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氫氣燃燒條件探討

作者:孫學軍  來源:氫思語  更新時間:2019-10-21 13:49:42

    氫氣是可燃性氣體,在空氣燃燒時會產生熱量。

    氫氣燃燒實際上是氫氣和氧氣反應產生水的化學過程,氫氣和氧氣分子反應需要的條件并不高,只需574度就可以點燃。滿足這種溫度最容易的就是靜電火花,當然有明火就更沒有問題了。氫氣和氧氣即使發生化學反應,不一定會發生燃燒,燃燒需要化學反應連續進行,簡單說就是氫氣氧氣反應產生熱量可引起更多氫氣氧氣反應,周圍其他氫氣氧氣分子發生反應再繼續引起更大范圍的反應。能維持這種反應持續進行的重要前提是氫氣和氧氣的濃度都不能太小。

    兩種物質合理比例是發生燃燒的重要基礎。從宏觀上說,氫氣不能低于4%,氧氣濃度不低于5%,氫氣和氧氣的才能發生燃燒反應。

    燃燒發生需要三種因素:燃料、助燃劑和火種,燃燒發生這三種因素缺一不可。氫氣太少是缺乏燃料,氧氣太少是缺乏助燃劑。在空氣中氫氣濃度低于4.7%不能燃燒是氫氣濃度過低,此時氧氣濃度雖然足夠,但燃料氫氣分子過于稀少,氫氣和氧氣反應產熱后周圍氫氣的供應不足,無法產生連續反應或燃燒發生。當氫氣濃度增加到75%,此時空氣被稀少到原來25%,助燃劑氧氣濃度大約只有5%,此時雖然燃料氫氣濃度足夠,但助燃劑氧氣濃度稀少,仍然無法滿足燃燒發生的條件。

    所以氫氣在空氣中發生燃燒的濃度是4.7-75%,氫氣低于4.7%引起氫氣濃度不足,氫氣濃度超過75%,導致氧氣濃度不足,都不具有發生燃燒的條件。

    空氣中氫氣濃度4.7%-75%才能燃燒具有特定的條件含義,就是氫氣和空氣充分混合,保持穩定的情況下才具有這樣的特點。但是存在一些特殊的因素。例如這里的空氣是干燥空氣,地球表面的大氣壓環境空氣除干燥空氣外,還包括一些顆粒成分和水分,特別是水分可以有比較高的比例,這會導致空氣中真正的氧氣濃度并不是標準的21%,而是低于這個濃度。另外一個是高原環境下,大氣壓低于一個大氣壓,這種情況下,只考慮氣體濃度也不準確。無論是水汽對氣體的稀少效應,還是大氣壓下降,都會影響氫氣燃燒的濃度,總體是提高這個濃度。就是說實際情況下,氫氣可燃燒的條件一般高于4.7%

        用氫氣必須確保安全!

    最近有研究報道說10%氫氣+氧氣混合氣是安全性的濃度,這一研究和氫氣安全濃度條件的一般說法不一樣,氫氣燃燒4.7%的濃度是指在密閉性空間內預先混合氣體,如果通過管路供氣,從管路出來的氣體發生燃燒條件并不那么容易滿足,因為空氣中氫氣濃度接近零,氫氣具有非常強的擴散力,又因為氫氣分子質量小,在空氣浮力作用下氫氣很容易在相對密度大的空氣中快速上漂,這樣氫氣從管路出來后會迅速被稀釋為低濃度的情況,這導致氫氣難以被點燃。當然在管路內則屬于相對密閉空間,這種情況就存在燃燒可能,需要采用安全設計避免發生燃燒。研究中還發現即使15%的濃度燃燒能發生,也不足以產生明顯的機體傷害。其實在密閉空間內,接近4.7%10%以下,因為這種濃度氫氣相對不足,發生燃燒仍不劇烈,難以形成具有破壞性的爆炸。我們在學習中學化學判斷氫氣純度的實驗就是利用這個道理,非常純的氫氣不容易發生燃燒和爆炸,但純度不高的情況則相反。氫氣純度不高的情況正是預先含有氧氣的情況,這種濃度越接近合理燃燒濃度,越容易發生爆炸反應。

    發生燃燒不一定會導致破壞性后果,因為燃燒爆炸產生危害主要決定于燃燒產生的能量大小和產生速度,尤其是能量大小更重要。根據這一特點,只要把密閉條件下混合氣體積控制足夠小,就能降低破壞性后果。這就好比打火機,雖然里面是可以燃燒和爆炸的可燃氣體,但體積小不足以產生危害。也可以對管路進行技術處理,控制和避免燃燒反應發生的條件,例如采用單向閥門和安全閥的設計,讓意外的燃爆不產生人體和環境的破壞。也有人采用對整機進行防爆設計,但這似乎是形式大于實質。

    我個人認為,如果最新研究結果確定,可采用氫氣濃度10%以下混合氣供應是比較穩妥的方案。如果希望增加氫氣供應劑量,可以將這種氣體總供氣量增加,可達到6-10升以上,這樣能達到較理想的氫氣攝取效果,又可以避免發生傷害使用者的問題。這種濃度可覆蓋大多數學術報道的情況下的氫氣有效性劑量范圍。

       氫氣使用安全的問題一些個人經歷和體會

    一是氫氣非常危險,但危險是相對的。越是對氫氣不熟悉的人越害怕氫氣。剛開始研究氫氣的時候,我甚至會擔心水中溶解氧氣會和氫氣發生反應的可能,對氫水安全性都有一些疑惑。后來和一些從事氫氣發生器研發的工程技術人員交流,他們說氫氣并不是人們認為的那么危險,關鍵是要熟悉和了解這種物質。氫氣具有擴散迅速的特點,如果沒有大體積的可燃條件,例如純度很高的氫氣發生器,即使在周圍抽煙都不是問題。這給我留下非常深刻的印象,雖然我絕對不會接受在氫氣發生器周圍抽煙的做法,因為我沒有那么大的勇氣和魄力。但是這給我認識氫氣安全性提供了重要參考。現在看開始對氫氣的認識是非常可笑的。

    后來對氫燃料電池汽車也有一些了解,氫氣燃料電池車非常重要的一個問題就是安全性問題,有一些燃料電池車上安裝有氫氣的高壓罐,人們很容易設想這就是一個非常恐怖的炸彈。但是對氫氣燃料電池車熟悉的人知道,相對來說,氫氣一旦釋放,非常容易擴散,并不容易產生爆炸。除非是在一個封閉的空間內,例如在小型地下車庫的情況。而普通的汽油車,即使在野外泄流,也會產生爆炸的風險,這在許多影視節目中是非常見到的橋段。從使用安全性對比角度,氫氣比汽油更安全一些,當然安全不是絕對的。

    本文摘自微信公眾號《氫思語》,作者:孫學軍

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