氢气爆炸原理及安全性能分析

知乎作者听海临风 2024-08-21

氢气的燃烧分为两大类，一是氢气与空气在没有预混的条件下燃烧，另一类是预混气体的燃烧。非预混气体燃烧产生的火焰范围很狂，依流量速率的不同可能是从肉眼不可见微火焰，也可能是火焰长度达到十数米的高压喷射火焰。预混气体的燃烧可能产生爆燃或爆轰。

爆燃

产生爆燃的氢气浓度必须在可燃浓度范围内。氢气的可燃浓度范围非常宽，其可燃浓度上限是75%，可燃浓度下限为4%(与空气的体积比)。在开放空间氢气火焰的燃烧速率是2-3m/s。而在受限空间的氢气/空气混合气体中（比如管道内），火焰的传播会快于燃烧速率，因为热空气的膨胀会加快火焰的传播速率。火焰传播方向的阻挡物由于会加剧为点燃的混合气体与火焰的混合，也会加快火焰的传播速率。

爆轰

爆轰可以产生1,500 m/s 到 2,000 m/s的冲击波，爆炸压力可以达到1,5 MPa 到 2 MPa。除了通过DDT由爆燃加速产生的爆轰，预混的氢气/空气混合气体直接点火也可以产生爆轰。可以直接产生爆轰的氢气浓度范围相对于产生爆燃的氢气浓度范围更窄。但是影响爆轰极限的因素很多，没有测量爆轰极限的标准方法，在各种资料上可以查到的爆轰极限有一定差异。

在旧版本的IEC/TR 15916中曾给出11%-59%（体积百分比）的参考值。

氢的安全性

氢气的物质特性非常独特，特点鲜明。氢的安全性很难简单断论，即不能说它比其他气体更危险，也不能说它比其他气体更安全。

由于氢气是可燃气体，且可燃浓度范围非常宽，最小点火能量又极低，从可燃性的角度确实非常危险。但是由于氢气非常轻且扩散极快，在开放环境和通风良好的封闭环境很难聚集达到4%的可燃浓度下限，因此氢气爆炸事故在开放环境极少发生。并且氢气燃烧火焰是向上的，事故中因为氢气火焰造成人员烧伤的危险不大。

著名的兴登堡空难，虽然有众多摄影机和现场目击人员，事故原因至今仍没有确认，比较可能的原因包括静电或雷击引燃了泄露的或在降落时主动释放的氢气。但是与公众直觉相反的一个事实是，从现场视频看虽然氢气燃烧的火焰（气艇使用的氢气并不纯净）非常迅猛骇人，但是并没有发生氢气爆炸，氢气火焰都在飞艇上方，事后调查也确认并没有任何人直接死于氢气的燃烧火焰。艇上遇难人员的死因或是由于从飞艇上坠落，或是由于飞艇上的柴油（飞艇靠柴油发动机推进，氢气只提供上浮力）或天棚和飞艇骨架的燃烧。随着飞艇落地的被拯救人员大部分只是轻伤，并没有被氢气火焰灼伤。甚至可以说恰恰是因为氢气的特性，这次空难的死亡率非常低。

丰田燃料电池车的氢气试验结果也显示虽然泄露氢气的火焰很猛烈骇人，但火焰都在车辆上方，车辆本身的损坏程度不大。而燃油车燃油泄漏燃烧往往会把车辆完全损毁，因为燃油会附着在车体材料上，火焰蔓延，将遇到的材料完全烧毁。

就像用电安全一样，用氢安全也需要公众的安全教育。在给大家介绍一些有关氢气的知识时，我们也会普及更多的氢气安全知识，至少在面对氢气或者使用含氢气产品时可以少几分非理性的害怕，多一些安全意识。

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