不同甲烷掺杂比例下高压氢气泄漏自燃特性的实验研究

本研究针对高压氢气泄漏自燃风险，通过实验探究甲烷掺杂（λ=0%、5%、10%、15%）对氢气自燃及火焰传播的影响。研究发现，CH4掺杂会降低冲击波速度、提高自燃临界压力，并抑制火焰强度，为工业含杂质氢气的安全储存与运输提供重要数据支撑。

　　

在全球能源结构转型的背景下，氢气作为零碳能源备受关注。然而，高压储氢技术面临一个棘手难题：当储罐突发泄漏时，纯氢在无明火条件下可能发生自燃（autoignition），引发灾难性事故。更复杂的是，工业制氢过程中常混入甲烷（CH₄）等杂质，这些"不速之客"会如何影响氢气的自燃特性？这一科学盲区直接关系到氢能设施的安全设计标准。

榆林市科技计划等项目支持的研究团队在《Fuel》发表论文，通过精巧的实验设计揭开了甲烷掺杂对氢气自燃的神秘面纱。研究人员搭建了包含高压储罐、方形截面观测管和高速摄像系统的实验平台，采用镍金属爆破片控制泄漏初速度，通过压力传感器阵列和高速摄影同步捕捉冲击波（shock wave）传播与火焰发展动态。

主要技术方法
实验采用1L高压储罐和460mm方形观测管（10mm×10mm），设置λ=0%-15%的CH₄掺杂梯度，通过镍金属爆破片控制突发泄漏，使用4个压力传感器（P₁-P₄）记录冲击波压力峰值，借助高速摄像机（10,000fps）捕捉火焰传播模式。

Effects of different CH₄ ratios on the jet shock wave
数据显示：当λ=15%时，14.67MPa压力下冲击波平均速度降至1120m/s，较纯氢降低22.65%；自燃临界压力提升至纯氢的1.8倍。压力峰值随甲烷比例增加呈单调递减，表明CH₄能有效衰减冲击波强度。

Flame propagation characteristics
高速影像分析发现四种火焰传播模式：纯氢火焰灰度值在管末端骤增，而掺杂火焰因中部缺氧出现亮度衰减。当λ<10%时管内火焰可形成管外喷射火焰，但CH₄掺杂显著降低火焰亮度和湍流强度。

Conclusion
研究证实甲烷掺杂是一把"双刃剑"：虽然降低了自燃风险（冲击波速度下降22.65%、临界压力提升80%），但同时也抑制了火焰发展。特别值得注意的是，当λ≥15%时，半开放空间前导冲击波压力峰值<0.05MPa，这为制定工业氢气杂质含量安全标准提供了关键阈值。该成果对含杂质氢气的储运安全设计具有直接指导价值，特别是对甲烷蒸汽重整制氢工艺的安全生产具有重要警示意义。