MgH2粉尘爆炸的能量释放特性规律

张 云，赵懿明，许张归，赵凤起，徐司雨，裴 庆，徐 森，焦枫媛，吴星亮，贾宪振，曹卫国

(1.西安近代化学研究所 燃烧与爆炸技术重点实验室，陕西 西安 710065；2.中北大学 环境与安全工程学院，山西 太原 030051；3.南京理工大学 化学与化工学院，江苏 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题，高能燃烧剂的添加可以显著增加复合含能材料系统的能量密度[1]，从而有效地提高含能材料的作功能力，实际应用中常向含能材料中添加高燃烧热值的金属粉来提高复合含能材料的能量水平[2-4]。随着对含能材料要求的不断提高，金属粉已不能完全满足实际需求，近年来发展的储氢金属材料因其高含氢量、高燃烧热和高能量密度的优势而成为高能燃烧剂的研究热点[5]。

Deluca等[6]研究了AP/HTPB/AlH3复合体系的燃烧规律，结果表明AlH3使得复合体系比冲获得较大提高。吴星亮等[7]对比了3种含储氢材料的RDX基混合炸药的能量输出特性，结果表明含储氢材料炸药爆热与储氢材料的化学潜能有关，MgH2的加入能够有效提高炸药爆炸的气泡脉动。张洋等[8]研究了MgH2对RDX等5种含能材料的点火影响规律，结果表明MgH2的分解产物促进了含能材料相态转变，最终促进了点火燃烧性能的提升。薛冰等[9]研究了TiH2和MgH2的加入对RDX基爆炸复合材料性能的影响，结果表明MgH2复合材料冲击波参数大幅提升，而TiH2复合材料的气泡能显著增大。曹威等[10-11]研究了添加储氢材料的镀铝炸药的爆轰和燃烧特性，结果表明MgH2的加入增强了炸药的后燃能力。程扬帆等[12-14]研究发现将镁基储氢材料应用到乳化炸药中，能够显著提高其爆炸猛度。

虽然储氢金属材料具有广阔的应用前景，在一定程度上可以解决复合含能材料系统燃烧不完全和能量释放效率低的问题，但其应用仍处于推广阶段，对其燃烧过程中的反应特性认识还不够充分，在生产、储存和使用过程中存在一定的安全隐患[15-17]。因此对其能量释放过程还有待进一步研究。

爆炸泄放技术能够有效降低爆炸内部超压，是爆炸能量释放的有效控制手段[18-20]，本研究以MgH2为研究对象，采用改进后的20L球对其爆炸泄放过程能量释放规律进行研究，获取了MgH2粉尘爆炸的关键性参数，并比较了浓度和导管长度对其压力特性和火焰传播过程的影响，以期为MgH2在含能材料领域的进一步推广应用提供数据支撑。

1 实 验

1.1 实验材料

实验所采用的MgH2由南京理工大学提供，纯度为99.5%。实验前首先采用300目(48μm)网筛对MgH2粉体进行筛选，图1为筛选后的粒径分析图，大部分MgH2的粒径分布在2～22μm之间，呈现正态分布趋势。

图1 MgH2粉尘的粒径分析Fig.1 Particle size analysis of MgH2 dust

1.2 实验装置及测试流程

首先在标准20L球中对MgH2进行密闭状态下的压力测试。实验前先抽真空至表压0.06MPa，随后将0.6L储粉室中的MgH2粉尘通过2MPa的高压空气分散进入球体，并使球内压力恢复至表压0.1MPa。采用化学点火具[能量为10kJ，m(锆粉)∶m(硝酸钡)∶m(过氧化钡)=4∶3∶3]点燃MgH2粉尘云来激发粉尘爆炸，同时通过球壁上的113B21型传感器对容器内压力进行记录。通过对球内压力分析，可以获得MgH2粉尘的爆炸压力p、爆炸压力上升速率dp/dt以及粉尘爆炸指数Kst。粉尘爆炸指数Kst是表征粉尘爆炸严重性的重要指标，由式(1)求得：

(1)

图2为改进后的实验装置，在20L球爆炸容器上加装不同长度的导管来实现泄放功能，导管内径与球形容器壁上泄放孔孔径大小相同，均为50mm。在导管与容器壁之间加装开启压力为0.12MPa的泄爆片使容器保持密闭，当球内压力上升达到开启压力后，泄爆片破裂开始泄放。导管两端5cm处分别加装113B21型传感器来记录导管中的压力变化情况。在平行于导管前方5m处放置Fastcam Mini UX10型高速摄影，用以记录火焰传播过程，帧数为10000帧/s。

图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental apparatus

2 结果与讨论

2.1 MgH2粉尘爆炸的压力传播特性

2.1.1 密闭条件下的压力特性

图3为密闭条件下MgH2粉尘爆炸的压力特性。

图3 密闭条件下MgH2粉尘爆炸压力特性Fig.3 Explosion pressure characteristics of MgH2 dust under airtight conditions

由图3可知，在250～1000g/m3质量浓度的测试范围内，爆炸压力在点火后迅速上升，达到最大值后开始缓慢下降。爆炸压力和爆炸压力上升速率的最大值随着浓度的增大呈现先增大后减小的趋势，当粉尘浓度低于750g/m3时，随着浓度的上升，相同空间内燃烧的MgH2粒子数目增多，释放出的能量增大，导致爆炸压力与爆炸压力上升速率升高，在750g/m3时分别达最大值1.17MPa和732MPa/s，结合式(1)可得MgH2粉尘爆炸的爆炸指数为310.5MPa·m/s。当浓度继续上升时，容器内空气含量相对减小，MgH2粉尘燃烧不充分，同时未完全燃烧的粉尘吸收了部分能量也阻碍了燃烧反应的进行，导致爆炸压力与爆炸压力上升速率降低。

2.1.2 泄放条件下的压力特性

爆炸泄放是控制粉尘爆炸危害的有效手段，为了探究有管泄放对MgH2粉尘爆炸的影响，在30cm管长下对250～1000g/m3质量浓度范围的MgH2粉尘爆炸进行对照测试，图4展示了密闭和泄放工况下不同浓度时容器内壁压力特性对比。和密闭体系相同，随着浓度的上升，泄放条件下的爆炸压力和爆炸压力上升速率的最大值均呈现先增大后减小的趋势，在750g/m3时分别达到最大值0.838MPa和323MPa/s。与密闭体系相比，泄放条件下的粉尘爆炸产生的压力和热量携带大量未燃粉尘沿导管排出，发生爆炸的粉尘浓度降低，爆炸压力的最大值均明显下降，下降率随浓度的升高呈现先减小后增大的趋势。而爆炸压力上升速率最大值的下降率则呈现先增大后减小的趋势，在250～750g/m3下降率均高于40%，这说明有管泄放能有效降低爆炸压力上升速率从而有效降低爆炸危害。

图4 不同工况下MgH2粉尘爆炸压力特性Fig.4 Explosion pressure characteristics of MgH2 dust under different working conditions

为了探究导管长度对泄放压力的影响，在最佳爆炸浓度750g/m3时选取30、50和100cm长的导管进行测试，图5为不同管长下的压力特性对比。导管的约束作用随着导管长度增加而增强，同时未完全燃烧的粉尘在管内发生爆炸，两者阻碍了泄放进程，使得容器内的压力和压力上升速率的最大值随着导管增长而增大，分别在管长为100cm时达到最大值0.88MPa和362MPa/s，相较于30cm时分别上升了5%和9%。

图5 不同管长下MgH2粉尘爆炸压力特性Fig.5 Explosion pressure characteristics of MgH2 dust under different duct lengths

2.1.3 不同位置处的压力特性

在试验过程中，记容器内最大压力为p0，导管管口远端处的最大压力为p1，管口近端的最大压力为p2，图6展示了不同工况下的p0、p1、p2变化规律。由于空气的黏性，爆炸压力沿导管逐渐衰减，在所有工况下p0均大于p1、p2。相同管长下，p1、p2受p0的影响，均呈现先增大后减小的趋势，并在750g/m3时达到分别最大值0.252MPa和0.237MPa。相同浓度下随着导管长度增加，p0与p1少量增加，p2显著减小，在管长为100cm时达到最小值0.12MPa。

图6 不同工况下不同位置处MgH2粉尘爆炸的最大压力Fig.6 The maximum pressure of MgH2 dust explosion at different positions under different working conditions

2.2 MgH2粉尘爆炸的火焰传播特性

2.2.1 粉尘粒子浓度对MgH2粉尘爆炸火焰传播的影响

火焰是造成粉尘爆炸伤害的重要原因，因此有必要对MgH2粉尘爆炸火焰传播行为进行研究，并采取相应控制措施。图7为30cm管长时不同浓度下MgH2粉尘爆炸火焰传播过程的高速摄影，记管内火焰出现为0时刻，随着浓度的增加，供给燃烧的粒子数增加，泄放火焰持续时间增长。泄放火焰传播过程可以分为3个阶段：第一阶段为火焰在导管中传播的阶段，在容器内外的压力差的作用下，燃烧的气体粉尘混合物沿管道传播；第二阶段为火焰冲出管口后的扩散阶段，冲出管口后的火焰不再受到导管的约束，前端未完全燃烧的粉尘在惯性和压力的作用下向周围扩散，与空气混合充分燃烧，当浓度高于250g/m3时，由于粉尘粒子沿导管轴向的扩散速度高于径向速度，最终形成纺锤状火焰。火焰长度到达峰值后，喷射出的未燃粉尘粒子浓度下降，火焰前端与中部出现断裂，火焰长度出现小幅度衰减。但球内压力仍继续上升，喷射出的粒子受到的喷射压力增大，扩散的速度加快，使得火焰长度增加，火焰前端出现不稳定波动。在上升的压力和下降的可燃粒子浓度的共同作用下，火焰长度趋于稳定；第三阶段为火焰衰退阶段，由于可燃粒子数量持续下降，火焰燃烧区域缩短，前端出现了不规则的离散火焰。随着燃烧的进行，压力达到峰值后可燃粉尘浓度和压力均开始下降，火焰长度逐渐减小直至熄灭。

图7 不同粉尘粒子浓度下MgH2粉尘爆炸火焰高速摄影Fig.7 High-speed photography of MgH2 dust explosion flame at different dust particle concentrations

图8为不同浓度下火焰长度与时间的关系。由图8可以看出，随着粉尘粒子浓度的增加，火焰长度和时间都有所增加，1000g/m3时达到最大火焰长度170cm。在燃烧过渡阶段，受泄放压力变化和粉尘浓度的影响，火焰长度出现不稳定的波动，随着燃烧的进行，火焰逐渐趋于稳定。

图8 不同粉尘粒子浓度下MgH2粉尘爆炸火焰长度Fig.8 MgH2 dust explosion flame length at different dust particle concentrations

2.2.2 管长对MgH2粉尘爆炸火焰传播的影响

导管长度是影响泄放火焰传播过程的重要因素，图9展示了不同管长下MgH2粉尘粒子浓度为750g/m3时的高速摄影。

图9 不同管长下MgH2粉尘爆炸火焰高速摄影Fig.9 High-speed photography of MgH2 dust explosion flame under different duct lengths

由图9可知，随着导管增长，火焰在管内传播的时间增加，部分未燃粉尘在管内燃烧，喷出管口的未燃粉尘浓度减小，火焰扩散阶段形成的火球宽度和明亮程度都有所降低，但整个泄放火焰的持续时间近乎相同。图10为不同管长下火焰长度与时间的关系。

图10 不同管长下MgH2粉尘爆炸火焰长度Fig.10 MgH2 dust explosion flame length under different duct lengths

由图10可知，在扩散阶段火焰长度的最大值随着管长的增加而增加，在30、50和100cm管长条件下分别达到137、156和200cm。由于导管的约束作用，火焰在导管内部传播时受到的阻力较小，不同导管长度下管外火焰的扩散范围相近。

2.3 NFPA 68对MgH2粉尘爆炸的适用性评估

基于经验和半经验公式设计的NFPA 68[21]是国际上被认可、使用最为广泛的粉尘爆炸泄放设计标准之一，适用于开启压力小于0.075MPa、容器体积大于0.1m3的普通工业粉尘泄放安全设计。但是由于MgH2遇到点火源等有可能发生燃烧爆炸事故，且易于释放出氢气等现象，容易造成爆炸体系的开启压力超过NFPA 68规定值。基于此，虽然本研究中MgH2粉尘爆炸泄放实验超出NFPA 68标准的适用范围，但由于目前尚未有更加合适的安全设计标准，为了给MgH2粉尘爆炸泄放设计提供基础数据参考，仍选择了NFPA 68作为初始依据进行分析，同时期望通过本研究探讨扩宽标准的适用范围的可行性。NFPA 68规定的泄爆管泄放公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：A为泄放面积，m2；pbur为开启压力，MPa；Kst为粉尘最大爆炸指数，MPa·m/s；V为容器体积，m3；pmax为密闭条件下最佳爆炸浓度的最大爆炸压力，MPa；pred为有管泄放容器内最大泄放压力，MPa；L为导管长度，m；K、K0为总阻力系数以及阻力系数基准数值。在实验工况下，导管较短且未安装其他部件，因此计算过程中可以忽略阻力系数的影响，即K/K0=1[22]，则得到忽略阻力系数的NFPA 68公式：

(5)

为了给MgH2粉尘泄放安全设计提供更多参考，将式(5)中的pmax拓展到各个浓度下的压力的最大值pm，得到不同浓度条件下的NFPA 68公式：

(6)

将图4中的实验结果代入式(6)中，通过计算可以得到有管泄放容器内最大泄放压力pr。将其与实验所得到的各个浓度下最大泄放压力pm比较，将两者的比值pr/pm作为一个无量纲参数对泄放设计进行可行性分析。若pr/pm>1，则表示计算结果大于实验所测得的最大泄放压力，标准计算出的结果较为保守，预测结果较为安全；若pr/pm<1，表示计算结果小于实验所测得的最大泄放压力，预测结果较为危险[23]。

图11展示了依据NFPA 68标准获得的计算结果pr及其与实验结果的比值pr/pm，MgH2粉尘浓度为250、500、1000g/m3的计算结果与实验结果的比值pr/pm分别为1.19、1.11、1.15，因此，NFPA 68在本测试条件下具有较好的精度。但是，当粉尘浓度为750g/m3时，pr/pm为0.81，小于1，说明此时通过NFPA 68的预测结果来对MgH2进行泄放安全设计可能存在一定的风险，建议参照此类标准进行工业安全设计应留有一定安全裕量。

图11 预测结果评估Fig.11 Evaluation of predicted results

3 结 论

(1)密闭条件下，MgH2的最大爆炸压力与最大爆炸压力上升速率随浓度的增加呈现先增大后减小的趋势，在750g/m3达到最大，爆炸指数为310.5(MPa·m)/s。泄放工况下，MgH2粉尘爆炸的最大爆炸压力与最大爆炸压力上升速率与密闭条件下呈现相同的趋势，但数值明显降低。

(2)导管增长降低了泄放效率，使得容器内部最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率升高，当导管长度从30cm增长到100cm时，球内最大压力和压力上升速率分别上升了5%和9%。导管上的最大压力随容器内部压力的变化而变化，压力沿导管逐渐衰减，距离越远最大压力越小。

(3)随着粉尘粒子浓度的增加，MgH2粉尘爆炸火焰长度和持续时间增加，在1000g/m3时达到最大值。相同浓度下，导管的增长使得火焰长度增加，外部火焰燃烧区域变窄，但未改变火焰的持续时间。

(4)NFPA 68设计标准在250、500、1000g/m3时对MgH2粉尘爆炸较为适用，但在750g/m3时，标准的预测值低于实验值。在参考NFPA 68标准进行MgH2粉尘泄放安全设计时应留有足够的安全裕量。