MgH2粉塵爆炸的能量釋放特性規律

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，曹衛國

(1.西安近代化學研究所 燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2.中北大學 環境與安全工程學院，山西 太原 030051；3.南京理工大學 化學與化工學院，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合含能材料系統的能量密度[1]，從而有效地提高含能材料的作功能力，實際應用中常向含能材料中添加高燃燒熱值的金屬粉來提高復合含能材料的能量水平[2-4]。隨著對含能材料要求的不斷提高，金屬粉已不能完全滿足實際需求，近年來發展的儲氫金屬材料因其高含氫量、高燃燒熱和高能量密度的優勢而成為高能燃燒劑的研究熱點[5]。

Deluca等[6]研究了AP/HTPB/AlH3復合體系的燃燒規律，結果表明AlH3使得復合體系比沖獲得較大提高。吳星亮等[7]對比了3種含儲氫材料的RDX基混合炸藥的能量輸出特性，結果表明含儲氫材料炸藥爆熱與儲氫材料的化學潛能有關，MgH2的加入能夠有效提高炸藥爆炸的氣泡脈動。張洋等[8]研究了MgH2對RDX等5種含能材料的點火影響規律，結果表明MgH2的分解產物促進了含能材料相態轉變，最終促進了點火燃燒性能的提升。薛冰等[9]研究了TiH2和MgH2的加入對RDX基爆炸復合材料性能的影響，結果表明MgH2復合材料沖擊波參數大幅提升，而TiH2復合材料的氣泡能顯著增大。曹威等[10-11]研究了添加儲氫材料的鍍鋁炸藥的爆轟和燃燒特性，結果表明MgH2的加入增強了炸藥的后燃能力。程揚帆等[12-14]研究發現將鎂基儲氫材料應用到乳化炸藥中，能夠顯著提高其爆炸猛度。

雖然儲氫金屬材料具有廣闊的應用前景，在一定程度上可以解決復合含能材料系統燃燒不完全和能量釋放效率低的問題，但其應用仍處于推廣階段，對其燃燒過程中的反應特性認識還不夠充分，在生產、儲存和使用過程中存在一定的安全隱患[15-17]。因此對其能量釋放過程還有待進一步研究。

爆炸泄放技術能夠有效降低爆炸內部超壓，是爆炸能量釋放的有效控制手段[18-20]，本研究以MgH2為研究對象，采用改進后的20L球對其爆炸泄放過程能量釋放規律進行研究，獲取了MgH2粉塵爆炸的關鍵性參數，并比較了濃度和導管長度對其壓力特性和火焰傳播過程的影響，以期為MgH2在含能材料領域的進一步推廣應用提供數據支撐。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗所采用的MgH2由南京理工大學提供，純度為99.5%。實驗前首先采用300目(48μm)網篩對MgH2粉體進行篩選，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，呈現正態分布趨勢。

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

1.2 實驗裝置及測試流程

首先在標準20L球中對MgH2進行密閉狀態下的壓力測試。實驗前先抽真空至表壓0.06MPa，隨后將0.6L儲粉室中的MgH2粉塵通過2MPa的高壓空氣分散進入球體，并使球內壓力恢復至表壓0.1MPa。采用化學點火具[能量為10kJ，m(鋯粉)∶m(硝酸鋇)∶m(過氧化鋇)=4∶3∶3]點燃MgH2粉塵云來激發粉塵爆炸，同時通過球壁上的113B21型傳感器對容器內壓力進行記錄。通過對球內壓力分析，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Kst。粉塵爆炸指數Kst是表征粉塵爆炸嚴重性的重要指標，由式(1)求得：

(1)

圖2為改進后的實驗裝置，在20L球爆炸容器上加裝不同長度的導管來實現泄放功能，導管內徑與球形容器壁上泄放孔孔徑大小相同，均為50mm。在導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，當球內壓力上升達到開啟壓力后，泄爆片破裂開始泄放。導管兩端5cm處分別加裝113B21型傳感器來記錄導管中的壓力變化情況。在平行于導管前方5m處放置Fastcam Mini UX10型高速攝影，用以記錄火焰傳播過程，幀數為10000幀/s。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental apparatus

2 結果與討論

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質量濃度的測試范圍內，爆炸壓力在點火后迅速上升，達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先增大后減小的趨勢，當粉塵濃度低于750g/m3時，隨著濃度的上升，相同空間內燃燒的MgH2粒子數目增多，釋放出的能量增大，導致爆炸壓力與爆炸壓力上升速率升高，在750g/m3時分別達最大值1.17MPa和732MPa/s，結合式(1)可得MgH2粉塵爆炸的爆炸指數為310.5MPa·m/s。當濃度繼續上升時，容器內空氣含量相對減小，MgH2粉塵燃燒不充分，同時未完全燃燒的粉塵吸收了部分能量也阻礙了燃燒反應的進行，導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MgH2粉塵爆炸的影響，在30cm管長下對250～1000g/m3質量濃度范圍的MgH2粉塵爆炸進行對照測試，圖4展示了密閉和泄放工況下不同濃度時容器內壁壓力特性對比。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先增大后減小的趨勢，在750g/m3時分別達到最大值0.838MPa和323MPa/s。與密閉體系相比，泄放條件下的粉塵爆炸產生的壓力和熱量攜帶大量未燃粉塵沿導管排出，發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先減小后增大的趨勢。而爆炸壓力上升速率最大值的下降率則呈現先增大后減小的趨勢，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

為了探究導管長度對泄放壓力的影響，在最佳爆炸濃度750g/m3時選取30、50和100cm長的導管進行測試，圖5為不同管長下的壓力特性對比。導管的約束作用隨著導管長度增加而增強，同時未完全燃燒的粉塵在管內發生爆炸，兩者阻礙了泄放進程，使得容器內的壓力和壓力上升速率的最大值隨著導管增長而增大，分別在管長為100cm時達到最大值0.88MPa和362MPa/s，相較于30cm時分別上升了5%和9%。

圖5 不同管長下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

在試驗過程中，記容器內最大壓力為p0，導管管口遠端處的最大壓力為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變化規律。由于空氣的黏性，爆炸壓力沿導管逐漸衰減，在所有工況下p0均大于p1、p2。相同管長下，p1、p2受p0的影響，均呈現先增大后減小的趨勢，并在750g/m3時達到分別最大值0.252MPa和0.237MPa。相同濃度下隨著導管長度增加，p0與p1少量增加，p2顯著減小，在管長為100cm時達到最小值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粉塵爆炸的火焰傳播特性

2.2.1 粉塵粒子濃度對MgH2粉塵爆炸火焰傳播的影響

火焰是造成粉塵爆炸傷害的重要原因，因此有必要對MgH2粉塵爆炸火焰傳播行為進行研究，并采取相應控制措施。圖7為30cm管長時不同濃度下MgH2粉塵爆炸火焰傳播過程的高速攝影，記管內火焰出現為0時刻，隨著濃度的增加，供給燃燒的粒子數增加，泄放火焰持續時間增長。泄放火焰傳播過程可以分為3個階段：第一階段為火焰在導管中傳播的階段，在容器內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散階段，沖出管口后的火焰不再受到導管的約束，前端未完全燃燒的粉塵在慣性和壓力的作用下向周圍擴散，與空氣混合充分燃燒，當濃度高于250g/m3時，由于粉塵粒子沿導管軸向的擴散速度高于徑向速度，最終形成紡錘狀火焰。火焰長度到達峰值后，噴射出的未燃粉塵粒子濃度下降，火焰前端與中部出現斷裂，火焰長度出現小幅度衰減。但球內壓力仍繼續上升，噴射出的粒子受到的噴射壓力增大，擴散的速度加快，使得火焰長度增加，火焰前端出現不穩定波動。在上升的壓力和下降的可燃粒子濃度的共同作用下，火焰長度趨于穩定；第三階段為火焰衰退階段，由于可燃粒子數量持續下降，火焰燃燒區域縮短，前端出現了不規則的離散火焰。隨著燃燒的進行，壓力達到峰值后可燃粉塵濃度和壓力均開始下降，火焰長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度與時間的關系。由圖8可以看出，隨著粉塵粒子濃度的增加，火焰長度和時間都有所增加，1000g/m3時達到最大火焰長度170cm。在燃燒過渡階段，受泄放壓力變化和粉塵濃度的影響，火焰長度出現不穩定的波動，隨著燃燒的進行，火焰逐漸趨于穩定。

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

2.2.2 管長對MgH2粉塵爆炸火焰傳播的影響

導管長度是影響泄放火焰傳播過程的重要因素，圖9展示了不同管長下MgH2粉塵粒子濃度為750g/m3時的高速攝影。

圖9 不同管長下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，隨著導管增長，火焰在管內傳播的時間增加，部分未燃粉塵在管內燃燒，噴出管口的未燃粉塵濃度減小，火焰擴散階段形成的火球寬度和明亮程度都有所降低，但整個泄放火焰的持續時間近乎相同。圖10為不同管長下火焰長度與時間的關系。

圖10 不同管長下MgH2粉塵爆炸火焰長度Fig.10 MgH2 dust explosion flame length under different duct lengths

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

2.3 NFPA 68對MgH2粉塵爆炸的適用性評估

基于經驗和半經驗公式設計的NFPA 68[21]是國際上被認可、使用最為廣泛的粉塵爆炸泄放設計標準之一，適用于開啟壓力小于0.075MPa、容器體積大于0.1m3的普通工業粉塵泄放安全設計。但是由于MgH2遇到點火源等有可能發生燃燒爆炸事故，且易于釋放出氫氣等現象，容易造成爆炸體系的開啟壓力超過NFPA 68規定值。基于此，雖然本研究中MgH2粉塵爆炸泄放實驗超出NFPA 68標準的適用范圍，但由于目前尚未有更加合適的安全設計標準，為了給MgH2粉塵爆炸泄放設計提供基礎數據參考，仍選擇了NFPA 68作為初始依據進行分析，同時期望通過本研究探討擴寬標準的適用范圍的可行性。NFPA 68規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，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為有管泄放容器內最大泄放壓力，MPa；L為導管長度，m；K、K0為總阻力系數以及阻力系數基準數值。在實驗工況下，導管較短且未安裝其他部件，因此計算過程中可以忽略阻力系數的影響，即K/K0=1[22]，則得到忽略阻力系數的NFPA 68公式：

(5)

為了給MgH2粉塵泄放安全設計提供更多參考，將式(5)中的pmax拓展到各個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中的實驗結果代入式(6)中，通過計算可以得到有管泄放容器內最大泄放壓力pr。將其與實驗所得到的各個濃度下最大泄放壓力pm比較，將兩者的比值pr/pm作為一個無量綱參數對泄放設計進行可行性分析。若pr/pm>1，則表示計算結果大于實驗所測得的最大泄放壓力，標準計算出的結果較為保守，預測結果較為安全；若pr/pm<1，表示計算結果小于實驗所測得的最大泄放壓力，預測結果較為危險[23]。

圖11展示了依據NFPA 68標準獲得的計算結果pr及其與實驗結果的比值pr/pm，MgH2粉塵濃度為250、500、1000g/m3的計算結果與實驗結果的比值pr/pm分別為1.19、1.11、1.15，因此，NFPA 68在本測試條件下具有較好的精度。但是，當粉塵濃度為750g/m3時，pr/pm為0.81，小于1，說明此時通過NFPA 68的預測結果來對MgH2進行泄放安全設計可能存在一定的風險，建議參照此類標準進行工業安全設計應留有一定安全裕量。

圖11 預測結果評估Fig.11 Evaluation of predicted results

3 結 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先增大后減小的趨勢，在750g/m3達到最大，爆炸指數為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相同的趨勢，但數值明顯降低。

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

(3)隨著粉塵粒子濃度的增加，MgH2粉塵爆炸火焰長度和持續時間增加，在1000g/m3時達到最大值。相同濃度下，導管的增長使得火焰長度增加，外部火焰燃燒區域變窄，但未改變火焰的持續時間。

(4)NFPA 68設計標準在250、500、1000g/m3時對MgH2粉塵爆炸較為適用，但在750g/m3時，標準的預測值低于實驗值。在參考NFPA 68標準進行MgH2粉塵泄放安全設計時應留有足夠的安全裕量。