火焰的温度：一个复杂而关键的参数
当我们谈论火焰的温度时，很容易将其想象成一个单一的数值。然而，火焰的温度并非恒定不变，它是一个极其复杂且动态的参数，受到多种因素的影响，并在火焰内部呈现出显著的空间分布差异。理解这些因素、分布以及如何测量它，对于燃烧过程的控制、能源效率的提升以及安全至关重要。
决定火焰温度的关键因素
为什么不同的火焰温度差异巨大，有的能轻松熔化金属，有的却相对温和？这背后是一系列物理和化学过程相互作用的结果。
-
燃料与氧化剂的性质：
-
化学能释放：不同燃料在燃烧时释放的化学能不同。释放能量越多，理论上能达到的温度越高。例如，氢气和乙炔单位质量或体积燃烧释放的能量通常高于甲烷或丙烷。
-
燃烧产物的比热：燃烧产生的气体产物（如二氧化碳、水蒸气、氮气等）吸收了燃烧释放的能量。产物的总热容（比热与质量的乘积）越高，相同能量下温度升高就越少。这也是为什么用空气（含大量氮气）作氧化剂时，火焰温度远低于使用纯氧，因为氮气是惰性稀释剂，吸收热量且不参与主要反应。
-
-
混合比（化学当量比）：
-
燃料与氧化剂的比例对火焰温度有着决定性影响。理论上，在化学计量比附近（恰好提供完全燃烧所需氧化剂的比例），燃料能最充分地反应，释放最大量的热能。过富或过稀的混合气都会导致不完全燃烧或存在过量的未反应物/氧化剂（它们会吸收热量），从而降低火焰温度。
-
通常，最高温度出现在略微偏离化学计量比的区域，具体取决于扩散、混合速率和热损失等因素。
-
-
热损失：
-
实际火焰温度总是低于理论计算的绝热火焰温度（假设所有能量都用来升高燃烧产物的温度且无热损失）。这是因为火焰会通过辐射、对流和传导向周围环境和燃烧器部件散失热量。
-
火焰越大、越透明，或周围环境温度越低，热损失通常越大，实际温度也就越低。
-
-
预热：
-
如果燃料或氧化剂（通常是空气）在进入燃烧区域前被预热，它们本身就带入了额外的热能，这部分能量会叠加到燃烧释放的能量上，显著提高火焰温度。工业炉窑中常采用预热助燃空气的方式来提高燃烧效率和温度。
-
-
压力：
-
压力的升高通常会提高火焰温度，尽管影响机制比较复杂。高压会增加反应物浓度，提高反应速率，可能导致更快速的能量释放。同时，压力也会影响气体的热力学性质。
-
理解了这些因素，我们就能解释为什么富氧乙炔火焰能达到超过3000°C的高温（高能量燃料、纯氧、可调混合比），而蜡烛火焰温度较低（扩散火焰、空气氧化、较大热损失）。
火焰内部的温度分布
即使是同一个火焰，其内部不同位置的温度也相差很大。以常见的预混火焰（如本生灯的蓝色火焰）为例，其温度分布具有典型的特征：
-
内锥（Inner Cone）：这是未燃烧或部分反应的混合气区域，温度相对较低，通常在几百摄氏度。这里是反应物预热和分解的区域。
-
反应区/火焰锋面（Reaction Zone/Flame Front）：这是一个非常薄的区域，位于内锥的尖端和侧面。这里发生了主要的放热化学反应，是能量释放最集中的地方。因此，这里的温度迅速升高，达到火焰的最高温度，通常在1000°C到2000°C以上，具体取决于燃料和条件。本生灯最热的部分就在蓝色内锥尖端上方不远处。
-
外焰/羽流区（Outer Mantle/Plume）：反应区外部是已燃烧产物与周围空气混合并进一步反应（如果是富燃火焰，这里的CO和H2会与空气中的氧气反应）的区域。这里的温度虽然比反应区高，但通常低于峰值温度，并且随着距离反应区越远，温度因与冷空气混合和热损失而逐渐降低。对于扩散火焰（如蜡烛），外部发光的黄色区域是富含未燃碳粒的区域，温度相对较低，而更热、不易见的反应区在其内部或底部。
这种空间分布使得测量火焰温度时必须明确测量点的位置，否则得出的数据没有可比性或实际意义。
如何测量火焰温度
在高温、高速流动且充满化学活性物质的火焰环境中准确测量温度是一项技术挑战。常用的测量方法包括：
接触式测量
-
热电偶（Thermocouples）：
热电偶基于塞贝克效应工作，原理简单，成本相对较低。在火焰温度测量中，通常使用耐高温的贵金属热电偶，如铂铑合金（Type R, S, B）。然而，将热电偶探头直接置于火焰中存在几个严重问题：
-
催化效应：热电偶表面可能催化火焰中的化学反应，改变局部反应速率和温度。
-
辐射误差：高温的热电偶会向较冷的环境辐射热量，同时从火焰气体接收辐射。由于辐射换热与温度的四次方相关，在高🔥🔥温度下辐射误差非常显著，使得测量值低于实际气体温度。
-
物理侵扰：探头会干扰火焰的流动和反应区域，改变火焰结构。
-
耐高温性：极高温度下热电偶材料本身可能熔化或快速氧化腐蚀。
为了减轻辐射误差，有时会使用“吸气式热电偶”（Suction Pyrometer），通过抽气将火焰气体高速流过一个屏蔽探头，减少探头向外部的辐射损失，使其温度更接近气体温度。
-
非接触式测量
非接触式方法通过分析火焰发出的辐射来推断温度，避免了对火焰的物理干扰和催化效应。
-
光谱测量（Spectroscopic Methods）：
分析火焰发射或吸收的光谱。例如，通过测量某些原子或分子（如OH自由基、CH自由基等）的光谱线的强度分布或多普勒展宽，可以推断出火焰的激发温度或动力学温度。常用的技术包括：
-
发射光谱法：测量火焰自发发射的光谱。
-
吸收光谱法：测量光束穿过火焰后被吸收的光谱。宽带或扫描波长下的吸收谱可以用来计算温度。
-
激光诱导荧光（LIF）：用激光激发火焰中的特定物质，测量其荧光发射谱。这是一种强大的诊断工具，可以进行空间分辨测量。
-
拉曼散射光谱（Raman Scattering Spectroscopy）：利用拉曼散射原理测量火焰中分子的振动/转动能级分布，从而推断温度。
这些方法通常需要复杂的设备和专业的分析，但能提供高精度和非侵扰性的测量结果。
-
-
辐射测温法（Pyrometry）：
基于普朗克辐射定律，通过测量火焰在特定波长范围内的热辐射强度来确定温度。常见的有：
-
单色高温计：测量一个窄波长范围内的辐射强度，适用于测量具有连续或已知发射率谱的火焰（如富含碳粒的黄色火焰）。
-
双色高温计：测量两个不同波长下的辐射强度之比。这种方法可以部分消除发射率不确定性的影响，因为它假设火焰在这两个波长下的发射率之比是常数（通常假设发射率相同）。双色高温计对于测量扩散火焰中的碳粒温度非常有用。
需要注意的是，辐射测温法通常测量的是“亮度温度”或“辐射温度”，对于透明气体火焰，它测量的可能是发光物质（如中间产物）的激发温度，不一定完全等同于气体的动力学温度。对于含有固体颗粒（如烟尘）的火焰，它更接近于颗粒的真实温度。
-
火焰温度的调控与应用示例
既然火焰温度受多种因素影响，我们也可以通过控制这些因素来调节火焰的温度，以满足不同的应用需求。
-
提高温度：使用高能燃料、纯氧或富氧空气、优化混合比至略偏富燃侧、预热燃料或氧化剂、采用保温措施减少热损失。
-
降低温度：使用低能燃料、向反应物中添加惰性气体（如氮气、水蒸气——这被称为稀释）、使用过量空气（过稀燃烧）、增强散热。
这些调控手段在工业生产中有着广泛应用：
-
高温应用：金属焊接（乙炔-氧）、切割、熔炼炉、玻璃制造、水泥烧制、燃气轮机和火箭发动机（追求极高温度以提高效率和推力）。
-
中低温应用：家用燃气灶、锅炉、干燥设备、某些化工合成反应（需要精确控制温度）。
总之，火焰温度是一个多维度、动态变化的参数，受到燃料性质、氧化剂、混合比、热损失、压力等众多因素的综合影响，并在火焰内部呈现出复杂的空间分布。对其准确理解和测量，以及掌握其调控方法，是有效利用燃烧能量、优化工业过程、减少排放和保障安全的关键。
