氫氣制-儲-輸-用過程中的安全問題及防控措施研究

2024-08-08 00:00:00楊宋萍游成旭

科技創新與應用 2024年23期

摘要：該文探討氫氣制備、儲存、輸送和應用過程中的安全問題及防控措施。安全問題涉及化學反應不穩定性、高溫高壓條件下的危險、壓力突然釋放和氣體泄漏爆炸等。從政策方面，需立法監管、制定標準、實行獎懲機制、加強信息公開和國際合作；從管理方面，建議建立安全管理體系、加強風險評估、倡導安全文化；從技術方面，提倡技術創新，研發先進技術以提高氫氣安全性和使用效率。這些措施將有助于確保氫氣在各個環節的安全應用。

關鍵詞：氫能；全產業鏈；高溫高壓；安全問題；防控措施

中圖分類號：TQ116.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0155-04

Abstract： This paper discusses the safety problems and prevention and control measures in the process of preparation， storage， transportation and application of hydrogen. Safety problems include chemical reaction instability， danger under high temperature and high pressure， sudden pressure release， gas leakage and explosion， etc. In terms of policy， it is necessary to legislate for supervision， formulate standards， implement the mechanism of reward and punishment， and strengthen information disclosure and international cooperation. From the aspect of management， it is suggested to establish a safety management system， strengthen risk assessment and promote safety culture; from the technical aspect， advocate technolog88e22a2fd7a6042fb6072ee4a9ef06fe1a1a1fa3ce208cb2d251c274c1256d32ical innovation and develop advanced technology to improve hydrogen safety and service efficiency. These measures will help to ensure the safe application of hydrogen in all aspects.

Keywords： hydrogen energy; whole industry chain; high temperature and high pressure; safety problems; prevention and control measures

氫氣作為清潔能源的代表，在應對氣候變化和緩解能源危機方面具有巨大潛力，引起了世界范圍內的廣泛關注和研究[1]。相比傳統的化石能源，氫氣具有零排放、高效能、可再生等優勢，被認為是未來能源轉型的重要選擇之一。隨著技術的進步和應用的推廣，氫氣正逐漸走向商業化和產業化，在交通運輸、工業生產、能源儲存等領域展現出了巨大的應用前景[2-4]。

在交通領域，氫燃料電池車輛作為零排放交通工具，受到了各國政府和汽車制造商的廣泛關注與支持。氫氣的高能量密度和快速加注特性，使得氫燃料電池車具備了與傳統汽車相媲美的續航里程和加注便利性，成為了解決交通領域尾氣排放和能源消耗問題的重要手段[5]。同時，在工業生產中，氫氣作為重要的原料和能源，被廣泛應用于金屬加工、化工合成、電子制造等領域，為工業生產提供了可靠的能源保障[6]。

然而，盡管氫氣具有諸多優勢和應用前景，但其在制備、儲存、輸送和使用過程中仍然面臨著諸多安全問題和挑戰[7]。首先，氫氣具有高度易燃性和爆炸性，在高溫高壓條件下易于發生危險化學反應，可能引發火災、爆炸等安全事故[8-10]。其次，氫氣在制備、儲存、輸送過程中容易發生泄漏和壓力突然釋放，對設備和人員安全造成威脅[11]。此外，氫氣的特殊性質也給安全管理和技術創新帶來了一定的挑戰，需要采取一系列的防控措施確保氫氣在各個環節的安全應用[12]。

因此，本文將著重探討氫氣在制備、儲存、輸送和使用過程中可能存在的安全問題，以及針對這些問題提出防控措施。通過深入分析氫氣安全應用的現狀和挑戰，以及政策、管理、技術等方面的對策，旨在為促進氫能產業的健康發展和推動清潔能源的廣泛應用提供參考和借鑒。

1 氫氣制-儲-輸-用過程中的安全問題

1.1 氫氣制備過程中的安全問題

1.1.1 化石燃料制氫

化石燃料制氫技術成熟且成本較低，在工業中廣泛應用[13]。其主要方法是將碳氫化合物與水蒸氣反應生成氫氣，但反應不穩定，特別是在高溫高壓條件下。例如，甲烷與水蒸氣反應生成氫氣和一氧化碳，需要800 °C以上的高溫和高壓條件。這種環境下，反應復雜，速率和選擇性受影響，增加了事故發生可能性。同時，高溫高壓環境下存在爆炸和火災風險，操作不當或設備故障可能導致氣體泄漏和壓力突然釋放，尤其是氫氣與空氣混合時，易形成爆炸性氣體混合物。

1.1.2 工業副產氫

工業副產氫是工業生產過程中副產的氫氣，無須額外能源投入，降低生產成本。雖然產量和純度可能不穩定，但已在煉油、化工、鋼鐵等行業成熟應用，用作燃料、還原劑等。然而，工業副產氫可能存在安全隱患，主要包括氫氣泄漏和氫氣爆炸。以煉油工業為例，催化裂化過程中產生的氫氣可能存在泄漏的風險。設備老化、操作不當或其他因素可能導致管道、閥門或接頭泄漏，釋放氫氣形成可燃混合物，增加爆炸風險。

1.1.3 水分解制氫

水分解制氫利用水電解產生氫氣和氧氣，環?？稍偕?，尤其在高純度氫氣需求場景下應用廣泛[14]。然而，在實際應用中仍然存在一些安全隱患。首先，電解設備和電解液可能發生電化學腐蝕，導致設備損壞和化學品泄漏。其次，電力系統穩定性對生產至關重要，故障或不穩定供電可能引發設備損壞或火災。此外，氫氣的收集、儲存、處理過程中的氣體泄漏和高度可燃性是潛在安全風險，一旦遇火源可能引發爆炸或火災。

1.1.4 生物質為原料制氫

生物質制氫利用可再生生物質資源轉化為氫氣，具有環保、可持續發展優勢，可解決廢棄生物質問題。盡管在實驗室和試點項目中有所應用，但商業化尚未成熟，需進一步研發和技術完善。該技術存在安全隱患，工藝涉及高溫高壓條件可能導致反應器內部壓力升高，甚至爆炸。特別是在生物質氣化過程中，氣體具有高度可燃性，操作不當可能引發嚴重事故。氣體收集、凈化、儲存環節存在安全風險，氫氣泄漏可能引發爆炸或火災。同時，氣體混合和凈化可能導致組分不穩定，增加爆炸和中毒風險。

1.2 氫氣儲存過程中的安全問題

氫氣儲存技術包括壓縮氫氣、液化氫氣、固態氫氣。壓縮氫氣適用于需要儲存小型氫氣量的應用。液化氫氣用于需要長期儲存大容量氫氣的場合[15]。固態氫氣技術在新興領域得到越來越多的關注，可作為未來高效、安全的氫氣儲存方案。然而，不同的儲存方式可能存在不同的安全隱患。

①壓縮氫氣的儲存過程中存在氣體泄漏和壓力突然釋放的風險。氫氣壓縮到高壓狀態后，儲存在壓力容器中。然而，由于壓力容器的使用壽命、設備老化或操作不當等因素，容器可能發生漏氣或泄漏，導致氫氣外泄。如果氣體泄漏并且與空氣混合，可能形成可燃混合物，一旦遇到火源，可能引發爆炸。此外，如果壓縮氫氣容器受到外部沖擊或損壞，可能導致容器爆炸，釋放大量氫氣，造成嚴重傷害和財產損失。②液化氫氣的儲存過程中存在液氫泄漏和液氫蒸發的風險。液化氫氣需要在極低的溫度下儲存，而液氫的沸點非常低，一旦受到外部環境溫度的影響，可能發生蒸發，釋放大量氫氣。此外，液氫儲存設施需要特殊設計和維護，以防止溫度升高、壓力增加或裝置損壞等情況發生，從而導致液氫泄漏和安全事故。③固態氫氣的儲存過程中存在氫氣吸附和釋放的風險。固態氫氣通常儲存在吸附劑或載體中，通過物理或化學吸附的方式將氫氣固定在固體表面上。然而，在儲存過程中，如果吸附劑受到濕氣、高溫或機械損傷等因素的影響，可能導致氫氣的吸附效果減弱或氫氣突然釋放，增加了爆炸和火災的風險。

1.3 氫氣輸送過程中的安全問題

氫氣的運輸方式主要包括管道輸送、氣體壓縮、液態運輸。在工業應用中，管道輸送是最常見的方式，適用于長距離、大規模氫氣輸送。氣體壓縮適用于短距離或小規模氫氣輸送。液態運輸則主要用于長距離跨?；蚩珀憵錃膺\輸[16]。然而，不同的運輸方式可能面臨不同的安全隱患。

①管道輸送過程中存在氣體泄漏和管道損壞的風險。氫氣管道輸送是一種高效且常見的氫氣運輸方式，但管道在運輸過程中可能受到外部因素影響，如地震、地質變動或施工作業等，導致管道破裂或泄漏。此外，管道的老化和腐蝕也可能導致管道泄漏，進而造成氫氣外泄和安全事故。②氣體壓縮運輸過程中存在壓力突然釋放和壓縮設備故障的風險。氫氣壓縮運輸通常使用高壓容器或氣體瓶進行，如果儲氣瓶受到外部沖擊、溫度升高或裝置損壞的影響，可能導致氣體壓力突然釋放，造成氫氣泄漏和安全事故。此外，壓縮設備的故障或操作失誤也可能導致氣體壓力異常升高或降低，進而影響氫氣的安全運輸。③液態氫氣運輸過程中存在液氫蒸發和液氫儲存設施安全問題。液態氫氣需要在極低溫下進行儲存和運輸，一旦受到外部環境溫度的影響，可能導致液氫蒸發，釋放大量氫氣。此外，液氫儲存設施需要特殊設計和維護，以防止溫度升高、壓力增加或裝置損壞等情況發生，從而導致液氫泄漏和安全事故。

1.4 氫氣應用過程中的安全問題

氫氣的應用方式主要包括燃料、化工、電力儲能和氫化反應等。在工業應用中，燃料是最常見的應用方式，包括用于燃料電池汽車、發電機組、燃料電池堆等；化工領域則將氫氣用于氨合成、加氫裂化等重要化學工藝中；電力儲能方面，氫氣被用作電力存儲的一種形式，通過電解水制備氫氣，再將其壓縮或液化儲存，以備將來發電需求；此外，氫氣還可用于氫化反應，例如在金屬加工、硬化植物油、合成化學品等領域中[17]的應用。然而，不同的應用方式可能存在不同的安全隱患。

①在燃料應用方面，主要的安全隱患包括燃料電池系統的氫氣泄漏和燃燒問題。在燃料電池汽車或發電機組中，氫氣作為燃料儲存和使用，如果發生氫氣泄漏，可能形成可燃混合物，一旦遇到火源，可能引發爆炸或火災。此外，燃料電池系統的氫氣燃燒產生的高溫和高壓也可能導致系統失控，進而影響車輛或設備的安全運行。②在化工應用方面，氫氣的安全隱患主要涉及氫氣與其他化學品的反應性和爆炸性。例如，在氨合成過程中，氫氣與氮氣反應生成氨氣，如果反應條件失控或催化劑失效，可能引發氫氣的異常反應，導致設備損壞或爆炸事故。此外，氫氣還常用于加氫裂化等化學反應中，如果操作不當或設備老化，可能導致氫氣泄漏和安全事故。③在電力儲能方面，氫氣的安全隱患主要涉及到氫氣的儲存和釋放過程。在氫氣電解制備和儲存過程中，如果電解設備失控或儲氫設施損壞，可能導致氫氣泄漏和安全事故。此外，液態或壓縮氫氣的儲存和釋放也存在氫氣泄漏和壓力突然釋放的風險，增加了安全管理的挑戰。④在氫化反應方面，安全隱患主要與氫氣的反應性和易燃性相關。氫氣在金屬加工、硬化植物油、合成化學品等領域中廣泛應用，但如果操作不當或設備失控，可能導致氫氣與其他物質的異常反應，產生可燃氣體，增加了爆炸和火災的風險。

2 氫氣安全利用的防控措施

氫氣的安全問題涉及人員安全、環境保護、財產損失等多個方面，因此在氫氣制備、儲存、運輸和應用過程中必須采取一系列安全措施。在政策、管理、技術方面不斷強化氫氣安全研究和實踐是至關重要的[18]。

2.1 政策方面

在氫氣的安全應用過程中，從政策方面可以提出以下防控措施：①立法和監管。制定相關的法律法規和政策文件，明確氫氣產業的發展方向和安全要求，加強對氫氣制備、儲存、運輸和應用等環節的監管和管理。②標準制定和推廣。制定氫氣產業的標準體系，包括安全生產標準、技術規范、行業標準等，推動標準的實施和推廣，提高氫氣安全應用水平。③獎懲激勵機制。建立健全的獎懲激勵機制，對符合安全標準和規范的企業和個人給予獎勵和表彰，對違反安全規定和發生安全事故的進行嚴厲處罰，形成良好的安全管理氛圍。④信息公開和通報。加強對氫氣安全信息的公開和通報，及時發布安全警示和事故處理情況，提高社會公眾對氫氣安全的認知和了解，增強安全防范意識。⑤技術支持和推廣。加大對氫氣安全技術的研發和應用支持力度，推廣安全性高、成本低的氫氣生產和利用技術，促進氫氣安全應用的普及和推廣。⑥國際合作和交流。加強國際合作和交流，借鑒國際先進經驗和技術，推動氫氣安全標準的國際化和統一化，共同應對氫氣產業面臨的安全挑戰。

2.2 管理方面

在氫氣的安全應用過程中，從管理方面可以提出以下防控措施：①安全管理體系建設。建立健全氫氣安全管理體系，明確安全管理職責和流程，制定安全管理制度和規章制度，確保安全管理工作的科學性和規范性。②風險評估和管控。開展氫氣安全風險評估，識別和評估各環節的安全風險，制定針對性的安全管控措施，降低安全風險的發生概率和影響程度。③應急預案和演練。制定健全的氫氣安全應急預案，明確事故應急處置流程和責任分工，定期組織安全演練和培訓，提高應急處置能力和水平。④安全監測和檢查。加強對氫氣制備、儲存、運輸和應用環節的安全監測和檢查，建立健全的安全監測網絡和設施，及時發現和排除安全隱患。⑤員工培訓和教育。組織開展安全培訓和教育活動，提高從業人員的安全意識和操作技能，確保員工具備安全生產知識和應急處理能力。⑥安全文化建設。培育企業和組織的安全文化，強調安全第一的理念，倡導員工自覺遵守安全規章制度，形成全員參與、共同維護安全的良好氛圍。⑦信息共享和溝通。加強與相關部門和企業之間的信息共享和溝通，及時交流安全信息和經驗，共同應對安全挑戰，確保氫氣安全應用的順利推進。

2.3 技術方面

在氫氣的安全應用過程中，從技術方面可以提出以下防控措施：①氫氣檢測技術。發展高效可靠的氫氣檢測技術，包括氫氣泄漏監測系統和氫氣濃度監測裝置等，實時監測氫氣的存在和濃度，及時發現和報警氫氣泄漏情況。②氫氣存儲技術。發展安全可靠的氫氣儲存技術，包括壓縮氫氣、液化氫氣、固態氫氣等儲存方式，提高儲存設施的密封性和耐壓性，降低氫氣泄漏和爆炸的風險。③氫氣輸送技術。發展安全高效的氫氣輸送技術，包括管道輸送、壓縮氫氣、液態運輸等方式，采用先進的管道材料和防護措施，確保氫氣輸送過程的安全穩定。④氫氣車輛技術。發展安全可靠的氫能汽車和燃料電池技術，包括氫氣儲存和供應系統、燃料電池堆、氫氣傳感器等關鍵技術，確保汽車運行過程的安全性和穩定性。⑤氫氣設備技術。發展安全可靠的氫氣生產和利用設備技術，包括氫氣制備、氫氣儲存、氫氣利用設備等，采用先進的材料和工藝，提高設備的安全性和穩定性。⑥氫氣反應控制技術。發展氫氣反應控制技術，包括氫氣加氫、氫氣燃燒、氫氣化學反應等，控制氫氣反應的溫度、壓力、速率，降低事故風險和影響程度。

3 結論與展望

本研究對氫氣全產業鏈的安全問題進行了分析，包括制備、儲存、輸送和應用過程中的安全隱患。針對這些問題，從政策、管理、技術方面提出了一系列防控措施。在制備階段，需關注化學反應不穩定性和高溫高壓條件下的危險；在儲存和輸送中，應重視氣體泄漏、壓力突然釋放、設施損壞；在應用領域，必須注意燃燒、爆炸等問題。加強政策引導、安全管理、技術創新至關重要。在政策方面，需立法監管、制定標準、實行獎懲激勵、加強信息公開和國際合作。在安全管理方面，應建立健全體系、加強風險評估管控、制定應急預案、加強員工培訓和倡導安全文化。技術創新是保障氫氣安全應用的關鍵，通過研發先進技術提高氫氣的安全性、穩定性和使用效率。未來，需要進一步加強安全管理和技術創新，有效解決氫氣在各環節的安全問題，實現其安全、高效應用，為清潔能源產業發展和應對氣候變化作出貢獻。

參考文獻：

[1] 王剛，王會玲，孟凡.實施氫能產業標準體系建設開啟氫能發展新征程[J].質量與認證，2024（2）：27-29.

[2] 倪耀琪，朱恒愷.“雙碳”目標下氫能發展機遇、難點與路徑選擇[J].現代化工，2024，44（2）：1-8.

[3] 徐飛，李曉霞，馬馳.新型電力系統中氫能綜合利用的發展[J].科技創新與應用，2022，12（15）：92-95.

[4] WANG Q， WAN H， GAO W， et al. Flame propagation characteristics of premixed hydrogen-air deflagration with low concentration in a pipeline[J].International Journal of Hydrogen Energy， 2024，51：781-793.

[5] 朱浩然.燃料電池車載液氫供給系統泄漏擴散數值模擬研究[D].北京：北京交通大學，2023.

[6] 宋睿悅.敞開環境下低溫氫氣泄漏危險和擴散特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2021.

[7] 何鈺江，劉會燈，王皓宇，等.“雙碳”目標下氫能發展體系構建和產業創新布局展望[J].電工電能新技術，2023，42（9）：65-76.

[8] 汪侃，周明君，張思琪，等.油氫合建站高壓儲氫容器組事故后果研究[J].安全與環境學報，2023，23（6）：2024-2032.

[9] 段強領，曾倩，李萍，等.管道內障礙物對高壓氫泄漏自燃特性的影響研究[J].中國安全科學學報，2020，30（9）：164-170.

[10] 王旭，丁玨，楊小權，等.高壓儲氫系統泄漏爆炸事故的動力學演化[J].中國安全生產科學技術，2023，19（3）：150-156.

[11] 沈曉波，章雪凝，劉海峰.高壓氫氣泄漏相關安全問題研究與進展[J].化工學報，2021，72（3）：1217-1229.

[12] 王守信，馬娜，秦凡.中國氫能產業有序發展面臨的挑戰與對策[J].現代化工，2023，43（9）：1-5.

[13] 李雷，聶薈揚.雙碳目標下煤氫協同發展路徑分析[J].現代化工，2024，44（1）：8-12，17.

[14] 劉明昊，解輝，張振揚.制氫用堿性水電解槽隔膜材料研究進展[J].化工新型材料，2023，51（S2）：561-564.

[15] 王鑫，陳叔平，朱鳴.液氫儲運技術發展現狀與展望[J].太陽能學報，2024，45（1）：500-514.

[16] 李星國.氫氣制備和儲運的狀況與發展[J].科學通報，2022，67（Z1）：425-436.