李亞東　羅景輝

摘 要：眾所周知?dú)錃饩哂幸兹家妆奶匦?，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(shí)驗(yàn)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(shí)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(rèn)識(shí)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?xì)怏w，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(qiáng)下，溫度為-252.87℃時(shí)，氫氣可變成液態(tài)。同時(shí)氫氣是易燃易爆性氣體，純的氫氣點(diǎn)燃會(huì)產(chǎn)生藍(lán)色的火焰，不純的氫氣點(diǎn)燃會(huì)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(diǎn)很低只有560℃，點(diǎn)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)煔狻⒗纂娦?yīng)、電磁輻射等都有可燃?xì)?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(shí)也有氧氣產(chǎn)生，氫氣的純度不高，氫氣與氧氣混合達(dá)到爆炸極限或是氫氣泄漏在空氣中和空氣混合達(dá)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(diǎn)燃?xì)錃?。氫氣本身的泄漏也?huì)產(chǎn)生靜電火花，或是相鄰有溫度較高的物體，等均可以點(diǎn)燃?xì)錃狻?/p>

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

2 運(yùn)輸過程中的不安全因素

氫氣的運(yùn)輸方式主要有壓縮氣體運(yùn)輸，也就是壓縮氫氣罐運(yùn)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(yùn)輸?shù)且夯^程相當(dāng)耗能。儲(chǔ)氫材料運(yùn)輸，需要把氫氣加壓到略高于大氣壓，溫度和溫度差不多時(shí)候利用氫氣與各種元素相結(jié)合的方式運(yùn)輸氫氣但是釋放氫氣需要消耗能量。利用管道的運(yùn)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(xiǎn)就是充入氫氣、釋放氫氣壓力不斷的變化，可能會(huì)引起氫氣罐的疲勞現(xiàn)象，在高壓情況下氫氣罐也會(huì)出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象?？赡芤l(fā)強(qiáng)度不夠的爆炸，泄漏的爆炸。（2）儲(chǔ)氫材料運(yùn)輸相對(duì)來說發(fā)生危險(xiǎn)的可能小較小，及時(shí)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(yùn)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(huì)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(shí)做實(shí)驗(yàn)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(xiàn)[2]中指出一頓TNT炸藥爆炸時(shí)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?？梢姎錃獾谋€是相當(dāng)大的。研究爆炸力的大小就要考慮爆炸的機(jī)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(diǎn)

氫氣的爆炸發(fā)生有一定的條件：（1）達(dá)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(diǎn)火能量。

氫氣的爆炸極限和初始溫度、系統(tǒng)壓力、點(diǎn)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(dòng)。當(dāng)氫氣的濃度達(dá)到爆炸極限的范圍后，才會(huì)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(jī)理和泄漏模型的建立，這兩個(gè)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(duì)于任意形狀的泄漏口的研究還不夠。當(dāng)氫氣為地埋管時(shí)，泄漏發(fā)生后應(yīng)考慮向土壤滲透、吸收問題無具體的計(jì)算模型。當(dāng)為架空輸送時(shí)，支架和周圍遮擋物等外部障礙物對(duì)沖擊波的影響沒有被考慮。多數(shù)計(jì)算都是理論分析，也有少量的模擬研究，實(shí)驗(yàn)依據(jù)很少。

5 引發(fā)的幾點(diǎn)思考

（1）氫氣的運(yùn)輸過程有爆炸的危險(xiǎn)，那么氫氣的收集和使用過程中是不是也有危險(xiǎn)？已有文獻(xiàn)對(duì)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(duì)沖擊波的危害大小的規(guī)范不夠詳細(xì)，各文獻(xiàn)對(duì)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(shí)際過程有差距，實(shí)際過程應(yīng)該是多變的受外界影響較多。

（4）相關(guān)文獻(xiàn)中防范措施的接受不夠詳細(xì)。

6 可采取的防范措施

（1）儲(chǔ)氫前先進(jìn)行純度測(cè)驗(yàn)。

（2）盡量不拍打設(shè)備，進(jìn)入制氫站的時(shí)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(dá)一定的值時(shí)要能主動(dòng)泄壓。定期對(duì)管道和閥門進(jìn)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(shí)以保證可以及時(shí)散掉，防止?jié)舛鹊竭_(dá)爆炸極限的下限。

（5）嚴(yán)格檢測(cè)各部位的溫度、壓力、流量，在加氫站設(shè)置泄漏檢測(cè)器。著火的時(shí)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(shí)解決能源危機(jī)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(xiàn)

[1]王振升，王莉莉，張琳，等.葉水電解制氫站工程設(shè)計(jì)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(jiǎn)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。