半封閉空間內(nèi)氫化鎂粉塵爆炸火焰的傳播特性

關(guān)鍵詞：半封閉空間；儲氫金屬；氫化鎂；爆炸；火焰?zhèn)鞑?/p>

“雙碳”目標(biāo)是我國目前能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向[1]。氫氣作為一種清潔、低碳、高效、可再生能源，是我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要能源載體，同時也是人類社會“深度脫碳”的重要選擇[2-3]。但氫氣具有的密度低、易擴散、易腐蝕容器等特點[4]，導(dǎo)致其儲運成本過大[5]，嚴(yán)重制約了氫能的利用。固態(tài)金屬儲氫技術(shù)具有儲氫容量大、密度高等優(yōu)點，是目前最具應(yīng)用前景的儲氫技術(shù)之一[6]。其中，氫化鎂（MgH2）作為一種低成本、高容量可逆固態(tài)金屬儲氫材料，在低壓固態(tài)儲氫領(lǐng)域極受關(guān)注[7-11]。但是，氫化鎂作為氫氣和鎂粉的化合物，保留了氫氣和鎂粉易燃易爆的特質(zhì)，致使其遇水、高溫、靜電等易燃爆引發(fā)事故。為防止氫化鎂燃爆事故的發(fā)生，減少事故帶來的人員傷亡和經(jīng)濟損失，研究氫化鎂爆炸特性及火焰?zhèn)鞑ヌ匦院蜋C理尤為重要。

目前，已有學(xué)者對氫化鎂的爆炸特性及火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了研究。例如，趙金鋼等[12]研究發(fā)現(xiàn)MgH2的燃燒效率遠(yuǎn)高于硼粉，最小點火能為10～20mJ，隨MgH2含量增加，Al-MgH2、B-MgH2二元混合金屬粉的最小點火能由MgH2含量為10%時的50～70mJ、大于1000mJ降低到MgH2含量為30%時的10～20mJ、480～500mJ。Tsai等[13]研究了粉塵濃度、儲氫能力及脫氫溫度對MgH2的燃爆特性的影響，發(fā)現(xiàn)儲氫材料性能越好，爆炸越強烈。Wu等[14]使用哈特曼管與球形爆炸容器測得MgH2爆炸壓力在750g/m3時達(dá)到最大值，為1.1664MPa，最小點火能為20mJ，同時采用水銀壓力計與氧彈量熱儀測試MgH2的質(zhì)量燃燒熱為29.96mJ/kg。Zhang等[15]使用改進1.2L哈特曼管在開放環(huán)境下對4種不同粒徑的MgH2粉塵云進行火焰?zhèn)鞑y試，并用高速攝像機進行記錄，發(fā)現(xiàn)不同于Mg粉塵云，MgH2粉塵云在燃燒過程中含有許多具有微擴散火焰結(jié)構(gòu)的燃燒顆粒，并確定MgH2粉塵云燃燒機理為非均相燃燒。

目前已對氫化鎂基本爆炸特性及開敞空間內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了研究，研究成果對于氫化鎂爆炸災(zāi)害防治具有重要參考價值。但相關(guān)研究還不夠完善，尤其是在MgH2火焰?zhèn)鞑ヌ匦苑矫?，?dāng)前僅對開敞空間內(nèi)MgH2的火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了研究，研究結(jié)果尚不能充分反映氫化鎂火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。已有研究表明，壓力積聚對介質(zhì)爆炸特性及火焰?zhèn)鞑ヌ匦跃酗@著影響[16-18]，而且多數(shù)爆炸事故都是發(fā)生在半封閉等受限空間內(nèi)[19-22]，如倉庫、廠房等。但是，目前關(guān)于氫化鎂在半封閉空間內(nèi)爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘难芯枯^匱乏。

基于此，本文中將采用自行搭建的5L粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫嶒炑b置，對半封閉空間內(nèi)不同濃度MgH2粉塵的爆炸火焰形貌結(jié)構(gòu)、火焰亮度、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊葏?shù)的變化規(guī)律進行研究，以期探究半封閉空間內(nèi)MgH2爆炸火焰的傳播特性，并揭示半封閉空間內(nèi)MgH2爆炸火焰的傳播機理，一方面可以豐富氫化鎂火焰?zhèn)鞑ダ碚?，另一方面可為MgH2爆炸事故防治提供更充分的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1實驗裝置及材料

1.1實驗裝置

采用自行搭建的5L粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫嶒炑b置開展相關(guān)實驗，實驗系統(tǒng)如圖1所示。該實驗系統(tǒng)由鋼板固定的透明石英玻璃管道、噴粉系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)與控制系統(tǒng)組成。石英玻璃管道底部為噴粉裝置和點火電極，噴粉裝置可以通過高壓氣體將粉體均勻地噴散到管體內(nèi)部，形成粉塵云。為防止粉塵噴出管道，頂部覆蓋有承壓較低的PVC薄膜。點火電極為西安順泰熱工機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的高熱能點火器，輸出電壓6kV，產(chǎn)生的電火花能量約為30J。采用Photron高速相機以2000s?1的速度采集連續(xù)爆炸火焰圖像。為確保粉塵云在點火時處于均勻分布狀態(tài)，在實驗前進行了噴粉壓力、噴粉時長、點火延遲的測試，最終確定了最佳噴粉壓力為0.4MPa，噴粉時長為500ms，噴粉結(jié)束后100ms開始點火。由于粉塵在管道內(nèi)的分布存在著一定隨機性，因此在實驗中每組測試至少重復(fù)3次，取相對穩(wěn)定實驗結(jié)果進行分析，以減小粉塵分布的隨機性導(dǎo)致的實驗誤差。

1.2實驗材料

實驗所使用的MgH2粉體購自于上海鎂源動力科技有限公司，實驗前將MgH2粉體在真空干燥箱中60℃干燥8h，確保粉塵在實驗時處于干燥狀態(tài)。通過激光粒度儀（Mastersize3000）和掃描電子顯微鏡（MerlinCompact）分別測試MgH2粉體的粒徑分布和微觀形貌，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，MgH2粉體粒徑大體上呈正態(tài)分布，大多數(shù)粒徑集中在4～50μm之間，中位粒徑D50=16.8μm，粉體顆粒形貌為類球體，表面光滑或具有不規(guī)則紋理，增加了粉體的比表面積，增加了與氧氣接觸面積，有利于爆炸時氧化反應(yīng)的進行。

2實驗結(jié)果與分析

在進行火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯壳埃鶕?jù)實驗測試及相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，以200g/m3為質(zhì)量濃度（簡稱濃度）跨度在標(biāo)準(zhǔn)20L球形爆炸容器中對MgH2粉塵的爆炸壓力和爆炸壓力上升速率進行了測試，結(jié)果如圖3所示。測得MgH2粉塵在濃度為800g/m3時爆炸壓力和壓升速率達(dá)到最大值，最大爆炸壓力為1.15MPa，最大壓升速率為170.88MPa/s?；?0L球形爆炸容器中的實驗數(shù)據(jù)，選取濃度為200、400、600、800、1000g/m3的MgH2粉塵作為實驗對象，開展火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫嶒灐?/p>

2.1MgH2爆炸火焰結(jié)構(gòu)的變化

圖4～8為半封閉空間內(nèi)不同濃度MgH2粉塵的火焰?zhèn)鞑D像。由圖4可知，200g/m3的MgH2粉塵在點火4ms后即形成穩(wěn)定傳播的球狀火焰，并在7ms時火焰?zhèn)鞑ブ凉鼙谔?，在管壁的束縛作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罨鹧?，向豎直方向發(fā)展，此時火焰頂部為半球狀，主體呈亮白色。8～13.5ms時火焰穩(wěn)定傳播，呈柱狀，火焰鋒面趨于平直。從14.5ms開始，火焰亮度逐漸增強，但火焰鋒面開始出現(xiàn)波動，轉(zhuǎn)變?yōu)樽蟾哂业偷牟灰?guī)則形狀，這可能是由粉塵在管道頂部分布不均導(dǎo)致的；22ms后火焰鋒面?zhèn)鞑ブ凉芸谔帯４送?，該濃度下的MgH2粉塵爆炸火焰鋒面粗糙，且始終伴隨有一定寬度的黃色發(fā)光區(qū)。火焰鋒面粗糙應(yīng)是因為粉塵濃度較低，粉塵顆粒無法在管道內(nèi)形成連續(xù)分布，而黃色發(fā)光區(qū)應(yīng)為預(yù)熱區(qū)。

由圖5可知，當(dāng)濃度升至400g/m3時，MgH2粉塵火焰發(fā)展至穩(wěn)定球形火焰的時間由4ms縮短至3ms，并在7.5ms火焰?zhèn)鞑ブ凉鼙谔庌D(zhuǎn)變?yōu)橹鶢?，此后火焰開始穩(wěn)定傳播，亮度逐漸增強，火焰鋒面逐漸由半球狀趨于平直，并在19.5ms后到達(dá)管口。與200g/m3濃度的MgH2粉塵相對比，400g/m3濃度的MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程沒有明顯變化，且火焰鋒面仍然具有一定的粗糙度，這也是由較低質(zhì)量濃度粉塵分布不均導(dǎo)致的。但是，400g/m3濃度下MgH2粉塵爆炸火焰的亮度更高，燃燒更劇烈，火焰鋒面相對平滑，黃色發(fā)光區(qū)更窄。

由圖6可知，濃度繼續(xù)升至600g/m3，MgH2粉塵爆炸火焰發(fā)展至穩(wěn)定球形火焰，并傳播至管壁，形成穩(wěn)定柱狀火焰的時間進一步縮短，火焰?zhèn)鞑ニ俣雀撸?5.5ms到達(dá)管口。與400g/m3濃度的MgH2粉塵相比，600g/m3濃度的MgH2粉塵爆炸火焰發(fā)展前期，鋒面依舊粗糙，但11.5ms后，火焰鋒面趨于平滑，呈現(xiàn)類似均相燃燒的光滑火焰鋒面。600g/m3濃度的MgH2粉塵爆炸火焰的亮度有顯著提升，火焰鋒面更平滑，同時黃色發(fā)光區(qū)進一步變窄。

由圖7可知，800g/m3濃度下，MgH2粉塵爆炸形成穩(wěn)定傳播火焰所用時間較600g/m3又有明顯縮短，鋒面更光滑，亮度也有明顯提升，同時黃色發(fā)光區(qū)寬度進一步降低，這代表著燃燒強度進一步提升。這種變化可能是由于在濃度升高之后，隨著單位體積內(nèi)粉塵數(shù)量增加，粉塵顆粒之間的距離縮短，而在爆炸反應(yīng)過程中，熱量傳遞的主要方式為熱傳導(dǎo)和熱輻射，更短的距離與更多的粉體提高了粉塵顆粒之間的熱交換效率，從而使粉塵的燃燒更加充分。

由圖8可知，當(dāng)濃度升高至1000g/m3時，MgH2粉塵爆炸形成穩(wěn)定傳播火焰所用時間有所增長，火焰鋒面平滑度開始降低，亮度也有所降低，顏色由淡黃、亮黃轉(zhuǎn)為黃綠色，黃色發(fā)光區(qū)寬度開始增大。5.5～14ms時的火焰鋒面上方有大量煙氣產(chǎn)生，這是由于管內(nèi)氧氣不足以使MgH2粉塵完全燃燒，未燃粉塵與燃燒產(chǎn)物形成煙氣。此情況在15ms火焰?zhèn)鞑ブ凉芸诟浇佑|到管外氧氣后有所改善。

綜上可知，隨著濃度的升高，MgH2粉塵爆炸火焰由點火至穩(wěn)定傳播所用的時間先縮短后增長，火焰亮度及火焰鋒面的平滑度均呈先提高后降低的趨勢，并在800g/m3時用時最短、亮度最高、鋒面最平滑。MgH2粉塵爆炸火焰整體上可以劃分為3個區(qū)，分別為燃燒區(qū)、預(yù)熱區(qū)和未燃區(qū)，如圖9所示。其中預(yù)熱區(qū)寬度隨MgH2粉塵濃度的提高先減小后增大，并在MgH2粉塵濃度為800g/m3時預(yù)熱區(qū)最窄。這是因為，在該濃度下，MgH2粉塵在管道內(nèi)的分布最均勻，爆炸強度最高，燃燒最劇烈，整體火焰結(jié)構(gòu)更趨近于氣體的均相燃燒。

2.2MgH2爆炸火焰鋒面位置變化規(guī)律

由圖4～8得到半封閉空間內(nèi)不同濃度MgH2粉塵爆炸火焰鋒面位置隨時間的變化規(guī)律，如圖10所示。火焰鋒面數(shù)據(jù)由點火電極起始計算，至火焰到達(dá)管口位置結(jié)束。由圖4～8可知，各濃度MgH2火焰均連續(xù)、無中斷傳播至管口?；鹧驿h面到達(dá)管口的時間隨MgH2濃度增加而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，濃度為800g/m3時，用時最短，為14ms，其余各濃度時所用時長分別為22.0、19.5、15.5、17.5ms。MgH2粉塵能在800g/m3時最快到達(dá)管口，這是由于在該濃度時MgH2粉塵接近爆炸最佳濃度，在高于此濃度時，粉塵濃度過高、管體內(nèi)氧氣不足，導(dǎo)致不完全燃燒現(xiàn)象的產(chǎn)生，燃燒強度降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小。當(dāng)濃度低于800g/m3時，單位體積內(nèi)粉塵過少，通過熱對流與熱輻射傳導(dǎo)至未反應(yīng)粉塵的熱量減少，導(dǎo)致粉塵燃燒速度減緩。

2.3MgH2爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律

由不同濃度MgH2粉塵火焰鋒面數(shù)據(jù)，可計算出半封閉空間內(nèi)不同濃度MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ矔r速度（v）隨火焰?zhèn)鞑ノ恢米兓?guī)律，結(jié)果如圖11所示，其中va為火焰?zhèn)鞑テ骄俣?，c為MgH2粉塵的質(zhì)量濃度。由圖11可知，不同濃度下MgH2粉塵火焰?zhèn)鞑サ乃矔r速度具有波動性，當(dāng)粉塵濃度為200、400和1000g/m3時，波動幅度較大，而接近最佳濃度時，波動幅度降低。這是由于，噴粉后會在管體內(nèi)部形成一個強湍流，粉塵時刻都在湍流擾動下做不規(guī)則運動，在點火之后，粉塵燃燒、爆炸產(chǎn)生的熱量與壓力與初始湍流耦合，使粉塵擾動更加劇烈。同時，較低的粉塵濃度使管體內(nèi)部燃燒不均勻，也會導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)波動。當(dāng)粉塵濃度接近最佳濃度時，管體內(nèi)部粉塵分布較為均勻，粉塵顆粒間的距離更近，有利于已燃粉塵釋放的熱量傳遞給未燃粉塵，使火焰能夠連續(xù)、穩(wěn)定傳播，傳播速度的波動幅度減小。而在粉塵濃度高于最佳濃度時，由于單位體積內(nèi)更多的粉塵數(shù)量，在管體內(nèi)湍流擾動下，粉塵分布較之最佳濃度時均勻度下降，致使粉塵燃燒不均勻，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)波動情況。

此外，當(dāng)MgH2濃度為200和400g/m3時火焰在傳播過程中速度整體呈先上升后下降的趨勢，而600和800g/m3時火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸食掷m(xù)上升的趨勢。這是由于在點火時，電極點火釋放的能量是恒定的，粉塵濃度低時電極點火能引爆電極附近的粉塵，使粉塵快速進入爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)狀態(tài)，而反應(yīng)進入中、后期時在湍流及壓力波耦合影響下，粉塵分布不均勻，導(dǎo)致熱量傳遞效率低，進而影響中、后期火焰?zhèn)鞑ニ俣?。?dāng)濃度升高至600～800g/m3時，點火電極附近分散的粉塵增多，點火電極無法使周圍粉塵全部點燃，過剩的粉塵吸收已燃粉塵熱量，火焰發(fā)展至中、后期已燃粉塵釋放足夠多熱量、引導(dǎo)未燃粉塵進行反應(yīng)后，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸掷m(xù)上升。在濃度繼續(xù)升高至1000g/m3時，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸氏壬仙笙陆惦S后近勻速運動，并在后期火焰速度再次提升，在此過程中，粉塵在起始時與600～800g/m3反應(yīng)較為接近，但由于粉塵濃度過高、管內(nèi)氧氣不足，限制了火焰在中期的發(fā)展，而在后期火焰發(fā)展至管口附近，在400mm處，火焰接觸到外界氧氣，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆偕仙?，這與火焰?zhèn)鞑D像所呈現(xiàn)象相吻合。

2.4MgH2爆炸火焰?zhèn)鞑C理分析

收集不同濃度的MgH2粉塵爆炸產(chǎn)物并進行XRD測試，匯總結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，不同濃度MgH2爆炸產(chǎn)物中均僅有MgO與未反應(yīng)的MgH2，由此可以推斷MgH2在燃燒時所發(fā)生反應(yīng)如圖13所示。當(dāng)電極點火后，電極釋放能量引燃電極附近粉塵，將首先發(fā)生燃燒反應(yīng)：

該過程將釋放大量的熱量。雖然目前尚未有文獻(xiàn)報道MgH2粉塵爆炸火焰溫度，但Mg粉塵爆炸火焰溫度可達(dá)1036.25℃以上[23-24]，而MgH2粉塵的爆炸強度大于Mg粉塵的[13]，在MgH2爆炸過程中溫度應(yīng)大于1036.25℃，遠(yuǎn)大于MgH2分解溫度（400℃左右）[25]。因此，高溫下的MgH2粉塵還將發(fā)生分解反應(yīng)：

生成的Mg（OH）2在高溫下會分解為MgO與H2O。因此，體系最終的反應(yīng)產(chǎn)物應(yīng)包含MgO和H2O，而H2O受熱蒸發(fā)，最終導(dǎo)致固態(tài)產(chǎn)物只有MgO與未反應(yīng)的MgH2。

3結(jié)論

采用自行搭建的5L粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫嶒炑b置，對半封閉空間內(nèi)MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了實驗研究，得到了如下結(jié)論。

（1）隨著MgH2粉塵濃度的提高，MgH2粉塵爆炸火焰由點火至穩(wěn)定傳播所用的時間先縮短后增長，火焰亮度、火焰鋒面平滑度及火焰平均傳播速度均呈先提高后降低的趨勢，并在濃度為800g/m3時用時最短、亮度最高、鋒面最平滑、火焰?zhèn)鞑プ羁臁?/p>

（2）不同濃度MgH2粉塵爆炸火焰整體上均可劃分為燃燒區(qū)、預(yù)熱區(qū)和未燃區(qū)。其中，預(yù)熱區(qū)寬度隨MgH2粉塵濃度的提高先減小后增大，并在濃度為800g/m3時寬度最小。

（3）不同濃度MgH2粉塵火焰?zhèn)鞑ニ矔r速度具有波動性，且波動幅度隨著MgH2粉塵濃度的提高先減小后增大，并在濃度為800g/m3時波動幅度最小。當(dāng)MgH2粉塵濃度為200、400g/m3時，火焰在傳播過程中瞬時速度整體呈先上升后下降的趨勢；當(dāng)濃度為600和800g/m3時火焰?zhèn)鞑ニ矔r速度呈持續(xù)上升的趨勢；當(dāng)濃度為1000g/m3時，火焰?zhèn)鞑ニ矔r速度呈先升再降、平穩(wěn)后升高趨勢。

（4）MgH2粉塵爆炸是以MgH2燃燒反應(yīng)為主并伴隨有MgH2和Mg（OH）2的分解以及Mg和H2氧化等多個總包反應(yīng)的復(fù)雜過程，爆炸反應(yīng)的最終產(chǎn)物為MgO。