氫氣制-儲-輸-用過程中的安全問題及防控措施研究

摘 要：該文探討氫氣制備、儲存、輸送和應(yīng)用過程中的安全問題及防控措施。安全問題涉及化學(xué)反應(yīng)不穩(wěn)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(jiān)管、制定標(biāo)準(zhǔn)、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(fēng)險評估、倡導(dǎo)安全文化；從技術(shù)方面，提倡技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)先進技術(shù)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(huán)節(jié)的安全應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：氫能；全產(chǎn)業(yè)鏈；高溫高壓；安全問題；防控措施

中圖分類號：TQ116.2 文獻標(biāo)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(yīng)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(nèi)的廣泛關(guān)注和研究[1]。相比傳統(tǒng)的化石能源，氫氣具有零排放、高效能、可再生等優(yōu)勢，被認(rèn)為是未來能源轉(zhuǎn)型的重要選擇之一。隨著技術(shù)的進步和應(yīng)用的推廣，氫氣正逐漸走向商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化，在交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)、能源儲存等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景[2-4]。

在交通領(lǐng)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(guān)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(tǒng)汽車相媲美的續(xù)航里程和加注便利性，成為了解決交通領(lǐng)域尾氣排放和能源消耗問題的重要手段[5]。同時，在工業(yè)生產(chǎn)中，氫氣作為重要的原料和能源，被廣泛應(yīng)用于金屬加工、化工合成、電子制造等領(lǐng)域，為工業(yè)生產(chǎn)提供了可靠的能源保障[6]。

然而，盡管氫氣具有諸多優(yōu)勢和應(yīng)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(zhàn)[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(fā)生危險化學(xué)反應(yīng)，可能引發(fā)火災(zāi)、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(fā)生泄漏和壓力突然釋放，對設(shè)備和人員安全造成威脅[11]。此外，氫氣的特殊性質(zhì)也給安全管理和技術(shù)創(chuàng)新帶來了一定的挑戰(zhàn)，需要采取一系列的防控措施確保氫氣在各個環(huán)節(jié)的安全應(yīng)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(yīng)用的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，以及政策、管理、技術(shù)等方面的對策，旨在為促進氫能產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展和推動清潔能源的廣泛應(yīng)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(shù)成熟且成本較低，在工業(yè)中廣泛應(yīng)用[13]。其主要方法是將碳氫化合物與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣，但反應(yīng)不穩(wěn)定，特別是在高溫高壓條件下。例如，甲烷與水蒸氣反應(yīng)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(huán)境下，反應(yīng)復(fù)雜，速率和選擇性受影響，增加了事故發(fā)生可能性。同時，高溫高壓環(huán)境下存在爆炸和火災(zāi)風(fēng)險，操作不當(dāng)或設(shè)備故障可能導(dǎo)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(yè)副產(chǎn)氫

工業(yè)副產(chǎn)氫是工業(yè)生產(chǎn)過程中副產(chǎn)的氫氣，無須額外能源投入，降低生產(chǎn)成本。雖然產(chǎn)量和純度可能不穩(wěn)定，但已在煉油、化工、鋼鐵等行業(yè)成熟應(yīng)用，用作燃料、還原劑等。然而，工業(yè)副產(chǎn)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(yè)為例，催化裂化過程中產(chǎn)生的氫氣可能存在泄漏的風(fēng)險。設(shè)備老化、操作不當(dāng)或其他因素可能導(dǎo)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(fēng)險。

1.1.3 水分解制氫

水分解制氫利用水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，環(huán)?？稍偕?，尤其在高純度氫氣需求場景下應(yīng)用廣泛[14]。然而，在實際應(yīng)用中仍然存在一些安全隱患。首先，電解設(shè)備和電解液可能發(fā)生電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致設(shè)備損壞和化學(xué)品泄漏。其次，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性對生產(chǎn)至關(guān)重要，故障或不穩(wěn)定供電可能引發(fā)設(shè)備損壞或火災(zāi)。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(fēng)險，一旦遇火源可能引發(fā)爆炸或火災(zāi)。

1.1.4 生物質(zhì)為原料制氫

生物質(zhì)制氫利用可再生生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為氫氣，具有環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，可解決廢棄生物質(zhì)問題。盡管在實驗室和試點項目中有所應(yīng)用，但商業(yè)化尚未成熟，需進一步研發(fā)和技術(shù)完善。該技術(shù)存在安全隱患，工藝涉及高溫高壓條件可能導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部壓力升高，甚至爆炸。特別是在生物質(zhì)氣化過程中，氣體具有高度可燃性，操作不當(dāng)可能引發(fā)嚴(yán)重事故。氣體收集、凈化、儲存環(huán)節(jié)存在安全風(fēng)險，氫氣泄漏可能引發(fā)爆炸或火災(zāi)。同時，氣體混合和凈化可能導(dǎo)致組分不穩(wěn)定，增加爆炸和中毒風(fēng)險。

1.2 氫氣儲存過程中的安全問題

氫氣儲存技術(shù)包括壓縮氫氣、液化氫氣、固態(tài)氫氣。壓縮氫氣適用于需要儲存小型氫氣量的應(yīng)用。液化氫氣用于需要長期儲存大容量氫氣的場合[15]。固態(tài)氫氣技術(shù)在新興領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)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(fēng)險。氫氣壓縮到高壓狀態(tài)后，儲存在壓力容器中。然而，由于壓力容器的使用壽命、設(shè)備老化或操作不當(dāng)?shù)纫蛩?，容器可能發(fā)生漏氣或泄漏，導(dǎo)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(fā)爆炸。此外，如果壓縮氫氣容器受到外部沖擊或損壞，可能導(dǎo)致容器爆炸，釋放大量氫氣，造成嚴(yán)重傷害和財產(chǎn)損失。②液化氫氣的儲存過程中存在液氫泄漏和液氫蒸發(fā)的風(fēng)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(huán)境溫度的影響，可能發(fā)生蒸發(fā)，釋放大量氫氣。此外，液氫儲存設(shè)施需要特殊設(shè)計和維護，以防止溫度升高、壓力增加或裝置損壞等情況發(fā)生，從而導(dǎo)致液氫泄漏和安全事故。③固態(tài)氫氣的儲存過程中存在氫氣吸附和釋放的風(fēng)險。固態(tài)氫氣通常儲存在吸附劑或載體中，通過物理或化學(xué)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(dǎo)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(zāi)的風(fēng)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(tài)運輸。在工業(yè)應(yīng)用中，管道輸送是最常見的方式，適用于長距離、大規(guī)模氫氣輸送。氣體壓縮適用于短距離或小規(guī)模氫氣輸送。液態(tài)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(fēng)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(zhì)變動或施工作業(yè)等，導(dǎo)致管道破裂或泄漏。此外，管道的老化和腐蝕也可能導(dǎo)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(shè)備故障的風(fēng)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(dǎo)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(shè)備的故障或操作失誤也可能導(dǎo)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(tài)氫氣運輸過程中存在液氫蒸發(fā)和液氫儲存設(shè)施安全問題。液態(tài)氫氣需要在極低溫下進行儲存和運輸，一旦受到外部環(huán)境溫度的影響，可能導(dǎo)致液氫蒸發(fā)，釋放大量氫氣。此外，液氫儲存設(shè)施需要特殊設(shè)計和維護，以防止溫度升高、壓力增加或裝置損壞等情況發(fā)生，從而導(dǎo)致液氫泄漏和安全事故。

1.4 氫氣應(yīng)用過程中的安全問題

氫氣的應(yīng)用方式主要包括燃料、化工、電力儲能和氫化反應(yīng)等。在工業(yè)應(yīng)用中，燃料是最常見的應(yīng)用方式，包括用于燃料電池汽車、發(fā)電機組、燃料電池堆等；化工領(lǐng)域則將氫氣用于氨合成、加氫裂化等重要化學(xué)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(fā)電需求；此外，氫氣還可用于氫化反應(yīng)，例如在金屬加工、硬化植物油、合成化學(xué)品等領(lǐng)域中[17]的應(yīng)用。然而，不同的應(yīng)用方式可能存在不同的安全隱患。

①在燃料應(yīng)用方面，主要的安全隱患包括燃料電池系統(tǒng)的氫氣泄漏和燃燒問題。在燃料電池汽車或發(fā)電機組中，氫氣作為燃料儲存和使用，如果發(fā)生氫氣泄漏，可能形成可燃混合物，一旦遇到火源，可能引發(fā)爆炸或火災(zāi)。此外，燃料電池系統(tǒng)的氫氣燃燒產(chǎn)生的高溫和高壓也可能導(dǎo)致系統(tǒng)失控，進而影響車輛或設(shè)備的安全運行。②在化工應(yīng)用方面，氫氣的安全隱患主要涉及氫氣與其他化學(xué)品的反應(yīng)性和爆炸性。例如，在氨合成過程中，氫氣與氮氣反應(yīng)生成氨氣，如果反應(yīng)條件失控或催化劑失效，可能引發(fā)氫氣的異常反應(yīng)，導(dǎo)致設(shè)備損壞或爆炸事故。此外，氫氣還常用于加氫裂化等化學(xué)反應(yīng)中，如果操作不當(dāng)或設(shè)備老化，可能導(dǎo)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(shè)備失控或儲氫設(shè)施損壞，可能導(dǎo)致氫氣泄漏和安全事故。此外，液態(tài)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(fēng)險，增加了安全管理的挑戰(zhàn)。④在氫化反應(yīng)方面，安全隱患主要與氫氣的反應(yīng)性和易燃性相關(guān)。氫氣在金屬加工、硬化植物油、合成化學(xué)品等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，但如果操作不當(dāng)或設(shè)備失控，可能導(dǎo)致氫氣與其他物質(zhì)的異常反應(yīng)，產(chǎn)生可燃氣體，增加了爆炸和火災(zāi)的風(fēng)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(huán)境保護、財產(chǎn)損失等多個方面，因此在氫氣制備、儲存、運輸和應(yīng)用過程中必須采取一系列安全措施。在政策、管理、技術(shù)方面不斷強化氫氣安全研究和實踐是至關(guān)重要的[18]。

2.1 政策方面

在氫氣的安全應(yīng)用過程中，從政策方面可以提出以下防控措施：①立法和監(jiān)管。制定相關(guān)的法律法規(guī)和政策文件，明確氫氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向和安全要求，加強對氫氣制備、儲存、運輸和應(yīng)用等環(huán)節(jié)的監(jiān)管和管理。②標(biāo)準(zhǔn)制定和推廣。制定氫氣產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系，包括安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，推動標(biāo)準(zhǔn)的實施和推廣，提高氫氣安全應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的企業(yè)和個人給予獎勵和表彰，對違反安全規(guī)定和發(fā)生安全事故的進行嚴(yán)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(fā)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(rèn)知和了解，增強安全防范意識。⑤技術(shù)支持和推廣。加大對氫氣安全技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用支持力度，推廣安全性高、成本低的氫氣生產(chǎn)和利用技術(shù)，促進氫氣安全應(yīng)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(jīng)驗和技術(shù)，推動氫氣安全標(biāo)準(zhǔn)的國際化和統(tǒng)一化，共同應(yīng)對氫氣產(chǎn)業(yè)面臨的安全挑戰(zhàn)。

2.2 管理方面

在氫氣的安全應(yīng)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(shè)。建立健全氫氣安全管理體系，明確安全管理職責(zé)和流程，制定安全管理制度和規(guī)章制度，確保安全管理工作的科學(xué)性和規(guī)范性。②風(fēng)險評估和管控。開展氫氣安全風(fēng)險評估，識別和評估各環(huán)節(jié)的安全風(fēng)險，制定針對性的安全管控措施，降低安全風(fēng)險的發(fā)生概率和影響程度。③應(yīng)急預(yù)案和演練。制定健全的氫氣安全應(yīng)急預(yù)案，明確事故應(yīng)急處置流程和責(zé)任分工，定期組織安全演練和培訓(xùn)，提高應(yīng)急處置能力和水平。④安全監(jiān)測和檢查。加強對氫氣制備、儲存、運輸和應(yīng)用環(huán)節(jié)的安全監(jiān)測和檢查，建立健全的安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和設(shè)施，及時發(fā)現(xiàn)和排除安全隱患。⑤員工培訓(xùn)和教育。組織開展安全培訓(xùn)和教育活動，提高從業(yè)人員的安全意識和操作技能，確保員工具備安全生產(chǎn)知識和應(yīng)急處理能力。⑥安全文化建設(shè)。培育企業(yè)和組織的安全文化，強調(diào)安全第一的理念，倡導(dǎo)員工自覺遵守安全規(guī)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(guān)部門和企業(yè)之間的信息共享和溝通，及時交流安全信息和經(jīng)驗，共同應(yīng)對安全挑戰(zhàn)，確保氫氣安全應(yīng)用的順利推進。

2.3 技術(shù)方面

在氫氣的安全應(yīng)用過程中，從技術(shù)方面可以提出以下防控措施：①氫氣檢測技術(shù)。發(fā)展高效可靠的氫氣檢測技術(shù)，包括氫氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)和氫氣濃度監(jiān)測裝置等，實時監(jiān)測氫氣的存在和濃度，及時發(fā)現(xiàn)和報警氫氣泄漏情況。②氫氣存儲技術(shù)。發(fā)展安全可靠的氫氣儲存技術(shù)，包括壓縮氫氣、液化氫氣、固態(tài)氫氣等儲存方式，提高儲存設(shè)施的密封性和耐壓性，降低氫氣泄漏和爆炸的風(fēng)險。③氫氣輸送技術(shù)。發(fā)展安全高效的氫氣輸送技術(shù)，包括管道輸送、壓縮氫氣、液態(tài)運輸?shù)确绞?，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(wěn)定。④氫氣車輛技術(shù)。發(fā)展安全可靠的氫能汽車和燃料電池技術(shù)，包括氫氣儲存和供應(yīng)系統(tǒng)、燃料電池堆、氫氣傳感器等關(guān)鍵技術(shù)，確保汽車運行過程的安全性和穩(wěn)定性。⑤氫氣設(shè)備技術(shù)。發(fā)展安全可靠的氫氣生產(chǎn)和利用設(shè)備技術(shù)，包括氫氣制備、氫氣儲存、氫氣利用設(shè)備等，采用先進的材料和工藝，提高設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。⑥氫氣反應(yīng)控制技術(shù)。發(fā)展氫氣反應(yīng)控制技術(shù)，包括氫氣加氫、氫氣燃燒、氫氣化學(xué)反應(yīng)等，控制氫氣反應(yīng)的溫度、壓力、速率，降低事故風(fēng)險和影響程度。

3 結(jié)論與展望

本研究對氫氣全產(chǎn)業(yè)鏈的安全問題進行了分析，包括制備、儲存、輸送和應(yīng)用過程中的安全隱患。針對這些問題，從政策、管理、技術(shù)方面提出了一系列防控措施。在制備階段，需關(guān)注化學(xué)反應(yīng)不穩(wěn)定性和高溫高壓條件下的危險；在儲存和輸送中，應(yīng)重視氣體泄漏、壓力突然釋放、設(shè)施損壞；在應(yīng)用領(lǐng)域，必須注意燃燒、爆炸等問題。加強政策引導(dǎo)、安全管理、技術(shù)創(chuàng)新至關(guān)重要。在政策方面，需立法監(jiān)管、制定標(biāo)準(zhǔn)、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(yīng)建立健全體系、加強風(fēng)險評估管控、制定應(yīng)急預(yù)案、加強員工培訓(xùn)和倡導(dǎo)安全文化。技術(shù)創(chuàng)新是保障氫氣安全應(yīng)用的關(guān)鍵，通過研發(fā)先進技術(shù)提高氫氣的安全性、穩(wěn)定性和使用效率。未來，需要進一步加強安全管理和技術(shù)創(chuàng)新，有效解決氫氣在各環(huán)節(jié)的安全問題，實現(xiàn)其安全、高效應(yīng)用，為清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)對氣候變化作出貢獻。

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基金項目：重慶市教育委員會科學(xué)研究項目（KJQN202304704）

第一作者簡介：楊宋萍（1996-），女，碩士，助教。研究方向為工業(yè)安全理論及防治技術(shù)與建筑消防技術(shù)。

*通信作者：游成旭（1989-），男，碩士，講師。研究方向為建筑消防技術(shù)。