不同流态条件下颗粒硼氢化钠（NaBH4

《Powder Technology》：Experimental characterisation of granular sodium borohydride under varying operational conditions across flow regimes

为解决固态氢载体材料在船舶燃料存储与输送中的流动行为问题，研究人员开展颗粒硼氢化钠（NaBH44在干燥未固结状态下具有良好的流动性，但时间固结和湿度吸收会显著增强其内聚性，降低流动性能。该研究为NaBH4存储与输送设备的设计提供了关键数据支撑，对推进其作为船舶替代燃料的应用具有重要意义。

　　

在全球减排和气候变化的背景下，氢能作为替代燃料备受关注。然而，氢气的低体积能量密度和高压/低温储存要求限制了其广泛应用。固态氢载体材料，如硼氢化钠（NaBH₄），因其高能量密度和常温常压储存优势，成为具有前景的解决方案。尽管NaBH₄在化学工业中已有应用，但其作为颗粒材料在存储和输送过程中的流动行为尚不明确。颗粒材料的流动特性直接影响设备设计（如料仓、螺旋输送机、气力输送系统），忽视这一点可能导致设备故障、操作延误等问题。因此，全面表征NaBH₄在不同流态和操作条件下的机械特性，对于其作为船舶燃料的可靠应用至关重要。

本研究采用三种实验装置系统表征了颗粒和粉末状NaBH₄的流动行为：环剪切试验（Schulze Ring Shear Tester）用于准静态流态，溜槽试验（ledge test）用于密相流态，旋转鼓试验（GranuDrum）用于密相和气态流态。研究考虑了温度、湿度、时间固结和机械应力等操作条件的影响。颗粒特性（尺寸、形状、密度）通过筛分分析、激光衍射、成像技术和气体比重法测定。动态蒸汽吸附（DVS）实验用于分析材料的吸湿行为。所有实验均在控制环境下进行，以确保数据的可靠性和重复性。

2.1. 材料特性

NaBH₄颗粒（粒径<5 mm）和粉末（粒径<1 mm）的颗粒尺寸分布通过筛分分析和激光衍射测定。成像分析显示，颗粒和粉末的圆形度、凸度和纵横比相似，但颗粒的平均尺寸较大。气体比重法测定颗粒和粉末的骨架密度分别为1.047 g/cm3和1.077 g/cm3。DVS实验表明，NaBH₄在相对湿度（RH）高于25%时开始吸湿，且吸湿量随温度升高而增加。

2.2. 环剪切试验结果

环剪切试验揭示了NaBH₄在准静态流态下的流动特性。颗粒和粉末的有效内摩擦角（φ_e）和凝聚力（τ_c）均随固结应力增加而变化。颗粒的内摩擦角高于粉末，但粉末的凝聚力略高。流动函数常数（ff_c）表明，材料在干燥未固结状态下属于自由流动（ff_c > 10）或易流动（4 < ff_c < 10）类别。时间固结和湿度吸收显著增加了材料的无约束屈服强度（σ_c），降低了流动性能。

2.3. 壁面摩擦试验

壁面摩擦试验评估了NaBH₄与不同材料（有机玻璃、铝、不锈钢）的相互作用。结果表明，铝具有最低的壁面摩擦角，而不锈钢和有机玻璃的摩擦角较高。壁面粗糙度测量显示，粗糙度与摩擦角并非简单正相关，可能与范德华力或静电作用有关。

2.4. 溜槽试验结果

溜槽试验测定了NaBH₄的静态休止角（sAoR）。颗粒和粉末的sAoR分别为34.93°和32.28°，表明材料在密相流态下具有良好的流动性。时间固结导致材料形成弱内聚结构，但流动性可通过 agitation 恢复。湿度和温度升高 slightly 增加了sAoR，但影响不显著。

2.5. 旋转鼓试验结果

旋转鼓试验分析了NaBH₄在动态条件下的流动行为。动态休止角（dAoR）随转速增加而增加，颗粒的dAoR低于粉末。内聚指数（CI）表明，颗粒在所有转速下均表现良好流动性，而粉末在低和高转速下流动性下降。时间固结对粉末流动性影响显著，但固结效应在流动启动后迅速消散。

4. 讨论与意义

本研究全面表征了NaBH₄在不同流态和操作条件下的流动特性，揭示了时间固结和湿度吸收对其流动行为的显著影响。结果表明，尽管NaBH₄在干燥未固结状态下具有优异流动性，但长期存储或高湿环境可能导致内聚性增加，影响设备操作。因此，存储和输送设备设计需考虑环境控制（如除湿）和 agitation 机制，以确保可靠流动。研究数据为NaBH₄作为船舶燃料的存储和输送系统设计提供了关键依据，推动了固态氢载体材料的实际应用。

本研究由荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）的M.C. van Benten、J.T. Padding和D.L. Schott合作完成，论文发表在《Powder Technology》期刊。研究通过多尺度实验分析，填补了NaBH₄作为颗粒材料在流动行为方面的知识空白，为其在能源领域的应用奠定了坚实基础。