利用实验和密度泛函理论（DFT）方法研究CO?/ABC气固复合抑制剂对丙烷爆炸的抑制机制

《Combustion and Flame》：Study on inhibition mechanisms of CO 2/ABC gas-solid compound suppressant on propane explosion using experiments and DFT method

丙烷爆炸压力抑制与CO?/ABC复合机制研究。采用20L球形爆炸装置，对比CO?、ABC粉末及其复合抑制效果，发现9%CO?+150g/m3ABC或15%CO?+100g/m3ABC可将爆炸压力显著降低。CO?通过物理降温降低压力差，影响峰值压力；ABC捕获O?、H·等自由基，抑制链式反应，降低压力上升速率。DFT计算揭示复合抑制协同作用，线性回归确定最佳配比。为工业应用提供理论依据。

　　

王秋红|朱赫|邓俊|罗振民|高伟|刘向荣|王庆峰|刘一飞|王思如

西安科技大学安全科学与工程学院，中国西安710054

摘要

在储存罐或运输、使用过程中，丙烷可能与空气混合，在工业设施中形成气体云。在高温或点燃的情况下，这些气体云可能会发生爆炸。为了工业安全，必须研究用于丙烷的爆炸抑制剂。在一个20升的球形爆炸实验装置中，研究了在CO₂、ABC粉末以及CO₂/ABC气固组合抑制剂存在下的丙烷爆炸压力和极限。研究了单相抑制剂和组合抑制剂的爆炸抑制效果。线性回归和密度泛函理论（DFT）计算揭示了这两种组分对爆炸参数的主要影响。结果表明，9%的CO₂与150克/立方米的ABC粉末或15%的CO₂与100克/立方米的ABC粉末结合使用可以减缓丙烷爆炸。CO₂通过物理方式降低了爆炸前后的压力差，从而显著影响峰值压力。通过捕获关键自由基（O₂、H·、OH·、CH₃·），ABC粉末能够中断链式反应，减少爆炸强度，显著影响最大压力上升速率。这些发现为提高CO₂/ABC粉末的质量比和实时工业注入浓度调整提供了理论依据。

引言

丙烷（C₃H₈）以液化气形式储存在气瓶中，用于家庭和工业用途，是生产有机化合物（包括丙烯）的化学前体[1,2]。然而，丙烷的易燃性和爆炸性在工艺设备中存在相当大的风险[3]。为了确保其安全使用，通常会采取爆炸预防和抑制策略[4,5]。

关于含有丙烷的气体的爆炸抑制剂已经进行了大量研究。Giurcan等人[6]研究了10%的Ar、N₂和CO₂在不同初始压力和温度下对丙烷的抑制效果。研究结果表明，提高初始温度会显著影响最大爆炸压力和爆炸持续时间，但对爆炸期间压力上升的峰值速率影响甚微。在这些干预措施中，CO₂产生的绝热火焰温度最低。Guan等人[7]研究了10%的CO₂在各种真空条件下对液化石油气（LPG）爆炸特性的影响。结果表明，提高真空度有助于利用CO₂抑制LPG爆炸。Xie等人[8]进行了化学动力学计算，发现氮气对甲烷爆炸极限的影响大于对乙烷和丙烷的影响。Shi等人[9]使用管状燃烧器进行了CO₂抑制丙烷的实验。当氧的摩尔分数≤0.5时，观察到稳定的管状火焰；当氧的摩尔分数增加到0.6时，火焰结构变得不均匀；当氧的摩尔分数超过0.7（在化学计量浓度下）时，管状火焰消失。Tang等人[10]记录了氮-丙烷-空气混合气体在圆柱形高压恒容燃烧容器（直径180毫米，长度210毫米）中的燃烧传播情况。他们的研究表明，火焰传播速度与N₂稀释率之间存在线性关系，且在高压条件下N₂的稀释效果更明显。Abdelkhalik等人[11]使用直径80毫米、长度500毫米的玻璃管研究了丙烷、异丙醇和甲醇醋酸酯的爆炸极限。实验结果表明，爆炸强度的顺序为甲醇醋酸酯 > 丙酮 > 异丙醇 > 丙烷。惰性气体的抑制效果排序为：CO₂ > He > N₂ > Ar。

目前可用的爆炸抑制材料[12]包括粉末和组合抑制剂，这些材料因其储存便利性和有效的抑制能力而受到广泛研究[[13], [14], [15], [16], [17]]。Wang等人[18]使用碳酸氢钠来减缓丙烷喷射火灾，并阐明了其抑制机制。Roosendans等人[19]研究了几种单独抑制剂（K₂CO₃、KHCO₃、Na₂CO₃、NaHCO₃、N₂、CO₂、H₂O）对丙烷和甲烷的抑制效果，并将其抑制效果与抑制剂的热分解联系起来。Zhao等人[20]比较了单一抑制剂与CO₂/NaHCO₃和CO₂/Al(OH)₃气固双相抑制剂对LPG的抑制效果，得出结论认为气固双相抑制剂比单一抑制剂更有效。Pei等人[21]通过实验测试和数值模拟系统研究了CO?双流体水雾与改性无机盐混合物对LPG爆炸的抑制效果，揭示了这种复合爆炸抑制系统的作用机制和效能规律。

先前的研究广泛分析了单相抑制剂对丙烷爆炸的抑制效果；然而，关于气固组合抑制剂对丙烷爆炸特性和机制影响的研究仍然有限。在实际应用中，ABC粉末抑制系统经常用于丙烷储存罐和管道过程。本研究探讨了CO₂惰性气体和ABC粉末的组合应用，以提高ABC粉末在工艺管道中的抑制效率。在实际应用之前，需要进行彻底的理论和实验研究来评估这种组合的有效性[22]。本研究利用20升球形爆炸实验系统，分别和组合研究了CO₂和ABC粉末对丙烷爆炸的抑制效果。本研究旨在阐明这些材料对丙烷爆炸特性的影响。采用线性回归分析[23]确定CO₂/ABC组合抑制剂降低丙烷爆炸参数的主要因素，并通过密度泛函理论（DFT）[24]计算阐明了CO₂/ABC组合抑制剂对丙烷爆炸的抑制机制。本研究为利用CO₂/ABC组合抑制剂控制丙烷爆炸风险的创新方法建立了理论基础。

实验装置

本研究使用了HY16426C 20升球形爆炸实验系统。该系统包括控制系统、爆炸容器、多通道气体混合系统、点火系统和数据采集系统，如图1所示。

爆炸容器设计为20升球形容器，具有优异的密封性和高达4 MPa的压力承受能力[25]，是执行气体混合物爆炸实验的主要组成部分。点火系统具有

CO₂对丙烷爆炸极限的影响

初步测试确定了丙烷的爆炸极限范围为2.3%–9.7%。随后，逐渐以3%的浓度增量向丙烷气体中添加CO₂，直到丙烷爆炸完全被抑制。图4显示了CO₂浓度升高对丙烷爆炸极限范围的影响。

图4表明，当CO₂体积百分比从0%增加到29.7%时，丙烷的爆炸极限范围减小。

结论

在运输过程中与空气混合或以气体云形式释放的丙烷，在高温或点火源的作用下存在爆炸危险。本研究使用CO₂作为气体爆炸抑制剂，ABC粉末作为固体抑制剂。研究了添加CO₂、ABC粉末及其组合气固抑制剂后，丙烷爆炸参数（包括爆炸压力和极限）的变化。

创新性和意义声明

本研究通过将20升爆炸诊断技术与基于DFT的ABC粉末自由基反应路径分析相结合，首次阐明了协同的气固抑制化学机制。它揭示了竞争性的自由基清除序列（NH₃、H₃PO₄、H₂SO₄）在抑制丙烷燃烧过程中的作用，这些序列比CO₂的冷却效果更有效，并量化了它们在决定压力上升指标方面的相对优势，从而为下一代混合抑制剂的设计提供了机制框架。

CRediT作者贡献声明

王秋红：撰写——初稿、可视化、验证、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、概念构思。朱赫：撰写——初稿、方法论、研究、数据管理、概念构思。邓俊：撰写——审阅与编辑、监督、概念构思。罗振民：监督、数据管理、概念构思。高伟：撰写——审阅与编辑、验证、数据管理。刘向荣：撰写——审阅与