半封閉空間內氫化鎂粉塵爆炸火焰的傳播特性

關鍵詞：半封閉空間；儲氫金屬；氫化鎂；爆炸；火焰傳播

“雙碳”目標是我國目前能源發展的重要戰略方向[1]。氫氣作為一種清潔、低碳、高效、可再生能源，是我國實現“雙碳”目標的重要能源載體，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]，導致其儲運成本過大[5]，嚴重制約了氫能的利用。固態金屬儲氫技術具有儲氫容量大、密度高等優點，是目前最具應用前景的儲氫技術之一[6]。其中，氫化鎂（MgH2）作為一種低成本、高容量可逆固態金屬儲氫材料，在低壓固態儲氫領域極受關注[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，致使其遇水、高溫、靜電等易燃爆引發事故。為防止氫化鎂燃爆事故的發生，減少事故帶來的人員傷亡和經濟損失，研究氫化鎂爆炸特性及火焰傳播特性和機理尤為重要。

目前，已有學者對氫化鎂的爆炸特性及火焰傳播特性進行了研究。例如，趙金鋼等[12]研究發現MgH2的燃燒效率遠高于硼粉，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，發現儲氫材料性能越好，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哈特曼管在開放環境下對4種不同粒徑的MgH2粉塵云進行火焰傳播測試，并用高速攝像機進行記錄，發現不同于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構的燃燒顆粒，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的火焰傳播特性進行了研究，研究成果對于氫化鎂爆炸災害防治具有重要參考價值。但相關研究還不夠完善，尤其是在MgH2火焰傳播特性方面，當前僅對開敞空間內MgH2的火焰傳播特性進行了研究，研究結果尚不能充分反映氫化鎂火焰傳播特性。已有研究表明，壓力積聚對介質爆炸特性及火焰傳播特性均有顯著影響[16-18]，而且多數爆炸事故都是發生在半封閉等受限空間內[19-22]，如倉庫、廠房等。但是，目前關于氫化鎂在半封閉空間內爆炸火焰傳播特性的研究較匱乏。

基于此，本文中將采用自行搭建的5L粉塵爆炸火焰傳播特性實驗裝置，對半封閉空間內不同濃度MgH2粉塵的爆炸火焰形貌結構、火焰亮度、火焰傳播速度等參數的變化規律進行研究，以期探究半封閉空間內MgH2爆炸火焰的傳播特性，并揭示半封閉空間內MgH2爆炸火焰的傳播機理，一方面可以豐富氫化鎂火焰傳播理論，另一方面可為MgH2爆炸事故防治提供更充分的理論依據和數據支持。

1實驗裝置及材料

1.1實驗裝置

采用自行搭建的5L粉塵爆炸火焰傳播特性實驗裝置開展相關實驗，實驗系統如圖1所示。該實驗系統由鋼板固定的透明石英玻璃管道、噴粉系統、點火系統、圖像采集系統與控制系統組成。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備有限公司生產的高熱能點火器，輸出電壓6kV，產生的電火花能量約為30J。采用Photron高速相機以2000s?1的速度采集連續爆炸火焰圖像。為確保粉塵云在點火時處于均勻分布狀態，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，噴粉結束后100ms開始點火。由于粉塵在管道內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3次，取相對穩定實驗結果進行分析，以減小粉塵分布的隨機性導致的實驗誤差。

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。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，結果如圖2所示。由圖2可知，MgH2粉體粒徑大體上呈正態分布，大多數粒徑集中在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的進行。

2實驗結果與分析

在進行火焰傳播特性研究前，根據實驗測試及相關文獻調研結果，以200g/m3為質量濃度（簡稱濃度）跨度在標準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到最大值，最大爆炸壓力為1.15MPa，最大壓升速率為170.88MPa/s。基于20L球形爆炸容器中的實驗數據，選取濃度為200、400、600、800、1000g/m3的MgH2粉塵作為實驗對象，開展火焰傳播特性實驗。

2.1MgH2爆炸火焰結構的變化

圖4～8為半封閉空間內不同濃度MgH2粉塵的火焰傳播圖像。由圖4可知，200g/m3的MgH2粉塵在點火4ms后即形成穩定傳播的球狀火焰，并在7ms時火焰傳播至管壁處，在管壁的束縛作用下轉變為柱狀火焰，向豎直方向發展，此時火焰頂部為半球狀，主體呈亮白色。8～13.5ms時火焰穩定傳播，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波動，轉變為左高右低的不規則形狀，這可能是由粉塵在管道頂部分布不均導致的；22ms后火焰鋒面傳播至管口處。此外，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光區。火焰鋒面粗糙應是因為粉塵濃度較低，粉塵顆粒無法在管道內形成連續分布，而黃色發光區應為預熱區。

由圖5可知，當濃度升至400g/m3時，MgH2粉塵火焰發展至穩定球形火焰的時間由4ms縮短至3ms，并在7.5ms火焰傳播至管壁處轉變為柱狀，此后火焰開始穩定傳播，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粉塵爆炸火焰傳播過程沒有明顯變化，且火焰鋒面仍然具有一定的粗糙度，這也是由較低質量濃度粉塵分布不均導致的。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，黃色發光區更窄。

由圖6可知，濃度繼續升至600g/m3，MgH2粉塵爆炸火焰發展至穩定球形火焰，并傳播至管壁，形成穩定柱狀火焰的時間進一步縮短，火焰傳播速度更高，在15.5ms到達管口。與400g/m3濃度的MgH2粉塵相比，600g/m3濃度的MgH2粉塵爆炸火焰發展前期，鋒面依舊粗糙，但11.5ms后，火焰鋒面趨于平滑，呈現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，同時黃色發光區進一步變窄。

由圖7可知，800g/m3濃度下，MgH2粉塵爆炸形成穩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，同時黃色發光區寬度進一步降低，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，隨著單位體積內粉塵數量增加，粉塵顆粒之間的距離縮短，而在爆炸反應過程中，熱量傳遞的主要方式為熱傳導和熱輻射，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，當濃度升高至1000g/m3時，MgH2粉塵爆炸形成穩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、亮黃轉為黃綠色，黃色發光區寬度開始增大。5.5～14ms時的火焰鋒面上方有大量煙氣產生，這是由于管內氧氣不足以使MgH2粉塵完全燃燒，未燃粉塵與燃燒產物形成煙氣。此情況在15ms火焰傳播至管口附近接觸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，分別為燃燒區、預熱區和未燃區，如圖9所示。其中預熱區寬度隨MgH2粉塵濃度的提高先減小后增大，并在MgH2粉塵濃度為800g/m3時預熱區最窄。這是因為，在該濃度下，MgH2粉塵在管道內的分布最均勻，爆炸強度最高，燃燒最劇烈，整體火焰結構更趨近于氣體的均相燃燒。

2.2MgH2爆炸火焰鋒面位置變化規律

由圖4～8得到半封閉空間內不同濃度MgH2粉塵爆炸火焰鋒面位置隨時間的變化規律，如圖10所示。火焰鋒面數據由點火電極起始計算，至火焰到達管口位置結束。由圖4～8可知，各濃度MgH2火焰均連續、無中斷傳播至管口。火焰鋒面到達管口的時間隨MgH2濃度增加而呈現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、管體內氧氣不足，導致不完全燃燒現象的產生，燃燒強度降低，火焰傳播速度減小。當濃度低于800g/m3時，單位體積內粉塵過少，通過熱對流與熱輻射傳導至未反應粉塵的熱量減少，導致粉塵燃燒速度減緩。

2.3MgH2爆炸火焰傳播速度變化規律

由不同濃度MgH2粉塵火焰鋒面數據，可計算出半封閉空間內不同濃度MgH2粉塵爆炸火焰傳播瞬時速度（v）隨火焰傳播位置變化規律，結果如圖11所示，其中va為火焰傳播平均速度，c為MgH2粉塵的質量濃度。由圖11可知，不同濃度下MgH2粉塵火焰傳播的瞬時速度具有波動性，當粉塵濃度為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，噴粉后會在管體內部形成一個強湍流，粉塵時刻都在湍流擾動下做不規則運動，在點火之后，粉塵燃燒、爆炸產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部燃燒不均勻，也會導致火焰傳播速度出現波動。當粉塵濃度接近最佳濃度時，管體內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、穩定傳播，傳播速度的波動幅度減小。而在粉塵濃度高于最佳濃度時，由于單位體積內更多的粉塵數量，在管體內湍流擾動下，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，火焰傳播速度出現波動情況。

此外，當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時火焰傳播速度呈持續上升的趨勢。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式反應狀態，而反應進入中、后期時在湍流及壓力波耦合影響下，粉塵分布不均勻，導致熱量傳遞效率低，進而影響中、后期火焰傳播速度。當濃度升高至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，火焰發展至中、后期已燃粉塵釋放足夠多熱量、引導未燃粉塵進行反應后，火焰傳播速度持續上升。在濃度繼續升高至1000g/m3時，火焰傳播速度呈先上升后下降隨后近勻速運動，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反應較為接近，但由于粉塵濃度過高、管內氧氣不足，限制了火焰在中期的發展，而在后期火焰發展至管口附近，在400mm處，火焰接觸到外界氧氣，火焰傳播速度迅速上升，這與火焰傳播圖像所呈現象相吻合。

2.4MgH2爆炸火焰傳播機理分析

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

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

生成的Mg（OH）2在高溫下會分解為MgO與H2O。因此，體系最終的反應產物應包含MgO和H2O，而H2O受熱蒸發，最終導致固態產物只有MgO與未反應的MgH2。

3結論

采用自行搭建的5L粉塵爆炸火焰傳播特性實驗裝置，對半封閉空間內MgH2粉塵爆炸火焰傳播特性進行了實驗研究，得到了如下結論。

（1）隨著MgH2粉塵濃度的提高，MgH2粉塵爆炸火焰由點火至穩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、火焰傳播最快。

（2）不同濃度MgH2粉塵爆炸火焰整體上均可劃分為燃燒區、預熱區和未燃區。其中，預熱區寬度隨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粉塵火焰傳播瞬時速度具有波動性，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；當濃度為600和800g/m3時火焰傳播瞬時速度呈持續上升的趨勢；當濃度為1000g/m3時，火焰傳播瞬時速度呈先升再降、平穩后升高趨勢。

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