铝：是定时炸弹还是新能源材料？

近年来，铝粉被广泛应用于工业生产，因铝粉受潮后发生氧化放热反应，导致发生严重的火灾爆炸事故也不在少数。

2014年8月2日，中国昆山一家大型工厂发生了粉尘爆炸事故。事故的直接原因是事故车间的除尘系统长时间未清洗，导致铝尘积聚在集尘器和集尘桶中。集尘桶已被腐蚀和损坏，水已进入集尘桶，并且集尘桶中积聚的铝粉在弄湿后会发生氧化放热反应。开启集尘风扇后，在破碎过程中会产生大量的高温颗粒，这些颗粒会积聚在集尘桶上形成粉尘云。铝粉在水中的氧化放热反应达到粉尘云的着火温度，导致除尘系统和车间铝粉爆炸。

一般来说，粉尘爆炸类似于气体或蒸气爆炸，在有限空间内粉尘云达到一定浓度并被点燃，然后有限空间内的温度和压力迅速升高，同时火焰也在粉尘云团中传递，可见，它是一种气体/固体化学动力学现象。

研究人员在分析粉尘云的点火机理时指出，粉尘云点火机理有3种：

（1）挥发分首先逸出，之后燃烧，最后碳燃烧，如煤粉；

（2）先熔化后再蒸发，最后再气相燃烧，如塑料；

（3）粉尘首先蒸发，从氧化壳逸出后燃烧，如铝粉。

目前，气相点火机理和表面非均相点火机理被人们广泛接受，这两种点火机理都是从颗粒点火方面出发的。

气相点火机理认为：颗粒受热后析出挥发分、挥发分与空气形成可燃气体混合物、发火燃烧，如图1所示。有学者认为粉尘爆炸的实质是气体爆炸，是可燃性气体储藏于固体内部，然而从气相点火机理第一个环节得知，粉尘温度升高主要受热辐射作用，而气体受热是热传导作用，这也是粉尘爆炸与气体爆炸主要的不同之处。

图1 粉尘气相点火示意图

表面非均相点火机理认为：首先空气中的氧分子吸附在可燃粉尘颗粒表面，颗粒表面发生反应被点燃；然后，挥发分气相层包裹在微粒表面，这样氧气就不与微粒表面接触，接着气相层发生燃烧，重新点燃颗粒。

尽管粉尘爆炸的机理尚未完全弄清楚，但粉尘爆炸的必要条件已经明确。需要如下5个要素：（1）存在可燃性粉尘，且其浓度处于爆炸极限内；（2）有足够的氧化剂；（3）存在足够能量的点火源；（4）粉尘呈现云状，均匀分布在一个有限空间内；（5）粉尘云存在的地方必须相对封闭，当发生爆炸时造成冲击波，温度才会迅速升高，反应才会加强；

也有一些特殊情况，当粉尘在未完全封闭的空间内发生燃烧反应时，若热量无法及时释放出去，也会构成粉尘爆炸。前 3 个条件可构成燃烧的条件，以上 5 个条件是粉尘爆炸的充分条件，缺少上面的任一条件爆炸就不会发生，所以也是预防和控制粉尘爆炸发生的重要依据。在粉尘爆炸预防方面，通常前3个条件较后两个条件容易消除，通过防止粉尘云的形成、惰化技术、消除点火源方式降低爆炸发生的可能性，而对后两个条件的控制措施，可以应用自动技术，如安置粉尘浓度检测报警装置，并与生产设备电源连锁来限制粉尘浓度在爆炸浓度范围之外，采用构筑物防爆、将爆炸危险的大型设备布置在建筑物外的露天场所、设置泄爆口来降低爆炸对设备的损坏，爆炸检测系统分为监控主动式和爆炸波从动式两种触发方式，按照燃爆控制机制又分成降温型、传热隔离型、惰化型及各类机制联用型；生产加工、储运过程中对粉尘爆炸做到完全预防是不现实的，为了将粉尘爆炸事故带来的损失降到最低，可通过使用爆炸泄压、部分惰化、隔离防爆、爆炸抑制、耐压法来减轻作用在容器或装置上的能量。

但同时，铝作为一种活泼金属，能量密度较高且贮存稳定。其中铝燃料电池，又称铝空气电池，是金属燃料电池中的一种。金属燃料电池是一种将镁、铝等轻金属作为燃料产生的化学能直接转化为电能的装置。它具有能量密度高、低热辐射、低噪音、储存时间久、放电寿命长、适配温度范围宽、安全系数高、资源丰富及绿色无污染等优势。

铝空气电池在单体电池中以铝为负极、氧为正极（如图2），在工作时只消耗铝和少量的水，当铝和水消耗完了就没法工作了。它是一次电池，不能充电，需要更换铝电极才能继续工作。

图2 铝空气燃料电池

这类电池理论上的正极活性物质的量是无限的，所以电池理论容量主要取决于负极金属的量，这类电池拥有更大的比容量。作为一种特殊的燃料电池，铝-空气电池在军事、民用、以及水底动力系统、电信系统后备动力源和便携式电源等应用方面具有巨大的商业潜力。

随着技术的发展，铝空气电池的应用领域逐渐扩大，并已在一些设施中得到应用，人们开始探索更好的应用领域和应用模式。铝空气电池的应用现状及趋势见图3。

图3 铝空气电池应用现状及趋势