靳殷實：氫氣的安全風險及應對措施

2024年10月16日由國際能源網、國能能源研究院、氫能匯等聯合主辦的國能網.2024第九屆產業年會之氫能大會在北京成功舉行。大會舉行期間中國航天科技集團公司中國運載火箭技術研究院研究員靳殷實做了《氫氣的安全風險及應對措施》的精彩報告。

靳殷實表示：“目前人們對氫氣安全認識有兩個偏差。一是一些對氫氣不了解的人，談氫色變，對涉氫產品和氫能設備的使用感到恐懼，擔心氫氣爆炸。二是在一線涉氫操作人員和氫能設備開發設計人員，常年和氫氣打交道，也沒有出現過事故，對氫氣的安全意識淡漠，有時候會做出一些違反安全法規的操作，帶來安全隱患。上述兩種現象都是不對的，不利于氫能產業快速健康發展。”

氫氣的風險在于其化學特性 

其物理特性擴大了它的風險氫的安全保障是氫能產業健康發展的前提也是涉氫企業生存的前提。氫位于元素周期表第一位，大部分氫原子只有一個質子和一個電子，氫原子這種獨特的結構造成氫氣所有的物理化學特性。氫氣主要風險在于其化學特性，可以與氧氣、鹵素氣體產生化學反應，而它的物理特性影響了它的風險，對安全控制既有有利一面，又有不利的因素。

航天科技集團中國運載火箭技術研究院研究員 靳殷實

氫氣在儲氫容器內安全，發生泄露與空氣混合，在4%-75%這個范圍可能燃燒爆炸。氫氣燃燒爆炸范圍會隨著外部環境而變化，溫度升高，范圍會擴大；壓力升高，范圍也會擴大；相反，若氫氣混合惰性氣體，這個范圍會縮小，達到一定比例時甚至不會爆炸。

氫氣被點燃的能量很小，大家常認為是0.02毫焦，方式也很多，電源、打火、靜電、火花、摩擦生熱等。但這是在氫氣濃度為百分之二十幾的濃度下的點燃的能量，而氫氣濃度在4%時，點燃氫氣和點燃汽油蒸汽的能量差不多，大約是0.2毫焦。氫氣到底燃燒還是爆炸，取決于氫氣泄露后所處狀態。如果氫氣泄露前有火源，氫氣泄漏會直接燃燒；如果氫氣泄露一段時間與大氣混合達到燃燒爆炸的濃度范圍，這種情況下火源出現可能就是爆炸。

氫分子在所有分子中體積最小、質量最小、黏性小，所以氫氣容易泄露。氫氣泄露從泄露點向四周擴散濃度逐漸降低。把4%濃度以上的范圍叫做燃燒云，氫氣泄漏的流量越大，燃燒云的體積范圍也越大。

氫氣是易燃易爆危險品。氫氣輕，擴散速度快，向上和向四周的擴散速度比天然氣快3.8倍，如果氫氣發生擴散，它將快速擴散到不可燃的濃度。通過氫氣的這些特點，靳殷實認為，氫能對比其他可燃性氣體，其安全風險要低。

氫氣事故多種類型

泄露風險結果不同氫氣的特性決定了它的危險性，靳殷實指出：氫氣事故類型分為3種，儲氫容器爆炸是第一種。氫氣混合其它氣體后發生燃燒爆炸是第二種。第三種是涉氫材料性能劣化，對于金屬通常會產生氫脆。還有液氫對人體的凍傷、氫氣窒息等危害，這些場景較少。

對于儲氫罐，儲液氫罐容器爆炸。其原因一是容器結構被損壞，達不到原來的強度，如長期摩擦、碰撞或車輛傾覆；二是違規操作，如充氫壓力超壓，安全泄壓裝置失效。除了以上兩種，還有氫氣化學爆炸，鹵素氣體和氫氣混合，或氫氣罐進入氧氣，都有可能產生猛烈爆炸。

中國航天科技集團中國運載火箭技術研究院研究員 靳殷實

氫氣泄露會導致燃燒、爆燃或爆轟。氫氣燃燒燃點574℃ ，點燃能量小，空氣中0.019mJ（最容易爆燃的條件下）,氧氣中0.007mJ的能量都會點燃或引起爆燃；1937年5月6日興登堡號事件是一起嚴重的氫氣燃燒事故，造成36名乘客不幸罹難。

氫氣濃度達到4%至75%，施加靜電、明火或混合空氣溫度達到527攝氏度及以上，會發生爆燃。2006年12月06日四川一所大學實驗室氫氣爆炸、2015-12-20北京某大學實驗室發生氫氣爆燃事故，均造成人員傷亡。

氫氣濃度達到18.3%至59%，在空間受限等特定環境下會產生爆轟。爆轟是有條件的，敞開的環境很難發生爆轟，氫氣和氧氣混合有可能發生爆轟。但是一旦發生爆轟，由于壓力劇增，反應速度較快，帶來的危害和損失也較大，防止發生氫氣爆轟是重要研究課題。

高壓氫氣泄漏安全風險很大，這種噴射出的氫氣往往會發生自燃，從而變為噴火，甚至發生局部爆轟，對周圍產生很大破壞。

避免氫氣事故 

強化氫安全管理和監督

強化氫安全管理和監督。從設計、制造、運營管理各個方面著手，制定嚴格的標準和法規，完善標準和法規；對于企業要學習標準，利用標準，落實標準；依法設計、依法制造、依法運營是氫能安全使用的關鍵。靳殷實推薦涉氫人員學習《氫氣使用安全技術規程》，《氫系統安全的基本要求》，《建筑設計防火規范》等標準，不同涉氫領域和應用場景都有相應的標準要求，具體情況還需具體場景分析解決。

對于氫氣泄漏問題

第一，從工藝的設計上、設備的開發制造上保證氫不泄漏。

第二，氫泄漏之后能不能被及時檢測到并及時去阻止進一步泄漏，這就要求有安全防范系統設計以及一系列的措施，如氫氣泄漏濃度傳感器的合理設置；

第三，如果發生泄漏，從設計上就要有充分的措施保證良好的通風，保證不集聚，濃度不超標，這需要從建筑和其他的安全設計上進行考慮；

第四，如果發生泄漏，那么一定要杜絕點火源、靜電等能夠點燃氫氣的源頭，通過電器的防爆設計、防靜電、防雷電以及嚴禁煙火等等的安全措施和安全制度來保障；

第五，如果發生失火爆炸，要盡可能減輕火災和爆炸以后對周邊設施的影響，將影響程度控制在最小范圍，例如采取泄爆設計、設置防爆墻等措施。

要讓氫氣產生火災的可能性降到最低，首先需要使其避免被限制在封閉的空間內。一旦出現意想不到的氫氣泄漏的情況，應該采取正確的應對措施，所以需要制定應急預案，采取切斷氫源，加強通風，撤離人員等措施，還需要結合具體情況而定。