煤尘对氨-氢-空气预混气体管道泄爆影响的实验研究

为解决氨-氢-煤混合燃料应用中潜在的气固两相爆炸风险，安徽研究人员通过2米长管道实验，系统研究了煤尘对氨-氢-空气预混气体泄爆特性的影响。研究发现，煤尘通过卷吸效应引发局部湍流，导致火焰锋面呈现“锯齿状”不规则结构，并促使内部压力（Pout ）呈现四阶段变化（稳定平台、单峰、双峰、多峰）。此外，煤尘铺设将最佳爆炸浓度移至当量比（? ）=1.2，并表现出“抑制-增强-再抑制”的三阶段特征。该研究为零碳混合燃料安全应用提供了理论支撑。

　　

在全球碳中和背景下，氨-氢能源因其零碳特性成为替代化石燃料的理想选择，尤其在氨-氢辅助燃煤发电系统中展现出协同减排潜力。然而，这种气固两相混合体系在泄漏或异常条件下可能引发耦合爆炸，其危害远超单一相态爆炸。现有研究多集中于甲烷-煤尘体系，对氨-氢-煤混合爆炸的泄爆机制缺乏系统认知。为此，安徽的研究团队通过创新性实验，揭示了煤尘对这一新型混合燃料爆炸特性的调控规律。

研究采用自建2米火焰加速管道（长径比16.67），结合高速摄像与压力监测技术，对比分析了当量比（?
）0.6-1.7范围内纯气相（氨-氢-空气）与气固两相（氨-氢-煤尘）系统的爆炸特性。关键技术包括：（1）定制不锈钢管道系统（圆形与方形组合段）；（2）同步采集火焰形态与压力动态数据；（3）通过煤尘铺设模拟工业场景中的粉尘沉积条件。

火焰传播行为
煤尘的卷吸作用显著改变了火焰结构，在管道内形成锯齿状锋面（图4）。纯气相系统中火焰传播速度随?
增加呈单峰分布，而煤尘加入后最佳爆炸浓度右移至?
=1.2，且火焰速度在富燃料区（?

1.2）出现二次加速现象。

压力演化机制
煤尘热解效应导致内部压力（P_out
）呈现四阶段特征：当?
<1.0时表现为稳定平台；1.0<?
<1.2出现单峰；1.2<?
<1.5形成双峰；更高浓度下则产生多峰震荡（图5）。这种非线性响应源于煤尘挥发分与气相自由基的耦合作用。

泄爆动态调控
煤尘对爆炸强度的影响呈现三阶段特性：低浓度（?
<0.8）时通过吸热抑制爆炸；中浓度（0.8<?
<1.4）时湍流增强燃烧；高浓度（?

1.4）则因氧竞争导致再抑制。该发现为工业中煤尘浓度阈值设定提供了依据。

这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，首次阐明了氨-氢-煤三相混合体系的泄爆动力学图谱。Quan Wang团队通过实验证实，煤尘不仅是物理扰动源，更是参与化学反应的活性介质，其热解产物与氨-氢自由基链反应形成竞争机制。该成果为氨-氢-煤混合燃烧系统的安全设计提供了关键参数，特别是揭示了最佳爆炸浓度偏移规律（至?
=1.2）和压力多峰演化特征，对预防工业二次爆炸具有重要指导意义。未来研究可进一步探索纳米煤尘与氨氢混合体系的微观反应机制。