用

由此看来，“贯穿式”燃烧这把小小的火焰，却有着大大的作为！

作者：齐晓宾、丁鸿亮、李百航

来源：中国科学院工程热物理研究所

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