不同浓度镁粉/氢气两相混合物的爆炸特性及动态过程研究

《Fuel》：Study on explosion characteristics and dynamic process of magnesium powder/hydrogen two-phase mixture with different concentrations

镁粉与氢气两相混合物的爆炸特性及机理研究。通过实验分析不同镁粉浓度（250-2000g/m3）和氢气体积分数（10%-30%）下的爆炸过压、火焰传播及产物微观结构，发现最大爆炸压力随镁粉浓度增加而升高，当浓度超过1000g/m3时进入缺氧状态导致压力上升减缓。氢浓度影响火焰结构，10%时呈现双峰压力曲线，30%时转为单峰，表明燃烧主导因素由镁粉转向氢气。实验结合SEM和XRD揭示爆炸过程中镁粉团聚与氢气燃烧的协同作用机制。

　　

易琴|何书军|卢宁|戴世美|史迅贤|陈冰|陈继和|程建伟|岳翔|王小雷|范涛|王成

重庆科技大学安全科学与工程学院，中国重庆401331

摘要

镁金属是镁基氢储存材料和工业镁产品的重要原料。然而，它容易与水反应生成氢气，形成镁粉/氢气两相混合物，这增加了工业生产过程中的爆炸风险。为了研究镁粉/氢气两相混合物的爆炸特性和协同反应机制，我们使用140毫米×140毫米×700毫米的水平管道、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）在不同颗粒大小和浓度下实验研究了爆炸超压行为、火焰传播特性以及爆炸产物的微观形态。结果表明，两相混合物的最大爆炸压力随着镁粉浓度的增加而增加，并且始终高于纯氢气爆炸的压力。压力上升的拐点出现在粉尘浓度为1000克/立方米时。当粉尘浓度超过这个值时，混合物进入缺氧状态，粉尘颗粒的聚集和沉降效应导致压力上升趋势减缓。氢气浓度是决定混合物燃烧模式的关键因素。当氢气浓度从10%增加到30%时，爆炸类型从粉尘驱动转变为气体驱动。最大爆炸压力达到0.982兆帕。在较低的氢气浓度下，火焰呈现分叉结构，火焰传播速度曲线显示双峰特征，表明主导燃烧因素从氢气转变为镁粉。当氢气浓度增加到30%时，气固热释放变得同步，双峰特征演变为单峰。基于这些实验结果，从爆炸特性和动态过程的角度分析了镁粉/氢气两相混合物的爆炸机制。

引言

氢气被广泛认为是一种具有高重力能量密度的清洁能源载体，被认为是缓解全球能源短缺和环境挑战的有希望的解决方案[1]，[2]。在现有的氢储存技术中，固态氢储存被认为是最实用的选择之一。特别是基于金属氢化物的氢储存技术具有显著的优势，包括高安全性、高储存效率以及可逆的氢吸收和释放。镁基氢储存材料因其低成本、丰富的资源和高的氢储存能力而受到广泛关注[3]，[4]。然而，在镁基氢储存材料的生产、储存、运输和利用过程中，以及其他与镁相关的工业过程中，可能会出现危险条件，其中镁粉与氢气共存，显著增加了爆炸事故的风险[5]。例如，2019年3月，中国昆山汉鼎精密金属有限公司因镁合金废料释放的氢气而发生爆炸[6]。同样，2015年9月，美国亚利桑那州凤凰城的一个金属回收设施在处理镁金属时，在喷水操作过程中发生了镁粉-氢气两相爆炸[7]。这些事故表明，镁粉/氢气混合系统的形成构成了一个关键的爆炸隐患。

随着氢储存技术的迅速发展和镁合金产品的广泛应用，涉及镁粉和氢气共存的场景变得越来越普遍。许多研究在不同的湍流强度、点火能量和氧气浓度下研究了氢-金属粉尘系统的爆炸行为，阐明了它们的爆炸特性和火焰传播机制。然而，大多数现有研究主要集中在单相氢气爆炸[8]，[9]，[10]，[11]或单相粉尘爆炸[12]，[13]上。与单相系统相比，气固两相爆炸涉及可燃气体和金属粉尘颗粒之间的强烈物理化学相互作用，导致更复杂的反应路径和显著增强的爆炸严重性。因此，从单相系统得出的爆炸特性不能直接外推到气固两相混合物。为了解决这一复杂性，一些研究人员探索了可燃气体-金属粉尘混合物的爆炸行为。Yu等人[14]，[15]研究了氢/钨粉混合物，并报告说爆炸压力主要由当量比控制，而压力上升速率和火焰传播行为则受氢气浓度支配。Cheng等人[16]，[17]，[18]结合实验测量和数值模拟，证明了添加氢气显著加速了钛粉/氢混合物及其相应氢化物（TiH₂）中的火焰传播。Zhu等人[19]在铝粉/氢混合物的爆炸过程中实验观察到了两个不同的压力峰值，随着粉尘浓度的增加，第一个峰值逐渐减小。Wang等人[20]研究了不同颗粒大小的镁氢化物粉末，发现最大爆炸压力和最大压力上升速率都随着颗粒大小的增加而减小。特别关注镁粉/氢气两相系统，Xiong等人[21]在不同氧气浓度下实验分析了爆炸反应机制。Ji等人[22]确定大约10%的氢气浓度是一个临界阈值，超过这个阈值后，氢/镁混合物的最大爆炸压力（$P_{\mathrm{ex}}$）和最大压力上升速率（dP/dt）表现出明显的变化。Xiong等人[23]进一步使用4.5立方米的正方形弱面爆炸室研究了镁粉层厚度对非预混镁粉/氢系统爆炸超压和火焰传播特性的影响。

除了爆炸超压和火焰传播速度等宏观参数外，爆炸前后可燃颗粒的微观结构表征提供了对潜在反应机制的关键洞察。扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）已被广泛用于分析各种粉尘颗粒（包括磷钨酸盐、二氧化钛和沥青）在爆炸过程中的微观结构演变[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]。在粉尘爆炸研究中，Li等人[31]使用XRD比较了爆炸前后煤尘的相组成，将相变与爆炸强度和火焰传播行为相关联。Cheng等人[32]使用SEM和XRD技术系统研究了不同颗粒大小的镁粉及其爆炸残留物的相组成和微观结构特征。

尽管付出了这些努力，但对镁粉/氢气两相混合物的爆炸特性、微观结构演变和潜在机制的系统理解仍然有限，特别是在浓度比的耦合效应方面。为了解决这些知识空白，本研究使用自设计的水平管道爆炸试验装置对镁粉/氢气两相混合物进行了受控爆炸实验。在不同镁粉尘浓度和氢体积分数下，系统地分析了两相系统的爆炸特性、火焰传播行为、爆炸产物和微观反应机制。

实验系统

如图1所示，实验系统由几个关键组件组成：一个水平燃烧管、一个气-尘混合系统、一个点火系统、一个高速相机和一个计算机。水平燃烧管的内部尺寸为140毫米×140毫米×700毫米，前后端装有石英玻璃，以承受爆炸实验中的高温和高压。气-尘混合系统包括一个0.6升的粉尘储罐

混合爆炸中最大爆炸压力变化规律的分析

图6展示了镁粉浓度为250、500、1000和2000克/立方米，氢体积分数为10%、20%和30%时，氢/镁粉气固混合混合物的爆炸特性。具体来说，它展示了：(a)爆炸压力的时间演变；(b)达到峰值爆炸压力所需的时间（$T_p$）与燃料浓度的关系；以及(c)峰值爆炸压力（$P_{\mathrm{ex}}$）与燃料浓度的关系。

粉尘浓度对混合爆炸火焰传播过程的影响

当氢气浓度为10%时，混合爆炸表现出明显的粉尘预混-扩散混合火焰结构。因此，使用高速摄影记录了不同粉尘浓度下镁粉/氢气气固两相爆炸的火焰传播过程。当氢气浓度为10%时，不同镁粉浓度下的镁粉/氢气两相爆炸的火焰传播行为如图8所示。

氢气浓度对混合爆炸火焰传播过程的影响

当镁粉浓度为1500克/立方米时，在不同氢气浓度下的氢/镁粉混合爆炸中，平均火焰传播速度达到最大值。因此，为了进一步阐明氢气浓度对火焰传播的影响，分析了在固定镁粉浓度为1500克/立方米且氢气浓度变化时的混合爆炸过程，相应的火焰传播行为如下

镁粉/氢气两相系统的爆炸产物和机制分析

上述研究表明，当氢气浓度为10%时，镁粉/氢气气固两相混合爆炸表现出典型的粉尘燃烧火焰结构，使其成为研究粉尘颗粒大小对气固两相混合爆炸中火焰结构和爆炸机制影响的理想选择。当镁粉浓度为1500克/立方米时，气固两相混合爆炸的峰值压力上升率为

结论

本研究使用自制的水平管道实验装置，实验研究了不同浓度比下镁粉/氢混合物的爆炸特性和动态演变。从爆炸特性和动态过程的角度分析了镁粉/氢两相系统的爆炸机制。主要结论如下：

(1)

在相同的氢气浓度下，镁粉浓度为

CRediT作者贡献声明

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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报告的工作。

致谢

本工作得到了重庆市自然科学基金一般项目（Grant CSTB2023NSCQ-MSX0991）、重庆市教委科技研究青年项目（Grant KJQN202201523）和中央高校基本科研业务费（2024-11044）的支持。