三一氢能：一文了解氢气安全特性

氢气无色无味，泄漏时易扩散，减少爆炸风险。燃烧产生高温，火焰在白天几乎不可见。氢气燃烧速度快，需严格监控。合理管理可降低氢气作为燃料的风险。

氢气在大气条件下是一种无色、无味的气体，在任何浓度下都无法被人体感官直接感知。然而，它能够通过稀释空气中的氧气导致窒息，当氧气浓度低于19.5%时，环境就会变成缺氧环境。在这种情况下，人体可能会出现头晕、呼吸困难等症状，甚至在严重情况下可能会导致失去意识。因此，氢气作为燃料具有潜在的危险性，尤其是在没有足够检测和监控的情况下，更加难以被及时发现和处理，存在较大的安全隐患。此外，氢气在适宜的条件下容易被点燃，其极高的可燃性和爆炸性进一步增加了使用中的风险。

随着氢气被大规模使用，尤其是作为清洁能源的载体，氢气的泄漏问题变得尤为重要。研究表明，在相同的条件下，氢气从储存容器或管道中的泄漏量比甲烷多出1.3至2.8倍，而其泄漏量约为空气泄漏量的4倍。由于氢分子体积小、密度低，氢气极易通过微小的缝隙泄漏，因此，即使密封措施非常严格，也很难完全防止氢气泄漏。这一特点对氢气的储存和运输提出了更高的要求。然而，氢气的另一个特点是，它能够通过快速扩散和浮力作用迅速在空气中分散，这意味着即便发生泄漏，氢气也会很快稀释，从而降低危险区域内的氢气浓度，减小爆炸风险。

氢气在常温常压（NTP）下的密度约为空气的1/14，因此，一旦泄漏，氢气会迅速向上飘浮。这种特性使得氢气泄漏时能快速离开地面，减少了点火或爆炸的风险。然而，氢气的饱和蒸气比空气重，这意味着在温度上升之前，饱和氢蒸气会保持贴近地面移动，增加了燃烧和爆炸的潜在危险。泄漏的氢气在常温常压条件下的浮力作用使得其气云移动速度约为1.2至9m/s，具体移动速度取决于氢气与空气之间的密度差。当涉及到液氢（LH2）时，泄漏产生的低温高密度燃料蒸气会首先在地面附近移动，其上浮速度比常温下的氢气蒸气更慢，这可能会增加近地面的燃烧风险。

氢气的火焰特性也有别于常见的燃料。氢气在空气中的燃烧辐射光谱主要集中在红外线和紫外线区域，因此，在白天很难看到氢气的火焰，尤其是在明亮的环境下，几乎不可见。如果在肉眼可见的情况下看到氢气火焰，这通常是由空气中的水分或悬浮颗粒引起的杂质燃烧所致。在黑暗环境中，氢气火焰相对容易被看到，呈现出淡蓝色或紫色的光芒。此外，在白天可以通过观察“热波”现象或感知到的热辐射来识别氢气火焰。当暴露于氢气火焰中时，人员可能会受到严重的热辐射伤害，特别是在没有适当的防护设备情况下，暴露时间较长可能导致严重烧伤。

关于氢气的火焰温度，实验表明，当空气中含有19.6%（体积浓度）的氢气时，氢气着火后的火焰温度可高达2318K。这种高温火焰不仅对周围环境构成极大威胁，也增加了灭火的难度。

燃烧速度是衡量燃料-空气混合物在亚音速条件下传播速度的重要参数。氢气在空气中的燃烧速度范围为2.65至3.46m/s，具体速度受压力、温度以及混合物组分的影响。这一速度远高于甲烷（氢气的燃烧速度比甲烷高出一个数量级），在标准温度压力（STP）下，氢气在空气中的最大燃烧速度为0.45m/s，这意味着氢气比甲烷具有更高的爆炸潜力。因此，一旦氢气发生燃烧或爆炸，控制和遏制其爆炸的难度也会更大。

氢火焰的热辐射是另一个需要特别关注的因素，暴露于氢火焰中不仅会遭受直接的火焰灼伤，还可能受到热辐射的严重伤害。火焰的热辐射强度在很大程度上取决于大气中的水蒸气含量，水蒸气能够吸收部分辐射热量，从而降低火焰的辐射强度。因此，在评估氢火焰的危险性时，水蒸气的含量是一个重要的参考因素。氢火焰的辐射强度可通过以下公式来计算：

I=IOe-0.0046wr

【IO为初始强度[能量/(时间·面积)];w=水蒸气含量(质量百分比);r为距离(m)】

随着水蒸气含量的增加或距离火源的增加，火焰的辐射强度会逐渐减弱。

氢气的极限氧指数是指在燃料蒸气与空气混合物中维持火焰传播的最低氧气浓度。对于氢气而言，在常温常压条件下，如果混合物中的氧气体积浓度小于5%，则火焰不会传播，这为氢气火焰的控制提供了理论依据。

通过实验，氧气、氮气、二氧化碳、氮气和水蒸气可作为氢气的稀释剂。在降低空气中氢气可燃极限方面，氩气是效果最差的稀释剂。水蒸气试验测试在422K（约149℃）条件下进行。可见，水是降低空气中氢气燃烧极限最有效的稀释剂。

(图：氢气-氧气-氦气混合物燃烧极限)

注：在压力位101.3kPa(1atm)和温度为298K（25℃）条件下，H2-O2-N2混合物的燃烧极限；均为体积百分比。

(图：氦气、二氧化碳、氮气和水蒸气对空气中氢气燃烧极限的影响)

注：在101.3kPa(1atm)的空气中，稀释到N2,He、CO2和H2O对氢气燃烧极限的影响，N2、He和CO2的影响在298K（25℃）条件下测得，H2O的影响在422K（约149℃）条件下测得；均为体积百分比。

焦耳-汤姆逊效应在氢气膨胀过程中也值得关注。当气体通过多孔塞、小孔或喷嘴从高压向低压膨胀时，温度通常会下降，但某些情况下，气体在超临界温度和压力下膨胀时温度反而会上升。对于氢气，当其膨胀时，如果超过202K这一临界温度，温度会随着膨胀而上升。然而，焦耳-汤姆逊效应引起的温度升高通常不足以点燃氢气-空气混合物。例如，当氢气从100MPa的高压膨胀至0.1MPa时，温度从300K升至346K，远低于氢气的自燃温度（在1个大气压下为858K，低压下为620K），因此焦耳-汤姆逊效应不会导致氢气自燃。

虽然氢气作为燃料具有较大的爆炸潜力和火焰危险，但通过合理的泄漏控制、火焰识别和燃烧特性研究，可以有效减少其潜在危险并提升安全性。