《Journal of the Indian Chemical Society》：Chemical kinetic research of the inhibiting effect of environmental humidity on methane explosion
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本研究利用CHEMKIN软件模拟不同湿度条件下甲烷爆炸反应动力学，分析湿度对爆炸压力、升温速率、温度及反应路径的影响，发现湿度与爆炸参数呈负相关，且甲烷浓度影响湿度效应的敏感性，揭示湿度通过改变自由基浓度和反应速率抑制爆炸的机制。
李润志|王晓|曹梦婷|孔伟毅|李凯乐|王德辰|梁正|李鹏
摘要
瓦斯爆炸事故一直是煤矿安全生产中的重大挑战，环境湿度是影响矿井瓦斯爆炸的关键因素。本研究使用CHEMKIN软件模拟了在不同湿度条件下甲烷爆炸反应的化学动力学过程。分析重点关注环境湿度对甲烷爆炸特性（爆炸压力、压力上升速率、爆炸温度）、反应速率、自由基敏感性和反应路径变化的影响。结果表明，环境湿度与甲烷爆炸压力、压力上升速率、爆炸温度以及关键物种（反应物、产物和初级自由基）的反应速率呈负相关。相反，达到最大爆炸压力所需的时间、最大压力上升速率和峰值爆炸温度之间存在正相关。甲烷浓度显著影响湿度变化的影响。关键的基本反应（R156、R155、R38、R119、R158、R53）调节OH·、H·和O·自由基的反应速率，从而影响它们的浓度。在甲烷浓度为6%和9%时，主要基本反应的敏感性系数随湿度升高而增加；在浓度为12%和14%时，这些敏感性系数随湿度升高而降低。本研究阐明了环境湿度变化对甲烷爆炸反应特性及其潜在动力学机制的影响，有助于完善湿度效应下瓦斯爆炸动力学的理论框架，并为预防和控制复杂地下环境中的矿井瓦斯爆炸事故提供了重要的理论支持。
引言
在中国、印度和南非等国家，煤炭在能源结构中占据主导地位；而在波兰、捷克共和国和保加利亚等国家，煤炭仍是一种关键的能源资源[1]、[2]、[3]、[4]。在这些国家，煤炭在能源消费结构中的主导地位在短期内不太可能发生显著变化[5]。因此，在实施双碳政策的过程中，盲目推进“去煤化”是不可行的。促进煤炭消费的升级和转型、绿色采矿以及科学利用煤炭是实现“双碳目标”的关键途径[6]、[7]、[8]、[9]。瓦斯事故、煤尘爆炸、水涌、矿井火灾和顶板坍塌是煤炭开采过程中遇到的主要安全隐患。其中，煤矿瓦斯灾害对安全生产构成了最大的威胁[10]、[11]。2015年至2021年间，中国发生的203起与瓦斯相关的事故中，有63起是瓦斯爆炸，导致405人死亡。瓦斯爆炸占所有瓦斯事故的31%，其中包括57.1%的严重事故、15.95%的重大事故和3.2%的特别严重事故[10]、[11]、[12]。因此，各种操作条件对瓦斯爆炸特性的影响及其机制对于煤矿的安全预防和设计至关重要。
现有研究表明，环境湿度主要通过蒸汽稀释、化学抑制、热吸收和物理缓冲来抑制瓦斯爆炸。李等人[13]发现，增加雾化压力可以减小液滴尺寸，从而显著减弱瓦斯爆炸冲击波的冲击力。刘等人[14]开发了一个理论模型，用于研究水雾与火焰和热燃料的相互作用，并定量分析了火焰结构的变化；他们的研究表明，减小液滴尺寸可以削弱火焰传播。夏等人[15]报告称，在点火器附近喷洒8微米的局部水雾可以将火焰速度和超压分别降低38.8%和30.1%。汽化水雾通过R1、R3、R50、R86、R119和R120反应减少关键自由基（OH·、H·、O·）的生成速率，从而抑制燃烧。徐等人[16]确定HOPO和HOPO2是DMMP反应中的关键含磷中间体，在使用DMMP增强型水雾抑制甲烷/煤尘混合爆炸中起着重要作用。此外，任等人[17]通过微流控技术设计了创新的水雾微胶囊。这些微胶囊具有均匀的粒径、高的封装效率、大量的药物负载量以及快速（<1毫秒）的热触发水雾释放能力，可实现瞬时灭火。
水雾与爆炸物质混合形成气液两相混合物。其反应机制涉及复杂的进程，如液滴破碎和蒸发过程中的热吸收。相比之下，水蒸气（即环境湿度）与爆炸材料混合的爆炸是一个纯气相爆炸问题，这种更简单的机制可以使用瓦斯爆炸分析方法进行研究。李等人[18]探讨了相对湿度（RH）对城市地下公用隧道中甲烷预混气体爆炸特性的影响。他们的研究发现，在弯曲管道中70%的RH最有效地抑制了爆炸压力，而在直管道中90%的RH显著降低了超压范围。Prendes-Gero等人[19]研究了甲烷-空气混合物的点火特性，考虑了混合物类型（甲烷-空气、甲烷-氮-氧）、大气类型（均匀、分层）和环境条件（初始温度、压力、湿度）。他们的结果表明，大气类型对记录的压力没有显著影响，因为均匀大气和分层大气之间的值相当。另外，王等人[20]证明，在相对湿度恒定的情况下，添加气态燃料会降低甲烷的最低燃限（LFL）和最高燃限（UFL），而随着相对湿度的升高，这些参数会增加。宋等人[21]提出了一种综合评估方法，结合了故障树分析、云模型理论和信息扩散技术，以量化气候因素对油库火灾和爆炸风险的影响。结果表明，风险与空气温度呈U形关系，最低风险出现在20°C，且随着相对湿度的升高而单调减小。湿度的影响显著小于空气温度的影响，在风险评估中可以忽略不计。这种方法通过风险预测图实现预测性和适应性强的风险管理。景等人[22]实验比较了干燥和潮湿条件下片状工业抛光粉尘和球形铝粉的爆炸参数。他们发现水分参与了产生氢气的反应，形成了Al–H2混合系统，增强了火焰传播。爆炸强度对湿度敏感，在最佳湿度下，较大比表面积的粉尘表现出更大的增强效果；例如，10微米铝粉的P_max增加了17.20%。李等人[23]实验研究了相对湿度对管道中甲烷-空气混合物爆炸特性的影响。结果显示，在30°弯头处，湿度增加会延缓火焰传播并抑制爆炸压力，70%的RH效果最佳。在直管道中，火焰强度随湿度升高而单调减小。湿度还显著抑制了弯曲部分的火焰速度。熊等人[24]使用20升装置研究了平衡相对湿度（ERH）对镁尘爆炸的影响。在富氧条件下，爆炸参数如Pmax和(dP/dt)max随ERH的升高而先增加后减少；较小的颗粒尺寸和较高的温度促进了氢气的产生，增加了风险。在缺氧条件下，生成的氢气反而抑制了爆炸。该研究强调了在评估水反应性金属粉尘的爆炸风险时需要考虑湿度。王等人[25]结合现场监测和3D数值模拟，使用热指数（HI）评估高温高湿度隧道环境的安全性。他们的分析表明，最大HI与入口空气温度-湿度和热水流入量呈线性相关，与通风率呈二次方相关，从而建立了适用于各种条件的预测多变量模型。
总之，现有研究对矿井环境湿度对甲烷爆炸特性的影响关注有限，特别是在系统研究湿度对甲烷爆炸反应化学动力学的影响方面。因此，本研究使用CHEMKIN模拟软件建立了一个零维均匀的20升球形爆炸模型。我们研究了不同环境湿度水平和甲烷浓度对瓦斯爆炸特性参数、物种反应速率、关键自由基浓度的敏感性以及反应路径的影响。这项工作丰富了瓦斯爆炸的理论框架，为在不同湿度条件下预防爆炸事故以及气体排水、储存和利用提供了理论指导。
仿真方法
选择CHEMKIN软件来模拟不同湿度条件下的甲烷爆炸，可以计算关键爆炸参数，包括反应敏感性系数、基本反应速率、物种浓度和反应路径。因此，实现了一个零维均匀反应器模型，并导入了GRI-Mech 3.0燃烧机制。该机制包括5种元素（H、O、N、Ar、C）、53种物种和325个反应，能够准确表示
不同湿度条件下瓦斯爆炸特性参数的变化分析
图1显示了在不同湿度条件下不同甲烷浓度下的最大爆炸压力、压力上升速率和爆炸温度的最大值及其出现时间，曲线表明了甲烷浓度变化对不同湿度条件下爆炸特性参数最大值影响的趋势。如图所示，与10%的RH环境湿度相比，在90%的RH下，峰值爆炸
结论
- (1)
较高的环境湿度会降低峰值爆炸压力、最大压力上升速率和峰值爆炸温度。在14%的甲烷浓度下，湿度从10%升高到90%RH时，这些参数分别降低了1.83%、19.26%和2.04%。湿度变化对压力上升速率的影响是温度变化的16倍。湿度对爆炸参数的抑制作用随着甲烷浓度的增加而增强。
- (2)
增加
作者贡献声明
梁正：方法论。王德辰：资源、调查。曹梦婷：写作——审稿与编辑、项目管理。王晓：正式分析、数据管理。李凯乐：可视化、软件。孔伟毅：验证、监督。李润志：写作——初稿撰写、资金获取、概念构思
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52474240）和山东省自然科学基金（项目编号：ZR2022ME085）的支持。
