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氫的安全性 (系列講座9)
更新時間:2019-1-14 15:56:16        【打印此頁】  【關閉

一 氫氣是安全的燃料凡是燃料都具有能量,都隱藏著著火和爆炸的危險。我們很熟悉的天然氣、汽油、液化石油氣和電都是如此。根據美國交通部的資料,從1986~2003年間,美國天然氣加注發生2406次事故,300人死亡,1364人受傷,直接財產損失約3億美元;天然氣輸送發生1467次事故,60人死亡,232人受傷,直接財產損失約3.6億美元。同樣在1986~2003年間,美國發生過3302次汽油輸送事故,37人死亡,254人受傷,直接財產損失約8.6億美元;平均每年汽油加注發生7400次事故,2人死亡,70人受傷,直接財產損失1800萬美元。1998年美國國內發生1600多起液化石油氣(LPG)著火事故,41人死亡,260人受傷,直接財產損失約3000多萬美元。另外根據美國消防部門資料,1998年美國發生38300起因電引起的住房火災,284人死亡,1184人受傷,直接財產損失約6.7億美元;2000年美國有400人因觸電死亡。事實上人們不會因噎廢食,也不會因為能源的事故就不做飯、不開車。只要人們注意能源安全,就能將事故消滅在萌芽之中。氫氣作燃料并不是什么新鮮事物。早在人們使用汽油、天然氣之前,就已經使用城市煤氣做飯、開車了。而城市煤氣中,大約50%是氫氣。人們對城市煤氣的安全并沒有什么特別的顧慮。今天,人們關注氫的安全,表明對氫更加重視。任何燃料的安全性都與其本身的性質密切相關。由于氫的特殊性質,使得氫的安全有不少特點。然而和其他燃料相比,氫氣是一種安全性比較高的氣體。氫氣無毒,不像有的燃料毒性很大,如甲醇就很危險。據報2000年11月,肯尼亞內羅畢郊區曾發生過添加甲醇的私釀酒一次導致140多人死亡的重大事件。

氫氣在開放的大氣中,很容易快速逃逸,而不像汽油蒸汽揮發后滯留在空氣中不易疏散。有人做過試驗,兩輛汽車分別用氫氣和汽油作燃料,然后作泄漏點火試驗(見圖1)。可見,點火3秒鐘后,高壓氫氣產生的火焰直噴上方。而汽油由于比空氣重,則從汽車的下部著火。到1分鐘時,氫氣作燃料的汽車只有漏出的氫氣在燃燒,氫氣汽車沒有大問題;而汽油車則早巳成為一個大火球,完全燒光。這說明了氫氣汽車要比我們現在普遍使用的汽油車安全得多。

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圖1 氫氣汽車和汽油汽車的燃燒對比實驗

(照片來源:美國邁阿密大學Swain博士)

由于氫焰的輻射率小,只有汽油、空氣火焰輻射率的十分之一,因此氫氣火焰周圍的溫度并不高。有文章指出,在類似上面的試驗中,氫氣在后背箱位置燃燒,而汽車后玻璃安然無恙,窗內溫度還不到20℃。氫氣燃燒不冒煙,生成水,不會污染環境。氫也有對安全不利的特點。例如氫著火點能量很小,使氫不論在空氣中或者氧氣中,都很容易點燃。根據文獻的報導,在空氣中氫的最小著火能量僅為0.019mJ,在氧氣中的最小著火能量更小,僅為0.007mJ。如果用靜電計測量化纖上衣摩擦而產生的放電能量,該能量可以比氫和空氣混合物的最小著火能量還大好幾倍,這足以說明氫的易燃性。氫的另一個危險性是它和空氣混合后的燃燒濃度極限的范圍很寬,按體積比計算其范圍為4%~75%,因此不能因為氫的擴散能力很大而對氫的爆炸危險放松警惕。氫氣爆炸范圍寬,起爆能量低,但并不意味著氫氣比其他氣體更危險。由于空氣中可燃性氣體的積累必定從低濃度開始,因此,就安全性來講,爆炸下限濃度比爆炸上限濃度更重要。丙烷的爆炸下限濃度就比氫氣低,因此,丙烷比氫氣更危險。

氫火焰是無色的,白天肉眼幾乎看不到,夜里可以看見。圖2為美國航天飛機的發射情況。圖中右側藍色圓圈內是氫火焰,左邊紅色箭頭指的則是碳氫燃料的火焰。所以,在白天要小心氫火焰灼傷人體。

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圖2:航天飛機升空時尾部火焰的顏色

氫的粘度最小,所以它具有最大的泄漏速率。但氫還具有另外一個特性,即極易擴散。氫的擴散系數比空氣大3.8倍,若將2.25m 液氫傾瀉在地面,僅需1分鐘,就能擴散成為不爆炸的安全混合物,所以微量的氫氣泄漏,可以在空氣中很快稀釋成安全的混合氣。這又是氫燃料一大優點,因為燃料泄漏后不能馬上消散是最危險的。有文獻指出氫的擴散系數比汽油大7.5倍,由此可以證明文獻中說氫比汽油安全是有根據的。氫氣的比重小,易向上逃逸,這使得事故時氫氣的影響范圍要小得多。和其他液化的氣體燃料相比,液氫揮發快,有利于安全。有人曾做過試驗,將3 m 的液氫、甲烷和丙烷分別濺到地面上并蒸發,在相同的條件下,丙烷、甲烷和氫的影響范圍分別為13500、5000和1000m 。可見液氫的影響范圍最小,大約是丙烷的十三分之一,甲烷的五分之一。也就說明液氫的安全性要比丙烷和甲烷好。當然,液氫的溫度比液氮低得多,需要防止凍傷。

為了保證氫氣使用安全,用氫場所的氫氣濃度檢測就非常重要。現代科學技術的發展,已經可以做到氫氣濃度快速檢測。探測器的尺寸很小,安裝、使用都很方便。圖3是美國某公司的第一代產品和第二代產品。在很短的時間內,氫氣探測器可以將氫氣濃度的信息傳送到中央處理器,當達到危險濃度時,就自動報警并采取相應的措施,確保安全。

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圖3 新型氫氣濃度探測器外型

二 遵守安全使用規則,氫氣很安全國內外大量的使用氫的實踐經驗表明:氫有著不安全的使用記錄。表1為美國1967~1977年十年中的工業用氫事故進行的統計分析,把收集到的145起事故原因分成以下7類:

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表1:工業界氫事故

上述事故還必須和著火補充條件相結合才能釀成災禍。這兩個著火補充條件就是:(1)要有火源(包括:熱點火源和電的點火源,其中也包括靜電和氣體摩擦、沖波等等);(2)氫氣跟空氣或氧氣的混合物濃度有一定要求,過高或過低都不行。缺此兩個條件,仍不會造成事故。在這些統計的工業事故中,氫只是作為石油精煉、氯堿工業或核電廠中的副產品或廢氣來對待,并未真正涉及到它在氫能領域中的使用。實際上,通過嚴格的管理和認真的執行安全操作規程,其中絕大部分的事故都是可以消除的。三 歷史上最著名的“氫氣冤案”興登堡(Hindenburg)飛艇是20世紀德國人為洲際旅行設計的大型裝載工具。興登堡飛艇原是按氦氣作升降工質而設計的,該飛艇已成功地完成了歐洲到美國的十余次往返飛行,由于德國人當時不可能從美國得到大量的氦,所以不得不改用氫作工質。1937年5月6日的興登堡飛艇改用氫的首次飛行,計劃在美國新澤西州的萊赫斯特(Lakehurst)海軍機場著陸,當飛艇到達該機場的前一小時,機場地區下了一場大的雷陣雨,大氣中還存在靜電較高的氣層。

由于飛艇降落時必須放出一部分氫氣,而排氫時最容易產生靜電發火效應,因而發生了大火災,造成35人死亡,65人幸存。氫氣是絕對不能作飛艇工質的,因氫氣流動本身就會產生很高的靜電位而發火,即使萊克赫斯特機場不下雷雨,也是一種違反安全使用條例的活動。圖4是當時正好在現場的攝影記者拍攝的興登堡號飛艇著火瞬間。

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圖4 興登堡號飛艇著火瞬間

關于1937年興登堡災難發生的原因,過去一般認為是由于飛艇里充了氫而引起的,使得人們對氫安全的疑慮加深。但是,幾十年后,美國宇航局老資格的氫能專家Addison Bain為氫進行了平反。他研究當時目擊者拍攝的照片,發現飛艇并沒有爆炸,就有明顯可見的火焰。事實上,氫氣消散得非常快,肯定是非氫物質在燃燒。而興登堡飛艇的氣袋,用易燃的化合物處理過,導電性差,容易產生靜電,且極易著火。由此得出結論,造成興登堡飛艇慘案的原因并不是氫。人類航天史上另一個重大悲劇是1996年1月28日11點38分美國挑戰者號航天飛機起飛73秒后的爆炸。已經查明原因是由于固態燃料助推火箭上的密封圈失效,首先在助推火箭側面產生火苗,破壞了主燃料箱供應管路,引起燃料泄漏和著火,同時也使其他燃料箱中燃料著火,最終導致事故發生。此時,因為使用任何燃料都會出事故。因此,人們并沒有將該事故歸罪于氫。四 重視氫氣安全是好事任何新燃料的更替,都會遭到懷疑,甚至反對。當年汽油剛出現時,就是如此,一直吵到美國國會。根據1875年美國國會記錄,“波士頓的工程師制造出汽油,用在發動機活塞筒內汽油爆炸的方式代替燃料在鍋爐里燃燒。所以,危險是顯而易見的”。今天,科學和實踐都證明了當年美國國會記錄的無知。現在,當氫氣作為汽油的替代燃料遇到同樣的質疑,毫不奇怪。不過這回,美國能源部說話了:“可以安全地生產、儲存和輸送氫氣”。美國宇航局也表態:“航天部門處理氫的經驗表明,氫發生事故的機率很小”。

總之,氫氣是一種安全性較高的燃料,國內外長期的氫氣操作經驗告訴我們,只要嚴格遵守規定,不會發生氫氣安全事故。


 


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