MgH2粉塵爆炸的能量釋放特性規(guī)律

張 云，趙懿明，許張歸，趙鳳起，徐司雨，裴 慶，徐 森，焦楓媛，吳星亮，賈憲振，曹衛(wèi)國

(1.西安近代化學(xué)研究所 燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原 030051；3.南京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，江蘇 南京 210094)

引 言

提升爆炸效果和作功能力是含能材料永恒的研究主題，高能燃燒劑的添加可以顯著增加復(fù)合含能材料系統(tǒng)的能量密度[1]，從而有效地提高含能材料的作功能力，實(shí)際應(yīng)用中常向含能材料中添加高燃燒熱值的金屬粉來提高復(fù)合含能材料的能量水平[2-4]。隨著對(duì)含能材料要求的不斷提高，金屬粉已不能完全滿足實(shí)際需求，近年來發(fā)展的儲(chǔ)氫金屬材料因其高含氫量、高燃燒熱和高能量密度的優(yōu)勢(shì)而成為高能燃燒劑的研究熱點(diǎn)[5]。

Deluca等[6]研究了AP/HTPB/AlH3復(fù)合體系的燃燒規(guī)律，結(jié)果表明AlH3使得復(fù)合體系比沖獲得較大提高。吳星亮等[7]對(duì)比了3種含儲(chǔ)氫材料的RDX基混合炸藥的能量輸出特性，結(jié)果表明含儲(chǔ)氫材料炸藥爆熱與儲(chǔ)氫材料的化學(xué)潛能有關(guān)，MgH2的加入能夠有效提高炸藥爆炸的氣泡脈動(dòng)。張洋等[8]研究了MgH2對(duì)RDX等5種含能材料的點(diǎn)火影響規(guī)律，結(jié)果表明MgH2的分解產(chǎn)物促進(jìn)了含能材料相態(tài)轉(zhuǎn)變，最終促進(jìn)了點(diǎn)火燃燒性能的提升。薛冰等[9]研究了TiH2和MgH2的加入對(duì)RDX基爆炸復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果表明MgH2復(fù)合材料沖擊波參數(shù)大幅提升，而TiH2復(fù)合材料的氣泡能顯著增大。曹威等[10-11]研究了添加儲(chǔ)氫材料的鍍鋁炸藥的爆轟和燃燒特性，結(jié)果表明MgH2的加入增強(qiáng)了炸藥的后燃能力。程揚(yáng)帆等[12-14]研究發(fā)現(xiàn)將鎂基儲(chǔ)氫材料應(yīng)用到乳化炸藥中，能夠顯著提高其爆炸猛度。

雖然儲(chǔ)氫金屬材料具有廣闊的應(yīng)用前景，在一定程度上可以解決復(fù)合含能材料系統(tǒng)燃燒不完全和能量釋放效率低的問題，但其應(yīng)用仍處于推廣階段，對(duì)其燃燒過程中的反應(yīng)特性認(rèn)識(shí)還不夠充分，在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用過程中存在一定的安全隱患[15-17]。因此對(duì)其能量釋放過程還有待進(jìn)一步研究。

爆炸泄放技術(shù)能夠有效降低爆炸內(nèi)部超壓，是爆炸能量釋放的有效控制手段[18-20]，本研究以MgH2為研究對(duì)象，采用改進(jìn)后的20L球?qū)ζ浔ㄐ狗胚^程能量釋放規(guī)律進(jìn)行研究，獲取了MgH2粉塵爆炸的關(guān)鍵性參數(shù)，并比較了濃度和導(dǎo)管長(zhǎng)度對(duì)其壓力特性和火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響，以期為MgH2在含能材料領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所采用的MgH2由南京理工大學(xué)提供，純度為99.5%。實(shí)驗(yàn)前首先采用300目(48μm)網(wǎng)篩對(duì)MgH2粉體進(jìn)行篩選，圖1為篩選后的粒徑分析圖，大部分MgH2的粒徑分布在2～22μm之間，呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢(shì)。

圖1 MgH2粉塵的粒徑分析Fig.1 Particle size analysis of MgH2 dust

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試流程

首先在標(biāo)準(zhǔn)20L球中對(duì)MgH2進(jìn)行密閉狀態(tài)下的壓力測(cè)試。實(shí)驗(yàn)前先抽真空至表壓0.06MPa，隨后將0.6L儲(chǔ)粉室中的MgH2粉塵通過2MPa的高壓空氣分散進(jìn)入球體，并使球內(nèi)壓力恢復(fù)至表壓0.1MPa。采用化學(xué)點(diǎn)火具[能量為10kJ，m(鋯粉)∶m(硝酸鋇)∶m(過氧化鋇)=4∶3∶3]點(diǎn)燃MgH2粉塵云來激發(fā)粉塵爆炸，同時(shí)通過球壁上的113B21型傳感器對(duì)容器內(nèi)壓力進(jìn)行記錄。通過對(duì)球內(nèi)壓力分析，可以獲得MgH2粉塵的爆炸壓力p、爆炸壓力上升速率dp/dt以及粉塵爆炸指數(shù)Kst。粉塵爆炸指數(shù)Kst是表征粉塵爆炸嚴(yán)重性的重要指標(biāo)，由式(1)求得：

(1)

圖2為改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，在20L球爆炸容器上加裝不同長(zhǎng)度的導(dǎo)管來實(shí)現(xiàn)泄放功能，導(dǎo)管內(nèi)徑與球形容器壁上泄放孔孔徑大小相同，均為50mm。在導(dǎo)管與容器壁之間加裝開啟壓力為0.12MPa的泄爆片使容器保持密閉，當(dāng)球內(nèi)壓力上升達(dá)到開啟壓力后，泄爆片破裂開始泄放。導(dǎo)管兩端5cm處分別加裝113B21型傳感器來記錄導(dǎo)管中的壓力變化情況。在平行于導(dǎo)管前方5m處放置Fastcam Mini UX10型高速攝影，用以記錄火焰?zhèn)鞑ミ^程，幀數(shù)為10000幀/s。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental apparatus

2 結(jié)果與討論

2.1 MgH2粉塵爆炸的壓力傳播特性

2.1.1 密閉條件下的壓力特性

圖3為密閉條件下MgH2粉塵爆炸的壓力特性。

圖3 密閉條件下MgH2粉塵爆炸壓力特性Fig.3 Explosion pressure characteristics of MgH2 dust under airtight conditions

由圖3可知，在250～1000g/m3質(zhì)量濃度的測(cè)試范圍內(nèi)，爆炸壓力在點(diǎn)火后迅速上升，達(dá)到最大值后開始緩慢下降。爆炸壓力和爆炸壓力上升速率的最大值隨著濃度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)粉塵濃度低于750g/m3時(shí)，隨著濃度的上升，相同空間內(nèi)燃燒的MgH2粒子數(shù)目增多，釋放出的能量增大，導(dǎo)致爆炸壓力與爆炸壓力上升速率升高，在750g/m3時(shí)分別達(dá)最大值1.17MPa和732MPa/s，結(jié)合式(1)可得MgH2粉塵爆炸的爆炸指數(shù)為310.5MPa·m/s。當(dāng)濃度繼續(xù)上升時(shí)，容器內(nèi)空氣含量相對(duì)減小，MgH2粉塵燃燒不充分，同時(shí)未完全燃燒的粉塵吸收了部分能量也阻礙了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致爆炸壓力與爆炸壓力上升速率降低。

2.1.2 泄放條件下的壓力特性

爆炸泄放是控制粉塵爆炸危害的有效手段，為了探究有管泄放對(duì)MgH2粉塵爆炸的影響，在30cm管長(zhǎng)下對(duì)250～1000g/m3質(zhì)量濃度范圍的MgH2粉塵爆炸進(jìn)行對(duì)照測(cè)試，圖4展示了密閉和泄放工況下不同濃度時(shí)容器內(nèi)壁壓力特性對(duì)比。和密閉體系相同，隨著濃度的上升，泄放條件下的爆炸壓力和爆炸壓力上升速率的最大值均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在750g/m3時(shí)分別達(dá)到最大值0.838MPa和323MPa/s。與密閉體系相比，泄放條件下的粉塵爆炸產(chǎn)生的壓力和熱量攜帶大量未燃粉塵沿導(dǎo)管排出，發(fā)生爆炸的粉塵濃度降低，爆炸壓力的最大值均明顯下降，下降率隨濃度的升高呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。而爆炸壓力上升速率最大值的下降率則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在250～750g/m3下降率均高于40%，這說明有管泄放能有效降低爆炸壓力上升速率從而有效降低爆炸危害。

圖4 不同工況下MgH2粉塵爆炸壓力特性Fig.4 Explosion pressure characteristics of MgH2 dust under different working conditions

為了探究導(dǎo)管長(zhǎng)度對(duì)泄放壓力的影響，在最佳爆炸濃度750g/m3時(shí)選取30、50和100cm長(zhǎng)的導(dǎo)管進(jìn)行測(cè)試，圖5為不同管長(zhǎng)下的壓力特性對(duì)比。導(dǎo)管的約束作用隨著導(dǎo)管長(zhǎng)度增加而增強(qiáng)，同時(shí)未完全燃燒的粉塵在管內(nèi)發(fā)生爆炸，兩者阻礙了泄放進(jìn)程，使得容器內(nèi)的壓力和壓力上升速率的最大值隨著導(dǎo)管增長(zhǎng)而增大，分別在管長(zhǎng)為100cm時(shí)達(dá)到最大值0.88MPa和362MPa/s，相較于30cm時(shí)分別上升了5%和9%。

圖5 不同管長(zhǎng)下MgH2粉塵爆炸壓力特性Fig.5 Explosion pressure characteristics of MgH2 dust under different duct lengths

2.1.3 不同位置處的壓力特性

在試驗(yàn)過程中，記容器內(nèi)最大壓力為p0，導(dǎo)管管口遠(yuǎn)端處的最大壓力為p1，管口近端的最大壓力為p2，圖6展示了不同工況下的p0、p1、p2變化規(guī)律。由于空氣的黏性，爆炸壓力沿導(dǎo)管逐漸衰減，在所有工況下p0均大于p1、p2。相同管長(zhǎng)下，p1、p2受p0的影響，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在750g/m3時(shí)達(dá)到分別最大值0.252MPa和0.237MPa。相同濃度下隨著導(dǎo)管長(zhǎng)度增加，p0與p1少量增加，p2顯著減小，在管長(zhǎng)為100cm時(shí)達(dá)到最小值0.12MPa。

圖6 不同工況下不同位置處MgH2粉塵爆炸的最大壓力Fig.6 The maximum pressure of MgH2 dust explosion at different positions under different working conditions

2.2 MgH2粉塵爆炸的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h3>

2.2.1 粉塵粒子濃度對(duì)MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/p>

火焰是造成粉塵爆炸傷害的重要原因，因此有必要對(duì)MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑バ袨檫M(jìn)行研究，并采取相應(yīng)控制措施。圖7為30cm管長(zhǎng)時(shí)不同濃度下MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程的高速攝影，記管內(nèi)火焰出現(xiàn)為0時(shí)刻，隨著濃度的增加，供給燃燒的粒子數(shù)增加，泄放火焰持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)。泄放火焰?zhèn)鞑ミ^程可以分為3個(gè)階段：第一階段為火焰在導(dǎo)管中傳播的階段，在容器內(nèi)外的壓力差的作用下，燃燒的氣體粉塵混合物沿管道傳播；第二階段為火焰沖出管口后的擴(kuò)散階段，沖出管口后的火焰不再受到導(dǎo)管的約束，前端未完全燃燒的粉塵在慣性和壓力的作用下向周圍擴(kuò)散，與空氣混合充分燃燒，當(dāng)濃度高于250g/m3時(shí)，由于粉塵粒子沿導(dǎo)管軸向的擴(kuò)散速度高于徑向速度，最終形成紡錘狀火焰。火焰長(zhǎng)度到達(dá)峰值后，噴射出的未燃粉塵粒子濃度下降，火焰前端與中部出現(xiàn)斷裂，火焰長(zhǎng)度出現(xiàn)小幅度衰減。但球內(nèi)壓力仍繼續(xù)上升，噴射出的粒子受到的噴射壓力增大，擴(kuò)散的速度加快，使得火焰長(zhǎng)度增加，火焰前端出現(xiàn)不穩(wěn)定波動(dòng)。在上升的壓力和下降的可燃粒子濃度的共同作用下，火焰長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定；第三階段為火焰衰退階段，由于可燃粒子數(shù)量持續(xù)下降，火焰燃燒區(qū)域縮短，前端出現(xiàn)了不規(guī)則的離散火焰。隨著燃燒的進(jìn)行，壓力達(dá)到峰值后可燃粉塵濃度和壓力均開始下降，火焰長(zhǎng)度逐漸減小直至熄滅。

圖7 不同粉塵粒子濃度下MgH2粉塵爆炸火焰高速攝影Fig.7 High-speed photography of MgH2 dust explosion flame at different dust particle concentrations

圖8為不同濃度下火焰長(zhǎng)度與時(shí)間的關(guān)系。由圖8可以看出，隨著粉塵粒子濃度的增加，火焰長(zhǎng)度和時(shí)間都有所增加，1000g/m3時(shí)達(dá)到最大火焰長(zhǎng)度170cm。在燃燒過渡階段，受泄放壓力變化和粉塵濃度的影響，火焰長(zhǎng)度出現(xiàn)不穩(wěn)定的波動(dòng)，隨著燃燒的進(jìn)行，火焰逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8 不同粉塵粒子濃度下MgH2粉塵爆炸火焰長(zhǎng)度Fig.8 MgH2 dust explosion flame length at different dust particle concentrations

2.2.2 管長(zhǎng)對(duì)MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/p>

導(dǎo)管長(zhǎng)度是影響泄放火焰?zhèn)鞑ミ^程的重要因素，圖9展示了不同管長(zhǎng)下MgH2粉塵粒子濃度為750g/m3時(shí)的高速攝影。

圖9 不同管長(zhǎng)下MgH2粉塵爆炸火焰高速攝影Fig.9 High-speed photography of MgH2 dust explosion flame under different duct lengths

由圖9可知，隨著導(dǎo)管增長(zhǎng)，火焰在管內(nèi)傳播的時(shí)間增加，部分未燃粉塵在管內(nèi)燃燒，噴出管口的未燃粉塵濃度減小，火焰擴(kuò)散階段形成的火球?qū)挾群兔髁脸潭榷加兴档?，但整個(gè)泄放火焰的持續(xù)時(shí)間近乎相同。圖10為不同管長(zhǎng)下火焰長(zhǎng)度與時(shí)間的關(guān)系。

圖10 不同管長(zhǎng)下MgH2粉塵爆炸火焰長(zhǎng)度Fig.10 MgH2 dust explosion flame length under different duct lengths

由圖10可知，在擴(kuò)散階段火焰長(zhǎng)度的最大值隨著管長(zhǎng)的增加而增加，在30、50和100cm管長(zhǎng)條件下分別達(dá)到137、156和200cm。由于導(dǎo)管的約束作用，火焰在導(dǎo)管內(nèi)部傳播時(shí)受到的阻力較小，不同導(dǎo)管長(zhǎng)度下管外火焰的擴(kuò)散范圍相近。

2.3 NFPA 68對(duì)MgH2粉塵爆炸的適用性評(píng)估

基于經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)的NFPA 68[21]是國際上被認(rèn)可、使用最為廣泛的粉塵爆炸泄放設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一，適用于開啟壓力小于0.075MPa、容器體積大于0.1m3的普通工業(yè)粉塵泄放安全設(shè)計(jì)。但是由于MgH2遇到點(diǎn)火源等有可能發(fā)生燃燒爆炸事故，且易于釋放出氫氣等現(xiàn)象，容易造成爆炸體系的開啟壓力超過NFPA 68規(guī)定值?；诖耍m然本研究中MgH2粉塵爆炸泄放實(shí)驗(yàn)超出NFPA 68標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍，但由于目前尚未有更加合適的安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為了給MgH2粉塵爆炸泄放設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考，仍選擇了NFPA 68作為初始依據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)期望通過本研究探討擴(kuò)寬標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍的可行性。NFPA 68規(guī)定的泄爆管泄放公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：A為泄放面積，m2；pbur為開啟壓力，MPa；Kst為粉塵最大爆炸指數(shù)，MPa·m/s；V為容器體積，m3；pmax為密閉條件下最佳爆炸濃度的最大爆炸壓力，MPa；pred為有管泄放容器內(nèi)最大泄放壓力，MPa；L為導(dǎo)管長(zhǎng)度，m；K、K0為總阻力系數(shù)以及阻力系數(shù)基準(zhǔn)數(shù)值。在實(shí)驗(yàn)工況下，導(dǎo)管較短且未安裝其他部件，因此計(jì)算過程中可以忽略阻力系數(shù)的影響，即K/K0=1[22]，則得到忽略阻力系數(shù)的NFPA 68公式：

(5)

為了給MgH2粉塵泄放安全設(shè)計(jì)提供更多參考，將式(5)中的pmax拓展到各個(gè)濃度下的壓力的最大值pm，得到不同濃度條件下的NFPA 68公式：

(6)

將圖4中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入式(6)中，通過計(jì)算可以得到有管泄放容器內(nèi)最大泄放壓力pr。將其與實(shí)驗(yàn)所得到的各個(gè)濃度下最大泄放壓力pm比較，將兩者的比值pr/pm作為一個(gè)無量綱參數(shù)對(duì)泄放設(shè)計(jì)進(jìn)行可行性分析。若pr/pm>1，則表示計(jì)算結(jié)果大于實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的最大泄放壓力，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的結(jié)果較為保守，預(yù)測(cè)結(jié)果較為安全；若pr/pm<1，表示計(jì)算結(jié)果小于實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的最大泄放壓力，預(yù)測(cè)結(jié)果較為危險(xiǎn)[23]。

圖11展示了依據(jù)NFPA 68標(biāo)準(zhǔn)獲得的計(jì)算結(jié)果pr及其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比值pr/pm，MgH2粉塵濃度為250、500、1000g/m3的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比值pr/pm分別為1.19、1.11、1.15，因此，NFPA 68在本測(cè)試條件下具有較好的精度。但是，當(dāng)粉塵濃度為750g/m3時(shí)，pr/pm為0.81，小于1，說明此時(shí)通過NFPA 68的預(yù)測(cè)結(jié)果來對(duì)MgH2進(jìn)行泄放安全設(shè)計(jì)可能存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，建議參照此類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工業(yè)安全設(shè)計(jì)應(yīng)留有一定安全裕量。

圖11 預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)估Fig.11 Evaluation of predicted results

3 結(jié) 論

(1)密閉條件下，MgH2的最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率隨濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在750g/m3達(dá)到最大，爆炸指數(shù)為310.5(MPa·m)/s。泄放工況下，MgH2粉塵爆炸的最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率與密閉條件下呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，但數(shù)值明顯降低。

(2)導(dǎo)管增長(zhǎng)降低了泄放效率，使得容器內(nèi)部最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率升高，當(dāng)導(dǎo)管長(zhǎng)度從30cm增長(zhǎng)到100cm時(shí)，球內(nèi)最大壓力和壓力上升速率分別上升了5%和9%。導(dǎo)管上的最大壓力隨容器內(nèi)部壓力的變化而變化，壓力沿導(dǎo)管逐漸衰減，距離越遠(yuǎn)最大壓力越小。

(3)隨著粉塵粒子濃度的增加，MgH2粉塵爆炸火焰長(zhǎng)度和持續(xù)時(shí)間增加，在1000g/m3時(shí)達(dá)到最大值。相同濃度下，導(dǎo)管的增長(zhǎng)使得火焰長(zhǎng)度增加，外部火焰燃燒區(qū)域變窄，但未改變火焰的持續(xù)時(shí)間。

(4)NFPA 68設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在250、500、1000g/m3時(shí)對(duì)MgH2粉塵爆炸較為適用，但在750g/m3時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測(cè)值低于實(shí)驗(yàn)值。在參考NFPA 68標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行MgH2粉塵泄放安全設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有足夠的安全裕量。