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氢气燃烧条件探讨
作者:admin    发布于:2019-10-09 08:25    文字:【 】【 】【
        氢气是可燃性气体,在空气燃烧时会产生热量。
        氢气燃烧实际上是氢气和氧气反应产生水的化学过程,氢气和氧气分子反应需要的条件并不高,只需574度就可以点燃。满足这种温度最容易的就是静电火花,当然有明火就更没有问题了。氢气和氧气即使发生化学反应,不一定会发生燃烧,燃烧需要化学反应连续进行,简单说就是氢气氧气反应产生热量可引起更多氢气氧气反应,周围其他氢气氧气分子发生反应再继续引起更大范围的反应。能维持这种反应持续进行的重要前提是氢气和氧气的浓度都不能太小。
        两种物质合理比例是发生燃烧的重要基础。从宏观上说,氢气不能低于4%,氧气浓度不低于5%,氢气和氧气的才能发生燃烧反应。
        燃烧发生需要三种因素:燃料、助燃剂和火种,燃烧发生这三种因素缺一不可。氢气太少是缺乏燃料,氧气太少是缺乏助燃剂。在空气中氢气浓度低于4.7%不能燃烧是氢气浓度过低,此时氧气浓度虽然足够,但燃料氢气分子过于稀少,氢气和氧气反应产热后周围氢气的供应不足,无法产生连续反应或燃烧发生。当氢气浓度增加到75%,此时空气被稀少到原来25%,助燃剂氧气浓度大约只有5%,此时虽然燃料氢气浓度足够,但助燃剂氧气浓度稀少,仍然无法满足燃烧发生的条件。
        所以氢气在空气中发生燃烧的浓度是4.7-75%,氢气低于4.7%引起氢气浓度不足,氢气浓度超过75%,导致氧气浓度不足,都不具有发生燃烧的条件。
        空气中氢气浓度4.7%-75%才能燃烧具有特定的条件含义,就是氢气和空气充分混合,保持稳定的情况下才具有这样的特点。但是存在一些特殊的因素。例如这里的空气是干燥空气,地球表面的大气压环境空气除干燥空气外,还包括一些颗粒成分和水分,特别是水分可以有比较高的比例,这会导致空气中真正的氧气浓度并不是标准的21%,而是低于这个浓度。另外一个是高原环境下,大气压低于一个大气压,这种情况下,只考虑气体浓度也不准确。无论是水汽对气体的稀少效应,还是大气压下降,都会影响氢气燃烧的浓度,总体是提高这个浓度。就是说实际情况下,氢气可燃烧的条件一般高于4.7%。
        用氢气必须确保安全!
        最近有研究报道说10%氢气+氧气混合气是安全性的浓度,这一研究和氢气安全浓度条件的一般说法不一样,氢气燃烧4.7%的浓度是指在密闭性空间内预先混合气体,如果通过管路供气,从管路出来的气体发生燃烧条件并不那么容易满足,因为空气中氢气浓度接近零,氢气具有非常强的扩散力,又因为氢气分子质量小,在空气浮力作用下氢气很容易在相对密度大的空气中快速上漂,这样氢气从管路出来后会迅速被稀释为低浓度的情况,这导致氢气难以被点燃。当然在管路内则属于相对密闭空间,这种情况就存在燃烧可能,需要采用安全设计避免发生燃烧。研究中还发现即使15%的浓度燃烧能发生,也不足以产生明显的机体伤害。其实在密闭空间内,接近4.7%如10%以下,因为这种浓度氢气相对不足,发生燃烧仍不剧烈,难以形成具有破坏性的爆炸。我们在学习中学化学判断氢气纯度的实验就是利用这个道理,非常纯的氢气不容易发生燃烧和爆炸,但纯度不高的情况则相反。氢气纯度不高的情况正是预先含有氧气的情况,这种浓度越接近合理燃烧浓度,越容易发生爆炸反应。
        发生燃烧不一定会导致破坏性后果,因为燃烧爆炸产生危害主要决定于燃烧产生的能量大小和产生速度,尤其是能量大小更重要。根据这一特点,只要把密闭条件下混合气体积控制足够小,就能降低破坏性后果。这就好比打火机,虽然里面是可以燃烧和爆炸的可燃气体,但体积小不足以产生危害。也可以对管路进行技术处理,控制和避免燃烧反应发生的条件,例如采用单向阀门和安全阀的设计,让意外的燃爆不产生人体和环境的破坏。也有人采用对整机进行防爆设计,但这似乎是形式大于实质。
        我个人认为,如果最新研究结果确定,可采用氢气浓度10%以下混合气供应是比较稳妥的方案。如果希望增加氢气供应剂量,可以将这种气体总供气量增加,可达到6-10升以上,这样能达到较理想的氢气摄取效果,又可以避免发生伤害使用者的问题。这种浓度可覆盖大多数学术报道的情况下的氢气有效性剂量范围。
        氢气使用安全的问题一些个人经历和体会
        一是氢气非常危险,但危险是相对的。越是对氢气不熟悉的人越害怕氢气。刚开始研究氢气的时候,我甚至会担心水中溶解氧气会和氢气发生反应的可能,对氢水安全性都有一些疑惑。后来和一些从事氢气发生器研发的工程技术人员交流,他们说氢气并不是人们认为的那么危险,关键是要熟悉和了解这种物质。氢气具有扩散迅速的特点,如果没有大体积的可燃条件,例如纯度很高的氢气发生器,即使在周围抽烟都不是问题。这给我留下非常深刻的印象,虽然我绝对不会接受在氢气发生器周围抽烟的做法,因为我没有那么大的勇气和魄力。但是这给我认识氢气安全性提供了重要参考。现在看开始对氢气的认识是非常可笑的。
        后来对氢燃料电池汽车也有一些了解,氢气燃料电池车非常重要的一个问题就是安全性问题,有一些燃料电池车上安装有氢气的高压罐,人们很容易设想这就是一个非常恐怖的炸弹。但是对氢气燃料电池车熟悉的人知道,相对来说,氢气一旦释放,非常容易扩散,并不容易产生爆炸。除非是在一个封闭的空间内,例如在小型地下车库的情况。而普通的汽油车,即使在野外泄流,也会产生爆炸的风险,这在许多影视节目中是非常见到的桥段。从使用安全性对比角度,氢气比汽油更安全一些,当然安全不是绝对的。
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