Study on influence of modified chlorine-containing compounds on N2/water mist to suppress LPG explosion
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摘要: 为了提高对液化石油气( liquefied petroleum gas, LPG)的抑爆效能，采用自主设计的半开式有机玻璃管道搭建了N2/细水雾抑爆实验平台，从爆炸超压、火焰传播速度及其峰值来临时间、火焰结构等4个方面分析含改性氯化合物N2/细水雾抑爆效果。结果表明：含氯化合物对表面活性剂具有选择性，KCl、NaCl和NH4Cl与脂肪醇聚氧乙烯醚（AeO9）、有机硅表面活性剂（Sicare2235）等2种表面活性剂之间的协同增效效果更优，爆炸超压峰值、火焰传播速度峰值均明显降低，且峰值来临时间明显延长；十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）仅与NaCl共同作用时抑爆效果有明显提升，与其他3种氯盐共同作用时没有增效效果甚至产生促爆现象；FeCl2与表面活性剂协同时会出现爆炸增强现象；含氯化合物与表面活性剂共同作用时，复合溶液的表面张力存在最佳值，即表面张力在20 mN/m时，抑爆效能最佳。化学动力学数值模拟结果表明：含改性氯化合物N2/细水雾能够有效降低绝热火焰温度，消耗关键自由基，中断燃烧链式反应，其抑爆的协同增效机理主要体现在N2惰化稀释、表面活性剂调控水雾粒径增加冷却效应和抑制链式反应3个方面。Abstract: In order to improve the explosion suppression efficiency of liquefied petroleum gas (LPG), a self-designed semi-open organic glass pipeline was used to build the N2/water mist explosion suppression experimental platform. The explosion suppression effect of N2/water mist containing modified chlorine compounds was analyzed from four aspects: explosion overpressure, flame propagation velocity and its peak arrival time, and flame structure. The results show that the chlorine compounds are selective to surfactants. The synergistic effect between KCl, NaCl and NH4Cl and fatty alcohol polyoxyethylene ether (AeO9) and silicone surfactant (Sicare2235) is better. The maximum explosion overpressure and flame propagation velocity are obviously reduced, and their arrival time is obviously prolonged. When sodium dodecyl sulfate (SDS) only interacts with NaCl, the explosion suppression effect is significantly improved. While when SDS interacts with the other three chloride salts, there is no synergistic effect or even explosion-promoting effect. Explosion enhancement occurs when FeCl2 cooperates with surfactants. When the chlorine compound and the surfactant act together, there is an optimal value for the surface tension value, when the surface tension is 20 mN/m, the explosion suppression efficiency is the best. The numerical simulation results of chemical kinetics show that the modified chlorine compound N2 water mist can effectively reduce the adiabatic flame temperature, consume key free radicals, and interrupt the combustion chain reaction. The synergistic mechanism of explosion suppression is mainly reflected in three aspects: N2 inerting dilution, surfactant regulation of water mist particle size increase cooling effect and inhibition of chain reaction. The research results will provide technical guidance for the prevention and suppression of liquefied petroleum gas explosion accidents in China.
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Key words:
- explosion suppression of LPG /
- N2/water mist /
- chlorine-containing compounds /
- surfactant
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液化石油气（liquefied petroleum gas，LPG）因具有清洁、使用方便、低成本等优点，在我国工业和城市生活中被广泛使用[1]。然而，由于液化石油气的闪点及爆炸下限都非常低[2-3]，且气态液化石油气比空气重，泄漏后极易在低洼处聚集，一旦气云被点燃，极易导致火灾爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失[4-6]。例如2023年6月21日，宁夏富阳烧烤店液化石油气泄漏引发爆炸，造成38人伤亡。因此，开展清洁高效LPG抑爆材料研究对我国城市安全和工业生产具有重要意义。
当前，学者们对LPG的爆炸特性进行了诸多研究。在LPG爆炸特性方面，Liang等[7]、罗振敏等[8]、蔡运雄等[9]研究了初始压力、温度对封闭管道内预混LPG爆炸特性的影响，发现最高爆炸火焰温度随初始温度升高而增加，初始压力对爆炸参数的影响最大。邵辉等[10]研究了液化石油气体积分数与点火能的关系以及爆炸火焰的传播过程，发现体积分数小于5%或大于9%时，点火能显著增大；张志斌等[11]、余爽[12]利用模拟软件进行数值计算，对高速路上LPG罐车泄漏爆炸危险性进行了分析，模拟得出了LPG泄漏扩散规律，为LPG的防爆工作提供了理论指导。
在LPG抑爆研究方面，罗振敏等[13]、周宁等[14]、何昆[15]研究了不同体积分数N2和CO2对LPG爆炸极限和压力特性参数的影响，发现N2和CO2都会降低LPG的爆炸极限，且在相同条件下，CO2对LPG的抑爆性能优于N2。Wang等[16]研究了N2和CO2对密闭空间内H2/LPG混合物爆炸行为的影响，发现N2和CO2的加入降低了H2/LPG混合气的最大爆炸压力和最大压升速率，延迟了峰值来临时间。夏远辰等[17]开展了超细水雾对H2/CH4预混气体爆燃的抑制机理实验研究，发现8 μm水雾表现出最佳的抑制效果，水雾质量浓度不足时可诱发促爆现象。Song等[18]在二维数值模型中开展了细水雾抑制瓦斯爆炸的数值模拟研究，发现水雾粒径在50～150 μm时抑爆效果较好。常新明等[19]开展了细水雾粒径对管内瓦斯爆炸特性的影响机理研究，发现5 μm粒径的细水雾对瓦斯爆炸具有很好的抑制作用，但160 μm粒径的细水雾对管道内瓦斯爆炸却起到一定的促进作用。可见，细水雾抑爆效果受到粒径、质量浓度等因素的影响较大。
为了进一步提高细水雾的抑爆效率和稳定性，裴蓓等[20]发现采用CO2和超细水雾共同作用能在提高抑爆效果的同时避免水雾不足带来的促爆现象，减弱火焰不稳定性，减小火焰传播速度。盐类添加剂是提高细水雾抑爆和灭火效果的常用手段。陈晓坤等[21]、Cao等[22]发现，含盐类添加剂的细水雾比纯水雾具有更好的抑爆效果，且钾盐效果要优于钠盐。Badhuk等[23]研究了含碱金属盐的细水雾对甲烷和LPG层流扩散火焰的抑制作用，发现钾盐对火焰有良好的抑制效果，且抑制效果从高到低依次为CH3COOK、KHCO3、K2CO3和K2C2O4。学者们开展了表面活性剂对细水雾粒径的影响及抑爆效果研究，例如杨克等[24]开展了含全氟丁基磺酸钾（potassium perfluorobutanesulfonate，PPFBS）表面活性剂细水雾抑制甲烷爆炸的实验研究，发现PPFBS可以有效改变超细水雾的物理性质，对提高甲烷爆炸的抑灭效果影响显著。
综上所述，国内外学者对细水雾抑制可燃气体爆炸特性方面做了深入研究。然而，盐类的加入会导致细水雾雾滴粒径增加，降低雾滴的蒸发效率，影响吸热作用[25]。为了进一步提高细水雾抑爆效率，考虑到氟碳表面活性剂较长的碳链，难于在环境中降解并容易在人体中产生物质累积[26]，本文中研究不含氟碳链的表面活性剂改性含氯化合物对N2/细水雾抑制LPG爆炸抑制的效果，旨在为清洁、高效LPG爆炸抑制剂研发提供技术指导。
1. 实验系统及方案
1.1 实验系统
N2/双流细水雾抑爆实验平台由供气系统、配气系统、点火系统、压力测试系统、高速摄像系统、数据采集仪和同步控制系统、双流体喷头等组成，实验系统如图1所示。
图 1 含添加剂N2/双流体细水雾抑制管道LPG爆炸实验系统Figure 1. LPG explosion inhibition pipeline experimental system with N2/twin fluid water mist containing additives为了捕捉液化石油气爆炸火焰传播过程，实验采用有机玻璃爆炸管道，尺寸为
1200 mm×90 mm×90 mm，有效容积为9.72 L，管壁厚度为20 mm。供气系统包括液化石油气气瓶和空气压缩机，配气由质量流量计和电磁阀两者共同控制。点火系统由高热能点火器、点火电极组成，点火电压为6 kV。压阻式压力传感器安装在距离上管壁75 mm处，总误差小于0.25%，响应频率为50 kHz。管道末端用2 mm厚的PVC膜密封。高速摄像机用于捕捉液化石油气爆炸火焰传播过程，拍摄频率为2000 s−1。为了保证压力信号与火焰传播图像同步，采用光电传感器监测点火过程，同步控制器接收到点火信号后将启动压力传感器和高速相机，保证压力信号与火焰传播图像同步采集。双流体喷雾系统主要包括双流体细水雾喷头、水槽和N2气瓶，细水雾喷头采用虹吸式双流体喷嘴。开启N2气瓶阀门后，压缩N2随着管路进入细水雾喷头，在虹吸作用下，含添加剂的水溶液被吸入喷头，水流经过喷头雾化腔室，在高速压缩气体剪切作用下破碎形成较小的液滴，虹吸喷头将N2/双流体细水雾喷入管道，液体从喷头喷出后受高速气流影响会发生二次雾化。压缩N2压力为0.2 MPa，喷雾速率为0.53 mL/s。
1.2 实验工况
LPG的主要成分为V(C3H8)∶V(C4H10)=3∶7。文献[27]中的研究结果表明，体积分数为6%的LPG爆炸最为猛烈。因此，为了充分体现含添加剂细水雾对LPG爆炸的抑制效果，选取体积分数为6%的LPG/空气预混气体作为爆炸燃料。为了寻找清洁高效型细水雾复合溶液，在减小表面张力的同时提高抑爆效能，在正式实验之前，选取了3种表面活性剂分别与含氯化合物进行复配和试爆，以确定其抑制爆炸的最佳质量分数。最终，确定了质量分数为3%的NaCl、1%的KCl、5%的NH4Cl和1%的FeCl2等4种含氯化合物以及质量分数为3%的十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）、0.6%的脂肪醇聚氧乙烯醚（AeO9）和0.06%的有机硅表面活性剂（Sicare2235，简称Si）等3种表面活性剂开展正式抑爆实验，研究表面活性剂改性含氯化合物后对N2/双流体细水雾抑制LPG爆炸性能的影响。
实验过程中，采用质量流量计控制LPG和空气的流量，采用四倍体积法将LPG/空气混合气体通入管道，保证混合气在管道内分布均匀混合[28]。配气结束后，关闭通气阀和排气阀，开启氮气瓶电磁阀，虹吸喷头将N2/双流体细水雾喷入管道，喷雾时间为5 s，喷洒结束后静置3 s后按动点火按钮，光电传感器信号传输至同步控制器后，启动压力传感器和高速摄像机进行数据采集。为保证实验数据的准确性和稳定性，实验中每个工况重复4～5次。
2. 结果与分析
2.1 LPG/空气预混气爆炸火焰传播与超压耦合分析
图2为体积分数为6%的LPG/空气预混气体爆炸超压与火焰传播过程的耦合作用。由图2可知，整个爆炸过程可分为3个阶段：第1阶段（0～30 ms），预混气体被点燃，火焰从初始火核发展为球形，并迅速膨胀，火焰速度随着火焰面的增加不断增大。然而在20 m～30 ms时，由于火焰逐渐接近壁面，在散热作用下火焰速度稍有减小。第2阶段（30～64 ms），火焰受到管道侧壁压力波的影响，横向延伸逐渐发展为指形火焰。从30 ms开始，火焰传播由层流逐渐发展为紊流，火焰表面积增大并开始加速，压力上升速率明显增大，超压曲线呈指数上升，火焰传播速度急剧加快，达到最大值13 m/s。可见，随着LPG爆炸压力上升速率的增大，压力梯度增大，火焰传播速度也明显增大，两者之间形成了正反馈。在64 ms时刻，PVC膜破裂，爆炸超压遇到之前的压力波达到峰值23 kPa，火焰位置到达管道约1/3处，火焰形状逐渐转变为不稳定的郁金香火焰。
图 2 6% LPG/空气混合气体爆炸火焰传播与超压的耦合作用Figure 2. Coupling effect of flame propagation and overpressure of 6% LPG/air mixture explosion第3阶段（64～100 ms）为泄压阶段，由于PVC破裂，爆炸超压迅速下降。新鲜空气在负压下被吸入管道，在新鲜空气的对冲下，火焰出现回传现象，火焰传播速度明显减慢。而在100 ms时刻，随着进入的新鲜空气逐渐增加，火焰与新鲜空气接触面增大，加剧了剩余可燃气体的燃烧，火焰传播速度再次升高，火焰结构出现明显的分层现象，130 ms时出现了第3个速度峰值。之后，随着燃料耗尽，火焰速度逐渐降低，火焰在210 ms到达管道末端。可见，火焰结构、火焰传播速度和爆炸超压以及压升速率之间存在密切联系，管道侧壁反射在火焰表面的压力波会引起火焰结构的变化，导致火焰加速甚至爆震[29]。因此，为了预防恶性爆炸事故，有必要防止燃烧过程中压力波与火焰波在传播过程中形成正反馈。
2.2 抑制剂对爆炸超压的影响
图3所示为4种含氯化合物与不同表面活性剂复配对N2/双流体细水雾抑制6% LPG/空气爆炸超压、以及峰值来临时间的影响。首先，添加氯化物后爆炸超压峰值下降明显，超压峰值来临时间明显延长，说明添加含氯化合物后对爆炸超压的抑制效果提升。例如含质量分数为3%NaCl、1%KCl、5%NH4Cl、1%FeCl2的N2/细水雾抑制LPG爆炸后，其超压峰值分别为16.2、16.3、17.4和15.7 kPa，与纯N2/细水雾工况相比分别下降17.6%、18.1%、13%和21%；超压峰值来临时间分别为123、124、137 和130 ms，分别延长35.2%、36.3%、50.5%和42.9%。
图 3 含氯化合物与不同表面活性剂复合溶液N2/细水雾对爆炸超压峰值及其来临时间的影响Figure 3. Effect of N2/water mist containing chloride compounds and different surfactants composite solution on the maximum overpressure and its arrival time由图3(a)～(c)可以发现，含质量分数为3%NaCl、1%KCl、5%NH4Cl与0.06%Si和0.6%AeO9表面活性剂复合溶液的N2/细水雾对LPG爆炸超压均体现出了较好的抑制效果。例如，在5%NH4Cl分别与0.6%AeO9和0.06%Si共同作用下，LPG爆炸超压峰值分别为15.0和11.3 kPa，与含5%NH4Cl单独作用相比分别下降13.8%和35.1%；超压峰值来临时间分别为152和556 ms，与含单一氯化合物相比分别延长11.0%和305.8%。可见，含NH4Cl与Si复合溶液的N2/细水雾对抑制LPG爆炸超压提升效果显著。然而，由图3(b)～(c)可以发现，1%KCl、5%NH4Cl分别与3%SDS共同作用对LPG爆炸超压的抑制效果与2种含氯化合物单独作用相比，前者爆炸超压峰值没有明显降低，而后者超压峰值未降低反而有所升高，3%SDS与NaCl共同作用时抑制效果明显，说明含3%SDS与氯化合物复合溶液的N2/双流体细水雾抑制LPG爆炸效果不稳定，含氯化合物对表面活性剂具有选择性。综上，3种表面活性剂从抑爆效能以及稳定性方面从高到低依次为0.06%Si 、0.6%AeO9 和 3%SDS。
由图3(d)超压峰值曲线和超压峰值来临时间曲线可以发现，含质量分数为1%FeCl2与0.06%Si、0.6%AeO9和3%SDS表面活性剂复合溶液的N2/细水雾对6%LPG爆炸超压的抑制效果均不如含单一添加剂的抑制效果，可见，FeCl2与3种表面活性剂共同作用时不能产生协同增效作用，同时也进一步说明含氯化合物对表面活性剂具有选择性，实验结果可为优化LPG爆炸抑制剂提供技术指导。
图4给出了不同表面活性剂对复合溶液表面张力的影响。从图4(a)可以发现，质量分数为3%NaCl和1%KCl与3%SDS共同作用时，表面张力分别下降约54.2%和52.6%。 3%NaCl与Si共同作用时，表面张力从42.2 mN/m下降至18.5 mN/m，下降约56.2%。从图4(b)可以发现，NH4Cl水溶液表面张力的变化曲线表明，5%NH4Cl与0.06%Si共同作用时表面张力最小，下降了约28.2%。从FeCl2水溶液表面张力变化趋势可以发现，1%FeCl2与3%SDS复合时，表面张力变化最为明显，从其自身的28.9 mN/m降低至16.1 mN/m，下降了约44.3%。可见，表面活性剂对复合溶液表面张力的影响具有差异性，SDS仅与金属盐类共同作用时能够有效降低液体表面张力，而4种含氯化合物与Si共同作用时，表面张力均趋于稳定，约为20 mN/m。
图 4 不同表面活性剂对复合溶液表面张力的影响Figure 4. Effect of different surfactants on surface tension of composite solution综合图3～4可以看出：首先，NaCl，KCl、FeCl2和NH4Cl与同一表面活性剂共同作用时，表面张力和爆炸超压的变化呈现出不同的趋势，说明含氯化合物种类对表面活性剂具有选择性，KCl、NaCl等碱金属盐与表面活性剂之间的协同增效效果更优，FeCl2与表面活性剂协同时则会出现爆炸增强现象。其次，最佳抑爆效果出现在复合溶液表面张力为20 mN/m附近，当表面张力高于20 mN/m时，由于水雾粒径较大，水雾与火焰接触不充分，因此抑爆效能没有明显提高；而表面张力小于20 mN/m时，水雾粒径太小，水雾在火焰区极易被蒸发，产生的蒸汽压也会导致爆炸超压增大[30]。例如，1%KCl与0.06%Si共同作用时表面张力最小为19.8 mN/m，爆炸超压峰值下降幅度较无表面活性剂时下降了31.1%；1%FeCl2与3%SDS共同作用时表面张力最小为15.7 mN/m，爆炸超压峰值较无表面活性剂时提高了11.2%。
2.3 抑制剂对火焰传播速度的影响
图5所示为4种含氯化合物与不同表面活性剂复配对N2/细水雾抑制LPG爆炸火焰速度峰值及其来临时间的影响。可以发现，加入含质量分数为3%NaCl、1%KCl、5%NH4Cl、1%FeCl2后，含氯化合物N2/细水雾对6%LPG爆炸超压的抑制效果均优于纯细水雾工况，火焰传播峰值速度分别为4.00、6.75、4.00和5.05 m/s，与纯细水雾工况相比分别下降50%、23.3%、52.4%、42.6%；速度峰值来临时间分别为129、107、125和117 ms，与纯细水雾工况相比分别延长65.4%、37.2%、60.3%和50.0%，抑爆效率从高到低依次为1%FeCl2、1%KCl、3% NaCl 和 5% NH4Cl。
图 5 含氯化合物与不同表面活性剂复合溶液N2/细水雾对火焰速度峰值及其来临时间的影响Figure 5. Effect of N2/water mist containing chloride compounds and different surfactants composite solution on maximum flame velocity and its arrival time另外，由图5(a)～(c)还可以看出，含3%NaCl、1%KCl、5%NH4Cl与0.06%Si、0.6%AeO9表面活性剂复合溶液N2/细水雾抑制6%LPG爆炸火焰传播效果显著提升。例如，5%NH4Cl分别与0.6%AeO9和0.06%Si共同作用时，爆炸火焰速度峰值分别为3.6和2.7 m/s，与含单一氯化合物相比分别降低10%、35%；速度峰值来临时间分别为134和525 ms，与含单一氯化合物相比分别延长9.0%、326.8%。可见，含NH4Cl与Si复合溶液细水雾对6%LPG爆炸火焰传播抑制作用提升显著。然而，3%SDS与3种含氯化合物复合溶液N2/细水雾对6%LPG爆炸火焰传播抑制作用与2.1节相似，如图5(b)所示，在1%KCl与3%SDS复合溶液N2/细水雾作用下，火焰传播速度与含1%KCl的N2/细水雾相比明显增大，速度峰值来临时间明显提前，也体现出含氯化合物对表面活性剂具有选择性。综上，3种表面活性剂与含氯化合物协同抑制火焰传播的作用从高低依次为0.06%Si、0.6%AeO9和 3%SDS。
最后，由图5(d)可以看出，1%FeCl2与0.06%Si、0.6%AeO9和3%SDS表面活性剂复合溶液的N2/细水雾对降低6%LPG爆炸火焰传播速度以及延长速度峰值来临时间的作用均不如含单一1%FeCl2的作用效果，说明FeCl2和表面活性剂共同作用会出现爆炸增强作用。
2.4 抑制剂对火焰结构演化过程的影响
从上述实验结果可以发现，NH4Cl与表面活性剂共同作用时，抑爆效果提升最为明显。以NH4Cl为例，分析了含改性NH4Cl复合溶液的N2/细水雾对LPG爆炸火焰形成和传播过程的影响。图6对比了3%SDS、0.06%Si和0.6%AeO9等3种不同表面活性剂对含5%NH4Cl的N2/细水雾改性前后抑制6%LPG爆炸火焰结构演化过程。可以看出，与图2(b)纯LPG爆炸相比，在5%NH4Cl以及其与表面活性剂共同作用时，火焰亮度明显变暗，火焰面积明显减小。从图6(b)可以发现，5%NH4Cl与3%SDS共同作用时，相较于单一5%NH4Cl作用时，火焰前锋明显更亮，火焰面积更大，火焰速度明显变快，火焰到达管道末端的时间明显缩短，说明这两者共同作用不如单一抑制作用。
图 6 含5%NH4Cl与不同表面活性剂复合溶液N2/细水雾对6%LPG/空气预混气爆炸火焰结构演化过程的影响Figure 6. Effect of N2/water mist containing 5% NH4Cl and different surfactants composite solution on the flame structure of 6% LPG/air mixture explosion从图6（d）可以看出，5%NH4Cl与0.06%Si共同作用时，与其他2个表面活性剂相比，火焰亮度明显更暗，火焰面积明显更小，火焰到达管道末端的时间明显延长，且火焰传播的整个过程均保持蛇形结构。蛇形火焰的出现是由于火焰浮力不稳定造成的，所以也称为浮力火焰，这往往发生在火焰传播速度较慢的时候[31]。火焰传播过程中图像亮度很低，火焰分层现象几乎消失，表明5%NH4Cl与0.06%Si可以产生良好的协同抑制作用，较好地阻断了火焰的形成和传播。
2.5 抑爆机理分析
以KCl为例，采用Chemkin数值模拟软件研究了含添加剂N2/细水雾抑制LPG爆炸反应过程，得到了不同工况下的自由基浓度和绝热火焰温度，分析了含改性氯化合物N2/细水雾抑制LPG爆炸的抑爆机理，主要体现在惰化稀释、表面活性剂调控水雾粒径增强冷却效应和抑制链式反应3个方面的协同增效，具体如图7所示。
图 7 含改性KCl复合溶液N2/细水雾抑制LPG/空气预混气爆炸机理Figure 7. Suppression mechanism diagram of N2/water mist containing modified KCl additive on LPG/air mixture explosion2.5.1 惰化稀释
图8所示为不同抑制工况下LPG/空气爆炸的绝热火焰温度变化曲线。由于LPG爆炸瞬间会产生压力波，导致许多抑爆剂被吹散而不能与火焰有效接触。N2/双流体细水雾可以将抑制剂快速均匀地喷洒在抑制区域，N2可以起到预稀释、惰化以及降低反应自由基浓度的作用[32]，可有效降低火焰传播速度，从而延长水雾、添加剂与火焰的有效接触时间，起到更好的冷却降温作用。加入H2O后，绝热火焰温度降低，说明水雾蒸发吸收了部分热量；在氮气和水的共同作用下，绝热火焰温度进一步降低，说明在两者起到了更好的抑制作用；加入KCl后绝热温度再次降低136 K，说明KCl热解后，发挥了化学抑制作用，有效阻断了爆炸火焰传播，抑爆效率提高显著。
图 8 不同抑制工况下LPG/空气爆炸的绝热火焰温度Figure 8. Adiabatic flame temperature of LPG/air explosion under different inhibition conditions2.5.2 表面活性剂调控水雾粒径增强冷却效应
细水雾主要依靠蒸发吸热降低火焰温度、屏蔽热辐射等发挥物理抑制作用。结合2.2节表面张力数据，表面活性剂对复合溶液表面张力的影响存在差异，硅表面活性剂在降低表面张力方面的表现更稳定。同时结合2.3和2.4节对爆炸超压和火焰传播过程的实验结果可知，NaCl、KCl和NH4Cl与AeO9和Si这2种表面活性剂共同作用时抑爆效果明显提升，说明含氯化合物改性后由于表面张力显著降低，水雾粒径更小，液滴蒸发速率更高，有效增强了冷却抑制作用。
2.5.3 抑制链式反应
含氯化合物添加剂主要通过消耗、湮灭链式燃烧反应活泼自由基来达到更优的抑制效果。图9为不同工况N2/细水雾对O、H和OH等3种关键自由基摩尔分数的影响。可以发现，相比纯水作用工况，N2和细水雾共同作用时，活泼自由基摩尔分数显著降低，说明N2在反应过程中能够有效惰化自由基；加入KCl后，自由基浓度进一步降低，说明含氯化合物能够有效消耗关键自由基，中断LPG燃烧链式反应。其中，氯离子主要切断链的引发阶段[33]：
图 9 不同工况下O+H+OH的摩尔分数变化Figure 9. Change of mole fraction of O, H and OH under different working conditionsCl+RH→R+HCl (1) HCl+OH→Cl+H2O (2) 氯离子的不断再生迅速夺走燃烧链载体羟基和氢离子，使得燃烧链反应中止[34]。金属钾离子能够阻断链式燃烧反应，具体过程如下[33-35]：
K+OH→KOH (3) K+O→KO (4) KOH+H→K+H2O (5) KOH+OH→KO+H2O (6) KO+OH→K+H2O (7) 3. 结 论
(1)含质量分数为3%NaCl、1%KCl、5%NH4Cl、1%FeCl2等4种单一氯盐类N2/双流体细水雾条件下，对体积分数为6%LPG/空气爆炸抑爆效率从高到低依次为1%FeCl2 、1%KCl 、3%NaCl 和5%NH4Cl。
(2)含氯化合物对表面活性剂具有选择性，3种表面活性剂与含氯化合物的协同增效作用从高到底依次为0.06%Si、0.6%AeO9、3%SDS。质量分数为3%NaCl、1%KCl、5%NH4Cl分别与0.6%AeO9和0.06%Si表面活性剂共同作用时抑爆效率进一步提高，其中1%KCl与0.06%Si表面活性剂协同作用时抑爆效果最佳；而3%SDS仅与3% NaCl共同作用时抑制效果有明显提升，与其他3种氯盐共同作用时没有增效效果甚至产生促爆现象。FeCl2与表面活性剂协同时也会出现爆炸增强现象。
(3)含氯化合物与表面活性剂协同抑制LPG爆炸时，复合溶液表面张力存在一个最佳值20 mN/m，即在20 mN/m时的抑爆效能最佳。
(4)含改性氯化合物的N2/细水雾抑制LPG爆炸的抑爆机理主要体现在N2惰化稀释、表面活性剂调控水雾粒径增强冷却效应和含氯化合物热解后释放活性物质抑制链式反应等3个方面，通过物理和化学相互作用机制产生了协同增效作用。
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图 1 含添加剂N2/双流体细水雾抑制管道LPG爆炸实验系统
Figure 1. LPG explosion inhibition pipeline experimental system with N2/twin fluid water mist containing additives
图 2 6% LPG/空气混合气体爆炸火焰传播与超压的耦合作用
Figure 2. Coupling effect of flame propagation and overpressure of 6% LPG/air mixture explosion
图 3 含氯化合物与不同表面活性剂复合溶液N2/细水雾对爆炸超压峰值及其来临时间的影响
Figure 3. Effect of N2/water mist containing chloride compounds and different surfactants composite solution on the maximum overpressure and its arrival time
图 4 不同表面活性剂对复合溶液表面张力的影响
Figure 4. Effect of different surfactants on surface tension of composite solution
图 5 含氯化合物与不同表面活性剂复合溶液N2/细水雾对火焰速度峰值及其来临时间的影响
Figure 5. Effect of N2/water mist containing chloride compounds and different surfactants composite solution on maximum flame velocity and its arrival time
图 6 含5%NH4Cl与不同表面活性剂复合溶液N2/细水雾对6%LPG/空气预混气爆炸火焰结构演化过程的影响
Figure 6. Effect of N2/water mist containing 5% NH4Cl and different surfactants composite solution on the flame structure of 6% LPG/air mixture explosion
图 7 含改性KCl复合溶液N2/细水雾抑制LPG/空气预混气爆炸机理
Figure 7. Suppression mechanism diagram of N2/water mist containing modified KCl additive on LPG/air mixture explosion
图 8 不同抑制工况下LPG/空气爆炸的绝热火焰温度
Figure 8. Adiabatic flame temperature of LPG/air explosion under different inhibition conditions
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