钛氢化物(TiH2)粉尘浓度与喷射压力对点火特性及火焰传播的调控机制研究

本研究针对钛氢化物(TiH2)粉尘在工业应用中潜在的爆炸风险，系统探究了粉尘浓度与喷射压力对其最低点火温度(MIT)、火焰传播速度及燃烧产物的影响。研究发现，TiH2粉尘MIT随浓度增加而降低，喷射压力呈“∧”型调控趋势；0.5 MPa压力下火焰传播速度达8.04 m/s，XPS分析证实燃烧产物含TiO2和TiN，揭示了氮参与反应的机制，为金属氢化物安全存储提供理论支撑。

　　

氢能源因其清洁高效特性成为全球能源转型的关键方向，但储运安全始终是制约其发展的瓶颈。金属氢化物如钛氢化物(TiH₂)虽具高储氢密度优势，其粉尘在加工过程中却存在剧烈爆炸风险——当粉尘浓度达到临界值或遭遇高温时，可能引发连锁反应，甚至形成氢气-粉尘混合爆炸，破坏力远超单一相态爆炸。更棘手的是，现有研究多聚焦恒定环境参数，而实际工业中粉尘浓度与喷射压力的动态变化如何影响爆炸特性，仍是未解之谜。

为解决这一难题，常州大学安全科学与工程学院的研究团队通过Hartmann管实验系统，首次系统研究了5-10 μm粒径TiH₂粉尘在不同浓度(100-1500 g/m³)和喷射压力(0.1-0.5 MPa)下的爆炸行为。研究采用激光粒度分析确定粉尘分布，通过高温管式炉测定MIT，结合高速摄影记录火焰传播过程，并利用X射线光电子能谱(XPS)解析燃烧产物化学状态。

实验材料
研究选用上海钛坦科技和北京中科延诺两家企业的TiH₂粉末(储氢量3.56%-3.57%)，激光粒度分析显示Dv(50)中位粒径为7.89 μm，符合工业常见粉尘粒径范围。

TiH₂粉尘浓度对MIT的影响
当粉尘浓度从100 g/m³增至500 g/m³时，MIT从760°C显著降至520°C。这是由于高浓度下单位体积内活性TiH₂颗粒增多，热量传递效率提升，但浓度超过500 g/m³后氧扩散受限，导致MIT下降趋势减缓。

喷射压力对MIT的复杂调控
喷射压力与MIT呈非单调关系：0.3 MPa时MIT最低(490°C)，低于或高于此压力均导致温度回升。这源于压力变化同时影响粉尘分散度与空气湍流——适度压力(0.3 MPa)优化了粉尘-氧气接触，而过高压力(0.5 MPa)则导致颗粒团聚。

火焰传播特性突破
在0.5 MPa高压和750 g/m³浓度组合下，火焰传播速度达8.04 m/s，传播高度突破809 mm，创文献报道最高值。高速摄影显示火焰前锋呈现剧烈湍流结构，证实高压环境加速了未燃颗粒的二次点火。

燃烧产物化学状态解析
XPS谱图在458.8 eV和396.2 eV处分别检出Ti⁴⁺(TiO₂)和Ti-N键(TiN/氮氧化钛)，首次证实环境氮气参与TiH₂燃烧反应。氮的掺入改变了钛的化学环境，可能通过形成TiN降低反应活化能。

该研究不仅建立了TiH₂粉尘爆炸的浓度-压力调控模型，更通过多尺度实验揭示了氮气参与的燃烧机制。其结论可直接指导氢能源装备的安全设计：在0.3 MPa附近需设置重点监测区间，而0.5 MPa作业环境必须严格管控粉尘浓度。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为全球首篇系统研究动态参数下TiH₂爆炸特性的文献，被审稿人评价为“金属氢化物安全领域的里程碑式工作”。