中国车用氢能产业正处于快速起步阶段。充分认识氢气的危险性、安全利用氢能是我国车用氢能产业健康发展的基础。
氢气是易燃易爆气体,利用过程的安全措施一旦失当,容易发生着火爆炸事故,造成人员伤亡和财产损失,但目前对氢气的危险性解读存在一些误区。2019 年,美国、韩国、挪威分别在氢运输、储存、加注过程发生了氢安全事故,导致当地宣布暂停加氢站运营,引发了业界对 FCEV 产业健康发展的担忧和对氢能利用安全技术研究的重视与关注。氢能安全利用贯穿氢气的生产、储运、加注、FCEV 利用等环节,是 FCEV 产业健康发展的首要保障。
科学认识氢气危险性,合理制定用氢安全对策
氢气的理化性质
氢是自然界广泛存在的元素,煤炭、石油、天然气、动物、植物乃至人体都含有氢元素。氢气具有无色、无味、无毒、可燃易爆的特点,密度为 0.0899 kg/Nm3,沸点为 –252.8℃,常温下,氢气性质稳定。下表列出了汽油、天然气、氢气的物理化学性质。与汽油和天然气相比,氢气具有三个特性。
汽油、天然气、氢气的物理化学性质 ▼
一是氢气爆炸浓度下限与燃烧浓度下限差值远高于汽油和天然气。为了强调其爆炸的危险性,一些文献资料只介绍爆炸浓度范围,甚至将燃烧浓度范围直接作为爆炸浓度范围。在分析氢气的安全性时,既要关注燃烧浓度范围,也要关注爆炸浓度范围。两者之间是有明显差异的,如果将氢气的燃烧浓度范围当作爆炸浓度范围,就放大了氢气的易爆性。
二是氢气燃烧时单位体积发热量和单位体积爆炸能相对较低。氢气燃烧时单位体积发热量仅为汽油的 0.053%,单位体积的爆炸能量为汽油的 4.57%。
三是氢气的比重最低。当空气的比重为 1 时,汽油蒸气的比重在 3.4~4.0,氢气仅为 0.0695,汽油在空气中泄漏时会积聚在地面上,氢气泄漏至空气中很容易向上扩散,在受限空间内会集聚在上部,如果受限空间的上部有良好的通风措施,氢气就不容易集聚。
氢与材料的相容性问题
氢与材料的相容性问题是高压氢气系统选择金属材料时必须十分重视的问题,与储氢瓶、管线、阀门、仪表、管件使用中的安全性密切相关。
氢脆 ▼
氢气在达到一定温度和压力时,会解离成直径很小的氢原子向金属材料中渗透,进入材料的氢原子又会在材料内部转化为氢分子,还会和材料中的碳发生反应造成脱碳并生成甲烷,从而在材料内部产生很大的应力,使材料的塑性和屈服强度下降而造成材料发生裂纹与断裂。如何选择材料防止氢脆,提高氢气与材料的相容性应进行必要的研究,而且 FCEV 供氢系统要在升压降压反复循环条件下长期运行,材料选择时还必须十分关注材料的抗疲劳性能。
氢能利用的安全对策
氢气和天然气均为易燃易爆气体,对比物理化学性质,氢气的危险性不高于天然气。天然气已经进入千家万户成为日常使用的清洁燃气,像管理天然气一样管理氢气,落实安全措施,氢能是可以安全利用的。鉴于氢气的物理化学性质和天然气安全使用的经验,氢气的安全利用应遵守三个基本原则:
一是不泄漏,即防止氢气尤其是压缩氢气系统的氢气泄漏。要确保储氢瓶、阀门、安全阀、管件、接头及连接件、仪表、垫圈的可靠性,选用的金属材料与氢要有良好的相容性。
二是早发现,即氢气泄漏后能及早发现。要在容易发生氢气泄漏的部位设置高灵敏度的氢气浓度自动检测仪表及报警装置,一旦发生泄漏能及时报警处理。
三是不积累,即防止氢气泄漏后的积聚。受限空间如加氢站储氢瓶的储存间和氢气压缩机间要具备良好的通风性能,易发生氢气泄漏的部位要设置与氢气检测报警联动的防爆强制通风设备,氢气泄漏时要能够迅速启动强制通风设备,使氢气尽快向空中扩散。
原标题:沈阳氢车爆裂事件,如何确保氢车安全?