實驗室安全干貨——氫氣篇

從清華大學何添樓爆炸事故談起

2015年12月18日上午，隨著一聲爆炸聲，清華大學化學系何添樓二樓區域多間實驗室起火并冒出濃煙，過火面積80平米，清華博士后孟祥當場身亡，20日下午，海淀公安分局向化學系實驗室事故的身故者家屬通報了事故現場勘查結果及初步結論：事故原因系實驗室所用氫氣瓶意外爆炸、起火。

據悉氫氣鋼瓶爆炸點距離孟博士后的操作臺兩三米處，鋼瓶底部爆炸。鋼瓶原長度大概一米，爆炸后只剩上半部大概40公分，而鋼瓶厚度為一公分，可見當時爆炸威力巨大，每年有關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險高？要探討這個問題，首先要了解發生爆炸的基本條件。考慮到氫氣具有易燃易爆的性質，大多數氫氣氣瓶爆炸往往是因泄漏導致的化學爆炸居多數，或是因為物理爆炸引發的更具威力的化學爆炸，氫氣在空氣中點燃可能發生爆炸，按理論計算，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，遇火源就會爆炸，而當氫氣濃度小于4.0%或大于75.6%時，即使遇到火源，可能會發生燃燒但是不會爆炸。

一般來說，氫氣爆炸要達到兩個條件，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，以達到最小點火能，最小點火能量(MIE)即在標準程序下，能夠將易燃物質與空氣或氧氣混合物點燃的最小能量。盡管氫氣的自燃點比天然氣、汽油等都要高，但它所需要的點火能量卻很低，最低可以低至0.020mJ（氫氣的最小點火能是在濃度為25%-30%的情況下得到的）。0.020mJ是什么概念呢？化纖衣服摩擦產生的靜電、煙花爆竹、未熄滅的煙蒂甚至汽車尾氣等，其能量都可能超過這一數值。

滿足最小點火能和爆炸極限這兩個條件，氫氣才有可能發生化學爆炸。因為氫氣的最小點火能低，爆炸極限范圍寬，下限低，同時氫氣又具有高熱值，所以氫氣極易發生爆炸且威力巨大。

氣瓶的使用

除了氫氣本身的風險高之外，使用氫氣瓶還需要滿足購買登記、搬運、運輸、使用、儲存、處置等各個環節的安全性以及相關要求，要綜合考慮諸如《TSG R0006-2014 氣瓶安全技術監察規程》、《TSG RF001-2009 氣瓶附件安全技術監察規程》、《GB 4962-85 氫氣使用安全技術規程》等標準和法律法規的要求。

相比較傳統工業，一些科研單位和實驗室往往難以在場地及合規要求上，滿足使用氫氣瓶的條件，而這些不合規風險的存在，更增加了氫氣爆炸的風險；甚至由于健康與安全方面的限制要求，現在許多實驗室被禁止將氫氣瓶放置在工作場所。氣瓶使用考慮的因素大致有：

氣瓶的搬運：搬運過程中有泄漏風險,氣瓶較重需要使用搬運工具；

氣瓶的更換或充氣：具有一定危險性的操作；

氣瓶的使用：要注意防傾倒、防碰撞，要經常檢查有無漏氣，注意壓力表的數值；

氣瓶的儲存：占據空間，對儲存場所有規范要求，存在泄露和爆炸的風險；

氣瓶的校驗：定期要進行氣瓶附件的校驗，瓶身也要進行檢驗敲鋼印或貼標簽（三年一次）。

氫氣發生器

在使用氫氣瓶不便利的情況下，氫氣發生器相對于氣瓶來說成為了更加安全的備選方案，氫氣發生器可以全天候提供氫氣，但不會面臨使用氫氣瓶而產生的風險和合規問題。

這款氫氣發生器利用CPEM質子交換膜電解純水的技術制取氫氣，相比較氫氣瓶，氫氣發生器安全系數高，既沒有繁瑣的管理程序要求，也沒有較大的風險性，包括但不限于以下優勢：

1. 滿足0.16L/Min-1L/Min流量下產生高達99.9999%純度的氫氣；

2. 不是壓力容器，沒有高壓力的零部件，運輸過程中無風險；

3. 發生器內部氣體總體積即便泄露也遠低于氫氣爆炸濃度；

4. 即開即用，關閉后不再產生氫氣，沒有儲存時的泄漏風險；

5. 各類安全聯鎖裝置保證氫氣發生器能在使用場所內安全操作，一旦出現異常錯誤，自動將儀器切換成待機狀態，并發出警報。

兩者的對比：

接下來我們通過理論示例來驗證一下氫氣發生器的安全性究竟如何。剛剛提到氫氣最大的風險就是泄漏爆炸，氫氣的爆炸下限(LEL)為4%，我們以一個100M3的小型實驗室為例，在通風不暢的情況下，泄漏4M3的氫氣達到爆炸下限。

我們通過計算來對比一下氫氣瓶和氫氣發生器的爆炸風險：

如果使用的是一個40L、15Mpa標準的氫氣瓶，根據理想氣態方程PV=nRT，在標準大氣壓下大約可產生6M3的氫氣，發生氫氣完全泄漏時泄漏速率很快，一般在幾分鐘后就會達到下限；

而氫氣發生器制取氫氣最大速率為1L/Min，假設完全泄漏，則需要超過4天才能在同樣的實驗室達到爆炸下限，另外氫氣發生器僅在運行時才會產生氣體，可見其安全性遠高于氫氣氣瓶。

下表對于氫氣瓶和氫氣發生器做了簡單對比: