为了满足全世界日益增长的能源需求，氢气作为一种可替代性清洁能源，在所有能源中的占比逐渐增大。然而，单独运输和使用氢气所需投资的基础设施成本巨大。因此，在传统天然气管道中掺入一定比例的氢气进行运输，将大幅缩小相应的建设成本，也更利于氢气这一清洁能源的全面推广和使用。目前，已经有多个国家开展了掺氢天然气的示范性项目，并且最高掺氢体积分数为50%。但由于氢气性质活泼且会对钢材产生侵蚀，因此其运输和使用危险性较高，因此需进一步对其安全问题进行评估。在实际工程背景下，掺氢天然气在大型工业建筑、密闭管廊等受限空间中已得到广泛运用。该能源主要成分氢气和天然气都是危险系数较高的可燃性气体，一旦发生泄漏弥散，在受限空间中将极易引发爆炸。

一些研究表明，掺入氢气的天然气与纯天然气相比，具有不同的理化特性，且随着掺氢比例的增加，差异化程度逐渐增加。Prasad等^[1]比较了掺氢天然气与基准天然气在不同当量比下的燃烧性能。在恒定体积燃烧室中进行的实验表明，随着氢气体积分数的增加，掺氢天然气的火焰传播速度和峰值压力均增加，燃烧持续时间缩短。Hu等^[2]在室温和标准大气压下对层流预混甲烷-氢气-空气火焰进行了实验和数值研究，发现层流燃烧速度峰值向着富氢方向移动。由以上研究结果可知，随着掺氢比例增加，氢气-甲烷混合气体的燃烧速率、爆炸产生的最大爆炸超压都呈现了上升趋势，增加了该能源的运输和使用的风险系数和安全隐患。因此，很有必要基于受限空间进行掺氢天然气抑爆研究。

掺入具有抑制作用的气体是目前十分有效的对可燃气体抑爆的手段之一。冯翼鲲等^[3]在方形管道内充入甲烷和空气预混气体并加入不同体积分数的二氧化碳，研究在不同当量比下甲烷和空气预混气体爆炸压力特性参数值的变化。他们发现，二氧化碳体积分数为18%时达到完全抑制，火焰图像从平面火焰逐渐变成指形火焰。Li等^[4]在密闭仓内进行氮气和二氧化碳对当量比为1的甲烷-空气混合气体的抑爆实验，发现二氧化碳的抑制效果明显优于氮气，这种效果差距产生的原因是二氧化碳对活性自由基具有优异的阻断作用。裴蓓等^[5]通过实验研究了二氧化碳-超细水雾在9.5% 瓦斯/煤尘爆炸中的抑制特性，发现单一组分二氧化碳可对火焰和爆炸压力产生明显抑制作用，14%体积分数二氧化碳与一定量细水雾可产生协同作用效果，使火焰的浮力不稳定性加剧。魏树旺等^[6]使用主动式油气爆炸抑制装置，搭建狭长受限空间实验系统，探讨了七氟丙烷对油气爆炸的抑制作用。实验结果显示，七氟丙烷的物理和化学抑制作用都十分优异，对油气抑爆效果良好。

综上，关于具有抑制性质的气体抑爆问题的研究已经十分成熟，但总结上述前人工作可发现，以往的研究由于实际工程需要，往往将爆炸容器缩尺为长管道或标准爆炸球形，而针对方形受限隔室的研究较少，即缺少一些典型的用气工业厂房如发电站、储气站等场景的研究。其次，以往研究中的可燃气体往往集中于甲烷、氢气等单一气体，对于掺氢天然气的爆炸抑制研究还不够广泛和深入，对结合工程实际而设计的特定掺氢比例的掺氢天然气爆炸及抑制研究也鲜有涉及。此外，前人选取的抑制性气体多为氮气、氩气、二氧化碳等，而针对多氟代抑制性烷烃如七氟丙烷的抑爆研究较少。为了探究这些问题，有必要对方形受限空间中应用七氟丙烷、二氧化碳抑制掺氢天然气爆炸进行深入研究，从而为掺氢天然气在受限空间爆炸的抑制处理及危害控制提供基础数据和理论指导。

天然气的主要成分为甲烷，用甲烷代替天然气进行爆炸实验对各参数影响很小，因此为简化实验，采用甲烷代替天然气。如图 1所示，实验装置由3个子系统构成，即爆炸容器系统、配气系统和数据采集系统。正方体爆炸容器主体由不锈钢打造，在前后两个侧面安装抗爆玻璃。定制的点火电极从容器顶部中心处延伸至容器内部几何中心。采用爆轰点火器，实验时设置为单次点火模式，每次放电能量固定以排除点火能量对实验的影响。配气过程按照Dalton分压定律进行。爆炸容器顶部装配了一个高精度电子压力表，量程为-0.1~1.6 MPa，可确保配气时各气体组分的精准度。向预混罐内充入可燃气体后静置并等待甲烷和氢气充分混合后进行实验。将一个压电式压力传感器布置在爆炸容器右侧面中心处，以监测压力的动态变化。该传感器可将压力信号转化为电信号，并通过HIOKI-8826型示波器进行记录，示波器信号采集时间间隔为0.1 ms，从而实现高精度动态压力监测记录目的。NACHX-3高速相机设定拍摄帧率为2 000帧/s，用于记录爆炸时火焰传播图像。

图 1 实验系统示意图

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所有实验均在当量比为1的情况下进行。实验中定义掺氢比例为氢气的体积分数与氢气和甲烷混合气体的体积分数的比值。首先以0%~50%的掺氢比例进行实验，以研究随着掺氢比例增加爆炸特性参数值的变化；再以掺氢比例为50%的掺氢天然气作为固定可燃气体组分，分别使用二氧化碳或七氟丙烷进行抑爆实验。

本实验发现，随着掺氢比例的增加，最大爆炸超压出现逐渐升高趋势，且达到最大爆炸超压延迟时间缩短。纯甲烷情况下，达到最大爆炸超压延迟时间为302 ms，而当掺氢比例为20%时，达到爆炸最大超压延迟时间为178 ms，缩短为纯甲烷的58.9%；在50%掺氢比例下，达到最大爆炸超压延迟时间为125 ms, 更是缩短为纯甲烷的41.4%。在20%掺氢比例下最大爆炸超压为594 kPa，较纯甲烷的572 kPa提升了3.8%；在50%掺氢比例下，这一升幅达到15.7%，最大爆炸超压达到662 kPa。由于在等体积的条件下，燃烧时氢气释放的能量比甲烷更多，因此当等体积的甲烷被置换成氢气后，火焰燃烧温度也比纯甲烷更高，从而导致分子动能和碰撞频率增加。从宏观作用效果角度看，氢气的加入将促使整个掺氢天然气爆炸过程在更短的时间内集中反应，从而带来更高的爆炸压力和更快速的能量释放。综上，方形密闭空间中进行的掺氢天然气爆炸实验所得到的爆炸燃烧的特性参数值都是随着掺氢比例增加，朝着危害增强的方向变化^[7]。

火焰传播速度均由MATLAB图像识别程序计算，并界定火焰传播至距离点火中心20 cm处的平均速度为全局火焰传播速度。当向纯甲烷中掺入50%氢气时，球形火焰传播速度快速攀升，从纯甲烷的1.66 m/s增加到50%掺氢比例下的3.21 m/s，增幅为1.93倍。这也进一步表明了随着氢气含量增加，火焰传播速度急剧增加。

采用二氧化碳和七氟丙烷针对掺氢比例为50%的掺氢天然气进行抑爆实验研究，并且后续抑爆实验均使用50%掺氢比例。图 2给出了二氧化碳或七氟丙烷的加入对掺氢天然气爆炸的最大爆炸超压的影响。加入二氧化碳和七氟丙烷后，掺氢天然气的爆炸压力出现被抑制现象。在加入8%体积分数的二氧化碳下，最大爆炸超压降至513 kPa，降幅达到22.7%；而在加入4%七氟丙烷下，最大爆炸超压降到了491 kPa，降幅为25.8%，超越了2倍体积分数下二氧化碳导致的降幅。在七氟丙烷体积分数达到10%或者二氧化碳体积分数达到20%时，分别实现了对掺氢天然气爆炸的完全抑制(即点火无法点燃预混气体)，此时七氟丙烷对最大爆炸超压的降幅高达98.0%，二氧化碳为94.4%。

图 2 二氧化碳/七氟丙烷的加入对最大爆炸超压的影响

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从图 3可以看出，随着两种抑爆气体的加入，另一个表征爆炸威力的参数，达到最大爆炸超压延迟时间，也在不断增加。在未加入抑爆剂时，达到最大爆炸超压延迟时间为125 ms，当加入4%体积分数七氟丙烷时延迟时间为282 ms，加入8%二氧化碳时延迟时间为244 ms，分别是未加入抑爆剂情况下的2.26倍和1.95倍；当完全抑制时，加入10%七氟丙烷延迟时间是未加入抑爆剂情况下的4.41倍，加入20%二氧化碳则为3.21倍。以上结果均表明，七氟丙烷在二氧化碳的一半体积分数下，其抑制效果已经与二氧化碳相当。

图 3 二氧化碳/七氟丙烷的加入对达到最大爆炸超压延迟时间的影响

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图 4自上而下分别给出了50%掺氢天然气(图 4a)、添加4%、10%体积分数的七氟丙烷(图 4b、图 4c)和添加8%、20%体积分数的二氧化碳(图 4d、图 4e)的火焰图像。可以看出，随着抑爆剂比例的增加，水平方向火焰触及壁面的时间在逐渐延长，表明火焰传播速度在逐渐减小。未添加抑爆剂(图 4a)时火焰表面出现褶皱，当加入一定量抑爆剂时火焰表面开始变得光滑，说明流体动力学不稳定性随着抑爆剂比例增加而减小^[8]。当添加4%七氟丙烷(图 4b)或8%二氧化碳(图 4d)时，由于已燃气体的密度低于未燃气体，火焰出现了明显的上浮现象，这表明气体抑爆剂的加入降低了火焰的不稳定性。当加入20%的二氧化碳(图 4e)或10%的七氟丙烷(图 4c)时，火焰传播已经完全失去了球形传播特性，并且火焰无法扩展至容器底部。此时的火焰扩展行为是由中心点火位置被引燃并由于热浮力驱动迅速向容器顶部传播^[9-10]，火焰下行时由于底部未燃气体密度较高，因此火焰下行速度远远小于上浮速度从而导致不稳定的云母状火焰。并且，火焰传播至侧边界的时间由50% 掺氢天然气的78 ms (图 4a)分别延长至添加20%二氧化碳的611 ms(图 4e)和添加10%七氟丙烷的767 ms (图 4c)。

图 4 掺氢天然气抑爆火焰图像

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图 5展现了未加入抑爆剂及加入不同体积分数抑爆剂时火焰前锋传播轨迹，由其斜率可推算火焰传播速度。当加入4%七氟丙烷时，火焰传播速度由50%掺氢天然气的3.21 m/s减缓为0.78 m/s，降幅为75.7%；在8%二氧化碳体积分数下速度减缓为0.96 m/s，降幅为70.1%。当加入20%二氧化碳时，速度降为0.41 m/s，降幅为87.2%；而加入10%七氟丙烷时，速度降为0.33 m/s，降幅为89.7%，是2倍体积分数下二氧化碳的1.03倍。可见，相对于二氧化碳，达到完全抑爆效果所需的七氟丙烷的体积分数较小。这意味着七氟丙烷可能是抑制掺氢天然气爆炸的一种更有效的抑爆剂选择。

图 5 火焰前锋轨迹图

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上述结果表明，七氟丙烷和二氧化碳对50%掺氢比例天然气的爆炸压力和火焰传播具有良好的抑制作用。气体抑爆剂通过吸收爆炸反应热、降低氧气体积分数、增加三体碰撞反应概率^[11]、减少爆炸核心自由基来发挥抑制作用^[12]。1) 在热力学性质方面，七氟丙烷和二氧化碳本身都具有较高的热容^[13-14]和汽化潜热值，且七氟丙烷的热容明显高于二氧化碳，在爆炸时七氟丙烷会比二氧化碳有着更优异的吸热作用。2) 抑爆剂的加入降低了掺氢天然气中的氧气占比。3) 抑爆剂的加入降低了掺氢天然气与氧气分子发生有效碰撞的概率，掺氢天然气爆炸产生的大量活化自由能会转移到具有抑制作用的气体分子上，增加了三体碰撞反应，这也在一定程度上阻止了链式反应速率。4) 二氧化碳是掺氢天然气爆炸燃烧产物之一，因此加入二氧化碳会降低爆炸的正向反应速率，同时二氧化碳可与爆炸关键自由基H结合从而消耗大量的H自由基，并产生不完全反应产物一氧化碳。与二氧化碳不同的是，七氟丙烷不仅有物理层面的稀释氧气作用，其全氟烷基类基团如C₃F₇，可以直接与氧气结合反应，从而展现出比二氧化碳更强大的隔氧能力^[15]。七氟丙烷在高温下发生的热分解反应，如七氟丙烷分解成氟代甲基和四氟乙烷，为吸热反应，这使得其降温效果优于二氧化碳。并且，热分解产生的氟离子体具有较强的还原性，可与关键自由基H、OH结合^[16]，大大削弱了链式反应进程。

通过加入不同体积分数氢气、二氧化碳、七氟丙烷对掺氢天然气爆炸进行实验探究，从爆炸压力特性、火焰图像结构变化、火焰前锋传播轨迹3个角度进行分析，主要的研究结论如下：

1) 随着掺氢比例的增高，掺氢天然气的爆炸压力、火焰传播速度都有非常明显的上升现象。50%掺氢比例下，掺氢天然气爆炸火焰传播速度是纯甲烷的1.93倍。

2) 当加入的二氧化碳体积分数达到20%时，爆炸被完全抑制，而达到同等效果，七氟丙烷体积分数仅需要10%。加入20%二氧化碳时，最大爆炸超压下降幅度和达到最大爆炸超压延迟时间的增长率分别为94.4%和321%；加入10%七氟丙烷时，最大爆炸超压下降幅度和达到最大爆炸超压延迟时间的增长率分别为98.0%和441%。

3) 综合分析最大爆炸超压、达到最大爆炸超压延迟时间和火焰传播速度的变化可知，两种抑爆气体的体积分数越高，抑爆效果越好。并且，与二氧化碳相比，七氟丙烷有着更加优异的物理稀释能力和化学隔氧及减少爆炸活性自由基的能力，因此具有比二氧化碳更优异的抑爆性能。根据以上实验结果，在掺氢比例为50%时，采用20%体积分数以上的二氧化碳或者采用其一半体积分数的七氟丙烷，均可以达到对爆炸的完全抑制。