与钛粉相比，氢化钛粉尘的爆炸严重程度和点火敏感性

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Explosion severity and ignition sensitivity of titanium hydride dust compared with titanium dust

　　

摘要

氢化钛（TiH₂）被用于氢储存材料、粉末冶金、烟火及高能材料制备中，但处理过程中产生的粉尘可能带来工艺安全风险。与钛（Ti）粉末不同，TiH₂粉尘的爆燃过程包括结合态的脱氢反应、气相氢的燃烧以及固态Ti的氧化；因此，其爆炸行为不能直接从Ti粉尘的数据中推断出来。本文使用20升球形爆炸舱、1.2升Hartmann管和Godbert-Greenwald型粉尘云最小点火温度装置，比较了三种TiH₂粉末和三种粒径相似的Ti粉末。测量的参数包括最小点火能量、最小点火温度、最大爆炸压力P_max、最大压力上升速率（dP/dt）_max和爆燃指数。粗粒、中粒和细粒TiH₂粉末的最小点火能量分别为>3000 mJ、2980–3000 mJ和2000–2020 mJ，而Ti粉末分别为200–300 mJ、200–300 mJ和50–100 mJ。它们的最小点火温度分别为650–660°C、630–640°C和620–630°C，Ti粉末分别为620–630°C、600–610°C和570–580°C。然而，一旦点燃，TiH₂产生的爆炸更为严重：P_max达到0.61 MPa，约为Ti粉末的1.46–1.66倍；(dP/dt)_max达到42.7 MPa s^?1，约为Ti粉末的2.6–4.4倍。在相同的测试条件下，测得的TiH₂与Ti的比值显示，压力上升速率的差异大于峰值压力的差异。这些结果表明，对于TiH₂粉尘的处理设施而言，压力释放机制、主动抑制响应和隔离时机是关键的设计要素。

引言

氢化钛（TiH₂）被用于氢储存材料、粉末冶金、发泡剂、烟火及高能材料制备中。在这些应用过程中，研磨、筛分、输送和储存时也可能产生粉尘爆炸的风险。TiH₂粉末可以分散成可燃粉尘云，并在存在有效点火源的情况下发生爆燃。与钛（Ti）粉末不同，TiH₂中的氢以固态氢化物的形式存在；因此，在火焰发展过程中，脱氢、气相H₂燃烧和固态Ti氧化可能会同时发生。这种耦合行为使得仅通过Ti粉末数据或Ti/H₂混合物数据难以准确评估TiH₂粉尘的性质（Amyotte, 2014; Cashdollar, 2000; Cheng et al., 2019; Eckhoff, 2003, 2006; Li et al., 2025; Wu et al., 2021）。

对于工艺安全评估而言，点火敏感性和爆炸严重性反映了不同的防护需求，需要综合考虑。最小点火能量（MIE）和最小点火温度（MIT）与点火源控制和热表面温度限制相关；而最大爆炸压力P_max、最大压力上升速率（dP/dt）_max和爆燃指数K_St则直接关系到容器强度、爆炸排放、隔离措施和主动抑制响应。即使点火阈值较高，如果压力上升迅速，材料仍可能引发严重爆炸。因此，对TiH₂粉尘的安全评估需要详细的爆炸特性数据，而不仅仅是单一的点火或严重性指标。

先前的研究表明，金属氢化物粉尘的爆燃过程与传统金属粉尘的燃烧过程有显著差异，因为脱氢、氢燃烧和金属氧化在同一事件中相互作用（Wu et al., 2021）。Wu等人（2021）使用1.2升Hartmann管和20升球形容器比较了MgH₂、TiH₂和ZrH₂，发现不同氢化物的点火和爆炸特性各不相同，氢的释放程度影响了整体危险性。Zhu等人（2024）进一步比较了AlH₃与等氢含量的Al/H₂混合物，观察到压力和压力上升速率响应的不同趋势。Li等人（2025）和Cheng等人（2018, 2019）强调了结合态氢的释放和H₂对火焰传播的促进作用。这些研究表明，不能仅用峰值压力来表征金属氢化物的危险性。同时，20升容器的实验结果表明，粉尘扩散、瞬态流动和颗粒沉降会影响爆炸测量结果，因此本研究采用固定实验方案进行TiH₂与Ti的比较，而非设备无关的标准化测试（Dahoe et al., 2001; Kalejaiye et al., 2010; Portarapillo et al., 2023）。

颗粒大小是粉尘爆炸的另一个关键因素，因为它控制着比表面积、分散稳定性、颗粒间热传递和氧化速率（Boilard et al., 2013; Wang et al., 2022; Yu et al., 2016）。对于Ti粉末，Boilard等人（2013）发现，在Siwek 20升容器中，随着中值颗粒尺寸的减小，K_St显著增加；Wang等人（2022）和Glotov（2019）研究了氧化膜破裂和微爆炸行为对Ti颗粒燃烧的加速作用。对于TiH₂，Ma等人（2025）、Cheng等人（2018）和Young等人（2015）指出颗粒大小、脱氢动力学和快速加热条件会影响其点火和爆炸行为。尽管如此，在相同实验室条件下系统地比较TiH₂与Ti仍有限，尤其是在确定TiH₂与Ti在点火敏感性、最终压力发展、压力上升动态等方面的差异时。

其他反应性金属系统中也观察到类似的颗粒大小依赖性反应性。Li等人（2021）发现，减小Al纳米颗粒的大小可以加剧颗粒级氧化并加速瞬态热量释放，说明了颗粒大小与反应动力学之间的强耦合。

在本研究中，使用20升球形爆炸舱、1.2升Hartmann管和Godbert-Greenwald型粉尘云最小点火温度装置，比较了三种TiH₂粉末和三种粒径相似的Ti粉末。测量的参数包括MIE、MIT、P_max、(dP/dt)_max和K_St。比较重点在于点火预防和爆炸防护性能，通过类似粒径和固定强点火条件下的相对增强分数来表达TiH₂与Ti的差异。研究目的是澄清TiH₂粉尘在点火敏感性和爆炸严重性方面的差异，并将这些差异转化为对排放、主动抑制、隔离措施和TiH₂粉尘处理安全性的启示。

章节摘录

材料与表征

本研究使用了三种TiH₂粉末和三种纯钛（Ti）粉末，粒径均相似。TiH₂粉末由宝鸡全兴钛业有限公司（中国）提供， nominal纯度≥99.0％，实际氢含量约为2.05％；Ti粉末由上海耐鸥纳米科技有限公司（中国）提供，纯度≥99.7％。为消除吸附水分的影响，所有样品在50℃的真空烘箱中干燥8小时后再进行实验。

最小点火能量区间

图5和表3总结了六种样品的最小点火能量区间结果。有三个主要发现：首先，在100–900 g m^?3的范围内，TiH₂几乎在所有样品中都未在选定的上限能量3000 mJ以下点火，仅在700 g m^?3时，中粒（D₅₀ = 43.12 μm）和细粒（D₅₀ = 37.64 μm）组达到了E₁ < MIE < E₂，其中E₂分别为3000 mJ和2020 mJ；其次，Ti粉末的点火能量区间低于TiH₂：粗粒组为200–300 mJ（800 g m^?3），中粒组为...

结论

本研究使用三个粒径相似的粉末组，在20升球形容器、1.2升Hartmann管和粉尘云最小点火温度装置中对比了TiH₂和Ti粉末的爆炸特性。主要结论如下：

• 1.
  根据当前的GB/T 16428-1996标准，TiH₂的点火能量区间高于Ti。大多数TiH₂样本未在选定上限能量以下点火，而Ti则在显著更低的能量下点火。

CRediT作者贡献声明

吴宇豪：撰写初稿、方法论设计、实验实施、数据分析、概念框架。朱宇东：实验设计、数据整理。常旭宗：结果验证、课题研究。谢康杰：结果可视化、数据分析。史宇怀：结果验证、资源协调。宋腾越：实验设计、数据分析。曹雄：撰写审稿稿、监督工作、资源管理、项目统筹。

Funding

本研究未获得任何公共机构、商业机构或非营利组织的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢中国北方大学山西防火与防爆安全工程技术研究中心在实验和实验室支持方面的帮助。

吴宇豪|朱宇东|常旭宗|谢康杰|史宇怀|宋腾越|曹雄

中国北方大学环境与安全工程学院，太原