粒径对铝/正庚烷纳米流体燃料爆炸特性和火焰演化的影响

《Process Safety and Environmental Protection》：Effect of particle size on the explosion properties and flame evolution of Aluminum/n-heptane nanofluid fuels

　　

摘要

在16.2 L密封透明腔体中进行了实验，以评估粒径对铝/正庚烷纳米流体能燃料爆炸超压和火焰演化的影响。采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）对爆炸产物进行了进一步表征。结果表明，燃料的爆炸压力和火焰传播速度与纳米铝粉（ANPs）的粒径密切相关。当粒子质量分数达到3 wt%时，爆炸压力和火焰传播速度均在粒径为200 nm时达到最大值，在50 nm时略有下降，在500 nm时降至最低。对于200、50和500 nm的粒径，相应的最大爆炸压力（P_max）分别为1.31、1.21和1.17 MPa，分别比纯正庚烷高15%、6%和2.6%。当铝质量分数超过3 wt%时，粒径不再对爆炸严重程度产生显著影响，这可能是由于高质量分数下铝颗粒团聚所致。爆炸产物的表征表明，燃料液滴的爆炸过程经历五个主要阶段：液滴蒸发、气相燃烧、微爆炸、铝颗粒反应烧结和铝燃烧。反应烧结过程导致爆炸过程中单质铝的氧化不完全。

引言

随着全球能源需求持续增长，化石燃料资源的日益匮乏已成为制约工业可持续发展的重要因素，凸显了开发可行替代能源的紧迫性。纳米流体能燃料是通过将金属纳米颗粒分散到液态燃料中作为二次能源载体（Wen, 2010）而生产的，形成具有高发热量和能量密度的固-液混合燃料。这类燃料在内燃机和航空等领域具有相当大的实际应用潜力。

广泛认为，纳米流体能燃料表现出比传统液态燃料高得多的燃烧效率（Zhu et al., 2021a, Javed et al., 2015）。Anbarsooz (2023) 比较了带和不带纳米添加剂的全负荷发动机的最大制动热效率，报道了在所审查的近90%的案例中，纳米颗粒的加入显著提高了效率。Tanvir (2015) 对乙醇和不同液滴尺寸的铝/乙醇纳米流体能燃料进行了液滴燃烧实验。结果表明，含有5 wt% ANPs的液滴燃烧速率比纯乙醇提高了140%，这主要是由于纳米颗粒的强辐射吸收作用。

然而，在广泛应用燃料之前，必须仔细评估其安全特性，尤其是液态燃料，因为其潜在的气溶胶爆炸风险经常被低估（Yue et al., 2026, Bowen and Cameron, 1999）。事实上，液态燃料气溶胶爆炸的报道屡见不鲜（Lyu et al., 2022, Santon, 2009, Baalisampang et al., 2018）。Song等人 (2021) 进一步将气溶胶爆炸确定为石化工业的主要威胁之一。尽管涉及固-液混合燃料的事故相对少见，但在实际应用过程中，这些燃料的潜在爆炸风险不容忽视。为了深入了解混合燃料在生产与应用过程中的爆炸特性，已进行了广泛的研究。Liu等人 (2020a) 研究了由挥发性液态燃料（包括乙醚（DEE）、环氧丙烷（PO）、正戊烷和正己烷）和铝粉组成的两相燃料的下限可燃极限（LFL）。结果表明，添加铝粉显著提高了燃料蒸气的可燃性，表明爆炸危害增加。Wang等人 (2023) 在密封容器中实验研究了铝/乙醇纳米流体能燃料的爆炸特性。根据其研究结果，不同质量分数纳米铝的添加显著增加了爆炸压力，临界质量分数为4 wt%，此时混合燃料表现出最高的爆炸严重性和最短的爆炸持续时间。Zhao等人 (2026) 研究了铝/正庚烷纳米流体能燃料的爆炸行为，观察到添加1 wt% ANPs增加了正庚烷的火焰传播速度，增加了燃料的潜在爆炸危险。

总体而言，现有研究表明，金属纳米颗粒对液态燃料燃烧和爆炸特性的影响强烈依赖于纳米颗粒的类型和浓度。颗粒形貌和尺寸也显著影响纳米流体能燃料的燃烧和爆炸特性。粒径的变化伴随着比表面积的相应变化，因此表现出不同的燃烧速率。特别是，较大颗粒（>500 μm）的爆炸严重性和燃烧效率显著降低（Benedetto et al., 2010）。Qi等人 (2023) 评估了含有三种不同形态铝粉的石脑油/乙醚燃料混合物在不同点火能量下的燃烧和爆炸特性。他们报道，在低点火能量下，含有片状铝粉的混合物表现出比含有球形铝粉的混合物更完全的燃烧和更高的火焰温度。在高点火能量下，爆炸压力和爆轰速度遵循片状铝粉 > 小球形铝粉 > 大球形铝粉的顺序。这种行为主要与片状铝粉较大的比表面积有关，这显著缩短了燃烧和爆炸持续时间并增强了相应的燃烧和爆炸强度。Gan和Qiao (2011) 评估了掺入微米和纳米级铝颗粒对正癸烷燃烧特性的影响。结果表明，与含有纳米级铝颗粒的混合物相比，含有微米级铝颗粒的混合物表现出延迟但更强烈的微爆炸。Shi等人 (2024) 实验研究了含有直径为50、100和200 nm铝粉的铝/甲醇流体燃料的爆炸特性。他们报道，当铝质量分数低于8 wt%时，更细的铝颗粒更强烈地增强了纳米流体能燃料的爆炸强度。然而，当铝质量分数超过8 wt%时，爆炸强度不受粒径的显著影响。Maheshwary等人 (2017) 的实验研究考察了TiO?纳米颗粒浓度、形貌和粒径对TiO?/去离子水纳米流体导热系数的影响。他们的发现表明，导热系数随着粒径减小而增加，粒径对导热系数的总体贡献为24.95%。

正庚烷是一种高纯度直链烷烃，其辛烷值定义为0，是工程上评价汽油抗爆性的标准参考物。正庚烷是一种易燃易挥发的液态燃料。与空气混合时，容易形成易燃的蒸气-空气混合物，极易爆炸（Song and Zhang, 2021）。由于其高燃烧热值、丰富的储量、相对较低的成本和稳定的燃烧产物，ANPs被广泛认为是航天应用的高能添加剂（Dossi et al., 2012）。以往的研究表明，铝颗粒质量分数（Zhao et al., 2026）和点火条件（Zhu et al., 2021b）等因素显著影响铝/正庚烷纳米流体能燃料的燃烧和爆炸特性。然而，关于铝颗粒尺寸对这类燃料爆炸行为影响的研究仍然有限。因此，制备了含有三种不同粒径（50、200和500 nm）铝颗粒的铝/正庚烷悬浮燃料，并进行了系统的研究以阐明粒径对燃料爆炸特性的影响。本研究的结果可以为纳米铝/正庚烷流体燃料在工程应用中的安全应用提供有效认识，并为预防和减轻燃料气溶胶爆炸事故提供重要参考。

各部分摘要

实验材料

实验中使用的正庚烷纯度超过99%，购自西陇科学有限公司。实验中使用三种粒径的ANPs，标称粒径分别为50、200和500 nm，纯度超过99%。将颗粒分散在乙醇中后，通过动态光散射（DLS；Nano-ZS90）测量ANPs的粒径分布。如图1所示，三种ANPs均表现出单峰粒径分布。

爆炸严重程度

爆炸超压是衡量燃料爆炸强度最直接的指标。图10(a)展示了铝质量分数q = 1 wt%和燃料浓度c = 113 g/m3条件下，含有不同粒径ANPs的纳米流体能燃料的爆炸超压曲线。如图所示，所有四个燃料样品在点火后均发生爆炸，导致密封爆炸腔内压力迅速升高。这表明发生了剧烈的放热反应。

结论

本研究实验研究了铝颗粒尺寸对铝/正庚烷纳米流体能燃料爆炸过程中超压和火焰演化的影响。基于对爆炸产物的微观分析，主要结论总结如下：

• (1)
  ANPs粒径对铝/正庚烷纳米流体能燃料爆炸压力和压力上升率的影响随铝质量分数而变化。当q≤3 wt%时，含有200 nm铝颗粒的燃料表现出最高的P_max和(dP/dt)

CRediT作者贡献声明

Jianliang Yu：监督、资源、项目管理。Xingqing Yan：写作 – 审阅与编辑、资金获取、形式分析、概念化。Tingting Wu：软件、数据整理。He Liang：写作 – 审阅与编辑、方法论。Cuiping Li：资源、形式分析。Jingling Zhao：写作 – 原稿、方法论、调查研究、数据整理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

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