三一氫能：一文了解氫氣安全特性

氫氣無色無味，泄漏時易擴散，減少爆炸風險。燃燒產生高溫，火焰在白天幾乎不可見。氫氣燃燒速度快，需嚴格監控。合理管理可降低氫氣作為燃料的風險。

氫氣在大氣條件下是一種無色、無味的氣體，在任何濃度下都無法被人體感官直接感知。然而，它能夠通過稀釋空氣中的氧氣導致窒息，當氧氣濃度低于19.5%時，環境就會變成缺氧環境。在這種情況下，人體可能會出現頭暈、呼吸困難等癥狀，甚至在嚴重情況下可能會導致失去意識。因此，氫氣作為燃料具有潛在的危險性，尤其是在沒有足夠檢測和監控的情況下，更加難以被及時發現和處理，存在較大的安全隱患。此外，氫氣在適宜的條件下容易被點燃，其極高的可燃性和爆炸性進一步增加了使用中的風險。

隨著氫氣被大規模使用，尤其是作為清潔能源的載體，氫氣的泄漏問題變得尤為重要。研究表明，在相同的條件下，氫氣從儲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，氫氣極易通過微小的縫隙泄漏，因此，即使密封措施非常嚴格，也很難完全防止氫氣泄漏。這一特點對氫氣的儲存和運輸提出了更高的要求。然而，氫氣的另一個特點是，它能夠通過快速擴散和浮力作用迅速在空氣中分散，這意味著即便發生泄漏，氫氣也會很快稀釋，從而降低危險區域內的氫氣濃度，減小爆炸風險。

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，氫氣會迅速向上飄浮。這種特性使得氫氣泄漏時能快速離開地面，減少了點火或爆炸的風險。然而，氫氣的飽和蒸氣比空氣重，這意味著在溫度上升之前，飽和氫蒸氣會保持貼近地面移動，增加了燃燒和爆炸的潛在危險。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速度約為1.2至9m/s，具體移動速度取決于氫氣與空氣之間的密度差。當涉及到液氫（LH2）時，泄漏產生的低溫高密度燃料蒸氣會首先在地面附近移動，其上浮速度比常溫下的氫氣蒸氣更慢，這可能會增加近地面的燃燒風險。

氫氣的火焰特性也有別于常見的燃料。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域，因此，在白天很難看到氫氣的火焰，尤其是在明亮的環境下，幾乎不可見。如果在肉眼可見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燃燒所致。在黑暗環境中，氫氣火焰相對容易被看到，呈現出淡藍色或紫色的光芒。此外，在白天可以通過觀察“熱波”現象或感知到的熱輻射來識別氫氣火焰。當暴露于氫氣火焰中時，人員可能會受到嚴重的熱輻射傷害，特別是在沒有適當的防護設備情況下，暴露時間較長可能導致嚴重燒傷。

關于氫氣的火焰溫度，實驗表明，當空氣中含有19.6%（體積濃度）的氫氣時，氫氣著火后的火焰溫度可高達2318K。這種高溫火焰不僅對周圍環境構成極大威脅，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。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。這一速度遠高于甲烷（氫氣的燃燒速度比甲烷高出一個數量級），在標準溫度壓力（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，一旦氫氣發生燃燒或爆炸，控制和遏制其爆炸的難度也會更大。

氫火焰的熱輻射是另一個需要特別關注的因素，暴露于氫火焰中不僅會遭受直接的火焰灼傷，還可能受到熱輻射的嚴重傷害。火焰的熱輻射強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度。因此，在評估氫火焰的危險性時，水蒸氣的含量是一個重要的參考因素。氫火焰的輻射強度可通過以下公式來計算：

I=IOe-0.0046wr

【IO為初始強度[能量/(時間·面積)];w=水蒸氣含量(質量百分比);r為距離(m)】

隨著水蒸氣含量的增加或距離火源的增加，火焰的輻射強度會逐漸減弱。

氫氣的極限氧指數是指在燃料蒸氣與空氣混合物中維持火焰傳播的最低氧氣濃度。對于氫氣而言，在常溫常壓條件下，如果混合物中的氧氣體積濃度小于5%，則火焰不會傳播，這為氫氣火焰的控制提供了理論依據。

通過實驗，氧氣、氮氣、二氧化碳、氮氣和水蒸氣可作為氫氣的稀釋劑。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。水蒸氣試驗測試在422K（約149℃）條件下進行。可見，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、氮氣和水蒸氣對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對氫氣燃燒極限的影響，N2、He和CO2的影響在298K（25℃）條件下測得，H2O的影響在422K（約149℃）條件下測得；均為體積百分比。

焦耳-湯姆遜效應在氫氣膨脹過程中也值得關注。當氣體通過多孔塞、小孔或噴嘴從高壓向低壓膨脹時，溫度通常會下降，但某些情況下，氣體在超臨界溫度和壓力下膨脹時溫度反而會上升。對于氫氣，當其膨脹時，如果超過202K這一臨界溫度，溫度會隨著膨脹而上升。然而，焦耳-湯姆遜效應引起的溫度升高通常不足以點燃氫氣-空氣混合物。例如，當氫氣從100MPa的高壓膨脹至0.1MPa時，溫度從300K升至346K，遠低于氫氣的自燃溫度（在1個大氣壓下為858K，低壓下為620K），因此焦耳-湯姆遜效應不會導致氫氣自燃。

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