有关氢气的安全性分析与思考

李亚东　罗景辉

摘 要：众所周知氢气具有易燃易爆的特性，随着制氢技术的研究氢气需要量的增加，相关的制氢实验与研究，制氢安全性更加引起重视。氢气最大的隐患是容易发生爆炸，氢气爆炸时的爆炸力具体有多大？影响因素有哪些？预防措施有哪些？这些问题越来越引起我们的注意。

关键词：不安全因素；爆炸；爆炸力；防范措施

认识氢气先从氢气的物理化学性质入手，氢气是无色无味的可燃气体，氢气是最轻的气体在空气中泄漏容易向上部浮起，氢气难溶于水，在101千帕压强下，温度为-252.87℃时，氢气可变成液态。同时氢气是易燃易爆性气体，纯的氢气点燃会产生蓝色的火焰，不纯的氢气点燃会爆炸。标准状态下氢氧按体积含量的爆炸范围上限H294.3%，O25.7%，下限H25%，O295%。氢气和空气上限H273.5%，空气26.5%，下限H25%，空气95%。制氢的着火点很低只有560℃，点燃需要的能量少。氢气的体积能量密度低，氢气的燃烧热值高，每千克燃烧后产生的热量约为汽油的3倍。氢气极易燃烧，一般碰撞、摩擦、不同电位之间的放电、各种爆炸材料的引燃、明火、热气流、高温烟气、雷电效应、电磁辐射等都有可燃氢-空气混合物。[1]

1 制氢过程中的不安全因素分析

（1）现在常用的电解水制氢产生氢气的同时也有氧气产生，氢气的纯度不高，氢气与氧气混合达到爆炸极限或是氢气泄漏在空气中和空气混合达到爆炸极限都可能发生爆炸。

（2）氢气很轻且极易泄漏，当氢气泄漏之后，地面摩擦产生的火花，拍打设备，衣服摩擦产生的静电都可能点燃氢气。氢气本身的泄漏也会产生静电火花，或是相邻有温度较高的物体，等均可以点燃氢气。

（3）防止压力过大爆破管道。当管道或是阀门流通不畅时，可能造成局部的压力升高，当到达管道能承受的压力极限的时候会爆破。如果是小型的实验装置，补充蒸馏水的时候也要防止水压过大造成破坏。

2 运输过程中的不安全因素

氢气的运输方式主要有压缩气体运输，也就是压缩氢气罐运输，根据需求后出现了大型高压容器的牵引车。液态氢运输但是液化过程相当耗能。储氢材料运输，需要把氢气加压到略高于大气压，温度和温度差不多时候利用氢气与各种元素相结合的方式运输氢气但是释放氢气需要消耗能量。利用管道的运输。

（1）压缩氢气管由于内胆使用的材料不同，氢气的渗透不同，承压能力不同，可能出现金属卡与内胆的连接不紧密，氢气的渗透量大，以及反复使用引起的破坏出现的泄漏。但是这方面的控制技术已经比较成熟，主要的风险就是充入氢气、释放氢气压力不断的变化，可能会引起氢气罐的疲劳现象，在高压情况下氢气罐也会出现疲劳现象。可能引发强度不够的爆炸，泄漏的爆炸。（2）储氢材料运输相对来说发生危险的可能小较小，及时发生断裂但是没有释放氢气所必须的能量，氢气依然无法被释放。（3）管道运输除了压力过大引起的物理性破坏，还有泄漏破坏引起的化学性破坏。

3 氢气使用过程中的不安全因素

设备的老化，连接不够紧密，操作不当，泄漏的发生等均可以引起爆炸的发生。一说起爆炸我们就会想到炸药，炸药的威力很大，一包炸药可以炸坏一栋大楼，炸坏一座桥，上化学课时做实验引起的爆炸可以把试管炸坏但是破坏力并不是很大，也就是说爆炸力有大有小，那氢气的爆炸力有多大呢？在文献[2]中指出一顿TNT炸药爆炸时所产生的能量为106千卡。每公斤氢气爆炸约相当于34公斤TNT的爆炸力。可见氢气的爆炸力还是相当大的。研究爆炸力的大小就要考虑爆炸的机理、爆炸极限、蒸气云模型、泄漏模型、最大爆炸压力、爆炸压力的上升速率、冲击波的大小及影响等。

4 难点

氢气的爆炸发生有一定的条件：（1）达到爆炸极限的浓度范围。（2）足够的氧气或是空气。（3）足够的点火能量。

氢气的爆炸极限和初始温度、系统压力、点火能量的大小、容器的空间尺寸等有关，不是固定值，不同的外界环境条件下爆炸极限是可变动。当氢气的浓度达到爆炸极限的范围后，才会发生爆炸，当容器或管道发生泄漏后发生爆炸，研究爆炸过程就需要先研究爆炸力机理和泄漏模型的建立，这两个过程往往都是把空气看成可压缩的理想气体，泄漏模型都是基于小孔模型或是管道模型，对于任意形状的泄漏口的研究还不够。当氢气为地埋管时，泄漏发生后应考虑向土壤渗透、吸收问题无具体的计算模型。当为架空输送时，支架和周围遮挡物等外部障碍物对冲击波的影响没有被考虑。多数计算都是理论分析，也有少量的模拟研究，实验依据很少。

5 引发的几点思考

（1）氢气的运输过程有爆炸的危险，那么氢气的收集和使用过程中是不是也有危险？已有文献对氢气收集过程中不安全因素的分析几乎没有，使用过程中的不安全因素分析也很少。

（2）规范上对冲击波的危害大小的规范不够详细，各文献对冲击波影响的分析不同，没有具体的规范。

（3）爆炸过程研究通常假定为绝热模型或是等温模型和实际过程有差距，实际过程应该是多变的受外界影响较多。

（4）相关文献中防范措施的接受不够详细。

6 可采取的防范措施

（1）储氢前先进行纯度测验。

（2）尽量不拍打设备，进入制氢站的时候手先摸一下金属东西；管道阀门尽量使用不锈钢，以防铁锈和氢气摩擦产生火花；尽量穿纯棉衣服，少穿化纤类衣服；设备可配有相关的冷却装置。

（3）管道上安装相应的泄压阀，当压力到达一定的值时要能主动泄压。定期对管道和阀门进行清洗。

（4）制氢车间应保持足够的换气次数。当有少量的氢气泄漏时以保证可以及时散掉，防止浓度到达爆炸极限的下限。

（5）严格检测各部位的温度、压力、流量，在加氢站设置泄漏检测器。着火的时候，使用阻火器，爆破片等设置挡板。

7 结束语

氢能是一种极为优越的新能源，有望能够同时解决能源危机和环境污染问题的绿色能源，随着能耗的降低，氢气量的需要越来越大。安全性问题也愈来愈受关注。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产生的原因，可以避免的相关措施，就有可能最大限度的控制不安全因素，减少损失。关于爆炸过程的研究有助于找出减小爆炸压力的措施，分析爆炸发生可采取的防范措施较小影响。

参考文献

[1]王振升，王莉莉，张琳，等.叶水电解制氢站工程设计中安全问题的探讨[J].河北化工，2012，3（35）.

[2]川邑.氢气、液化石油气与TNT炸药的爆炸力[J].消防科学与技术，1985，2.

作者简介：李亚东（1991，10-），女，河北邯郸，学士学位，学生，研究方向：新能源。