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基本特性生產方法運輸技術儲存系統利用技術安全特性回顧與展望

安全特性

氫氣是一種無色、無味、無臭、無毒的可燃性氣體,相較於被普遍使用的液化石油氣(LPG)來說,氫氣是更安全的氣體,從物質安全資料表(MSDS)中可以知道就八小時時量與短時間食量平均容許濃度而言,液化石油氣是1000ppm,而氫氣是不會中毒的,除非氫氣濃度高到讓人因為缺氧的而窒息;再從新竹市消防局的統計資料觀之,LPG的危險性比想像中的還高,人們常常因為習慣,而忽略了危險性的存在,也常常因為陌生,而高估了危險性。

所謂瓦斯中毒,是因未燃燒瓦斯中之CO,或因瓦斯器具不完全燃燒而產生之CO,飄散在空氣中,人體吸入而引起的中毒現象。CO系無色、無味、無臭、有毒之氣體,因此,擴散於空氣中時很難察覺,到了體內血液中,與搬運氧氣之血紅素 (Hemoglobin)結合,其結合力約為氧氣的250倍,所以,即使吸入少量的CO,也會立即與血紅素結合,而損傷血液之氧氣搬運能力,人體缺乏氧氣而引起的症狀為CO中毒。

一氧化碳(CO)中毒症狀
空氣中之CO濃度
吸入時間與中毒症狀
0.02%
2~3小時,前頭部會輕微的頭痛。
0.04%
1~2小時,前頭痛、嘔吐。2.5~3.5小時,有後頭痛。
0.08% 45分鐘,會頭痛、眩暈、嘔吐。2小時就會意識不清。
0.16%
20分鐘,會頭痛、眩暈、嘔吐。2小時就會死亡。
0.32%
5~10分鐘,會頭痛、眩暈。30分鐘就會死亡。
0.64%
1~2分鐘,會頭痛、眩暈。15~30分鐘就會死亡。
1.28% 1~3分鐘就會死亡。

瓦斯中毒,雖可能由於瓦斯流出橡皮管時,引起中毒,但實際上因瓦斯器具不完全燃燒,而產生CO中毒事故較多。於換氣狀態不良的場所,使用瓦斯器具時,空氣中氧氣濃度(通常為21%)會降低。而當空氣中之氧氣濃度降低到某一數值時,瓦斯器具因氧氣濃度不足引起不完全燃燒,而產生CO。

氫氣是一種基本的化學原料,數十年來氫氣被大量的安全的應用在化工製程中,其相關的製造、儲存、運輸及運用準則都已經建構完備,只要有正確的操作程序及遵守使用規範,將可安全的使用氫氣。號稱世界上最大的氫氣工業使用網位於德國(1940),其中所使用氫氣管線總長度為220公里,共有18個工業區相互連結使用及回收氫氣。這些經過長時間使用的氫氣管線相較於其他氣體管線沒有腐蝕及沉澱阻塞的問題,其洩漏率也低於1%。但因為氫氣分子很小,容易擴散到鋼材內部,造成鋼材的氫脆化,因此在選擇管線材料時要避免氫脆化的產生。

液態氫也被大量且安全的使用於太空工業,作為太空梭及火箭推進器之燃料。此外液態氫也被用於電廠中來冷卻大型發電機,即使對於大量增加的工業應用,氫氣使用的安全性也是無慮的。
隨著環保的潮流,氫氣這種清潔無污染的能源,將可能成為二十一世紀能源供應系統的一部份,因此,更深入的考量是如何將使用氫氣的風險數量化以及進行一些必要的安全性量測。
首先,對於一些既有的安全參數與特性,我們可以將其整理出來並且和其他氣體比較,尤其是目前被廣泛使用的天然氣與液化石油氣(即桶裝瓦斯)。

關於氫氣製造、儲存、運輸及運用的基本安全考量不外乎是它的閃火點,燃燒及爆炸潛力以及相關的爆炸壓力與爆炸能力。意外是因為在爆炸上下限濃度範圍內超過閃火點之火苗所引起,常發生於管線或儲槽容器因脆化,撞擊,壓力過高,缺乏適當的保養等所造成的氣體外洩。
氫氣、天然氣(甲烷)、液化石油氣(LPG)安全特性比較表

安全特性
氫氣 天然氣(甲烷) 液化石油氣(LPG)
常溫293.15K常壓1atm下之密度(kg/m3) 0.0838 0.6512
1.8700
自燃溫度(K)
858 813
760
空氣中最小自燃能量(mJ) 0.02 0.29
0.26
空氣中之自燃上下限(體積分率%) 4…75 5.3…15.0
2.1…9.5
空氣中之火焰溫度(K) 2318 2148 2385
空氣中之爆炸上下限(體積分率%) 13…59 6.3…14 1.95…9.0
空氣中之爆炸速度(km/s) 2.0 1.8
1.85
爆炸壓力(bar) 14.70 16.80
18.25
常溫293.15K常壓1atm下之定壓比熱(J/gK) 14.89 2.22
1.67
空氣中完全燃燒之化學劑量比(體積分率%) 29.53 9.48
4.03
最大熱容量(kJ/g) 141.86 55.53
50.41
爆炸能力(g TNT黃色炸藥/kJ) 0.17
0.19
0.20
空氣中延燒特性 往上
往上 往下

由上列的安全特性比較表可知,氫氣的密度最低,這是氫氣比其他兩種氣體安全的主要原因,因為氫氣密度很低,一但氫氣外洩,很快的氫氣將會往上擴散被大量的空氣稀釋,因此不會累積濃度,若是液化石油氣外洩,因為其比重比空氣重,將會很快的在地面累積濃度,造成中毒或爆炸的危害;除了濃度累積效應之外,氫氣爆炸與液化石油氣爆炸所產生的殺傷力也有很大差別,由於氫氣與氧氣燃燒產生水蒸氣 ,兩倍體積氫氣與一倍體積的氧氣產生兩倍體積的水蒸氣,因此氫氣爆炸了火焰是往內收縮並往上,殺傷力不大,若是液化石油氣爆炸,其火焰不但是往外擴張而且是向下延燒,相信大家一定在電影情節裡邊看到過,其殺傷力非常大,除了爆炸以外,其延燒的範圍也很廣;相反的,氫氣爆炸產生比熱很高的水,可以很快帶走熱量,避免延燒。因此作為燃料,氫氣的安全性比液化瓦斯高很多。

底框圖
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