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扩散速度是天然气6倍!氢能真的安全吗?

 发布时间:2022-01-12    点击量:309

要说2021年新能源赛道中什么概念最火热?答案莫过于氢能。氢能是双碳目标下的重要能源之一,现如今氢能产业已经进入发展快车道。


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尽管氢能概念如此火热,但有一个话题却无法回避——氢能的安全性。

在很多人的认知中,氢气危险系数较高,毕竟氢气球爆炸、储氢罐爆炸等事故让许多人谈氢色变。正因如此,氢燃料电池汽车也被贴上了是一枚装在轮子上的“爆炸”标签。

但事实真是如此吗?众多业内专家认为,恐惧源自未知。
 

一、科学认识氢气危险性

判定一种能源的安全性首先要了解这种能源的特性。清华大学教授毛宗强认为,每种能源载体都有其物理、化学、技术性等特有的安全问题。

氢气无色无味,具有易燃性、易爆性、扩散性、易发生氢脆等特点,氢气泄漏后与空气混合,遇到明火、静电会发生燃烧或爆炸。所以业界谈氢色变。但氢气并非不可捉摸,其安全风险是可控的。氢气爆炸极限是体积密度达到4.0%~75%,即氢气在空气中的体积浓度在4.0%~75%之间时,遇火源就会爆炸,而当氢气浓度小于4.0%或大于75%时,即使遇到火源,也不会爆炸。

如果从爆炸极限、可扩散性及燃烧来看,与汽油、丙烷、甲烷进行比较,氢气的安全性远远高于这几种燃料。氢气扩散很快,扩散速度是天然气的六倍,极不易形成可爆炸的器物。

在氢能的历史发展过程中,不可避免的会出现大大小小的安全事件。曾有相关研究机构对氢能的相关事故原因进行了统计分析,在众多事故原因当中,排在前三位的是设备本身质量问题、氢能系统设计缺陷和人为原因,比例分别为40%、10%和9%,加起来占到了事故原因总比例的59%,而且主要原因还是与氢系统有直接关系的设备问题。


 

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二、氢能全产业链各个环节的安全特点和难点

氢能产业链分为上游制氢、中游储氢和下游应用三大环节,产业链长且分布广泛。经过数年的技术积累与政策扶持,氢燃料电池汽车已成为氢能产业重要的发展方向之一。虽然自研发运营以来,国内并未发生过严重的氢安全事故,但整个氢能产业链仍有危险点需要时刻注意。

1、制氢:目前系统、设备等安全方面比较成熟

制氢已有数年基础。基于我国数十年的工业气体生产经验,已形成较为成熟的商业化技术(水电解、变压吸附提纯等)和相对完整的标准体系,以氢源安全制取为核心,明确了系统技术条件、安全要求等重点内容。

制氢提取工艺流程较多。设备设施复杂,需要经过由气态到液态再到气态的多种状态转化,一旦管道或容器的安全监测及预警技术不到位易发生泄漏事故,加之工厂的环境温度较高,容易发生事故。

氢气对制氢机的腐蚀。水电解制氢设备的气液出口存在严重的冲蚀磨损现象,且随着设备产气量的增大,磨蚀现象变得更严重。在制氢过程中,氢气的分子小,一旦隔膜出现问题,氢分子将向氧室渗透,就会引起氢气纯度下降和制氢设备的危险。

2、储氢:保证储氢安全是重中之重

大家都知道,要想保证氢能如煤炭、石油等能源一般,方便消费者们的日常使用,如何保证储氢安全是重中之重。

据了解,目前氢能赛道中,高压气态储氢是比较常用且技术发展比较成熟的储氢方式。而高压气态储氢想要安全有效使用,离不开一个小小的零部件——瓶口组合阀。

储氢容器也容易因操作失误、材料问题而发生安全事故。“高压储氢容器属于压力容器,事故往往是由于在使用过程中没有严格按照标准和操作规范而造成的,如氢气罐混入其他气体,在一定条件下会产生化学反应爆炸。同时,某些储氢材料长期在氢环境下工作,会出现性能劣化的现象,严重威胁设备安全。因此与氢气相关的部件,管路、阀门、泵、储氢容器必须防止氢气泄漏,安装氢气传感器并实时监测也尤为重要。

3、输氢:氢能实现安全应用的关键环节之一

目前,对于氢安全的研究领域主要集中在储氢系统和输氢系统,储氢和氢能运输的安全性,是氢能产业是否能够彻底市场化,最终实现安全应用的两个最关键环节。

输氢系统主要包括氢气长管拖车、氢气管道、专用运输船舶、液氢或氢浆槽罐车和低温绝热管道。因为氢气没有大规模的应用,目前管道运输发展缓慢,国标、规范也没有跟上。液氢运输也缺少一定的规范,所以目前大多数都用的是长管拖车这种运输方式。长管拖车运输方式比较古老,直到现在液化天然气都采用这种方式,非常安全。

4、加氢站:安全要求高,管理难度大

近年来多个国家和地区已将氢能和燃料电池发展提升到国家战略层面。加氢站是支撑氢燃料电池汽车发展必要的基础设施,其建设数量和普及程度,在很大程度上决定了氢燃料电池汽车的产业化进程。

加氢站比加油站安全要求高,因为氢气无色无味,这就给加氢站安全管理加大了难度。一般的加氢站主要设备包括:大容量高压氢气管束车,无油隔膜式氢压机,加氢站高压储气瓶组,高压氢气加注机,高压氢气专用阀件等,其中高压储气瓶因储氢时间长,容量大,压力高等原因,容易发生氢气泄漏。

此外,由于氢气具有扩散系数大,爆炸极限宽,点火温度低等特点,因此一旦发生泄漏,极易引起爆炸与火灾,会对加氢站周围的生命和财产安全造成极大的损失。

加氢站目前在国内处在发展阶段,加氢站的管理办法和审批办法等各地尚未统一,加氢站及氢能行业相关的国家规范仍不全面,近几年氢能相关国家规范也在不断更新和补充。随着氢能行业的发展,加氢站的建设速度将远远超过目前,而加氢站的建设和运营,尤其是运营安全是后续加氢站管理的重中之重。

5、燃料汽车:保障车载供氢系统安全性

对于氢能主要应用领域之一——燃料汽车,车载供氢系统是燃料电池汽车的重要组成部分。该系统主要由高压储氢瓶、加注口、安全阀、溢流阀、减压阀、压力和温度传感器等组成。

一般来说,氢气爆炸要满足燃烧的三要素,即达到氢气爆炸极限,还要施加静电、明火或混合空气温度达到一定值。而车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶在使用过程中处于完全封闭状态,发生安全事故的可能性极小。

“保障车载供氢系统安全性主要从预防与监控两方面着手。技术设计方面,不仅具备过温保护、低压报警、过压保护、过流保护等功能,还考虑到了碰撞安全、氢气泄漏的控制等因素;零部件制造方面,储氢瓶和系统管路必须选择合适的材料以及保护结构。”


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三、氢能源在安全性上的优点

凡事有利就有弊,氢能源在安全性上的优点也很重要:

氢气具有很高的扩散系数和浮力,泄露时浓度会迅速降低。

如果发生爆炸,氢气的爆炸能量是常见燃气中最是低的,就单位体积爆炸能而言,氢气爆炸能仅为汽油气的1/22。

氢能安全利用的三个原则:不泄露、早发现、不积累

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。

正所谓安全无小事,随着氢能源技术的发展,这也鞭策氢能产业链不同环节的企业,以及国内相关部门,在加快发展的同时必须提升对安全问题的重视,将潜在风险消灭在萌芽状态。

中国汽车工程学会秘书长张进华曾表示,人们已经习惯于汽油作为燃料,对氢气这种燃料缺乏了解,如果有必要的保护措施,安全使用是完全可以做到的。所以,氢能的安全使用不仅要从技术上保障,还要提高大众对于氢能安全性的认识。

 

文章来源:长三角氢能基础设施产业联盟公众号  侵删
图文来源:氢能汇

 

 

 

 

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