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船用液氫燃料的危害因子及特點

2024 年 10 月 15 日|風險評估

與其他能源載體一樣,氫在大規模使用時也會帶來某些健康和安全風險。氫氣作為一種小分子的輕氣體,需要特殊的設備和程序來處理。氫分子非常小,它可以擴散到某些材料中,包括某些類型的鐵管和鋼管,並增加其失效的可能性。它比較大的分子(如天然氣)更容易透過密封圈和連接器逃逸。因此,液氫作為船用燃料存在獨特的危害。

氫的物理特徵

氫氣由於密度極低,通常採用壓縮或低溫液化的方式提升儲存的體積能量密度,在常壓下冷卻到20.28K(-252.87°C)時被完全液化。為了維持液化狀態,液氫必須加壓並保持低溫,因此液氫的儲槽必須是承壓和絕熱的密閉容器。而氫氣與液氫的體積比是825,在完全灌滿液氫的密閉儲槽如果溫度升至300K常溫,儲槽的最終壓力將上升至172MPa,這是一般壓力容器無法承受的。而液氫的沸點非常低(20.369K),一旦液氫溫度超過沸點(例如儲槽的絕熱系統有微小的熱洩漏),液氫化導致的體積膨脹將導致儲槽超壓破裂。


液氫相關的危害

  1. 與壓力相關的危害
  • 晃動sloshing:液位不同,船舶運動(滾動、俯仰等)導致的液氫在儲槽內晃動可能會產生晃動波。這些晃動波會衝擊儲槽,有可能造成儲槽損壞;
  • 液氫膨脹:通常船用氫燃料以液態形式儲存。在儲存過程中,液態氫將尋求與周圍環境達到平衡並蒸發,可能產生顯著的超壓;
  • 正氫到仲氫的過渡:氫在液化和貯存時,由於自動催化作用,正氫會轉化為仲氫並放出熱量,使液態氫產生蒸發損失。如果初始液氫中正氫含量高,它將自然地轉變為較低能量的仲氫,同時釋放足夠的熱量以引起液氫的額外沸騰,從而增加總的蒸發速率;
  • 分層與翻轉:由於燃料儲槽內的溫度梯度或正氫到仲氫的轉化,可能會發生密度變化,導致分層。分層翻轉會導致液氫蒸汽的快速釋放,進而產生超壓。

2. 與材料相關的危害

  • 脆性斷裂:液氫燃料加注裝置、液氫燃料安全殼系統和燃料供應系統低溫側的極低溫度,可能引起管線和部件的脆性斷裂;
  • 氫脆:氫原子非常小,可以在固體金屬中滲透擴散,暴露於氫氣中的金屬材料可能會因其微觀結構的變化而失去延展性,從而導致開裂和災難性失效;
  • 高溫氫蝕:高溫氫蝕ITHA )發生在高溫下長時間暴露於氫氣的鋼材中,最有可能發生在較高應力的區域,如焊縫。

3. 氫氣洩漏火災危害

氫氣在空氣中的可燃範圍更廣,並且與天然氣相比,點燃釋放的氫氣所需的點火能量要低許多,氫氣火災的可能性會大得多;

噴射火焰(Jet Fire):在安全殼系統、製程設備或管道工程含有加壓氫氣或液態氫氣或氫氣蒸汽的地方,由於連續加壓氫氣意外洩漏並點燃,可能會發生噴射火焰;

池火(Pool Fire):當液態氫釋放到表面或水中並隨後被點燃時,會導致池火;

閃火(Flash Fire):由於洩漏的可能性高,氫氣在空氣中的易燃範圍更廣以及點燃釋放物所需的點火能量更低,氫氣閃火的可能性可能會大得多。

4. 氫氣洩漏爆炸的危害

  • 沸騰液體膨脹蒸汽爆炸(BLEVE):液氫儲罐都有安裝過壓保護系統,通常在絕熱系統失效時可以透過洩壓裝置安全的將壓力釋放,但是在過壓保護系統失效,或者在外部發生火災,儲槽被外部加熱時,內部壓力來不及釋放的情況下仍可能發生BLEVE危害,儲罐超壓爆炸,大量氫氣洩漏導致事故進一步惡化;
  • 快速相變(RPT):液態氫大量釋放到水中後,液態氫迅速蒸發為氫氣。RPT現象會導致物理性的爆炸(非燃燒),並產生過壓衝擊波;
  • 爆燃、爆震:火焰傳播速速不同,氫氣點燃後可能引起爆燃或爆震。於天然氣相比,氫氣的傳播速度更快,超壓更高,因此氫氣的爆炸後果更嚴重。

5. 氫氣洩漏引起的人員接觸危害

  • 與液化天然氣相比,液態氫的溫度低,因此人員接觸後的低溫燒傷和凍傷後果更為嚴重;
  • 窒息風險:液態氫初期蒸發氣溫很低,在一段時間內比空氣重。因此,氫氣不會立即向上擴散,而是會在較低位置積聚,置換空氣。少量液態氫將產生大量氫氣,可能在封閉或受限空間中大量置換空氣,造成氧氣不足。此外,由於液氫的極低溫度,空氣發生冷疑的過程中,氧氣先於氮氣冷疑。同理在隨後的蒸發過程中,氮氣會先於氧氣蒸發。這兩種情況都可能引起密閉空間氧氣濃度降低。

總之,氫有自己鮮明的特性,在某種程度上,比其它燃料和氣體更危險。只要充分了解氫的特性,針對性的採取各種安全措施(包括技術措施,和組織管理措施。),氫的安全性是有保證的。在工程實務中,各種安全措施必須充分考慮氫氣/液氫的理化特性,氫氣/液氫的各種危險以及可能的危險事件/危險場景。

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