氮气-水雾两相介质对CH4、LPG及H2爆炸火焰加速特性的差异化抑制机制研究

为应对工业场景对清洁高效抑爆技术的迫切需求，研究人员通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了N2-水雾两相介质对CH4、LPG和H2爆炸火焰加速特性的差异化抑制效果。研究发现该介质能显著降低火焰传播速度、延迟流体力学结构形成，并通过化学与物理协同作用（以物理抑制为主导）有效抑制层流燃烧速度，为多活性可燃气体的通用抑爆技术开发提供新思路。

　　

随着全球清洁能源转型加速，甲烷（CH₄）、液化石油气（LPG）和氢气（H₂）因其高效清洁特性成为工业与城市生活的重要能源。然而这些气体具有低点火能、宽爆炸极限的特性，在储运和使用过程中存在重大爆炸风险。传统单一抑爆剂如惰性气体或细水雾难以有效抑制高活性气体（尤其是H₂）的爆炸，开发新型复合抑爆技术成为行业迫切需求。

针对这一挑战，河南理工大学的研究团队在《Chinese Journal of Chemical Engineering》发表最新成果，创新性地采用N₂-水雾两相介质，通过实验与CHEMKIN-PRO模拟相结合的手段，系统研究了其对三种可燃气体的差异化抑爆机制。研究团队构建了标准20L球形定容燃烧弹实验系统，结合纹影系统、高速摄像机和压力采集装置，同步捕捉火焰传播动力学特征；同时利用数值模拟软件定量解析热力学参数与自由基反应路径。

研究首先揭示了两相介质的协同抑爆规律：对于CH₄和LPG，N₂体积分数增加时抑爆效果呈线性提升，但对H₂的抑制效果随浓度增加而减弱。特别值得注意的是，水雾与N₂的协同效应对LPG呈现正向增强，而对CH₄和H₂则逐渐弱化。通过高速摄像分析发现，该介质能显著延迟"郁金香火焰"等流体力学结构的形成时间，使CH₄、LPG和H₂的火焰结构转变半径分别增大1.71倍、1.35倍和1.25倍。

机制研究表明，N₂-水雾两相介质通过双重路径发挥作用：物理层面通过蒸发吸热降低绝热火焰温度，化学层面则有效抑制H自由基链式反应。模拟数据证实，该介质使CH₄和LPG的热扩散不稳定性分别降低58.3%和42.1%，同时使三种气体的流体力学不稳定性显著减弱。研究还首次建立了H自由基浓度与层流燃烧速度的线性关联模型，为定量预测抑爆效果提供了理论依据。

该研究的创新价值在于揭示了气液两相介质对不同活性可燃气体的差异化抑制规律，突破了传统抑爆技术对高活性气体效果不佳的瓶颈。研究成果不仅为工业防爆系统的优化设计提供了科学依据，也为清洁能源安全利用技术的开发奠定了理论基础。特别是提出的物理-化学协同抑爆机制，为开发新一代智能化抑爆系统指明了方向，对保障能源转型过程中的安全生产具有重要实践意义。