综述：高压富氢气体泄漏过程中的自燃现象：抑制机制、化学动力学及研究前沿

《International Journal of Hydrogen Energy》：Spontaneous ignition during high-pressure hydrogen-rich gas leakage: suppression mechanisms, chemical kinetics, and research frontiers

高压氢气泄漏自发性点火机制及混合气体影响研究

　　

罗振民|郭康帅|周尚勇|王涛|邓俊|张思端|苏斌|刘立涛

西安科技大学安全科学与工程学院，中国陕西省西安市雁塔中路58号，邮编710054

摘要

随着对清洁能源需求的增长，高压富氢气体的泄漏及其自燃倾向仍然是一个主要的安全隐患。本文综述了实验和数值方法，探讨了混合气体成分如何影响临界点火和火焰发展，并分析了化学动力学路径——强调了关键自由基的作用以及混合组分如何竞争或抑制反应。此外，本文还指出了当前研究中的空白，包括对自燃过程中空气动力学行为的了解有限、对燃料-空气混合过程及其与高温区域重叠情况的理解不足，以及缺乏用于动力学模型验证的中间物种分布的实验数据，并强调了将宏观现象与微观反应机制联系起来的挑战。基于这些分析，本文提出了未来实验和计算方法的研究方向，探讨自燃过程中的空气动力学行为，并制定策略以建立化学动力学中的宏观-微观关联。

引言

工业活动的迅速扩张增加了化石燃料的使用，导致大量温室气体排放和空气污染，严重威胁到全球的可持续发展[[1], [2], [3]]。氢被视为未来能源格局的关键组成部分，因为它清洁、高效、无碳且能量密度高[[4], [5], [6]]。氢在交通、工业和发电领域具有广泛的应用潜力[[7], [8], [9], [10], [11]]。自20世纪70年代“氢能经济”概念提出以来，包括中国、美国、欧盟、日本和韩国在内的许多国家和地区已将氢纳入国家能源战略，加速了其大规模部署[12,13]。

然而，氢能的广泛应用面临着重大的安全挑战。氢的高泄漏率、宽的易燃范围、低的最低点火能量以及其在储存和运输过程中对钢材的脆化作用，在高压处理时带来了巨大风险。一个主要问题是自燃和高压泄漏后的爆炸风险[[14], [15], [16], [17], [18]]。统计数据显示，86.3%的氢相关爆炸事故和65.5%的甲烷相关爆炸事故的点火源不明确[19]。在已知点火源的氢爆炸事故中，自燃占14.3%[20]。此外，与其他点火方式相比，自燃引起的爆炸超压更高[21]，导致更严重的事故后果。自20世纪22年以来，高压氢泄漏引起的自燃问题引起了越来越多的研究兴趣[22,23]。过去二十年的研究表明，在某些条件下，氢自燃的最低泄漏压力可低至2 MPa[24]。

值得注意的是，氢应用的载体形式变得越来越多样化。一方面，随着氢应用场景的扩展，富氢天然气和合成气被更广泛地采用，从而增加了富氢气体的供应和使用[[25], [26], [27]]。另一方面，研究表明，在氢中添加特定杂质（如N₂和CO₂）可以显著降低其泄漏后的自燃倾向，为高压泄漏事故提供了一种有效的缓解策略[[28], [29], [30]]。然而，在高压泄漏下，富氢气体的燃烧行为和点火机制非常复杂，目前缺乏系统的综述，这限制了安全标准和工程应用的发展。

在之前的综述研究中，周[15]从实验和数值角度系统地回顾了高压氢泄漏引起的自燃研究，强调了管道几何形状和破裂盘特性对冲击波发展和混合过程的影响，并通过化学动力学阐明了自燃机制。王[31]总结了与高压氢泄漏相关的点火和火焰传播特性，详细讨论了泄漏位置、初始泄漏速度和压力、管道尺寸以及障碍物等因素如何影响点火条件和火焰演变。刘[32]更注重管道的宏观尺度和内部几何形状，研究了破裂盘形状、破裂面积和释放速率如何调节混合场并改变点火概率。崔[33]和邱[34]讨论了实验装置和操作条件对自燃结果的影响，并经验性地得出结论，杂质气体倾向于提高自燃阈值并抑制点火；然而，这两项研究都没有深入分析这些杂质物种如何在微观化学动力学层面上影响自燃过程。

微观化学动力学架起了分子反应机制与事故宏观后果之间的桥梁，为开发有针对性的预防和缓解技术提供了基础。近年来，人们越来越关注通过将稀释气体混合到氢中来降低自燃风险，大量的实验和现场数据证明了这种方法的显著有效性。然而，大多数现有的综述研究集中在高压纯氢泄漏上，而对富氢气体泄漏的系统性研究仍然有限——特别是在稀释气体如何影响火焰演变和微观化学动力学方面。针对这一空白，本文围绕三个主题进行了组织：研究方法、空气动力学特性和化学动力学行为。其目的是开发一个多尺度、跨学科的综合性框架，系统地将宏观喷射演变与微观分子反应过程联系起来，从而填补富氢气体综述的空白，并为氢能安全理论和工程实践的进步提供科学指导。

部分摘录

富氢气体组分的性质

作为新兴的能源载体，富氢气体需要清楚地了解每个组分的物理和化学性质以确保安全使用。在混合物中，惰性组分（如CO₂和N₂[[28], [29], [30],[35], [36], [37], [38], [39], [40]]）和可燃组分（如CH₄和CO[[41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48]]）在物理和化学行为上与H₂有显著差异。这些差异直接影响泄漏和扩散行为，并改变风险

高压富氢气体泄漏的冲击波特性理论计算

由于内部和外部压力差较大，高压易燃气体泄漏会产生超音速喷射流，从而产生前沿冲击波。随着冲击波的传播，它会迅速压缩和加热周围气体，由此产生的局部温度升高既直接引发自燃，又决定了自燃的特性[55,73,74]。因此，准确确定冲击波参数（马赫数、压力、密度、温度）至关重要

高压氢泄漏自燃反应的框架

在发生自燃的氢泄漏后，下游的低温区域通常会通过热量损失使火焰熄灭。因此，要在这样的热沉条件下维持燃烧，需要释放足够热量的反应路径来克服冷却并允许火焰传播。因此，反应系统的化学动力学性质对于初始点火是否发展成稳定火焰至关重要

当前研究现状及未来趋势分析

通过对现有研究的系统回顾和总结，本文从三个维度全面概述了该领域的当前研究现状和前景：研究方法、空气动力学行为以及宏观-微观化学动力学关联机制。

结论与展望

氢能大规模应用的主要限制是安全性，特别是高压富氢气体泄漏导致自燃的风险。本文系统回顾了二十年来关于高压氢和泄漏引起的富氢气体自燃的研究，探讨了它们的自燃特性、引发机制和化学动力学行为，总结了主要因素和调控机制

作者贡献声明

罗振民：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法论、资金获取、数据管理、概念构思。郭康帅：撰写——初稿、方法论、正式分析。周尚勇：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、概念构思。王涛：验证、监督。邓俊：验证、监督。张思端：撰写——审稿与编辑、数据管理。苏斌：撰写——审稿与编辑。刘立涛：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本文得到了中国博士后科学基金会（资助编号：GZB20250001）、陕西省科学技术厅（资助编号：2025JC-YBQN-473）、陕西省人力资源和社会保障厅（资助编号：2025CY-YBXM030）和陕西省教育厅（资助编号：24JK0554）的支持。