考试精华燃烧学重大版.docx

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考试精华燃烧学重大版

《燃烧学》

1、生成焓、反应焓和燃烧焓：

›当化学元素在化学反应中构成一种化合物时，根据热力学第一定律，化学能转变为热能（或者相反）。

转变中生成的能称之为化合物的生成焓。

化合物的构成元素（最稳定的单质）经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量

KJ/mol

v标准生成焓：

化合物的构成元素在标准状态下（298K,0.1MPa），经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。

在在特定的温度压力下（等温等压）进行的反应，反应物与产物具有相同的t,p，则产物与生成物间的焓值之差为该反应的反应焓。

v标准摩尔反应焓:

在标准压力、任何温度下，几种单质或化合物的相互反应生成产物时，发出或者吸收的热量称为该化学反应的标准摩尔反应焓。

标准反应生成焓用来表示。

燃烧焓为反应焓的特例，指单位质量的燃料（不含氧化剂）作等压燃烧反应时的反应焓。

2燃烧焓针对燃料（反应物）而言，生成焓则是针对化合物（产物）而言。

1发热量指的是燃料在等压或等容燃烧时所释放的热量，工程上用正值。

一般用kJ/kg，kJ/m3

发热量与燃烧焓数值相等，符号相反。

2、热力学平衡及化学平衡的概念

答：

1）热力学平衡的概念：

在没有外界影响的条件下，如果某个系统各部分的宏观性质（如系统的化学成分，各物质的量，系统的温度、压力、体积、密度等等）在长时间内不发生任何变化，则称该系统处于热力学平衡状态。

不受外界影响的任何系统，总是单向地趋向平衡状态。

2）化学平衡的概念：

化学平衡是指在宏观条件一定的可逆反应中，化学反应正逆反应速率相等，反应物和生成物各组分浓度不再改变的状态。

3、化学反应速率、质量作用定律及可逆反应的平衡常数

答：

1）化学反应速率：

就是化学反应进行的快慢程度，用单位时间内反应物或生成物的物质的量来表示。

在容积不变的反应容器中，通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。

2）对于基元反应，质量作用定律指出，某种反应物质消失的速率正比于参加反应的各种物质浓度的乘积，其中每种物质浓度的幂等于相应的化学计量系数，即：

，式中的

、

称为反应中相应成分的反应级数。

是该反应的反应级数。

3）按质量作用定律，在化学平衡时：

令正向反应的速率常数和逆向反应的速率常数之比为平衡常数

质量作用定律：

简单反应的速度与各反应物的浓度及其化学计量系数指数幂的乘积成正比

①对于复杂反应，所形成的最终产物是由几步反应所完成的，故化学反应方程式并非表示整个化学反应的真实过程，故无法用质量作用定律直接按反应方程判断反应速度与反应物浓度关系。

②严格讲，质量作用定律仅适用于理想气体。

③对于多相反应，仅考虑气相物浓度，对于固相或液相物质不考虑。

4、平衡常数和标准反应自由能的关系

答：

在反应的标准摩尔Gibbs自由能变DrGm°与标准平衡常数之间也存在着如下关系式：

DrGm°＝-RTlnK°

5、温度和压力对平衡常数的影响

答：

标准平衡常数与温度的关系为：

，其中

为标准平衡常数，

为标准摩尔反应焓。

标准平衡常数与压力无关。

6、阿累尼乌斯定律

答：

阿累尼乌斯在大量试验后发现，反应速率与温度的关系可表示为：

k=k0e-Ea/RT

式中，k为反应温度T时的反应速率常数；k0、Ea分别成为频率因子和活化能，均是由反应特性决定的常数，他们与反应温度无关，故该定律反映了温度对反应速度的影响。

7、链锁反应分类及概念

答：

整个反应是由若干个相继发生或相继平行发生的基元反应所组成，整个反应过程是由那些基元反应连续不断的反复进来完成的。

这种反应过程就像链环一样，紧密的联系在一起，因而被称为链锁反应。

链锁反应分类：

1、直链反应：

活性中间产物的数目保持不变的反应

2、分支链反应：

活性中间产物的数目随着链锁循环次数增加而增多的反应

8、热自燃理论

答：

谢苗诺夫的可燃混合气热自燃理论：

有一体积为V（m3）的容器，其中充满有化学均匀可燃气体混合物，其分子浓度为n（1/m3），容器的壁温为T0（K），容器内的可燃气体混合物正以速度wn（1/m3s）在进行反应，化学反应后所放出的热量，一部分加热了气体混合物，使反应系统的温度提高，另一部分则通过容器壁而传给周围环境。

假设：

（1）容器V内各处的混合物浓度及温度都相同。

（2）在反应过程中，容器V内各处的反应速度都相同。

（3）容器的壁温T0及外界环境的温度，在反应过程中保持不变，而决定传热强度的温度差就是壁温和混合物之间的温差。

（4）在着火温度附近，由于反应所引起的可燃气体混合物浓度的改变是略而不计

图中q1为放热曲线q2为散热曲线B点为着火临界点Tb为着火温度

T0为自燃温度T0~Tb之间的时间为着火感应期

结论：

自燃温度T0显然与混合气的浓度（或压力）、反应级数v、活化能E和散热情况（aS）有关。

可燃混合气的活性很强（即值小），则具有较低的自燃温度；散热条件加强时（即值增大），则自燃温度升高；可燃混合气的压力升高时，将使自燃温度降低。

9、强迫着火、熄火概念

答：

强迫着火：

用炽热的高温物体使混合气的一小部分着火，形成局部的火焰核心；然后这个火焰核心再把邻近的混合气点燃。

这样逐层依次地引起火焰的传播从而使整个混合气燃烧起来。

熄火：

当反应器正在以显著的反应速率进行操作时，若降低进料入口的温度，使它达到多重态区域的下限，反应速度会突然大幅度下降，反应基本上停止。

这个现象称为熄灭

10、火焰传播和火焰稳定

火焰传播：

可燃气体混合物的局部首先着火，着火部分向未燃部分传递热量和活性因子，使之相继着火的过程成为火焰传播

火焰稳定：

要求燃烧设备中火焰稳定在一定位置，即在一定位置着火，按一定的速度发生剧烈反应，并在一定位置燃尽和离开燃烧室

11、层流火焰传播速度及概念

预混可燃气体与流速不高（层流状态）的火焰传播称为层流燃烧；可燃气体混合物的局部首先着火，着火部分向未燃部分传递热量和活性粒子，使之相继着火的过程称为火焰传播；

火焰传播速度：

沿火焰锋面的法向，火焰移动的速度称为火焰传播速度；层流火焰传播速度很低，un通常在1m/s以下.

注意：

化学当量比在略小于1时，火焰传播速度最大

当α1k≥1或当煤气与一级空气预混物流量太大，流速很高时，火焰将被吹离，后面随之而来的煤气空气混合物根本不能着火，该现象称为脱火（吹熄）。

当α1k﹤1而煤气与1级空气预混物流量很小，流速很低时，火焰很可能逆流而传播进本生灯，一直烧到本生灯里面的煤气小喷口处，该现象为回火。

12、影响层流火焰传播速度的因素、火焰传播界限及淬熄距离

影响因素：

（1）压力的影响：

（压力对火焰传播速度的影响较小）压力下降，火焰厚度增加。

当压力降到很低时，可以使δ增大到几十毫米。

火焰越厚，火焰向管壁散热量越大，从而使得燃烧温度降低。

（2）温度的影响：

温度增加，火焰传播速度增加。

因为温度对导温系数a和对速度的影响差不多，因此温度对火焰厚度的影响不大。

（3）混气成分的影响：

存在一个最佳混气成分，这时火焰传播速度最大。

对每一种混气，都存在一个火焰传播的浓度界限，当混气太贫或太富时，火焰就不能传播。

（4）混气性质的影响：

导温系数增加，活化能减少或火焰温度增加时，火焰传播速度增大。

（5）燃料性质：

烷烃含碳量越高，火焰传播速度越大；烯烃和炔烃含碳量越高，火焰传播速度越小。

（6）添加剂：

加入惰性气体后，火焰传播速度变小；加入可燃物后，火焰传播速度变大。

火焰传播界限：

指在预混可燃混合气中，火焰得以传播的燃料与空气配合比例范围。

由火焰传播下限和火焰传播上限构成。

淬熄距离：

当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于火焰单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰便不能传播。

这个临界管径叫淬熄距离

13、高速混气流中火焰稳定原理及稳焰方法

原理：

基于“回流区点燃模型”的火焰稳定理论，火焰的稳定取决于回流区的高温燃气传给邻近回流区边界的新鲜混合气中去的热量。

而基于“回流区的燃烧模型”的火焰稳定理论：

火焰的稳定的条件是放热的速度等于散热的速度。

方法：

1.利用引燃火焰稳定火焰2.利用钝体稳定火焰。

具体的方法：

1.利用气体的旋转稳定火焰。

2.利用逆向喷流稳定火焰3.利用燃烧室壁凹槽稳定火焰4.利用带孔圆筒稳定火焰5.利用流线形物体稳定火焰6.利用激波稳定火焰。

14、何谓燃料的元素分析？

试述常用燃料的元素分析组成。

【为工程计算和应用方便，将燃料的主要元素组成和水分、灰分测量结果习惯上称为元素分析成分

煤的元素分析，工作量大，复杂，工程上多应用工业分析成分。

此外，还需要了解发热量、灰熔点等其他煤质特性

煤的工业分析的定义：

在规定条件下，将煤的组成区分为水分、灰分、挥发分和固定碳四种组分的测定方法。

】

燃料的元素分析是指对燃料中每种组分的含量进行测定，并用该组分的质量百分比表示。

测量项目有C、H、O、N、S、水，灰分。

常用的元素分析组成基准如下：

1.收到基：

以收到状态下包括全部组分在内的燃料成分为重量作为计算基准，各组分在收到基燃料中的质量百分数称为收到基组分。

关系为：

Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100

燃料燃烧计算时采用收到基成分，其中Mar是燃料的全水分。

2.空气干燥基，即是以除去外在水分后的燃料成分总量作为计算基准，此时燃料中剩余水分仅为内在水分。

关系为：

Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100

空气干燥基适用于实验室分析

3.干燥基，即以出去全部水分的燃料总量作为计算基准，测量时必须将燃料加热到100度以上，以除去内在水分，关系为：

Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100

用干燥基来表示燃料的灰分含量更为准确。

4.干燥无灰基，即以除去水分和灰分后的燃料总量作为计算基准，关系表示为

Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100

常用干燥无灰基表示燃料的挥发份含量。

15、何谓煤的工业分析？

为什么要进行煤的工业分析？

答:

煤的工业分析是将一定重量的煤加热到110℃，使其水分蒸发，测出水分含量，再在隔绝空气下加热到850℃，测出挥发分含量。

然后通空气使固定碳全部燃烧，以测出固定碳和灰分含量。

挥发分多的煤干馏时可以得到较多的煤气和焦油，燃烧时火焰较大;固定碳多的煤，干馏时焦炭收率高。

所以煤的工业分析对确定煤的

使用是重要的。

16、何谓燃料的发热量？

不同基的发热量如何换算？

1.燃料的发热量就是燃料完全燃烧放出的热量。

可以分为高位发热量，低位发热量。

高位发热量：

1kg燃料完全燃烧放出的全部热量，包括水蒸汽凝结时放出的热量。

表示：

Qgr,ar（收到基高位发热量）低位发热量：

1kg燃料完全燃烧放出的全部热量，去掉水蒸汽凝结时放出的热量。

表示：

Qnet,ar（收到基低位发热量）2.收到基低位发热量和收到基高位发热量之间的换算见下式：

12、盖斯定律

“定压或定容条件下的任意化学反应，在不做其它功时，不论是一步完成的还是几步完成的，其热效应总是相同的（反应热的总值相等）。

”这叫作盖斯定律。

盖斯定律的另一种说法：

化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，而与反应的途径无关。

盖斯定律的意义：

有些反应的反应热通过实验测定有困难，可以用盖斯定律间接计算出来。

17、燃烧过程的热工计算方法

见《燃烧学》第三章，P23—P44理论空气量：

气体燃料的理论空气量:

注意：

理论空气量仅取决于燃料成分，当燃料确定后，其V0为常数；V0是指不含水蒸气的干空气

18、发热量

发热量：

燃料完全燃烧放出的热量

高位发热量：

1kg燃料完全燃烧放出的全部热量，包括水蒸汽凝结时放出的热量。

表示：

Qgr,ar（收到基高位发热量）

低位发热量：

1kg燃料完全燃烧放出的全部热量，去掉水蒸汽凝结时放出的热量。

表示：

Qnet,ar（收到基低位发热量）

工程上，排烟温度高于100℃，蒸汽不会凝结，应用低位发热量作为计算燃料热量的依据。

19、扩散燃烧与动力燃烧概念（图线分析）

化学反应进行得很快，燃烧的快慢主要取决于混合速度，而与化学反应速度关系不大，由于混合过程是通过分子扩散或气体扩散完成的，因此把这类燃烧称为扩散燃烧；若混合过程进行得很快，燃烧的快慢主要取决于化学反应速度，而与混合过程关系不大，因此把这类由化学动力因素控制的燃烧称为动力燃烧。

20、扩散火焰结构及特征

燃烧时燃料与空气尚未混合，而是边扩散边燃烧，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称为扩散控制燃烧，扩散燃烧，其火焰称为扩散火焰

特征：

火焰面上，化学当量比等于1。

燃烧产物浓度最高，温度最高。

碳氢化合物在缺氧条件下，可受热分解产生炭黑，形成光亮火焰，同时可能带来未完全燃烧损失和环境污染。

21、预混火焰结构及特征

答：

预混射流（燃料和空气混合物）直接形成的火焰，又称为反应动力火焰或动力火焰。

1.一次空气全关，燃料所需空气全部由外部供给，火焰很长，发出黄色亮光，且不时冒黑烟，只有外焰。

2.一次空气的当量比远远小于1，燃料与一级空气在第一个内火焰处开始燃烧，因为氧量不足，预混气中的氧耗尽后，煤气没有烧完，靠二级空气来燃烧，火焰变短，内外焰。

3.一次空气的当量比小于1，火焰变短，变亮，内外焰。

4.一次空气的当量比等于1，火焰只有一层，更加明亮。

5.一次空气的当量比大于1，火焰变长，只有一层。

22、试述谢苗诺夫的热力着火理论。

答：

谢苗诺夫认为容器内混合气的温度和浓度是均匀的，它们只随时间而变化，他提出假设：

有一个体积为V，表面积为A的容器，内部充满了温度为

，浓度为

的可燃混气。

开始时，混气的温度与外界环境温度一样，反应过程中，混气的温度为T，并且随时间而变化，这时容器内的温度和浓度仍是均匀的。

外界和容器壁之间有对流换热，对流换热系数为

，它不随温度变化。

反应放热：

容器散热：

/V

q1与q2相交：

1.一般情况下，放热率q1曲线和散热率q2曲线有两个交点,A点和C点。

2.A点稳定。

当外界有微小扰动时，如T↗，则q2>q1，散热>放热，T↘，回到A点;当T↘，q2

3.A点温度低，称为熄灭状态。

4.C点不稳定。

轻微扰动将使C点失去平衡。

C点以下熄灭，C点以上着火。

q1与q2相切：

5.B点是临界状态，也是不稳定的。

只要环境介质温度略高于T0，则q1和q2就没有交点了，必然导致反应混合气的着火。

23、何谓绝热火焰温度？

答：

燃料在绝热条件下完全燃烧所能达到的温度称为绝热燃烧温度，又称为绝热火焰温度。

24、分析影响热力着火的因素。

答：

燃料的比表面积：

比表面积越大，散热面积越大，散热率增加，使着火条件变差，着火温度升高，推迟着火。

环境条件：

散热系数越大，燃烧条件变差，着火温度升高，着火推迟

环境温度：

环境温度升高，散热曲线右移，着火温度降低，着火提前

容器体积：

容积体积减小，相对热量损失增加，则相对生成热量减少，会使系统变得不能着火，即升高着火温度

压力：

压力越高，密度越大，容器的温度较高，促进着火，即降低着火温度

反应成分：

反应成分影响释热曲线和散热曲线，改变着火温度

25、何谓自燃？

何谓点燃？

自燃：

分为连锁自燃和热自燃两种。

连锁自燃：

燃料和氧化剂混合，在一定的温度和压力下，当其中活性中间产物的增值率超过了它的衰减率时，经过一段感应期后，就会使反应物燃烧或爆炸，这就是连锁自燃。

热自燃：

将燃料和氧化剂均匀加热，当加热到某一温度时就发生着火的现象，就叫做热自燃。

所谓点燃，是指用电火花或炽热物体等高温的外界热源使混合物局部区域受热而着火。

然后火焰向混合物的其余部分传播，使整个反应体系燃烧。

26无

27、试述影响层流火焰传播速度的因素。

答：

第一，可燃混合气体初温的1.5~2次方与速度成正比。

第二，绝热火焰温度，u正比于exp（-E/RT）。

第三，压力的影响。

速度正比于p的（n/2-1）次方，n为反应级数，通常为1~2。

第四，燃料的性质。

烷烃燃料，烷烃含碳量越高，火焰传播速度越大；烯烃和炔烃含碳量越高传播速度越小。

第五，添加剂，加惰性气体速度变小；加可燃物，速度变大。

28、何谓火焰的稳定性？

答：

工程上希望燃料和氧化剂保持稳定的化学反应和释放热量，以便于控制和工程应用。

因此常要求燃烧设备中火焰稳定在一定位置，即在一定位置着火，按一定速度发生剧烈反应，并在一定位置燃尽和离开燃烧室。

即没吹熄（脱火），没回火，火焰区位置和体积稳定。

29、预混火焰的长度与哪些因素有关？

在不同流动状态下的影响因素如何？

答：

1）.管径增加，预混火焰长度增加

2）.气流速度增加，预混火焰长度增加

3）.火焰传播速度增加，预混火焰长度减小

不同流动状态对预混火焰长度的影响：

层流区：

随可燃混合气喷出速度或喷口管径的增大而增大，随火焰传播速度的增大而减小

湍流区：

随可燃混合气喷出速度或喷口管径的增大而增大，随火焰传播速度的增大而减小

30、扩散火焰的长度与哪些因素有关？

在不同流动状态下的影响因素如何？

答：

喷口直径对火焰长度的影响是绝对的，而且成平方关系。

为了强化燃烧，应该减小管径，以小孔代替大孔。

层流区：

流速增加。

扩散系数变化不大，结果随着流速上升，火焰长度增加。

湍流区：

流速增加，扩散系数相应增加，结果火焰长度变化不大，但是火焰有折皱和噪音。

31、试述扩散火焰的特点。

答：

扩散火焰的稳定性：

火焰既不被吹跑（脱火），也不产生回火，始终悬挂在管口。

扩散燃烧时由于燃料在管内不与空气预先混合，因此不可能产生回火，这是扩散燃烧的最大优点。

但管口流出速度超过某一极限值，火焰可能脱离管口并最终熄灭。

此外，扩散火焰的温度较低。

碳氢化合物的热分解：

碳氢化合物在高温和缺氧的环境中会分解成低分子化合物，并产生游离的碳粒。

32、试述射流的分类。

答：

均匀-非均匀，单股-多股，单相-多相，层流-湍流，直流-旋流，等温-不等温，自由-受限

自由射流：

射流不受固体壁限制，喷向无限大空间，而且射流与周围介质具有相同的物理属性，又称自由淹没射流

射流特性：

射流不旋转，切向速度为零

等温射流：

射流温度梯度不变化

33、试述工程上稳定火焰的措施。

答：

工程上稳定火焰的方法可分为三类：

1.设置点火器，实时对主燃烧器提供点火能量

2.制造回流区，卷吸高温烟气，强化进入燃烧室的燃料的传热，满足着火条件稳定着火

3.改变燃烧区的散热条件，减小着火阶段火焰的散热损失，保持着火区足够的温度，稳定火焰

34、何谓液滴燃烧的直径平方线性定律？

答：

油滴直径的平方随时间的变化呈直线线性关系

上式称为液滴燃烧的直径平方定律。

当油滴粒径等于0是，表明油滴完全燃尽，此时对应的燃尽时间为：

τ0=δ20/k

35、煤的燃烧过程

预热，干燥，挥发份释出与焦炭生成，挥发份燃烧和焦炭燃烧，形成灰渣。

或者干燥，热解，着火，燃烧，燃尽。

36、扩散与动力控制的碳粒表面燃烧

反应温度很高时，化学反应能力很强，碳的燃烧速度取决于氧扩散速度，成为扩散控制燃烧，又称扩散燃烧区；

温度较低时，化学反应能力较差，碳燃烧速度取决于化学动力学因素，称为动力控制燃烧，又称动力燃烧区

37、氮氧化物的形成与防治（定义、形式、防止）

锅炉燃烧过程中，生成的NOx几乎全部是NO和NO2，称其为NOx。

NOx包括以下三种：

热力型空气中N2高温下氧化生成

快速型碳氢化合物浓度过高时燃烧产生

燃料型燃料中的N元素燃烧生成

控制氮氧化物生成的燃烧方法：

低氧燃烧法；二段燃烧法；排烟再循环法；浓淡燃烧法；喷水或乳化燃料燃烧法；沸腾燃烧法；低NOX燃烧器。

38、着火半岛

•着火半岛的存在可以看作为链锁反应产生的明证。

•

在压力很低时，由于气体很稀薄，分子向四周的扩散速度很高，而且是压力越低，扩散越快。

•若此时容器的体积较小且压力又低，则活化中心向器壁的扩散就变得十分容易，因而就大大增加了与壁面碰撞失去活化的机会，这样就提高了链锁中断的速度，而且压力越低，中断速度越大。

•故当压力降低到某一数值时，就有可能使中断速度大于分枝速度，那时就出现了链锁自燃的低界限。

•若提高容器内混合气的压力，则由于分于浓度的增大，减少了活化中心与器壁的碰撞机会，则此时链锁的中断就主要发生在气相内部活化中心的相撞中。

•因此，随着压力的提高，这种机会越来越多，链的中断速度亦就越来越大，因而当压力增大到某一数值时，又会遇到分枝速度与中断速度相等的临界情况，这时就出现链锁自燃的着火高界限。

•越过着火高界限后，若再继续提高压力，就会出现第三个爆燃界限，高于该界限后会再一次引起爆燃。

•第三界限的存在完全可用热力着火理论来解释。

•因随着压力的增高，反应放热的现象越来越显著，由于反应放热使热量积累而引起反应自动加速的作用越来越重要。

•达到第三爆燃界限时，由于反应放热大于散热而引起的升温和加速已居支配地位，此时的爆燃就纯粹是一种热力爆燃，完全遵循热自燃理论的规律。

•通过对碳氢化合物和氧（空气）的着火测定实验，发现它们在着火临界压力—温度图上有好几个界限。

39、链锁反应的定义

Arrhenius定律适用于简单反应或复杂反应的基元步骤，不能简单地用反应方程式描述

复杂反应不象化学反应方程式所写的“一步到位”，而是经过一系列中间过程，借助于活化粒子（原子或原子基团）构成的链

通过活化粒子而进行的一系列化学反应为连锁反应

不分支链反应（或直链反应）：

如果一个自由基与分子反应的结果是旧的自由基消失，但同时产生一个新的自由基，此时自由基的数目不变。

分支链反应：

如新的自由基数目大于原自由基数目则称分支链反应。

40、简单反应

简单反应：

由反应物经一步反应直接生成产物的反应。

（也叫基元反应）

复杂反应：

反应不是经过简单的一步就完成，而是通过生成中间产物的许多反应步骤来完成的反应，其中每一步反应也称为基元反应。

或者说是由一系列基元反应组成、机理复杂的反应。

7、碳燃烧速度：

碳在单位时间、单位表面积上燃烧的质量。

影响燃烧速度的因素：

2火焰温度T；②气流相对速度w；③活化能E，频率因子k0；④煤的粒径d。

8、

强化燃烧

a）设法提高火焰的传播速度

强化层流燃烧火焰的途径：

燃料Q1；空气化学当量比v；温度Ta与T0；压力r0un；添加剂Q1v；

强化湍流火焰的途径：

①除针对层流火焰燃烧的影响因素外②还要注意提高湍流的气流速度③但是气流速度过大会使火焰吹熄