關(guān)鍵詞：富氫甲烷；爆炸特征參數(shù)；爆燃機理；爆燃防控；抑爆材料

與其他能源相比，氫能與天然氣產(chǎn)業(yè)更貼近，同屬于清潔、高效、環(huán)保的能源，但現(xiàn)有的化石燃燒腔室并不支持純氫的燃燒，因此，單彤文等[1]、宋鵬飛等[2]、侯建國等[3]提出，將氫氣作為添加劑，通過一定手段加入到現(xiàn)有的天然氣中形成新的可燃混合燃料，稱為富氫天然氣（hydrogenenrichedwithcompressednaturalgas，HCNG）。富氫天然氣作為清潔低碳燃料，燃燒后產(chǎn)生的碳氧化物、氮氧化物排放量大幅降低。宋鵬飛等[4]的研究表明，天然氣中摻入體積分數(shù)為20%的氫氣后，發(fā)動機熱效率可以提高15%，經(jīng)濟性提高8%，污染物排放降低60%～80%。因此，富氫天然氣具備在工業(yè)（燃氣內(nèi)燃機、燃氣輪機、工業(yè)鍋爐、發(fā)電等）、民用（燃氣灶具、燃氣鍋爐、燃氣熱水器、供暖等）、交通（燃氣汽車、燃料電池車）等多元化終端應(yīng)用的潛力。富氫天然氣作為一種新能源，有望引領(lǐng)能源革命向全氫能源過渡。

甲烷是天然氣中占比最大的一種組分，氫氣的加入使得混合燃料的燃燒極限變寬、燃燒速率加快、最小點火能降低，因而氫氣/甲烷混合燃料在生產(chǎn)、儲運的各個環(huán)節(jié)一旦發(fā)生泄漏，再遇火源時極易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，由此產(chǎn)生的安全性問題亟待解決[5]。因此，深入研究富氫甲烷的爆燃特性以及事故發(fā)生后的控爆技術(shù)，是保障富氫天然氣產(chǎn)業(yè)全生命周期安全的重要課題。2021年，范維澄等[6]提出了我國安全科學(xué)與工程學(xué)科“十四五”發(fā)展戰(zhàn)略，其中安全學(xué)科應(yīng)促進的5項前沿方向包含受限空間新能源動力的爆燃特性及有效控制理論。本文中，在調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，針對富氫甲烷爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ卣鳌⑾嚓P(guān)爆炸特征參數(shù)、抑爆材料和爆燃機理等方面對富氫甲烷的爆燃特性和抑爆研究進行綜述和討論。

1富氫甲烷爆燃特性

根據(jù)氣體泄漏后所處的空間情況，可分為開放空間和密閉空間，在密閉空間內(nèi)，可燃氣體更容易發(fā)生積聚，遇到點火源后極易發(fā)生燃燒和爆炸事故，產(chǎn)生的超壓和熱輻射會對周邊人員及設(shè)備造成巨大傷害，因此，需要提前對此類事故進行全面分析，了解火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律和爆炸程度以指導(dǎo)實際采取積極措施，將事故關(guān)口前移。當前研究表明，初始溫度、初始壓力、當量比、氫氣添加比（氫氣和甲烷混合物中氫氣所占的比例）及障礙物等都會對富氫甲烷的爆燃行為產(chǎn)生影響，由于尺寸限制和安全問題，富氫甲烷爆燃特性研究多集中于小尺寸實驗和數(shù)值模擬，常采用球形容器和管道2種設(shè)備，因此，本節(jié)將從爆炸初期經(jīng)歷的球形膨脹火焰（層流火焰?zhèn)鞑?、火焰失穩(wěn)和自加速傳播）、起爆后在管內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴⒑饬勘ㄎｋU性的特征參數(shù)以及數(shù)值模擬入手，總結(jié)富氫甲烷的火焰?zhèn)鞑ヌ匦院捅ㄌ卣鲄?shù)研究。

1.1球形火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/p>

靜止狀態(tài)下，富氫甲烷在球形密閉容器內(nèi)被點燃后，其火焰在自由傳播下會經(jīng)歷光滑球形火焰、胞狀火焰、湍流火焰和爆震波4個階段。在光滑球形火焰階段，火焰的傳播受拉伸率的影響向外擴展，此時熱擴散不穩(wěn)定性占主導(dǎo)作用；隨著火焰向外拉伸，球形火焰開始失穩(wěn)，表面出現(xiàn)細胞狀結(jié)構(gòu)，表面積的增大會加快火焰的傳播速度，火焰速度的提升會分化出更多的胞狀結(jié)構(gòu)，促使火焰產(chǎn)生自加速作用，此時流體力學(xué)不穩(wěn)定性開始變得明顯，并逐漸支配火焰形態(tài)和速度。

1.1.1層流火焰燃燒速度

在爆炸初始的光滑球形火焰階段，能夠得到的火焰特性指標之一為層流火焰速度，因便于通過實驗數(shù)據(jù)計算得到，該指標往往與數(shù)值模擬結(jié)果進行比較，從而驗證和發(fā)展化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型。定容彈法是近幾年應(yīng)用最廣泛的測量方法之一，如圖1[7]所示。圖中，Rf為火焰鋒面位置，p為壓力。其原理是在點火初期，火焰的彎曲/拉伸效應(yīng)較大，壓力上升可以忽略不計，此時可以通過紋影儀觀測火焰圖像來計算層流火焰速度；隨著火焰?zhèn)鞑ィ瑝毫ι仙俾始涌欤瑥澢?拉伸效應(yīng)可以忽略，此時可以使用壓力上升階段的部分壓力-時間曲線計算層流火焰速度；這2種方法分別被稱為定壓法（constantpressuremethod，CPM）[8]和定容法（constantvolumemethod，CVM）[9]。Faghih等[7]對定壓法和定容法進行了詳細介紹，討論了定容法測量層流火焰速度的誤差因素。Xu等[10]將定壓法與定容法的計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)誤差在15%以內(nèi)，定壓法的計算誤差主要來自火焰半徑的測量，定容法的計算誤差主要來自燃燒質(zhì)量分數(shù)的選取?？傮w來說，這2種方法都存在一定局限性：（1）燃料誤差，燃料與空氣通常使用道爾頓分壓定律混合，傳感器的壓力指示偏差會造成結(jié)果存在誤差；（2）數(shù)據(jù)采集誤差，在定壓法中，紋影儀觀測到的火焰圖像可能會發(fā)生扭曲，定容法中，壓力傳感器采集到的壓力-時間曲線不穩(wěn)定，通過平滑處理也會使得壓力損失；（3）數(shù)據(jù)處理誤差，定壓法在對火焰前鋒面識別過程中可能存在失幀現(xiàn)象，定容法在選取壓力范圍時也會存在巨大誤差。

1.1.2火焰固有不穩(wěn)定性

隨著火焰在腔室內(nèi)拓展，開始出現(xiàn)火焰失穩(wěn)，火焰固有不穩(wěn)定性包括浮力不穩(wěn)定性、熱擴散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性，浮力不穩(wěn)定性主要發(fā)生在火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬^低的情況，而甲烷的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?5～45cm/s之間，因此，熱擴散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性是研究重點。熱擴散不穩(wěn)定是由火焰鋒面內(nèi)部熱量和質(zhì)量的不均衡擴散引起的，可用路易斯數(shù)（Le）表征。Le＜1時，熱擴散不穩(wěn)定會使膨脹火焰趨于失穩(wěn)；Le＞1時，熱擴散不穩(wěn)定會使膨脹火焰趨于穩(wěn)定；Le=1時，膨脹火焰不受熱擴散不穩(wěn)定的影響[11]。Morsy等[12]分析了不同壓力、當量比（）和氫氣添加比（）的富氫甲烷爆炸的有效路易斯數(shù)（Leeff），如圖2所示。可以看出，不同當量比和氫氣添加比的變化趨勢大致相同，而壓力越高，路易斯數(shù)越小，火焰越不穩(wěn)定；此外，馬克斯坦長度（Mab）也可以反映火焰的穩(wěn)定性，通常用來表征火焰對拉伸的敏感程度，Mab為正值時，表明火焰速度隨拉伸速率的增大而減小，如果火焰前鋒面拉伸增加，火焰拉伸位置的速度將受到抑制，使得火焰趨于穩(wěn)定；Mab為負值時，意味著火焰速度隨拉伸速率的增大而增大，致使火焰趨向不穩(wěn)定。Okafor等[13]將Bechtold等[14]提出的馬克斯坦長度和路易斯數(shù)的關(guān)系式用于富氫甲烷中，在當量比為0.8和1.0時，將不同比例的氫氣添加到甲烷中，發(fā)現(xiàn)馬克斯坦長度呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢，僅在當量比為0.8時馬克斯坦長度為負值。Hu等[15]發(fā)現(xiàn)，在當量比為0.8和高壓下，馬克斯坦長度隨著氫氣添加比的增大而單調(diào)減小，火焰鋒面不穩(wěn)定性增強，且氫氣添加比在0.2時，馬克斯坦長度為負值，初始溫度對火焰不穩(wěn)定性的影響可以忽略不計。

1.1.3火焰臨界失穩(wěn)

火焰失穩(wěn)臨界半徑（Rc）和臨界佩克萊數(shù)（Pecl）用于評估由火焰固有不穩(wěn)定性引起的火焰加速過程。在對火焰固有不穩(wěn)定性機制有基本了解后，學(xué)者們進行了大量的理論和實驗研究，以此確定球形膨脹火焰不穩(wěn)定的臨界條件。Beeckman等[16]根據(jù)氫氣球形火焰的發(fā)展定義了2個火焰失穩(wěn)臨界半徑，第1個火焰失穩(wěn)臨界半徑出現(xiàn)在火焰的褶皺開始分裂時，第2個火焰失穩(wěn)臨界半徑定義為在火焰前鋒面出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)且火焰自加速傳播時。Kim等[17]研究了不同當量比氫氣/甲烷預(yù)混火焰的不穩(wěn)定性，結(jié)果表明，隨著當量比的增加，氫氣和甲烷的火焰失穩(wěn)臨界半徑都增大，隨著壓力升高，臨界半徑呈降低趨勢。為了研究實驗工況對球形火焰臨界失穩(wěn)的影響，李停[18]對火焰半徑進行無量綱處理，定義火焰失穩(wěn)臨界半徑與火焰厚度之比為臨界佩克萊數(shù)。Morsy等[12]發(fā)現(xiàn)氫氣/甲烷燃料爆炸在馬克斯坦長度為正值時，佩克萊數(shù)超過臨界值火焰出現(xiàn)失穩(wěn)，且臨界佩克萊數(shù)會隨馬克斯坦長度增大而增大，如圖3所示。Jomass等[19]和Law等[20]推導(dǎo)了臨界佩克萊數(shù)的推導(dǎo)公式，意味著火焰失穩(wěn)加速機制是熱擴散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性相互作用的結(jié)果。

1.1.4火焰自加速傳播

火焰的固有不穩(wěn)定性必然會增大火焰表面積，進而導(dǎo)致火焰自加速傳播，Gostinsev等[21]提出了球形火焰半徑在0.3～10.0m之間的火焰加速傳播的自相似模型：r=rc+atb（a=1.5），其中rc和r分別為火焰加速前和加速后的半徑，b為加速指數(shù)，t為時間。根據(jù)后續(xù)的研究，將加速指數(shù)b分為3個階段：b＞1時，b為變量，為火焰自加速傳播階段；1≤b＜1.5時，b為常量，為火焰自相似傳播階段；b=1.5時，為火焰自湍流傳播階段。隨著氣體種類、初始壓力、燃氣濃度等工況的變化，加速指數(shù)呈現(xiàn)明顯的差異性。Okafor等[22]研究了當量比為0.8和不同壓力下富氫甲烷細胞火焰的形態(tài)和自加速行為，發(fā)現(xiàn)傳播火焰的細胞不穩(wěn)定性和自加速隨著氫濃度和混合物壓力的增加而增加，如圖4所示，在初始壓力為0.25和0.50MPa下出現(xiàn)自加速現(xiàn)象，且系數(shù)在1.00～1.26之間，與火焰鋒面的分形維數(shù)相關(guān)，與Wu等[23]的結(jié)果一致。為了對火焰鋒面的結(jié)構(gòu)特性進行量化研究，學(xué)者們基于火焰輪廓和細胞輪廓提出了分形維數(shù)理論[24]。Gouldin[25]于1987年首先將數(shù)學(xué)中的分形維數(shù)概念應(yīng)用到火焰形態(tài)中，并推導(dǎo)出湍流火焰速度預(yù)測模型，通過實驗測得分形維數(shù)在2.32～2.40之間，能夠用于預(yù)測湍流火焰速度。Ma等[26]分析了富氫天然氣對火焰分形維數(shù)的影響，結(jié)果表明，分形維數(shù)的基準值為2.35，且隨壓力和過量空氣系數(shù)的變化而變化。

1.2管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/p>

針對管內(nèi)火焰特性的研究多集中在障礙物尺寸、空間受限程度、燃料濃度梯度和管道形狀等對火焰加速過程和傳播的影響。密閉管道內(nèi)的火焰發(fā)展可分為4個階段：半球形火焰階段、指形火焰階段、火焰面外圍與管道壁面接觸（平面火焰）階段以及郁金香火焰階段[27]。肖華華[28]發(fā)現(xiàn)氫氣爆炸在郁金香火焰后會出現(xiàn)扭曲郁金香火焰階段，如圖5所示，并利用數(shù)值模擬揭示了這種火焰的產(chǎn)生歸因于火焰前鋒面附近產(chǎn)生的渦流影響流場變化。Zheng等[29]研究了不同xH2=0：9xH2=0：8長寬比的管道和不同氫氣添加比的火焰?zhèn)鞑バ袨椋l(fā)現(xiàn)在純氫情況下才會出現(xiàn)扭曲郁金香火焰，如圖6所示。Liang等[30]探究了不同氫氣添加比和當量比在密閉管道內(nèi)的火焰發(fā)展形態(tài)，發(fā)現(xiàn)在當量比為1、時出現(xiàn)了扭曲郁金香火焰，并且隨著當量比和氫氣添加比的增加，細胞結(jié)構(gòu)和扭曲的郁金香火焰開始變得明顯，研究還發(fā)現(xiàn)，細胞結(jié)構(gòu)形成的主要原因是熱擴散和流體動力學(xué)不穩(wěn)定性的協(xié)同效應(yīng)，高氫含量導(dǎo)致瑞利-泰勒不穩(wěn)定性增強，促進了扭曲郁金香火焰的形成。此外，開閉口狀態(tài)會導(dǎo)致爆炸壓力泄放進而影響火焰?zhèn)鞑ヅc內(nèi)部壓力振蕩。Yang等[31]探究了不同當量比下，時管道內(nèi)外的火焰行為和壓力演變的影響，研究表明，最大內(nèi)部和外部超壓出現(xiàn)在當量比為1時，與封閉管道不同，在泄壓成功時管內(nèi)下火焰鋒面均觀察到了泰勒不穩(wěn)定性，泄壓失敗時火焰發(fā)展跟定容燃燒彈中的現(xiàn)象一致。倪靖等[32]研究了低氫氣添加比的甲烷在半封閉管道內(nèi)的爆轟傳播特性，發(fā)現(xiàn)氫氣的加入可以促進火焰與激波的耦合過程，加速起爆，提高火焰平均傳播速度，降低管道出口處的速度虧損。

層流火焰受到熱擴散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定的影響會逐漸向湍流方向發(fā)展，火焰面積增大促使化學(xué)反應(yīng)速率提高，導(dǎo)致火焰速度進一步升高，此時燃燒波和沖擊波處于分離狀態(tài)，燃燒波落后于沖擊波，這個過程稱為爆燃。Liu等[34]探究了不同當量比和氫氣添加比的甲烷爆炸特性，結(jié)果表明，氫氣的添加將加速火焰結(jié)構(gòu)的演變，導(dǎo)致觀察到的火焰結(jié)構(gòu)減少，并且壓力從雙峰分布轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏宸植?。如果傳播途徑中存在障礙物，由于火焰和障礙物間的循環(huán)激勵作用，使燃燒過程變得更加復(fù)雜，最終燃燒波和沖擊波以相同的速度向前運動而形成爆轟，爆轟的危害遠大于爆燃的危害，因此，爆轟也是燃燒爆炸領(lǐng)域的熱門研究課題。Wang等[35]研究了連續(xù)障礙物對氫氣/甲烷預(yù)混氣體爆炸的影響，得出火焰速度主要取決于障礙物的阻塞比，而不是障礙物的數(shù)量。Cai等[36]探究了不同氫氣添加比、湍流、阻塞比和障礙物距離對甲烷爆炸的影響，結(jié)果表明，最大爆炸壓力和壓升速率隨著湍流強度的增大近似呈線性增大，低堵塞比的爆炸危險性低于高堵塞比，爆炸沖擊波受障礙物距離的影響不大。Wang等[37]通過實驗研究了雙通道障礙物屏障比和位置對富氫甲烷火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，利用?shù)值模擬驗證了火焰演化過程，探究了渦流變化對火焰發(fā)展的影響，發(fā)現(xiàn)隨著雙通道障礙物遠離點火源，最大火焰速度先增大后減小，最大火焰速度提高了5倍以上，最大爆炸壓力提高了6倍以上。此外，爆轟波的傳播特性也會受到管道形狀的影響，劉曉洋等[38]探究了螺旋微通道中富氫甲烷的爆轟傳播特性，發(fā)現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)對爆轟波的傳播具有抑制作用，傳播過程可分為加速、減速、重起爆3個階段，增加氫氣添加比和初始壓力均可減小減速階段的速度衰減并縮短重起爆距離，當時，速度虧損和重起爆距離大幅減小。

1.3爆炸特征參數(shù)

爆炸特征參數(shù)是評價物質(zhì)爆炸危險性的重要指標，富氫甲烷的研究熱點集中于最小點火能、爆炸極限以及爆炸強度，通過這些參數(shù)能夠直觀地看出爆炸危險性。相比于甲烷0.310mJ的最小點火能，氫氣的最小點火能僅為0.018mJ，這種極低的點火能將會影響富氫甲烷的實際應(yīng)用。陳洪強等[39]研究發(fā)現(xiàn)，最小點火能受氫氣添加比、初始溫度、初始壓力和淬熄距離的影響。王朝君等[40]研究了初始壓力對富氫甲烷激光誘導(dǎo)等離子體點火特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著初始壓力降低，擊穿閾值和最小脈沖能量逐漸升高，隨著氫氣添加比的增大，最小脈沖能量呈下降趨勢。Tang等[41]發(fā)現(xiàn)富氫甲烷的最小點火能與淬熄距離成一定的函數(shù)關(guān)系，如圖7所示，隨著淬熄距離的增大，氣體混合物的最小點火能逐漸增大。Ma等[42]發(fā)現(xiàn)當量比為1.5時，富氫甲烷的最小點火能量隨著燃料中氫氣含量的增加而急劇下降，從純甲烷的118mJ減小到純氫氣的0.12mJ，并提出了一個計算多組分燃料最小點火能的通用公式：

爆炸極限的測定方法一般采用可視火焰?zhèn)鞑シā毫Σ杉?、C形曲線法和模擬計算法[43]，混合氣體爆炸極限的計算可用Chatelier定律來表示，不同當量比和氫氣添加比的爆炸極限如圖8[44]所示，爆炸極限L表示為：

Miao等[45]發(fā)現(xiàn)富氫天然氣的爆炸極限與富氫甲烷的爆炸極限相近，并給出了富氫甲烷的爆炸極限擬合公式。Molnarne等[46]發(fā)現(xiàn)，氫氣添加比時，爆炸極限范圍變化不大；時，富氫天然氣的爆炸范圍顯著增大。Schoor等[47]通過3種數(shù)值計算方法研究了富氫甲烷在高溫高壓下的爆炸極限，發(fā)現(xiàn)爆炸極限范圍隨著溫度和壓力的升高而增大，并且表示應(yīng)用極限燃燒溫度的方法可以得到更準確的結(jié)果。Hao等[48]研究了不同氫氣添加比對甲烷爆炸反應(yīng)動力學(xué)的影響，添加2.0%的氫氣時甲烷的爆炸極限范圍和爆炸風(fēng)險分別增加12.0%和40.5%，氫氣添加量為1.2%和2.0%時，預(yù)混氣體爆炸三角形向左下移動，爆炸三角形面積分別擴大1.15和1.26倍。

氣體爆炸時最大爆炸壓力pe、最大爆炸壓力上升速率（dp/dt）max和爆炸指數(shù)KG是定量表征爆炸風(fēng)險和后果的重要參數(shù)，最大爆炸壓力和最大壓力上升率取決于混合物性質(zhì)、混合物組成、初始溫度、初始壓力和湍流強度等，而爆炸強度是混合物的固有屬性，通常爆炸指數(shù)與最大爆炸壓力上升速率存在以下關(guān)系：

Faghih等[49]發(fā)現(xiàn)，相較于球形容器，圓柱形容器內(nèi)壁熱損失或不完全燃燒會造成甲烷和氫氣的爆炸指數(shù)存在較大差異，當時，爆燃指數(shù)隨著氫氣混合水平呈指數(shù)增大，初始溫度對爆炸指數(shù)影響不大，而受初始壓力影響很大，并指出Movileanu等[50]和Razus等[51]提出的爆炸指數(shù)與初始壓力呈線性關(guān)系是不正確的，最后基于理論分析，提出了一種預(yù)測較寬初始壓力范圍內(nèi)的富氫甲烷爆炸指數(shù)的關(guān)聯(lián)式。Sun[52]探究了不同湍流強度對富氫甲烷爆炸指數(shù)的影響機制，發(fā)現(xiàn)隨著湍流強度的增大，最大爆炸壓力上升速率單調(diào)增大，爆炸過程中的熱損失和傳播速度的加快是造成最大爆炸壓力上升速率增大的主要原因。由此可知，不同氫氣添加比對富氫甲烷爆炸壓力和上升速率的影響程度不同，研究不同工況下富氫甲烷爆炸的變化規(guī)律，對富氫天然氣設(shè)備本質(zhì)安全化設(shè)計具有指導(dǎo)意義；Li等[53]通過對不同初始壓力的富氫甲烷爆炸進行研究，發(fā)現(xiàn)最大爆炸壓力上升速率顯著增大，爆炸時間顯著縮短，表明最大爆炸壓力變化不明顯的原因是添加氫氣減少了熱損失，如圖9所示。隨著初始壓力的升高，最大爆炸壓力和最大壓力上升速率均明顯增大。Wang等[54]發(fā)現(xiàn)，隨著氫氣添加比的增加，最大爆炸壓力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，并對熱損失進行了定量研究。Cammarota等[55]探究了不同初始壓力和湍流強度下富氫甲烷的爆燃特性，發(fā)現(xiàn)添加10%以下的氫氣對甲烷火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸约氨ㄌ卣鲄?shù)的影響可以忽略不計。Ma等[42]研究了不同當量比的富氫甲烷的爆炸特性，發(fā)現(xiàn)添加50%以下的氫氣對甲烷最大爆炸壓力上升速率的影響不大。Shen等[56]探究了氫氣添加比為0～0.3的富氫甲烷的爆炸特性，發(fā)現(xiàn)在所研究的氫氣添加比下，氫氣對甲烷最大爆炸壓力不會產(chǎn)生較大影響，并且指出這是當量比與火焰膨脹綜合作用的結(jié)果。Lowesmith等[57]在歐盟委員會資助的Naturalhy項目中設(shè)計了大規(guī)模實驗和數(shù)值模擬，研究了有、無擁擠區(qū)域的通風(fēng)爆炸和密閉爆炸，以評估管道富氫甲烷的爆炸后果，研究發(fā)現(xiàn)，氫氣添加比在0.2以上的富氫甲烷爆炸超壓迅速增大，在擁擠區(qū)域更容易產(chǎn)生爆轟；而Shirvill等[58]發(fā)現(xiàn)在天然氣管網(wǎng)中添加25%以下的氫氣不會顯著增加爆炸風(fēng)險。

1.4爆炸數(shù)值模擬

由于爆炸過程的瞬態(tài)性和監(jiān)測方法的限制，很難通過實驗監(jiān)測爆炸過程中爆炸參數(shù)和火焰流場等的變化，數(shù)值模擬更適合用于對關(guān)鍵爆炸參數(shù)進行詳細分析，了解火焰?zhèn)鞑ズ蛪毫ι仙臋C理，可以規(guī)避或最小化不同因素對爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?。對于管道中的爆炸，鄭凱[59]在建立預(yù)混火焰?zhèn)鞑ゴ鬁u模型的基礎(chǔ)上，對密閉管道中富氫甲烷預(yù)混火焰的傳播特征進行了數(shù)值模擬，分析了不同氫氣添加比對預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰結(jié)構(gòu)、超壓與流場等變化特征的影響，結(jié)果表明，不同氫氣添加比的火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)變化由傳播過程中火焰前鋒與已燃、未燃氣體區(qū)域形成的逆向流動和渦旋之間的相互作用決定。Zhang等[60]利用Flacs軟件對城市綜合管廊內(nèi)氫氣添加比為0.1和0.2的富氫甲烷爆炸進行了研究，發(fā)現(xiàn)超壓峰值分別增大16%和32%，但超壓峰值最大值為15.52KPa，不會對人造成傷害。Shi等[61]結(jié)合Chemkin和Fluent軟件研究了不同氫氣添加比的甲烷在固定體積管道內(nèi)爆炸的火焰參數(shù)，結(jié)果表明，隨著氫氣的加入，反應(yīng)速率在火焰發(fā)展前期有先增大后減小的趨勢，在爆炸后期呈單調(diào)遞增趨勢，并且發(fā)現(xiàn)氫氣加入會爭搶·OH自由基，從而削弱了CO+OH=CO2+H反應(yīng)的進行，導(dǎo)致CO2轉(zhuǎn)化率降低，CO濃度升高。在球形密閉容器中，Ma等[42]分析了氫氣添加比和初始壓力對富氫甲烷爆炸的影響，結(jié)果表明，氫氣加入會縮短爆炸時間，增加壓力上升速率，誘導(dǎo)反應(yīng)速度加快，當時，最大壓力呈指數(shù)形式上升。董冰巖等[62]利用Fluent軟件探究了氫氣添加比變化對當量比為1的富氫甲烷爆炸過程的影響，結(jié)果表明，當時，隨著氫氣添加比增大，爆炸壓力升高；當時，爆炸壓力增大效果不明顯，最大爆炸壓力上升速率顯著增大。

湍流場與爆炸壓力和火焰的相互耦合機制一直是亟待探明的問題，通過數(shù)值模擬可以更精細化地觀察到火焰發(fā)展的各個階段，有利于量化湍流場中爆炸壓力和火焰的變化趨勢。Cicoria等[63]利用大渦模擬方法對富氫甲烷湍流預(yù)混火焰進行了研究，結(jié)果表明，在高湍流強度條件下，隨著氫氣添加比的增加，湍流火焰速度增大，火焰起皺程度增大。Bo等[64]探究了不同初始壓力下初始湍流動能對火焰和壓力傳播特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著初始湍流動能的增大，其對壓力和火焰?zhèn)鞑サ拇龠M作用減弱，低初始湍流動能和低初始壓力的火焰會經(jīng)歷加速、穩(wěn)定傳播和減速3個階段，隨著湍流動能的增大，前2個階段時間縮短，加速階段甚至?xí)В鹧鏈p速是由流速快速降低引起的，流速隨著初始湍流動能的增大而下降更快。Wang等[65]研究了湍流對富氫甲烷燃燒特性的影響，研究表明，湍流會加速火焰伸長率和火焰前鋒面?zhèn)鞑ニ俣龋S著氫含量的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增大，最大爆炸壓力越大，到達最大爆炸壓力的時間越短。

在大多數(shù)數(shù)值模型默認的絕熱模擬中，隨著氫氣添加比的增加，爆炸壓力降低[42]，這與實驗結(jié)果[54]相悖，如圖10所示，因此，熱損失是影響富氫甲烷數(shù)值模擬準確性的關(guān)鍵原因之一。Faghih等[49]通過考慮詳細的化學(xué)特性以及與溫度相關(guān)的熱和傳輸特性，模擬了球形密閉容器中向外傳播的球形火焰，發(fā)現(xiàn)實驗測得的爆燃指數(shù)小于模擬獲得的爆燃指數(shù)，這主要是由圓柱形燃燒室內(nèi)壁熱損失或不完全燃燒造成的。Lei等[66-67]考慮了熱輻射和對流傳熱機制的影響，對氫氣添加比為0～0.5的富氫甲烷爆炸進行了模擬，發(fā)現(xiàn)氫氣的高反應(yīng)性導(dǎo)致爆炸持續(xù)時間較短，縮短了高溫火焰向球壁傳熱的時間，熱損失減少；當氫氣添加比分別為0、0.1、0.3和0.5時，熱輻射占總熱損失的比例分別為84.9%、85.8%、86.7%和89.1%，表明熱輻射是造成熱損失最重要的因素。

綜上所述，初始溫度、初始壓力、當量比、湍流強度和氫氣添加比的增加不僅提升了富氫甲烷爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅◤姸?，還增強了火焰固有不穩(wěn)定性，火焰的傳播是一個復(fù)雜的過程。盡管學(xué)者們對火焰發(fā)展的幾個階段已經(jīng)進行了深入研究，但針對湍流和高氫氣添加比的甲烷爆燃、爆燃轉(zhuǎn)爆轟的火焰?zhèn)鞑C制和爆炸指數(shù)突變機理的研究較少，多集中于常溫常壓下特征參數(shù)的研究，在實際情況中，高溫高壓和多元燃料組分等復(fù)雜因素比較常見。因此，需要采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進行多元因素耦合的富氫天然氣爆炸特性研究，發(fā)展兼顧求解精度和計算成本的模型和算法，探究富氫甲烷爆燃的宏微觀特性。

2富氫甲烷爆燃機理

十九世紀開始，燃燒學(xué)經(jīng)歷了燃燒熱力學(xué)[68]、燃燒反應(yīng)動力學(xué)（鏈式反應(yīng)理論）[69-70]、燃燒物理學(xué)[71]和反應(yīng)流體力學(xué)[72]等階段。其中燃燒過程的基本現(xiàn)象是傳熱傳質(zhì)、流動與化學(xué)反應(yīng)相互作用的結(jié)果，例如前蘇聯(lián)謝苗諾夫提出的“熱著火理論”和弗蘭克-卡門涅茨基的著作《化學(xué)動力學(xué)中的擴散和傳熱》中，把傳熱傳質(zhì)過程引入燃燒現(xiàn)象的分析，提出著火的臨界條件與容器尺寸、可燃混合物組分、壓力以及散熱有關(guān)。相比甲烷，氫氣的點火溫度相近，但點火能更低，因此，點火時間要遠低于甲烷，兩者混合后，等效密度、黏度以及熱導(dǎo)率等熱物性參數(shù)發(fā)生變化，混合物的流動與傳熱特性相應(yīng)發(fā)生改變，因此，氫氣與甲烷混合后具有更高的著火和爆炸風(fēng)險。鄧凱等[73]針對不同氫氣添加比的甲烷的燃燒穩(wěn)定性開展了研究，發(fā)現(xiàn)增加氫氣含量會影響火焰流場渦結(jié)構(gòu)的變化，進而影響熱質(zhì)傳輸特征、OH自由基濃度，最終對火焰的熱釋放波動和燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。陳立等[74]研究了低旋流燃燒器中富氫甲烷火焰燃燒特性及穩(wěn)定機制，發(fā)現(xiàn)氫氣添加比會影響火焰流場結(jié)構(gòu)中的高速剪切區(qū)和中心低速區(qū)，進而影響火焰穩(wěn)定性?？梢婎A(yù)混火焰的傳播同樣是物理流動因素與化學(xué)反應(yīng)因素綜合作用的結(jié)果，實際燃燒裝置中都是湍流燃燒，湍流燃燒速率受湍流（脈動速度）和反應(yīng)動力學(xué)（層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋﹥烧叩挠绊憽Ｅc之相關(guān)的理論可以追溯到1940年由Damkohler[75]提出的有關(guān)湍流火焰速度的猜想，認為湍流只能使火焰表面出現(xiàn)褶皺，火焰表面積增大是湍流火焰速度高于層流火焰速度的原因，湍流燃燒速度的增速取決于湍流火焰面積與層流火焰面積的比值，實驗發(fā)現(xiàn)，湍流燃燒速率受湍流的影響更大。Lipatnikov等[76]總結(jié)了學(xué)者們基于Damkohler理論提出的多種湍流火焰模式下的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎惴椒?，指出湍流火焰的傳播速度仍主要與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?、湍流強度及湍流燃燒模式有關(guān)。

化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制著燃燒過程的動態(tài)發(fā)展，因此，諸多學(xué)者致力于研究燃燒反應(yīng)動力學(xué)機理，于是出現(xiàn)了鏈式反應(yīng)理論。鏈式反應(yīng)是一種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，其中反應(yīng)速率不僅取決于原有物與最終產(chǎn)物的濃度（遵循質(zhì)量作用定律）和溫度（遵循Arrhenius定律），而且受化學(xué)反應(yīng)過程中自身產(chǎn)生的一些不穩(wěn)定中間產(chǎn)物（如自由基等）的影響，這些中間產(chǎn)物能夠大大加快反應(yīng)速率。鏈式反應(yīng)通常分為鏈的產(chǎn)生、鏈的傳播（包括支化）和鏈的終止[77]3個階段。分支鏈式反應(yīng)是指鏈的攜帶者在傳播過程中數(shù)量增加，反應(yīng)加速很快，有時能在1μs內(nèi)完成，稱為化學(xué)爆炸[78]。在以往的研究中，學(xué)者們?yōu)榱烁玫亟沂練怏w燃燒爆炸的鏈式反應(yīng)，開展了大量的反應(yīng)動力學(xué)研究，深入認識了甲烷和氫氣反應(yīng)動力學(xué)機制[79-81]。Li等[53]針對不同初始壓力基元反應(yīng)對層流火焰速度的敏感系數(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)在不同初始壓力、當量比及氫氣添加比下，對富氫甲烷層流火焰速度增強和抑制作用最明顯的反應(yīng)分別是H+O2=O+OH（R38）和H+CH3（+M）=CH4（+M）（R52）。Liu等[34]通過特定物種主要基元反應(yīng)探究了氫氣添加比對甲烷燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)添加氫氣后，H、O和OH自由基的摩爾分數(shù)增大，導(dǎo)致爆炸速率增大，甲烷燃燒的醛類排放減少，甲烷氧化反應(yīng)路徑向低碳路徑移動；化學(xué)反應(yīng)R38和R52與氫氣增加呈負相關(guān)，與當量比呈正相關(guān)，其中H、O、OH自由基的最大摩爾分數(shù)隨著氫氣添加比和當量比的增大而增大，如圖11所示。Su等[82]研究了爆炸初期的化學(xué)動力學(xué)行為和反應(yīng)機理，發(fā)現(xiàn)CH4→CO2的主要反應(yīng)路徑為CH4→·CH3→CH2O→·HCO→CO→CO2，H2→H2O的主要反應(yīng)途徑為H2→·OH→H2O2→·HO2→H2O，H2→·H→·HO2→·HCO→H2O；針對這些關(guān)鍵反應(yīng)的密度泛函理論計算證明了甲烷在體系中對鏈引發(fā)時起到關(guān)鍵作用，氫氣的加入不會與甲烷競爭引發(fā)爆炸反應(yīng)，也不會抑制甲烷爆炸；在鏈式反應(yīng)開始后的鏈轉(zhuǎn)移過程中，氫氣優(yōu)先于甲烷進行，但氫氣不能取代或優(yōu)先于甲烷爆炸的支鏈反應(yīng)物（CH2O）與氧氣發(fā)生反應(yīng)；氫氣的加入提高了關(guān)鍵自由基的濃度，促進了甲烷的鏈式爆炸反應(yīng)。Su等[83]利用光譜測試系統(tǒng)，通過靈敏度分析確定了氫氣加入對甲烷爆炸關(guān)鍵基元反應(yīng)的影響，研究表明，甲烷體積分數(shù)在7%～11%變化時，在甲烷體積分數(shù)較低時，添加氫氣會產(chǎn)生大量的H自由基，而在甲烷體積分數(shù)較高時，添加氫氣會產(chǎn)生大量的OH自由基；加入氫氣后，促進甲烷爆燃最顯著的反應(yīng)由CH3+O2=O+CH3O（R93）轉(zhuǎn)變?yōu)镽38，而抑制甲烷爆燃最顯著的反應(yīng)依然是2CH3（+M）=C2H6（+M）（R104）[84]。

富氫甲烷的爆燃過程十分復(fù)雜，以往的工作更多注重宏觀層面的爆燃特性或微觀層面的鏈反應(yīng)動力學(xué)及相關(guān)熱力學(xué)研究，缺乏從宏觀與微觀結(jié)合的角度分析爆燃特性，需要深入研究宏觀爆炸特征參數(shù)與微觀基元反應(yīng)之間的耦合關(guān)系，為爆燃機理的探索和抑爆劑的開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

3富氫甲烷爆燃控制

抑爆是目前氣體爆炸防治的主要研究方向之一，利用特定材料與富氫甲烷爆炸火焰的相互作用，通過物理抑制（熱機制）和化學(xué)抑制（氣態(tài)均相和表面異相抑制機制）減弱或者中斷爆炸反應(yīng)，從而減弱爆炸的強度。本文中，將從氣相介質(zhì)、液相介質(zhì)、固相介質(zhì)、多孔介質(zhì)以及多相復(fù)合介質(zhì)抑爆出發(fā)，對富氫甲烷控爆和機理研究進行闡述。

3.1氣相介質(zhì)

氣相介質(zhì)分為惰性氣體和活性氣體。惰性氣體比熱容高、碰撞效率低，且對燃燒反應(yīng)存在動力學(xué)作用，因此，惰性氣體可以降低燃燒速率、縮小可燃氣體爆炸極限范圍、降低可燃性，當惰性氣體添加到一定量時，可使混合氣體惰化為不可燃氣體，從而抑制爆炸發(fā)生?；钚詺怏w除了物理抑爆作用外，還參與爆炸的支鏈反應(yīng)，消耗H、O、OH等關(guān)鍵自由基。路長等[85]探究了CO2對富氫甲烷爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)CO2的抑爆效果不僅有物理惰化和稀釋作用，在爆炸初始時刻還能夠與H2反應(yīng)，消耗H2的同時生成CO，導(dǎo)致CH4不完全反應(yīng)，繼而影響鏈式傳播。Su等[86]研究了N2添加比為0～0.2時對富氫甲烷爆燃特性的影響，結(jié)果表明，N2的加入使富氫甲烷的爆炸極限范圍變窄，添加15%以上N2時，對氫氣添加比為0.5以下的富氫甲烷爆炸抑制效果明顯。Zhang等[87]研究了N2和CO2對氫氣/空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰特性的抑制作用，發(fā)現(xiàn)CO2比N2具有更顯著的抑制作用。此后，Zhang等[88]又對富氫甲烷的爆炸超壓和火焰行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)N2和CO2的加入會降低熱擴散率和導(dǎo)熱率，導(dǎo)致層流火焰速度降低，火焰厚度增大，減弱了火焰變形，從而抑制火焰加速。此外，對于·H+O2+M=·HO2+M等關(guān)鍵基元反應(yīng)，N2和CO2會作為第三體產(chǎn)生碰撞，而CO2的碰撞效率高于N2，因此，CO2的抑制效果更加明顯。Shang等[89]的研究發(fā)現(xiàn)，CO2會通過競爭CO+·OH=CO2+·H與·H+O2=·O+·OH反應(yīng)中的H自由基抑制富氫甲烷的燃燒。Chen等[90]探究了不同初始溫度、壓力和CO2添加比對富氫甲烷燃燒的稀釋效應(yīng)、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)稀釋效應(yīng)占主導(dǎo)地位，其次是熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，初始溫度為300K時化學(xué)效應(yīng)可以忽略，隨著初始溫度升高，化學(xué)效應(yīng)逐漸明顯，而隨著初始壓力增加，化學(xué)效應(yīng)逐漸減弱，隨著當量比增加，3種效應(yīng)呈現(xiàn)先增強后減弱的趨勢。Zhang等[91]探究了七氟丙烷（HFC-227ea）對不同當量比富氫甲烷爆燃特性的影響，結(jié)果表明，熱促進和化學(xué)抑制之間的相互競爭導(dǎo)致HFC-227ea對富氫甲烷爆燃有增強和抑制作用，在當量比為0.6時，HFC-227ea在添加量小于等于0.03時，增大了的富氫甲烷火焰的傳播速度，當xH2gt;0：2時，HFC-227ea抑制火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

學(xué)者們針對CO2、N2等氣體對富氫甲烷的抑爆機理已經(jīng)開展了大量研究，但大多采用小尺寸實驗，根據(jù)以往研究發(fā)現(xiàn)，不同工況下活性自由基的反應(yīng)速率存在差異，因此，需要開展復(fù)雜工況的全尺度實驗，以深入研究抑爆劑在不同使用條件下的抑爆機理。

3.2液相介質(zhì)

水霧是常見的液相介質(zhì)，具有成本低、來源廣泛、使用方便、比熱容高等特點，是一種很好的抑爆材料。水分子會與爆炸體系中的活性基元反應(yīng)，例如·H+O2+H2O=·HO2+H2O，也會以第三體的形式發(fā)生碰撞消耗能量[92]。Modak等[93]研究發(fā)現(xiàn)，液滴尺寸是影響抑制效果的關(guān)鍵，甲烷/丙烷/空氣預(yù)混火焰的最佳抑制液滴直徑約為10μm，而對于氫氣/空氣預(yù)混火焰，最佳抑制效果的液滴直徑約為2μm。Shimizu等[94]、Parra等[95]和Thomas等[96]從物理、化學(xué)、熱效應(yīng)等方面分析了細水霧抑制甲烷爆炸的機理，指出細水霧通過液滴蒸發(fā)的吸熱效應(yīng)和氧氣稀釋效應(yīng)減弱壓力波和火焰，從而起到抑制爆炸的作用。水霧直徑太大時，將無法在通過火焰中或通過火焰之前蒸發(fā)，因此，水霧必須分解成更小直徑的顆粒才能起到抑制作用[97]。張彬等[98]探究了超細水霧對富氫甲烷爆燃的抑制機理，結(jié)果表明，細水霧表現(xiàn)出2種作用：（1）蒸發(fā)吸熱、阻隔熱輻射、稀釋氧氣濃度和中斷鏈式反應(yīng)等物理和化學(xué)抑制作用；（2）對未燃氣體流場造成擾動，從而引起湍流，產(chǎn)生促爆作用。Wen等[99]研究了不同直徑和通量的細水霧對封閉管道富氫甲烷爆炸的抑制效果，發(fā)現(xiàn)直徑越小的細水霧抑制效果越明顯，水霧通量越多，水霧的抑制效果越好，但抑制效果隨著氫氣添加比的增加逐漸降低。曹興巖等[100]指出，細水霧對爆炸能量的削弱主要以潛熱吸熱為主，對爆炸強度的促進或減弱主要是水霧冷卻吸熱降壓與水霧汽化膨脹導(dǎo)致升壓相互作用的結(jié)果，此外，液滴的粒徑、速度和水霧的質(zhì)量濃度也會改變火焰面的湍流尺度、脈動速度和導(dǎo)溫系數(shù)，液滴粒徑和速度較大時會有較高的動量和脈動速度，液滴將穿透火焰面，在已燃區(qū)域未發(fā)揮全部抑制作用，同時受到擾動的火焰表面將加快向未燃區(qū)域的熱量傳遞，導(dǎo)致燃燒加快。章智慧等[101]探究了細水霧壓力和施加高度對氫氣噴射火焰的影響，細水霧一方面會降低射流火焰的溫度場和輻射場，另一方面會導(dǎo)致射流火燃燒的強化和火焰膨脹，當壓力較低時，細水霧隔絕和衰減輻射的能力也相對較弱，但水霧釋放的高度越高，火焰的膨脹效果越弱，反而有利于安全。Xu等[102]、余明高等[103]和Yu等[104]基于靜電感應(yīng)原理，為細水霧荷上正負電荷，改變了細水霧的理化性質(zhì)，增強了霧滴之間的庫侖力，使得細水霧能保持更高的穩(wěn)定性，由于自由基本身附帶電荷，在正負電荷平衡的爆炸體系中加入荷電細水霧，能夠加速捕獲爆炸反應(yīng)的中間自由基，擾亂了正負電荷的平衡，從而抑制爆炸鏈式反應(yīng)的進行，研究表明，荷電細水霧對爆炸壓力峰值以及火焰?zhèn)鞑ニ俣扔懈玫囊种菩Ч?，且荷電電壓越高，抑制效果越好。在含NaCl添加劑的荷電細水霧中，Na+和Cl–被荷上電荷，自由移動的鈉離子和氯離子發(fā)生定向移動，在電場力的作用下提高了NaCl霧滴的均勻性和穩(wěn)定性，從而促進了爆炸抑制作用。

向水霧中添加具有化學(xué)抑爆性能、易溶于水的無機鹽，形成含添加劑細水霧會起到更好的抑爆效果，含添加劑的細水霧增強了富氫甲烷爆炸過程中的化學(xué)抑制作用，溶于細水霧的堿金屬離子（Na+、K+、Mg2+等）和酸根離子（、、CH3COO–等）能夠與富氫甲烷爆炸體系中的·H、·O和·OH自由基反應(yīng)，降低中間自由基的濃度，阻止鏈式反應(yīng)進行；Cao等[105]、Liu等[106]研究了堿金屬鹽細水霧對0～20%富氫甲烷火焰的泯滅能力，結(jié)果表明，K+的滅火效率高于Na+，這是由于原子核數(shù)、電子層數(shù)和原子半徑增加，堿金屬化合物的活性水平相應(yīng)增加，增強了燃燒過程中的反應(yīng)性；在陰離子方面，當時，的滅火效率優(yōu)于其他陰離子，當時，CH3COO–的抑制效果最佳。Wei等[107]研究了NaHCO3水霧對H2/DME/CH4/空氣混合物的爆炸抑制作用，發(fā)現(xiàn)NaOH+·H=Na+H2O和Na+·OH+M=NaOH+M是含鈉物質(zhì)抑制火焰速度的主要反應(yīng)，Na與NaOH的抑制循環(huán)可有效減少H和OH自由基。

由此可見，富氫甲烷液相介質(zhì)抑爆一般使用純水霧、荷電細水霧和添加劑水霧，金屬化合物KOH、Na2CO3等溶于水后呈現(xiàn)強堿性，會對滅火現(xiàn)場的電器設(shè)備等產(chǎn)生較強的腐蝕性。因此，需要開發(fā)能夠增強冷卻效果和清潔高效的添加劑以滿足實際應(yīng)用需求。

3.3固相介質(zhì)

根據(jù)成分的不同，固相介質(zhì)可分為有機抑爆劑、無機抑爆劑、改性抑爆劑和復(fù)合抑爆劑。有機抑爆劑以溴系、氮系和磷系及其化合物為代表，其中以有機磷抑爆劑最常用，有機磷化合物在火焰中會分解形成·HPO和·PO等基團，并在氣相中與燃燒所需的·H和·OH活性基團結(jié)合，從而中斷鏈式反應(yīng)，但其反應(yīng)產(chǎn)物會對環(huán)境安全和人員健康產(chǎn)生很大危害[108-109]。無機抑爆劑是由耐高溫溶液加入超微無機金屬氧化物精細加工而成，主要是把具有本質(zhì)抑爆性的無機元素以單質(zhì)或化合物的形式添加到需抑爆的基材中，以物理分散狀態(tài)與高聚物充分混合，在氣相或凝聚相通過化學(xué)或物理變化起到抑爆作用，常見的無機抑爆劑有碳酸鹽（NaHCO3、KHCO3和CaCO3）、磷酸鹽（NH4H2PO4、（NH4）2HPO4和CaHPO4）、聚磷酸鹽、鹵化物（KCl和NaCl）、氫氧化物（Al（OH）3和Mg（OH）2）、二氧化硅、尿素、硅藻土、高嶺石等[110]。Luo等[111]研究了碳酸氫鈉對富氫甲烷爆炸抑制效果，結(jié)果表明，當時，NaHCO3對預(yù)混氣具有完全抑爆效果；當時，預(yù)混氣體的壓力峰值隨著碳酸氫鈉濃度的增大而不斷增大；當時，碳酸氫鈉對預(yù)混氣體沒有抑制作用，反而促進了爆炸反應(yīng)。這可能是由于混合氣體中氫含量的增加使得混合氣體整體反應(yīng)活性增強，甲烷燃燒的自由基數(shù)量迅速增加[112]。一般抑爆粉體加入會吸收爆炸反應(yīng)熱發(fā)生熱分解，受熱分解的穩(wěn)定氧化物能夠吸收爆炸體系的能量，產(chǎn)生的惰性氣體和水蒸氣則起到稀釋和冷卻作用，并且分解產(chǎn)物能夠與反應(yīng)體系內(nèi)的·H、·OH和·O自由基發(fā)生反應(yīng)。此外，粉體的熱解性能和粒徑使其抑爆效果存在差異性；田莉[113]研究了不同粉體對富氫甲烷的抑爆效果，結(jié)果表明，3種粉體的爆炸抑制效果從高到低依次為：碳酸氫鉀、碳酸氫鈉、二氧化硅。蘇洋[114]利用碳酸氫鈉、磷酸二氫銨、二茂鐵和氫氧化鎂4種常見抑爆粉體對管道內(nèi)富氫甲烷抑爆效果進行研究，發(fā)現(xiàn)時，碳酸氫鈉的抑爆效果最好，時，二茂鐵的抑爆效果最好，但碳酸氫鈉、磷酸二氫銨、二茂鐵和氫氧化鎂分別在氫氣添加比為0.8、0.7、1.0、0.8時提升了爆炸壓力。一般情況下，粉體粒徑越小，抑爆效果越好，粒徑為10～20μm和50nm的二氧化硅分別可使當量比為1的甲烷爆炸最大超壓下降40%和90%以上[115-116]。與具備化學(xué)抑制作用的抑爆劑不同，只有物理抑制效果的二氧化硅沒有直接參與爆炸反應(yīng)，而是使爆炸氣氛中氧濃度相對降低，在一定程度上起到將可燃物與氧氣隔離的作用，當活化分子與粉體介質(zhì)碰撞時，會使其失去活化能而不能反應(yīng)。

為了提高抑爆劑的抑爆性能，研究人員通過表面改性、接枝、復(fù)配等方法將不同性質(zhì)的材料進行優(yōu)勢互補形成納米復(fù)合抑爆劑。Li等[117]利用植酸和三聚氰胺對鋁土礦進行改性，將得到的改性鋁土礦用于抑制的富氫甲烷爆炸，發(fā)現(xiàn)抑爆粉體濃度為0.25g/L時達到抑制飽和，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率分別降低了52.41%和83.50%；通過爆炸產(chǎn)物分析能夠發(fā)現(xiàn)，成功接枝到鋁土礦上的植酸和三聚氰胺分解產(chǎn)生的含磷含氮等物質(zhì)阻礙了爆炸鏈式反應(yīng)。Liu等[118]利用球磨機將碳酸氫鉀與沸石進行復(fù)配，發(fā)現(xiàn)復(fù)合粉體的抑爆效果優(yōu)于單一粉體。Wang等[119]以赤泥為載體，開發(fā)了一種核殼結(jié)構(gòu)的碳酸氫鈉/赤泥復(fù)合粉體，改性赤泥擁有較大的孔隙率和比表面積，有助于捕獲爆炸自由基和吸收熱量，外層的碳酸氫鈉在高溫下熱解并暴露出內(nèi)層赤泥，從而達到協(xié)同抑制效果。Sun等[120]利用高嶺石的層狀結(jié)構(gòu)和多孔特性，與聚磷酸銨和氫氧化鋁進行復(fù)配抑制甲烷爆炸，結(jié)果表明，高嶺土與常規(guī)抑制劑具備協(xié)同增效作用。相較于單一粉體，改性或者復(fù)合粉體的抑爆效果更加明顯。

在甲烷爆炸方面已經(jīng)研制出了許多高效的抑制材料，但是添加氫氣后的甲烷燃燒及爆炸特性會發(fā)生變化，特別是在氫氣添加比較高的情況下，傳統(tǒng)粉體抑爆劑的抑制效果顯著減弱，且抑爆機理尚不清晰，因此，需要優(yōu)化粉體微觀結(jié)構(gòu)，嫁接化學(xué)抑爆組分，研制可抑制富氫甲烷爆燃關(guān)鍵自由基的靶向抑爆材料。

3.4多孔介質(zhì)

多孔介質(zhì)材料由許多細小管道或孔隙構(gòu)成，具有開孔率高、比表面積大、耐高溫、抗沖擊和緩沖能力強等特點，可燃物質(zhì)爆炸產(chǎn)生的火焰穿過多孔介質(zhì)時，火焰流被分割成數(shù)個微小細流、通道或孔隙進行部分散熱，火焰通過管壁進行傳遞散熱后能夠削弱或熄滅爆炸火焰；針對多孔介質(zhì)抑制富氫甲烷爆炸的研究主要集中于金屬網(wǎng)狀材料、泡沫銅等。絲網(wǎng)狀的多孔抑爆介質(zhì)對火焰的淬熄特性與幾何參數(shù)、材質(zhì)、層數(shù)、間距等有關(guān)，一般來說，網(wǎng)孔越?。茨繑?shù)越大）、金屬絲越粗、開口比及體積空間率越小，抑爆性能越好[121]。Lv等[122]開展了鋁合金金屬網(wǎng)狀材料抑制富氫甲烷爆炸研究，結(jié)果表明，隨著氫氣添加比的增加，金屬網(wǎng)狀材料的抑爆效果逐漸減弱，當時，鋁合金金屬網(wǎng)狀材料完全失效。Jin等[123]探究了密閉管道中金屬網(wǎng)狀材料的層數(shù)、目數(shù)等參數(shù)對富氫甲烷爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀材料目數(shù)越大，其吸熱及切割爆炸火焰的作用越顯著，且多層金屬網(wǎng)狀材料可有效降低最大爆炸壓力，最高可降低78.6%。王碩[124]在100mm×100mm的管道內(nèi)，采用3層孔隙率分別為20、40和60ppi（ppi為單位英寸長度上的平均孔數(shù)）的泡沫銅研究了其對富氫甲烷爆炸傳播的影響，結(jié)果表明，孔隙率越大，抑爆效果越佳，但時，火焰經(jīng)過泡沫銅逐層加速，加劇了火焰由層流向湍流轉(zhuǎn)變。黃楚原等[125]比較了內(nèi)徑為0.06m、長0.5m的管道內(nèi)單一和組合球形多孔非金屬材料對富氫甲烷的抑爆效能，發(fā)現(xiàn)組合球形多孔非金屬材料的抑爆效果更突出，當填充長度為0.4m時，最大爆炸壓力降低51.02%，最大爆炸壓力上升速率降低53.85%，相較于單一球形多孔非金屬材料，抑爆性能提升了78.58%。Duan等[126]探究了不同氫氣添加比的混合氣體通過多孔泡沫銅的火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕l(fā)現(xiàn)時，多孔材料不能猝滅火焰，反而會加劇火焰?zhèn)鞑?；氫氣的加入使得爆炸體系的活性自由基顯著增加，多孔材料可能會促使自由基碰撞或損失，最終火焰能否猝滅取決于氫氣增加的自由基數(shù)量與多孔材料損失的自由基數(shù)量之間的關(guān)系。

針對多孔介質(zhì)材料對富氫甲烷抑爆的研究多集中于火焰?zhèn)鞑バ袨楹捅ǔ瑝涸鰷p規(guī)律，但對于較高氫氣添加比的富氫甲烷，爆炸產(chǎn)生的壓縮波疊加在通過多孔介質(zhì)后可能會被誘導(dǎo)為激波，進而發(fā)展為爆轟現(xiàn)象，加劇爆炸危險性；此外，針對爆轟火焰沖擊多孔介質(zhì)的研究較少，深入研究爆轟過程中火焰-湍流-超壓的耦合作用機制，對完善多孔介質(zhì)抑爆技術(shù)具有重要意義。

3.5多相復(fù)合介質(zhì)

不同的單相材料抑爆效果不同，為了提高抑爆效率，通常需要同時加入多種相態(tài)的抑爆劑以達到協(xié)同抑爆效果。由于氫氣的加入提高了爆炸強度，單獨采用氣體、粉體或者細水霧抑爆都存在一定的局限性，例如氣體和粉體抑爆需要的濃度較高，細水霧抑爆對粒徑、噴量等都有要求，甚至在某些工況下反而會促進富氫甲烷的爆炸[91，114]。因此，采用多相復(fù)合介質(zhì)抑爆是實現(xiàn)富氫甲烷高效抑爆的有效途徑之一。羅振敏等[127]研究了0～15%CO2、250g/m3的海泡石粉體復(fù)合介質(zhì)對富氫甲烷爆燃特性的影響，結(jié)果表明，爆炸壓力峰值隨著氫氣添加比的增加一直呈現(xiàn)下降趨勢。鄭露露等[128]利用20ppi孔隙率的多孔材料和0～0.4MPa噴氣壓力的CO2，對氫氣添加比為0～0.3的富氫甲烷抑爆失效現(xiàn)象的爆炸火焰行為和超壓等特性參數(shù)進行了研究，結(jié)果表明，爆炸壓力峰值僅在且CO2噴氣壓力為0.2和0.4MPa失效條件下有所衰減，其他情況下均造成壓力峰值升高，因此，在富氫天然氣管道中需要使用高孔隙率多孔材料和高噴氣壓力CO2進行抑爆。鄭露露等[129]還研究了多孔介質(zhì)與CO2協(xié)同抑制的富氫甲烷的爆炸特性，結(jié)果表明，在火焰經(jīng)過多孔介質(zhì)前噴灑CO2對火焰有促進作用，而在火焰經(jīng)過多孔介質(zhì)后噴灑CO2能夠成功淬熄火焰。Zhang等[130]利用去離子水和氣相二氧化硅制成干水粉末，探究了其對體積分數(shù)為20%的氫氣和10%的甲烷的抑爆效果，結(jié)果表明，氫氣和甲烷的最大爆炸壓力隨著干水濃度的增加而線性下降，500g/m3的干水降低氫氣和甲烷的爆炸壓力都超過50%，1000g/m3下對甲烷的抑爆效率可達98.46%，高于氫氣的84.4%，但在相同干水濃度下，甲烷的爆炸壓力下降比氫氣明顯。

不同相態(tài)的抑爆劑在爆炸過程中會發(fā)揮不同的作用，通常情況下，多相復(fù)合介質(zhì)的抑爆效果不等于單相抑爆效果的理論疊加，抑爆劑的混合使用會同時參與燃燒反應(yīng)，中間產(chǎn)物種類繁多，反應(yīng)機理復(fù)雜，協(xié)同機制尚未揭示清楚，在研究復(fù)合抑爆時需要更加注重微觀的耦合效應(yīng)。

4結(jié)論與展望

富氫甲烷的爆燃特性與爆炸防控是保障富氫天然氣產(chǎn)業(yè)全生命周期安全的重要課題，在過去的幾十年中，學(xué)者們圍繞富氫甲烷爆燃特性和控爆減災(zāi)技術(shù)開展了大量的研究工作，主要包括富氫甲烷爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律、爆炸特征參數(shù)、爆炸數(shù)值模擬、爆燃機理和控爆技術(shù)等，形成了一個較完整的減災(zāi)技術(shù)體系。本文中對上述研究方向進行了系統(tǒng)的綜述，總結(jié)得到以下結(jié)論。

（1）在爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律方面，氫氣的加入加劇了火焰固有不穩(wěn)定性，使得爆炸體系經(jīng)歷更快的火焰失穩(wěn)過程和更劇烈的自加速過程；在火焰?zhèn)鞑ミ^程中存在測量裝置或閥門等障礙物，火焰與障礙物間的循環(huán)激勵作用會使火焰進一步加速，最終可能發(fā)展成爆轟。

（2）在爆炸特征參數(shù)研究方面，隨著氫氣的添加，甲烷的最小點火能量急劇下降，爆炸極限范圍變寬，在高氫氣添加比下，最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)呈指數(shù)形式增長。

（3）在爆炸數(shù)值模擬方面，隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展，通過完善的湍流模型、詳細的化學(xué)反應(yīng)模型、復(fù)雜燃燒模型和熱損失理論模型等，能夠觀察到精細化火焰結(jié)構(gòu)和流場等演化規(guī)律，使得模擬結(jié)果更符合實際爆炸過程。

（4）在爆燃機理方面，氫氣在爆炸體系中能夠優(yōu)先反應(yīng)，氫氣的加入改變了甲烷爆炸的反應(yīng)路徑，促進了甲烷的鏈式爆炸反應(yīng)。

（5）在控爆技術(shù)方面，常規(guī)惰性氣體和細水霧主要通過惰化和冷卻吸熱來抑制爆炸，鹵代烴、粉體及金屬化合物添加劑主要通過吸熱分解產(chǎn)生的陰陽離子來消除爆炸產(chǎn)生的關(guān)鍵自由基起到抑制效果。目前，抑爆劑的抑制效果隨著氫氣添加比的增加而減弱，對高氫氣添加比還可能會促進爆炸。

雖然現(xiàn)階段研究取得了一系列重要的實驗和理論進展，但現(xiàn)有研究對實際氫能的安全利用仍然存在許多局限性，富氫甲烷爆燃特性和控爆減災(zāi)技術(shù)仍需進一步完善。

（1）探索火焰固有不穩(wěn)定性與湍流的耦合機制。針對富氫甲烷球形傳播火焰的研究主要集中在層流燃燒速度和火焰固有不穩(wěn)定性引起的火焰失穩(wěn)兩方面，密閉空間中受氫氣添加比、初始條件和邊界條件的擾動會表現(xiàn)出復(fù)雜的湍流流場，不同擾動下火焰的結(jié)構(gòu)特征會發(fā)生顯著變化，目前湍流和火焰固有不穩(wěn)定性的耦合機制尚未揭示清晰。因此，需要開展不同氫氣添加比、高溫高壓與不同湍流等復(fù)雜工況下的富氫甲烷爆炸實驗，揭示火焰固有不穩(wěn)定性在弱、中、強湍流下的相互作用規(guī)律。

（2）采用實驗與數(shù)值模擬結(jié)合的手段深入研究多元因素的火焰?zhèn)鞑C制。當前對氫氣/甲烷預(yù)混氣體爆燃方面的研究大多側(cè)重于較低的氫氣添加比及較高的氫氣濃度梯度，涉及高氫氣添加比時的甲烷爆燃、爆燃轉(zhuǎn)爆轟的火焰?zhèn)鞑C制和爆炸指數(shù)突變機理的研究較少，需要打破以實驗為主的常規(guī)研究手段，借助數(shù)值模擬方法，進一步完善理論模型，減少假設(shè)和簡化，發(fā)展兼顧求解精度的模型和算法推演爆炸態(tài)勢，將實驗與數(shù)值模擬的多源數(shù)據(jù)同化，開展關(guān)鍵自由基及中間產(chǎn)物、爆燃壓力及壓升速率、火焰結(jié)構(gòu)等宏微觀爆燃特性研究。

（3）研發(fā)多相復(fù)合的高效抑爆劑。當前研究中多通過爆炸特征參數(shù)的宏觀變化來評價抑爆性能，抑制過程中抑爆介質(zhì)的物理-化學(xué)耦合抑爆效應(yīng)尚不明確，在高氫氣添加比情況下，反應(yīng)速率和路徑會發(fā)生變化，單獨從宏觀角度分析難以解釋抑爆特性，并且使用一種相態(tài)或材料的抑爆劑均存在一定的局限性。因此，需要利用宏觀爆炸特征參數(shù)、火焰形態(tài)以及微觀發(fā)射光譜檢測等手段開展研究，結(jié)合不同相態(tài)抑爆劑的特點，實現(xiàn)協(xié)同增效的抑爆效果，掌握抑制過程的鏈式反應(yīng)進程，厘清抑制過程的物-化耦合機理，實現(xiàn)對微觀機理的研究和分析。此外，也可以改變抑爆材料的分布和結(jié)構(gòu)，嫁接化學(xué)抑爆組分，研制出抑制富氫甲烷爆燃關(guān)鍵自由基的靶向抑爆材料。