有關(guān)氫氣的安全性分析與思考

李亞東　羅景輝

摘 要：眾所周知氫氣具有易燃易爆的特性，隨著制氫技術(shù)的研究氫氣需要量的增加，相關(guān)的制氫實驗與研究，制氫安全性更加引起重視。氫氣最大的隱患是容易發(fā)生爆炸，氫氣爆炸時的爆炸力具體有多大？影響因素有哪些？預(yù)防措施有哪些？這些問題越來越引起我們的注意。

關(guān)鍵詞：不安全因素；爆炸；爆炸力；防范措施

認識氫氣先從氫氣的物理化學(xué)性質(zhì)入手，氫氣是無色無味的可燃氣體，氫氣是最輕的氣體在空氣中泄漏容易向上部浮起，氫氣難溶于水，在101千帕壓強下，溫度為-252.87℃時，氫氣可變成液態(tài)。同時氫氣是易燃易爆性氣體，純的氫氣點燃會產(chǎn)生藍色的火焰，不純的氫氣點燃會爆炸。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氧按體積含量的爆炸范圍上限H294.3%，O25.7%，下限H25%，O295%。氫氣和空氣上限H273.5%，空氣26.5%，下限H25%，空氣95%。制氫的著火點很低只有560℃，點燃需要的能量少。氫氣的體積能量密度低，氫氣的燃燒熱值高，每千克燃燒后產(chǎn)生的熱量約為汽油的3倍。氫氣極易燃燒，一般碰撞、摩擦、不同電位之間的放電、各種爆炸材料的引燃、明火、熱氣流、高溫?zé)煔?、雷電效?yīng)、電磁輻射等都有可燃氫-空氣混合物。[1]

1 制氫過程中的不安全因素分析

（1）現(xiàn)在常用的電解水制氫產(chǎn)生氫氣的同時也有氧氣產(chǎn)生，氫氣的純度不高，氫氣與氧氣混合達到爆炸極限或是氫氣泄漏在空氣中和空氣混合達到爆炸極限都可能發(fā)生爆炸。

（2）氫氣很輕且極易泄漏，當(dāng)氫氣泄漏之后，地面摩擦產(chǎn)生的火花，拍打設(shè)備，衣服摩擦產(chǎn)生的靜電都可能點燃氫氣。氫氣本身的泄漏也會產(chǎn)生靜電火花，或是相鄰有溫度較高的物體，等均可以點燃氫氣。

（3）防止壓力過大爆破管道。當(dāng)管道或是閥門流通不暢時，可能造成局部的壓力升高，當(dāng)?shù)竭_管道能承受的壓力極限的時候會爆破。如果是小型的實驗裝置，補充蒸餾水的時候也要防止水壓過大造成破壞。

2 運輸過程中的不安全因素

氫氣的運輸方式主要有壓縮氣體運輸，也就是壓縮氫氣罐運輸，根據(jù)需求后出現(xiàn)了大型高壓容器的牽引車。液態(tài)氫運輸?shù)且夯^程相當(dāng)耗能。儲氫材料運輸，需要把氫氣加壓到略高于大氣壓，溫度和溫度差不多時候利用氫氣與各種元素相結(jié)合的方式運輸氫氣但是釋放氫氣需要消耗能量。利用管道的運輸。

（1）壓縮氫氣管由于內(nèi)膽使用的材料不同，氫氣的滲透不同，承壓能力不同，可能出現(xiàn)金屬卡與內(nèi)膽的連接不緊密，氫氣的滲透量大，以及反復(fù)使用引起的破壞出現(xiàn)的泄漏。但是這方面的控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，主要的風(fēng)險就是充入氫氣、釋放氫氣壓力不斷的變化，可能會引起氫氣罐的疲勞現(xiàn)象，在高壓情況下氫氣罐也會出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象?？赡芤l(fā)強度不夠的爆炸，泄漏的爆炸。（2）儲氫材料運輸相對來說發(fā)生危險的可能小較小，及時發(fā)生斷裂但是沒有釋放氫氣所必須的能量，氫氣依然無法被釋放。（3）管道運輸除了壓力過大引起的物理性破壞，還有泄漏破壞引起的化學(xué)性破壞。

3 氫氣使用過程中的不安全因素

設(shè)備的老化，連接不夠緊密，操作不當(dāng)，泄漏的發(fā)生等均可以引起爆炸的發(fā)生。一說起爆炸我們就會想到炸藥，炸藥的威力很大，一包炸藥可以炸壞一棟大樓，炸壞一座橋，上化學(xué)課時做實驗引起的爆炸可以把試管炸壞但是破壞力并不是很大，也就是說爆炸力有大有小，那氫氣的爆炸力有多大呢？在文獻[2]中指出一頓TNT炸藥爆炸時所產(chǎn)生的能量為106千卡。每公斤氫氣爆炸約相當(dāng)于34公斤TNT的爆炸力。可見氫氣的爆炸力還是相當(dāng)大的。研究爆炸力的大小就要考慮爆炸的機理、爆炸極限、蒸氣云模型、泄漏模型、最大爆炸壓力、爆炸壓力的上升速率、沖擊波的大小及影響等。

4 難點

氫氣的爆炸發(fā)生有一定的條件：（1）達到爆炸極限的濃度范圍。（2）足夠的氧氣或是空氣。（3）足夠的點火能量。

氫氣的爆炸極限和初始溫度、系統(tǒng)壓力、點火能量的大小、容器的空間尺寸等有關(guān)，不是固定值，不同的外界環(huán)境條件下爆炸極限是可變動。當(dāng)氫氣的濃度達到爆炸極限的范圍后，才會發(fā)生爆炸，當(dāng)容器或管道發(fā)生泄漏后發(fā)生爆炸，研究爆炸過程就需要先研究爆炸力機理和泄漏模型的建立，這兩個過程往往都是把空氣看成可壓縮的理想氣體，泄漏模型都是基于小孔模型或是管道模型，對于任意形狀的泄漏口的研究還不夠。當(dāng)氫氣為地埋管時，泄漏發(fā)生后應(yīng)考慮向土壤滲透、吸收問題無具體的計算模型。當(dāng)為架空輸送時，支架和周圍遮擋物等外部障礙物對沖擊波的影響沒有被考慮。多數(shù)計算都是理論分析，也有少量的模擬研究，實驗依據(jù)很少。

5 引發(fā)的幾點思考

（1）氫氣的運輸過程有爆炸的危險，那么氫氣的收集和使用過程中是不是也有危險？已有文獻對氫氣收集過程中不安全因素的分析幾乎沒有，使用過程中的不安全因素分析也很少。

（2）規(guī)范上對沖擊波的危害大小的規(guī)范不夠詳細，各文獻對沖擊波影響的分析不同，沒有具體的規(guī)范。

（3）爆炸過程研究通常假定為絕熱模型或是等溫模型和實際過程有差距，實際過程應(yīng)該是多變的受外界影響較多。

（4）相關(guān)文獻中防范措施的接受不夠詳細。

6 可采取的防范措施

（1）儲氫前先進行純度測驗。

（2）盡量不拍打設(shè)備，進入制氫站的時候手先摸一下金屬東西；管道閥門盡量使用不銹鋼，以防鐵銹和氫氣摩擦產(chǎn)生火花；盡量穿純棉衣服，少穿化纖類衣服；設(shè)備可配有相關(guān)的冷卻裝置。

（3）管道上安裝相應(yīng)的泄壓閥，當(dāng)壓力到達一定的值時要能主動泄壓。定期對管道和閥門進行清洗。

（4）制氫車間應(yīng)保持足夠的換氣次數(shù)。當(dāng)有少量的氫氣泄漏時以保證可以及時散掉，防止?jié)舛鹊竭_爆炸極限的下限。

（5）嚴格檢測各部位的溫度、壓力、流量，在加氫站設(shè)置泄漏檢測器。著火的時候，使用阻火器，爆破片等設(shè)置擋板。

7 結(jié)束語

氫能是一種極為優(yōu)越的新能源，有望能夠同時解決能源危機和環(huán)境污染問題的綠色能源，隨著能耗的降低，氫氣量的需要越來越大。安全性問題也愈來愈受關(guān)注。有些不安全因素固然存在，但是如果能有效的分析不安全因素產(chǎn)生的原因，可以避免的相關(guān)措施，就有可能最大限度的控制不安全因素，減少損失。關(guān)于爆炸過程的研究有助于找出減小爆炸壓力的措施，分析爆炸發(fā)生可采取的防范措施較小影響。

參考文獻

[1]王振升，王莉莉，張琳，等.葉水電解制氫站工程設(shè)計中安全問題的探討[J].河北化工，2012，3（35）.

[2]川邑.氫氣、液化石油氣與TNT炸藥的爆炸力[J].消防科學(xué)與技術(shù)，1985，2.

作者簡介：李亞東（1991，10-），女，河北邯鄲，學(xué)士學(xué)位，學(xué)生，研究方向：新能源。