纳米富勒烯储氢系统多重体系粉尘爆炸及激波诱导机制研究

Carbon nanomaterials and energy storage technology are two of the keypoint project in China’s 13th five-year plan. They have the great requirements and yield to develop the related research for safety production. Because carbon nanomaterials possesses the characteristics of high specific surface area and strong adsorption capacity of hydrogen, it have excellent application as a new type of hydrogen storage material. However, Carbon nanomaterials have flammability and easily forms dust. Hydrogen is also easily flammable and explosive. If the prevented and controlled work for explosion is not complete, the serious explosion accidents may occur. In this project, the risk of dust explosion in hydrogen storage system for nano fullerenes is studied. Frist of all, the hydrogenated fullerenes is prepared by temperature programmed reduction and metal catalysis methods. Secondly, the experiment of dust explosion combined with numerical simulation is used to obtain the explosion severity, explosion sensitivity, and flame propagation properties for nano and hydrogenated fullerenes before/after hydrogen storage. Finally, the dust explosion of multiple processes and shock wave of hydrogen to trigger second explosion are investigated. The results of this project provide an important technical guidance and theoretical basis for the safety production on the fullerene hydrogen storage system and hydrogen fuel cell.

碳纳米材料、储能技术作为我国十三五规划重点项目，其产业需求量及产量大幅提高，与其安全生产相关研究应运而生。碳纳米材料具有比表面积高、氢气吸附能力强等特点，作为一种新型的储氢材料具有很好的应用前景。然而，碳纳米材料粉尘本身具有可燃性及易扬尘，加上氢气也是易燃易爆气体，若在研发或生产期间没有做好防爆的工作，可能会发生严重的粉尘爆炸事故。本项目以纳米富勒烯为研究对象，探究纳米富勒烯储氢系统的粉尘爆炸风险，实验先以程序升温还原法和金属催化法得到储氢材料氢化富勒烯，并采用粉尘爆炸测试实验与数值模拟相结合的方法，对比分析纳米富勒烯及氢化富勒烯粉尘在储氢前后的爆炸猛度、爆炸敏感度、火焰传播性质，探究纳米富勒烯储氢系统多重体系粉尘爆炸机制，揭示氢气爆炸激波诱导纳米富勒烯二次爆炸的过程及诱导条件，项目研究成果为纳米富勒烯储氢系统和氢燃料电池的安全生产提供了重要的技术指导和理论基础。

该项目旨在研究固体储氢材料（如氢化富勒烯、氢化镁）在储氢过程中的粉尘爆炸特性和爆炸机理，进而揭示储氢性能（氢化程度和放氢温度）对固体氢化物粉尘爆炸特性的影响规律。主要研究成果如下：1. 采用机械球磨法和氢化燃烧合成法制备不同氢化程度的固体氢化物，并通过SEM、XRD、粒径分析仪等仪器对其微观结构进行表征，揭示了固体氢化物的基本物化性质。研究结果发现，通过改变温度（固定氢压和储氢时间）的方法可以有效的合成不同氢化程度的固体氢化物。另外，储氢前后的固体氢化物的微观结构和粒径大小没有明显的变化，这说明微观结构和粒径大小对于固体氢化物储氢前后的爆炸特性影响不大。2. 建立了固体氢化物的爆炸机理模型。研究结果发现，相对于氢化前的固体氢化物，氢化后的固体氢化物在更低的温度就能被点燃。这是由于固体氢化物放出的氢气是活性氢原子，且放氢之后会在材料表面形成缺陷空位，所以材料本身和放出的活性氢原子都更容易与氧化剂（氧气甚至氮气）发生反应，进而表现出更高的爆炸危险性。另外，氢化程度越高的固体氢化物也会有更高的爆炸猛度和更低和爆炸敏感度。然而，现阶段和固体氢化物有关的研究课题都是考虑如何更大程度的提升储氢性能（高氢化程度和低放氢温度），而更高的储氢性能也会加大爆炸风险。因此，需要在固体氢化物的材料设计阶段就要对其爆炸危险性和爆炸机理有充分了解，以降低事故发生的概率。3. 采用CFD方法建立了喷粉、点火、爆炸三阶段的粉尘爆炸全过程数值模拟。研究了粉尘和空气在分散过程中的颗粒速度、湍流强度、颗粒运动轨迹等难以从实验获得的流场特征参数。模拟结果发现粉尘在延迟点火时间为 60 ms 的时候会呈现均匀混合状态，这说明该时间是粉尘的最佳的点火时间。另外，研究了粉尘在点燃后的爆炸压力、爆炸温度和燃烧产物随时间的变化规律。模拟结果和实验结果呈现出非常好的一致性，相对误差仅为 1.2%，该成果为后续的固体氢化物爆炸研究提供了理论支持。本项目任务书拟发表SCI学术论文5篇以上，实际完成发表SCI学术论文5篇，申请国家发明专利1项，培养硕士研究生1位，本科生2位。项目实施对固体氢化物的材料合成、防爆技术和靶向性灭火材料等研发工作具有重要的参考价值。