火焰的顏色與燃燒

5 min readMar 18, 2018

第一篇在Medium的文章就獻給最愛的火焰吧（其實是從wordpress搬過來的），希望大家不棄嫌。因為本人喜歡玩火，也研究燃燒的科學，因此寫了這篇文章，若有任何的錯誤與疑問，還請不吝提出：）

黃色火焰

為什麼瓦斯爐的火焰與燃燒木材的火焰顏色不同呢？與媽聊過後才知道，以前的「灶腳」就是燒柴來煮飯，並且鍋子一定會黑掉。根據〈燃燒火焰知多少，林大惠〉，一般而言，黃色火焰如打火機、蠟燭、火柴、柴火…等，因燃料中的碳氫化合物與空氣中的氧氣產生熱化學反應，產生大量的碳粒子，而碳粒子本身的顏色為黑色，在火焰的高溫下則呈現明亮的黃色，顯示這些於火焰中的碳粒子並沒有被燃燒，但有很好的熱輻射，所以像是營火、燭火、壁爐的火焰均能帶來很好的熱輻射，也容易使空間溫暖。

黃色火焰中，部分碳原子於火焰面會與氧分子反應而成二氧化碳，而其他沒有完全燃燒的碳原子，此時若遇到其他的物體，像是以前曾經拿根針在火焰消毒，針頭接近火焰面的部分會黑掉，應是這些未燃燒完全的碳粒子所附著到被燒物的表面上，才導致像是鍋底的焦黑。

這邊很重要的概念是，燃料燃燒是否完全，與氧氣混合（空氣）的程度有關，所產生得火焰稱之為「預混火焰」。黃色火焰的產生是屬於「貧燃料燃燒（Fuel-lean Combustion）」，可以想像成在空氣中，是以「較少的燃料」於大量的空氣中（氧）燃燒，如此雖可減少氮氧化物的生成，但也造成了煙道氣的熱損失，不利於節熱器或熱交換器的熱回收（環境科學大辭典），也會產生燃燒不完全的一氧化碳。另外，尤其是家中使用以天然瓦斯為燃料的熱水器，其正常的火焰為藍色，只有在通風不良、氧氣供給不足的情況下，火焰才會轉換為黃色而產生容易中毒的一氧化碳（淺談大樓建築物通風、瓦斯燃燒、一氧化碳中毒的關聯性）。但難道因燃燒不完全所產生的一氧化碳就真的沒有任何好處嗎？

藍色火焰

一氧化碳其實是可燃氣體，若能好好利用使其繼續燃燒，則能充分使用燃料的熱能，也不會產生有毒氣體。從反面看藍色火焰的生成方式，比起黃色火焰則稍微複雜，並可大致分為兩個階段。

首先，若燃料的供給大於空氣中所提供的氧氣所產生的預混火焰，當發生「燃料比空氣多」時，即燃料中的碳與氫無法完全氧化成二氧化碳及水，則會發生燃燒不完全的情況而產生氫氣與一氧化碳。之後，再給予足夠的空氣混合即可達到完全燃燒而產生藍色火焰。這樣的過程稱之為「富燃料燃燒（Fuel-Rich Combustion），「此為二階段燃燒法的第一階段，以較少的空氣量（因而燃燒溫度也較低）減少NOx的產量，將第一階段不完全燃燒的廢氣引入第二燃燒室，並補以充足的空氣進行貧燃料燃燒（即富氧燃燒），在低溫的條件下充份將CO及H2完全氧化（環境科學大辭典）」。

所以家用瓦斯爐若在正常情況下應是點火產生藍色火焰，其局部的溫度也比黃色火焰溫度還高，因碳分子幾乎轉換為二氧化碳至空氣中，所以不會產生鍋具底部焦黑之情形。

此外，不曉得這是否為瓦斯爐做為燃料發展的主要原因？

富燃料燃燒的兩階段容易混淆。起初若要產生CO與H2是給予限量的氧氣（貧氧）才能產生富燃料燃燒，某種程度可視為不完全燃燒，但之後要燃燒CO與H2則是提供與空氣均勻混合的條件，進行完全燃燒。換句話說，是先由「不完全燃燒」產生出可燃氣體（氫、一氧化碳、部分甲烷）之後，再進行「完全燃燒」而得到藍色的火焰，與黃色火焰的區別仍是在於「最後」燃料與空氣混合程度的多寡來判定。

木氣爐（wood gas stove）的火焰顏色

而上述所提到的「二階段燃燒法」，和木氣爐的「第二次燃燒」應是相同的概念（木材的氣化技術），理論上木氣爐產生的火焰應該要是藍色的，但一般市售的爐具只會燒出黃色的火焰。研究至此，不出所料，網路上確實可找到許多關於增進木氣爐效能所燃燒出的藍色火焰，將氫氣和一氧化碳與空氣混合均勻後燃燒，能夠產生更高溫的火焰。也就是說原本的木氣爐的燃燒效率在設計上仍是有改善空間的。

另外，就算使用瓦斯爐的熱炒店，因其大火快炒也會使鍋子底部焦黑，原因並不是因為大火的關係，推論是當火力調大時，燃料大量供給到空氣中，而來不及與空氣混合之下而燃燒出黃色火焰，大量的碳顆粒才會粘黏到鍋具上。