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    三一氫能:一文了解氫氣安全特性

    2024-09-25 來(lái)源:三一氫能 瀏覽數(shù):446

    氫氣無(wú)色無(wú)味,泄漏時(shí)易擴(kuò)散,減少爆炸風(fēng)險(xiǎn)。燃燒產(chǎn)生高溫,火焰在白天幾乎不可見(jiàn)。氫氣燃燒速度快,需嚴(yán)格監(jiān)控。合理管理可降低

    氫氣無(wú)色無(wú)味,泄漏時(shí)易擴(kuò)散,減少爆炸風(fēng)險(xiǎn)。燃燒產(chǎn)生高溫,火焰在白天幾乎不可見(jiàn)。氫氣燃燒速度快,需嚴(yán)格監(jiān)控。合理管理可降低氫氣作為燃料的風(fēng)險(xiǎn)。

    氫氣在大氣條件下是一種無(wú)色、無(wú)味的氣體,在任何濃度下都無(wú)法被人體感官直接感知。然而,它能夠通過(guò)稀釋空氣中的氧氣導(dǎo)致窒息,當(dāng)氧氣濃度低于19.5%時(shí),環(huán)境就會(huì)變成缺氧環(huán)境。在這種情況下,人體可能會(huì)出現(xiàn)頭暈、呼吸困難等癥狀,甚至在嚴(yán)重情況下可能會(huì)導(dǎo)致失去意識(shí)。因此,氫氣作為燃料具有潛在的危險(xiǎn)性,尤其是在沒(méi)有足夠檢測(cè)和監(jiān)控的情況下,更加難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理,存在較大的安全隱患。此外,氫氣在適宜的條件下容易被點(diǎn)燃,其極高的可燃性和爆炸性進(jìn)一步增加了使用中的風(fēng)險(xiǎn)。

    隨著氫氣被大規(guī)模使用,尤其是作為清潔能源的載體,氫氣的泄漏問(wèn)題變得尤為重要。研究表明,在相同的條件下,氫氣從儲(chǔ)存容器或管道中的泄漏量比甲烷多出1.3至2.8倍,而其泄漏量約為空氣泄漏量的4倍。由于氫分子體積小、密度低,氫氣極易通過(guò)微小的縫隙泄漏,因此,即使密封措施非常嚴(yán)格,也很難完全防止氫氣泄漏。這一特點(diǎn)對(duì)氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸提出了更高的要求。然而,氫氣的另一個(gè)特點(diǎn)是,它能夠通過(guò)快速擴(kuò)散和浮力作用迅速在空氣中分散,這意味著即便發(fā)生泄漏,氫氣也會(huì)很快稀釋,從而降低危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的氫氣濃度,減小爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

    氫氣在常溫常壓(NTP)下的密度約為空氣的1/14,因此,一旦泄漏,氫氣會(huì)迅速向上飄浮。這種特性使得氫氣泄漏時(shí)能快速離開(kāi)地面,減少了點(diǎn)火或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。然而,氫氣的飽和蒸氣比空氣重,這意味著在溫度上升之前,飽和氫蒸氣會(huì)保持貼近地面移動(dòng),增加了燃燒和爆炸的潛在危險(xiǎn)。泄漏的氫氣在常溫常壓條件下的浮力作用使得其氣云移動(dòng)速度約為1.2至9m/s,具體移動(dòng)速度取決于氫氣與空氣之間的密度差。當(dāng)涉及到液氫(LH2)時(shí),泄漏產(chǎn)生的低溫高密度燃料蒸氣會(huì)首先在地面附近移動(dòng),其上浮速度比常溫下的氫氣蒸氣更慢,這可能會(huì)增加近地面的燃燒風(fēng)險(xiǎn)。

    氫氣的火焰特性也有別于常見(jiàn)的燃料。氫氣在空氣中的燃燒輻射光譜主要集中在紅外線和紫外線區(qū)域,因此,在白天很難看到氫氣的火焰,尤其是在明亮的環(huán)境下,幾乎不可見(jiàn)。如果在肉眼可見(jiàn)的情況下看到氫氣火焰,這通常是由空氣中的水分或懸浮顆粒引起的雜質(zhì)燃燒所致。在黑暗環(huán)境中,氫氣火焰相對(duì)容易被看到,呈現(xiàn)出淡藍(lán)色或紫色的光芒。此外,在白天可以通過(guò)觀察“熱波”現(xiàn)象或感知到的熱輻射來(lái)識(shí)別氫氣火焰。當(dāng)暴露于氫氣火焰中時(shí),人員可能會(huì)受到嚴(yán)重的熱輻射傷害,特別是在沒(méi)有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)設(shè)備情況下,暴露時(shí)間較長(zhǎng)可能導(dǎo)致嚴(yán)重?zé)齻?/p>

    關(guān)于氫氣的火焰溫度,實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)空氣中含有19.6%(體積濃度)的氫氣時(shí),氫氣著火后的火焰溫度可高達(dá)2318K。這種高溫火焰不僅對(duì)周圍環(huán)境構(gòu)成極大威脅,也增加了滅火的難度。

    燃燒速度是衡量燃料-空氣混合物在亞音速條件下傳播速度的重要參數(shù)。氫氣在空氣中的燃燒速度范圍為2.65至3.46m/s,具體速度受壓力、溫度以及混合物組分的影響。這一速度遠(yuǎn)高于甲烷(氫氣的燃燒速度比甲烷高出一個(gè)數(shù)量級(jí)),在標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力(STP)下,氫氣在空氣中的最大燃燒速度為0.45m/s,這意味著氫氣比甲烷具有更高的爆炸潛力。因此,一旦氫氣發(fā)生燃燒或爆炸,控制和遏制其爆炸的難度也會(huì)更大。

    氫火焰的熱輻射是另一個(gè)需要特別關(guān)注的因素,暴露于氫火焰中不僅會(huì)遭受直接的火焰灼傷,還可能受到熱輻射的嚴(yán)重傷害。火焰的熱輻射強(qiáng)度在很大程度上取決于大氣中的水蒸氣含量,水蒸氣能夠吸收部分輻射熱量,從而降低火焰的輻射強(qiáng)度。因此,在評(píng)估氫火焰的危險(xiǎn)性時(shí),水蒸氣的含量是一個(gè)重要的參考因素。氫火焰的輻射強(qiáng)度可通過(guò)以下公式來(lái)計(jì)算:

    I=IOe-0.0046wr

    【IO為初始強(qiáng)度[能量/(時(shí)間·面積)];w=水蒸氣含量(質(zhì)量百分比);r為距離(m)】

    隨著水蒸氣含量的增加或距離火源的增加,火焰的輻射強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱。

    氫氣的極限氧指數(shù)是指在燃料蒸氣與空氣混合物中維持火焰?zhèn)鞑サ淖畹脱鯕鉂舛?。?duì)于氫氣而言,在常溫常壓條件下,如果混合物中的氧氣體積濃度小于5%,則火焰不會(huì)傳播,這為氫氣火焰的控制提供了理論依據(jù)。

    通過(guò)實(shí)驗(yàn),氧氣、氮?dú)狻⒍趸肌⒌獨(dú)夂退魵饪勺鳛闅錃獾南♂寗?。在降低空氣中氫氣可燃極限方面,氬氣是效果最差的稀釋劑。水蒸氣試驗(yàn)測(cè)試在422K(約149℃)條件下進(jìn)行??梢?jiàn),水是降低空氣中氫氣燃燒極限最有效的稀釋劑。

    (圖:氫氣-氧氣-氦氣混合物燃燒極限)

    注:在壓力位101.3kPa(1atm)和溫度為298K(25℃)條件下,H2-O2-N2混合物的燃燒極限;均為體積百分比。

    (圖:氦氣、二氧化碳、氮?dú)夂退魵鈱?duì)空氣中氫氣燃燒極限的影響)

    注:在101.3kPa(1atm)的空氣中,稀釋到N2,He、CO2和H2O對(duì)氫氣燃燒極限的影響,N2、He和CO2的影響在298K(25℃)條件下測(cè)得,H2O的影響在422K(約149℃)條件下測(cè)得;均為體積百分比。

    焦耳-湯姆遜效應(yīng)在氫氣膨脹過(guò)程中也值得關(guān)注。當(dāng)氣體通過(guò)多孔塞、小孔或噴嘴從高壓向低壓膨脹時(shí),溫度通常會(huì)下降,但某些情況下,氣體在超臨界溫度和壓力下膨脹時(shí)溫度反而會(huì)上升。對(duì)于氫氣,當(dāng)其膨脹時(shí),如果超過(guò)202K這一臨界溫度,溫度會(huì)隨著膨脹而上升。然而,焦耳-湯姆遜效應(yīng)引起的溫度升高通常不足以點(diǎn)燃?xì)錃?空氣混合物。例如,當(dāng)氫氣從100MPa的高壓膨脹至0.1MPa時(shí),溫度從300K升至346K,遠(yuǎn)低于氫氣的自燃溫度(在1個(gè)大氣壓下為858K,低壓下為620K),因此焦耳-湯姆遜效應(yīng)不會(huì)導(dǎo)致氫氣自燃。

    雖然氫氣作為燃料具有較大的爆炸潛力和火焰危險(xiǎn),但通過(guò)合理的泄漏控制、火焰識(shí)別和燃燒特性研究,可以有效減少其潛在危險(xiǎn)并提升安全性。


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