AlH?粉尘在连接容器中引发低浓度氢气爆炸的排气特性、燃烧机制及安全性评估

《International Journal of Hydrogen Energy》：Venting characteristics, combustion mechanism, and safety assessment for AlH 3 dust induced low concentration hydrogen explosion in connected container

　　AlH₃粉尘引发的低浓度氢气爆炸特性及泄压机制研究，通过自建多容器实验系统与分子动力学模拟，揭示了不同粉尘浓度下爆炸压力峰值为1.05MPa（密闭）和0.55MPa（泄压），火焰形态分渐熄与振荡两种，NFPA 68标准适用性更优，为氢储运安全提供理论支撑。

　　
氢能储运安全关键材料AlH3的爆炸特性与安全评估研究

一、研究背景与意义
随着全球能源结构向低碳化转型，氢能作为零碳清洁能源的战略地位日益凸显。AlH3作为储氢密度高达18.5wt%的优质固体储氢材料，被美国能源部列为重点发展对象。然而该材料在储存、运输和使用过程中存在显著安全隐患：其活化温度低至200℃以下，化学稳定性差，易发生自分解产生氢气。当储存在密闭或受限空间时，微量氢气即可达到爆炸极限（4%-75%），形成多相流爆炸系统。这种由固体粉尘引发的低浓度氢气爆炸，具有压力突升快、泄压过程复杂等特点，传统爆炸安全评估体系存在适用性不足的问题。

二、实验方法与技术创新
研究团队构建了具有创新性的双腔室爆炸实验系统（图1），由40L大型容器和20L小型容器通过直径50mm、长300mm的泄压通道连接。该系统突破传统单腔室测试限制，可模拟工业场景中氢气从局部释放到整体爆燃的演化过程。实验采用AlH3粉尘与3%体积浓度氢气混合体系，通过调节粉尘质量浓度（250-1000g/m3）研究多相流爆炸特性。结合自主研制的多参数同步采集系统，实现了压力波、火焰传播速度、泄压形态等关键参数的毫秒级捕捉。

分子动力学模拟方面，创新性地将AlH3分解过程拆解为四个阶段：表面氢解-核心放热-熔融铝氢-铝基氧化。通过构建包含300万原子数的超大规模模拟体系，首次揭示了AlH3纳米颗粒在氢解过程中呈现"表里同步"的分解特性。计算结果表明，纳米颗粒的氢解速率比微米级颗粒快3.2倍，这解释了实验中压力峰值随粒径变化的关键规律。

三、爆炸动力学特征分析
1. 压力演化规律
密闭条件下，当粉尘浓度达到750g/m3时，系统呈现典型双峰压力曲线：初始冲击波压力1.05MPa（峰值压力）持续0.12秒，随后铝熔滴引发二次爆炸，压力达到1.32MPa。值得注意的是，泄压条件下峰值压力降至0.55MPa，但压力上升速率（80.07MPa/s）仅降低45.3%，这表明泄压装置能有效降低爆炸能量，但需警惕快速压力上升带来的结构破坏风险。

2. 火焰传播特性
实验发现火焰形态随泄压条件呈现显著差异：密闭系统火焰呈典型"树状"结构，传播速度稳定在220-280m/s；泄压条件下火焰出现多频振荡现象，最大传播速度达340m/s，但持续时间缩短至0.08秒。这种动态变化揭示了泄压通道对火焰传播的双重调控作用——既延长燃烧时间又改变火焰结构。

3. 粒径效应研究
通过控制AlH3粉尘粒径分布（50-500nm），发现当颗粒尺寸小于200nm时，氢解速率与粒径负相关系数达-0.91。纳米颗粒表面缺陷密度（1.2×10^6/cm2）是微米级颗粒的47倍，导致氢分子吸附量增加300%。这解释了实验中当粉尘浓度超过800g/m3时，压力峰值反而下降的现象。

四、安全标准适用性评估
对NFPA 68和EN 14491两个主流标准进行对比验证：
1. NFPA 68标准计算得到的泄压容量与实测值误差小于8%，特别是在750g/m3浓度下，计算值与实测泄压压力（0.52MPa）吻合度达92%。
2. EN 14491标准在预测密闭容器压力时存在15%-20%的系统偏差，主要源于未考虑粉尘颗粒尺寸分布的影响。
3. 创新提出"多相流修正系数"（k=0.78±0.05），可显著提升两种标准在粉尘环境中的预测精度。该修正系数已纳入作者团队开发的AlH3安全评估软件V1.2。

五、工程应用指导价值
研究为AlH3工业化应用提供了关键数据支撑：
1. 爆炸压力超压阈值：密闭空间中当氢气浓度≥3%且粉尘浓度≥600g/m3时，超压超过0.5MPa即存在重大安全隐患。
2. 临界泄压时间窗口：当泄压通道有效阻隔时间＞0.15秒时，可完全抑制爆炸压力超过0.3MPa的极端情况。
3. 粉尘控制策略：建议将AlH3粉尘浓度控制在500g/m3以下，并配套使用纳米SiO2（添加量≤5wt%）作为阻燃剂，可降低爆炸能量释放效率达67%。

六、理论突破与学术贡献
1. 揭示了AlH3粉尘在氢气环境中的"三阶段催化分解"机制：表面氢解（T<200℃）→核心放热（200-300℃）→熔融铝氢反应（>300℃）。
2. 建立了多相流爆炸能量转化模型：总爆炸能量=氢气燃烧能量（62%）+铝熔滴氧化能量（28%）+粉尘动能（10%）
3. 发现CO2浓度与氢解速率呈指数关系（Q=0.82e^(-0.03C)），为开发新型抑爆剂提供了理论依据。

七、安全设计建议
1. 储存系统：建议采用多层泄压结构（主泄压通道+辅助泄压孔），泄压面积比按1:0.7配置，可有效将爆炸压力峰值控制在0.35MPa以内。
2. 过程控制：在氢解反应区设置温度梯度控制装置（梯度＞50℃/m），确保反应过程处于亚临界状态。
3. 防爆设计：对于密闭容器，推荐采用"三段式"压力衰减设计，通过泄压通道（长径比＞6:1）、缓冲室（体积比＞3:1）、安全阀（开启压力0.4±0.05MPa）三级防护体系。

该研究系统构建了AlH3多相流爆炸的安全评估框架，提出的"临界浓度-时间-空间"三维控制模型，已成功应用于山西某储氢站改造工程，使爆炸风险降低82%。相关成果被IEEE氢能安全专题收录，并形成行业标准草案（T/CES 011-2024），为氢能储运安全提供了新的技术范式。