從清華大學(xué)何添樓爆炸事故談起
2015年12月18日上午，隨著一聲爆炸聲，清華大學(xué)化學(xué)系何添樓二樓區(qū)域多間實(shí)驗(yàn)室起火并冒出濃煙，過火面積80平米，清華博士后孟祥當(dāng)場(chǎng)身亡，20日下午，海淀公安分局向化學(xué)系實(shí)驗(yàn)室事故的身故者家屬通報(bào)了事故現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果及初步結(jié)論：事故原因系實(shí)驗(yàn)室所用氫氣瓶意外爆炸、起火。
據(jù)悉氫氣鋼瓶爆炸點(diǎn)距離孟博士后的操作臺(tái)兩三米處，鋼瓶底部爆炸。鋼瓶原長(zhǎng)度大概一米，爆炸后只剩上半部大概40公分，而鋼瓶厚度為一公分，可見當(dāng)時(shí)爆炸威力巨大，每年有關(guān)氫氣瓶爆炸的事故層出不窮，使得人們不得不警惕使用氫氣瓶的安全性。
氫氣氣瓶爆炸的探討
為何氫氣爆炸威力大風(fēng)險(xiǎn)高？要探討這個(gè)問題，首先要了解發(fā)生爆炸的基本條件?？紤]到氫氣具有易燃易爆的性質(zhì)，大多數(shù)氫氣氣瓶爆炸往往是因泄漏導(dǎo)致的化學(xué)爆炸居多數(shù)，或是因?yàn)槲锢肀ㄒl(fā)的更具威力的化學(xué)爆炸，氫氣在空氣中點(diǎn)燃可能發(fā)生爆炸，按理論計(jì)算，氫氣爆炸極限是4.0%～75.6%（體積濃度），意思是如果氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%～75.6%之間時(shí)，遇火源就會(huì)爆炸，而當(dāng)氫氣濃度小于4.0%或大于75.6%時(shí)，即使遇到火源，可能會(huì)發(fā)生燃燒但是不會(huì)爆炸。
一般來說，氫氣爆炸要達(dá)到兩個(gè)條件，除了上述的要滿足氫氣的爆炸極限，還要施加靜電、明火或幾百攝氏度高溫，以達(dá)到小點(diǎn)火能，小點(diǎn)火能量(MIE)即在標(biāo)準(zhǔn)程序下，能夠?qū)⒁兹嘉镔|(zhì)與空氣或氧氣混合物點(diǎn)燃的小能量。盡管氫氣的自燃點(diǎn)比天然氣、汽油等都要高，但它所需要的點(diǎn)火能量卻很低，低可以低至0.020mJ（氫氣的小點(diǎn)火能是在濃度為25%-30%的情況下得到的）。0.020mJ是什么概念呢？化纖衣服摩擦產(chǎn)生的靜電、*爆竹、未熄滅的煙蒂甚至汽車尾氣等，其能量都可能超過這一數(shù)值。
滿足小點(diǎn)火能和爆炸極限這兩個(gè)條件，氫氣才有可能發(fā)生化學(xué)爆炸。因?yàn)闅錃獾男↑c(diǎn)火能低，爆炸極限范圍寬，下限低，同時(shí)氫氣又具有高熱值，所以氫氣極易發(fā)生爆炸且威力巨大。
氣瓶的使用
除了氫氣本身的風(fēng)險(xiǎn)高之外，使用氫氣瓶還需要滿足購買登記、搬運(yùn)、運(yùn)輸、使用、儲(chǔ)存、處置等各個(gè)環(huán)節(jié)的安全性以及相關(guān)要求，要綜合考慮諸如《TSG R0006-2014 氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、《TSG RF001-2009 氣瓶附件安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、《GB 4962-85 氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)的要求。
相比較傳統(tǒng)工業(yè)，一些科研單位和實(shí)驗(yàn)室往往難以在場(chǎng)地及合規(guī)要求上，滿足使用氫氣瓶的條件，而這些不合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)的存在，更增加了氫氣爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；甚至由于健康與安全方面的限制要求，現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)室被禁止將氫氣瓶放置在工作場(chǎng)所。氣瓶使用考慮的因素大致有：
氣瓶的搬運(yùn)：搬運(yùn)過程中有泄漏風(fēng)險(xiǎn),氣瓶較重需要使用搬運(yùn)工具；
氣瓶的更換或充氣：具有一定危險(xiǎn)性的操作；
氣瓶的使用：要注意防傾倒、防碰撞，要經(jīng)常檢查有無漏氣，注意壓力表的數(shù)值；
氣瓶的儲(chǔ)存：占據(jù)空間，對(duì)儲(chǔ)存場(chǎng)所有規(guī)范要求，存在泄露和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；
氣瓶的校驗(yàn)：定期要進(jìn)行氣瓶附件的校驗(yàn)，瓶身也要進(jìn)行檢驗(yàn)敲鋼印或貼標(biāo)簽（三年一次）。
氫氣發(fā)生器
在使用氫氣瓶不便利的情況下，氫氣發(fā)生器相對(duì)于氣瓶來說成為了更加安全的備選方案，氫氣發(fā)生器可以全天候提供氫氣，但不會(huì)面臨使用氫氣瓶而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)和合規(guī)問題。
這款氫氣發(fā)生器利用CPEM質(zhì)子交換膜電解純水的技術(shù)制取氫氣，相比較氫氣瓶，氫氣發(fā)生器安全系數(shù)高，既沒有繁瑣的管理程序要求，也沒有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，包括但不限于以下優(yōu)勢(shì)：
1. 滿足0.16L/Min-1L/Min流量下產(chǎn)生高達(dá)99.9999%純度的氫氣；
2. 不是壓力容器，沒有高壓力的零部件，運(yùn)輸過程中無風(fēng)險(xiǎn)；
3. 發(fā)生器內(nèi)部氣體總體積即便泄露也遠(yuǎn)低于氫氣爆炸濃度；
4. 即開即用，關(guān)閉后不再產(chǎn)生氫氣，沒有儲(chǔ)存時(shí)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)；
5. 各類安全聯(lián)鎖裝置保證氫氣發(fā)生器能在使用場(chǎng)所內(nèi)安全操作，一旦出現(xiàn)異常錯(cuò)誤，自動(dòng)將儀器切換成待機(jī)狀態(tài)，并發(fā)出警報(bào)。
兩者的對(duì)比
接下來我們通過理論示例來驗(yàn)證一下氫氣發(fā)生器的安全性究竟如何。剛剛提到氫氣大的風(fēng)險(xiǎn)就是泄漏爆炸，氫氣的爆炸下限(LEL)為4%，我們以一個(gè)100M3的小型實(shí)驗(yàn)室為例，在通風(fēng)不暢的情況下，泄漏4M3的氫氣達(dá)到爆炸下限。
我們通過計(jì)算來對(duì)比一下氫氣瓶和氫氣發(fā)生器的爆炸風(fēng)險(xiǎn)：
如果使用的是一個(gè)40L、15Mpa標(biāo)準(zhǔn)的氫氣瓶，根據(jù)理想氣態(tài)方程PV=nRT，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下大約可產(chǎn)生6M3的氫氣，發(fā)生氫氣*泄漏時(shí)泄漏速率很快，一般在幾分鐘后就會(huì)達(dá)到下限；
而氫氣發(fā)生器制取氫氣大速率為1L/Min，假設(shè)*泄漏，則需要超過4天才能在同樣的實(shí)驗(yàn)室達(dá)到爆炸下限，另外氫氣發(fā)生器僅在運(yùn)行時(shí)才會(huì)產(chǎn)生氣體，可見其安全性遠(yuǎn)高于氫氣氣瓶。
下表對(duì)于氫氣瓶和氫氣發(fā)生器做了簡(jiǎn)單對(duì)比:
| 項(xiàng)目類別 | 氫氣瓶(40L為例) | 氫氣發(fā)生器 |
| 合規(guī)性 | 需要滿足法律法規(guī)和各類標(biāo)準(zhǔn)要求 | 無過多約束條件 |
| 氫氣儲(chǔ)存 | 40L泄漏非風(fēng)險(xiǎn)大 | 內(nèi)部大容積不超過50ml |
| 氫氣狀態(tài) | 始終存在 | 關(guān)閉裝置則無氫氣產(chǎn)生 |
| 壓力 | 40L滿裝氣瓶約2200Psi | 輸送壓力大約160Psi |
| 空間需求 | 占據(jù)空間、需要特別的區(qū)域或氣瓶柜存放 | 基本不占用太大空間基本無空間要求限制 |
| 運(yùn)輸、更換、充裝 | 都存在操作風(fēng)險(xiǎn) | 無需進(jìn)行操作 |
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