氫能源消防安全對策研究

劉松 許文杰

摘要：源作為典型的清潔能源在社會中的應用越來越廣泛，但是由于氫元素本身化學性質的原因，氫能源又有較高的爆炸和火災危險性，做好氫能源企業的消防安全工作可以保障社會發展需要，確保人民安全生產生活，本文從氫能源的火災危險性入手，通過事故樹分析法分析了火災風險，最后提出了相應的對策和措施，對氫能源的生產和監管單位有一定的借鑒價值和參考意義。

關鍵詞：氫能源； 消防； 火災危險性

可再生能源具有環境危害小、資源分布廣、可重復循環使用等特點，已經進入到了千家萬戶。其中，氫能是社會公認的清潔能源，是宇宙中含量最豐富的資源，具有熱量高、無污染、分布廣等特點，世界上多個國家已經出臺了氫能的發展規劃，并且在氫能的生產制備上的研究取得了一定進展。

在我國，目前氫能主要被運用在汽車、電池、航空航天等領域。氫能源是一種二次能源，通過一定的方法利用其他能源制取而來。由于氫能源和氧氣作用燃燒后的主要產物為水，因此，氫能源被譽為“21世紀最具發展潛力的清潔能源”。但是，我們必須認識到氫具有較強的化學活潑性，與空氣和火源接觸后極易發生爆照，而且爆炸能量高、預混時間短、災害損失大。因此，做好氫能源各環節的消防安全工作，預防火災的發生極為重要。

1 氫能源的火災危險性概述

1.1 氫元素本身的火災危險

氫是一種活潑元素，在常溫常壓下為氣態，具有可燃性，純凈的氫氣在空氣中燃燒會產生藍色火焰，燃點較低。同時，氫氣具有較強的爆炸性，氫氣在氧氣中的比例到達4.5%—45%時，或者氫氣在空氣中比例達到4%—74.2%時就能發生爆炸。正因氫氣具有高反應能量，將氫氣液化后常用作航天飛機的燃料。在《建筑設計防火規范》（GB50016—2018）中，無論是氫氣的生產廠房還是儲存庫房，均被劃分為甲類火災危險性物質。

1.2 生產環節的火災危險

氫元素雖然在自然界中含量巨大，但是應用到民用生產生活中的氫能源都是通過化學制取而來。我們常用的制取氫的方法有化石燃料制氫、水電解制氫、生物質制氫和太陽能制氫。其中，最為常見也是效果最好的制氫方法是化石燃料制氫。目前，全球氫產量大約每年在5000萬噸左右，其中96%的商業用氫是由煤、石油、天然氣等不可再生的傳統能源制備而成的。而且，通過化石燃料制氫成本低廉、方法成熟。采用化石燃料制氫的主要方法有甲烷重整、天然氣熱解、煤氣化、重油部分氧化四種。

針對氫能源生產環節的火災危險性來說，首先四種方法所使用的原材料均是可燃、易燃物質，按照生產物質的火災危險性劃分標準劃分，甲烷、天然氣和重油屬于甲類火災危險物質，煤屬于丙類火災危險性物質，這些物質無論是生產還是儲存都具有一定的火災危險性。其次，在生產過程中，氫能源的制取需要經過的流程較多，所使用的設施也比較復雜，在加工制備過程中需要經過由氣態到液態再到氣態的多種狀態轉化，一旦管道或容器日常維護保養不到位容易發生泄漏事故，加之工廠中的環境溫度較高，極易引發爆炸。最后，在回收過程中，氫能源的制取所使用的化學反應除了會產生氫氣外，還會產生一些附加產物，例如一氧化碳、二氧化碳等。這些產物往往是通過火炬點燃的方式銷毀，需要動火作業，具有一定的火災風險。

1.3 儲存環節的火災危險性

氫氣的儲存方式有四種，分別為壓縮儲存、液化儲存、金屬氧化物儲存和碳質吸附儲存。其中，技術較為成熟、使用較為廣泛的儲存方式為壓縮儲存和液化儲存。壓縮儲存是將氫氣直接以氣態的形式壓縮進入鋼瓶進行儲存，這種儲存方式使得氫氣的壓力過于集中于鋼瓶的一點，超過剛的強度承受極限，最后形成小裂紋，又稱氫脆。氫脆一旦形成會使得鋼瓶的儲存安全性能降低，更嚴重的會最終導致氫氣的泄漏，最后造成火災的發生。因此，通過壓縮儲存氫氣的方式雖然經濟簡單，但是火災危險性大。液化儲存的方式將氫氣在零下253度的臨界溫度下進行液化儲存，此方法相較壓縮儲存來說不會有過于集中的壓力，不會產生氫脆，但是液化儲存必須隨時都屬于低溫環境中，一旦周圍保溫層破壞使得環境溫度升高，會導致儲存容器內部的液化氫快速氣化，瞬間產生強大的壓力，發生爆炸。總而言之，在氫能源的儲存環節中無論是通過壓縮儲存還是液化儲存都有極高的火災危險和爆炸的可能性，需要引起高度重視。

1.4 運輸環節的火災危險性

氫能源的運輸主要是通過將氫氣壓縮或者液化后通過槽罐車進行運輸，其火災危險主要表現在兩方面。一方面是車輛上儲存氫的儲罐或相應的閥門設施是否保證完好有用，不會在道路行駛過程中發生泄漏。另一方面是道路交通安全方面，駕駛員在行駛過程中有沒有按照道路交通的相關規章規定和行駛規則駕駛車輛，氫能源在運輸環節的火災危險大多是次生風險。往往是由交通事故造成的槽罐車內氫氣泄漏，最后引發火災。

2 基于事故樹分析法的火災危險性分析

事故樹分析法是系統安全工程中常用的分析法之一，是一種由事故樹演繹推理事故過程和原因的分析方法。通過定性和定量分析，可以找出事故發生的主要原因，為之后事故的預防提供參考。軌跡交叉理論中事故的發生是由兩種因素共同作用完成的，分別是人的不安全行為和物的不安全狀態，當兩種因素在一個過程或環節中共同作用時，事故就會發生。

通過前文對氫能源各個環節的火災危險性概述，通過定性分析的方法可以繪出氫能源的事故樹圖。

在事故樹分析法中，當所有基本事件都不發生時，事故就不會發生，這些不發生的基本事件的集合叫做徑集，在事故樹中不包含其他徑集的徑集叫做最小徑集，如果去掉徑集中的任意一個基本事件，事故就不會發生，所以最小徑集是事故不發生的充分必要條件。依據事故樹分析法進行火災預防時，只要集中控制住最小徑集的任意一個徑集，事故就不會發生。在氫能源的事故樹中，最小徑集共有四組，分別為（X1 X2 X3 X4）、（X5 X6 X7）、（X8 X9 X10）、（X11 X12）。通過事故樹分析法找到預防事故發生的主要因素，可以為之后更為準確的展開火災預防工作打下基礎、提供思路。

3 氫能源的火災預防措施

3.1 堅決貫徹落實消防安全責任制

對于氫能源的生產廠家來說，無論是消防安全責任人，還是消防安全管理人，還是企業的員工，都有義務和責任接受消防安全培訓，只有在“人”的層面主動重視消防安全工作，堅決落實消防安全責任，企業的消防安全氛圍才可能形成，火災事故就不會發生。因此，氫能源企業的消防安全責任人應按照國務院頒布的《消防安全責任制實施辦法》中的相關規定，認真貫徹落實法律和規章制度要求的各項責任，組織制定企業的消防安全管理規定，統籌和計劃消防安全的經費，從上層領導開始重視消防安全工作。消防安全管理人應當主抓單位消防安全的落實工作，按照公安部61號令中的相關要求定期組織開展防火檢查和防火巡查，確保廠區內的消防設施完整好用，定期開展消防安全培訓教育和消防演練，使所有員工認識到火災的危險性和法律賦予自己的安全責任。

3.2 提升氫能源安全工程消防技術水平

氫能源在常溫常壓下是氣體狀態，屬于C類火災，在超低溫狀態下成液體狀態，屬于B類火災。在對B、C類火災進行撲救時只能選用氣體滅火劑進行撲救。我國目前常用的氣體滅火劑有二氧化碳滅火劑和IG541滅火劑，這兩種滅火器都存在儲存容量小、滅火效率低等問題。

可以預想到的是，伴隨著科學技術的不斷發展和進步，氫能源這種可再生能源會被廣泛運用到各個領域當中，一些儲存容量大的加氫站也會不斷建設，僅僅依靠現有的傳統滅火劑很難應對未來的新能源火災，一旦大規模的氫能源生產廠房發生火災，目前常用的氣體滅火裝置難免會出現“杯水車薪”的局面。同時，在火災探測方面也存在同樣的問題。所以，相關的滅火劑生產廠家和消防科研機構應將研發的重點放在大規模的氫能源滅火劑和氣體火災探測器的研發上來。

3.3 加大氫能源安全相關法規、標準的制定

目前，我國無論是在法律法規、部門規章還是標準上，都缺乏對氫能源的相應規定。各個生產企業在生產過程中都是處于各自為戰的狀態下，具有極大的安全隱患。相關部門應該積極推動制定氫能源的國家標準或者是行業標準，從氫能源的廠房選址、制備規程、儲存、運輸和消防設施等環節規范企業的生產行為，消防部門應制定氫能源廠房和庫房的設計防火規范，規定其內部消防設施的設置、固定消防設施的選擇和布置、原材料的中間材料儲存數量、建筑防火防爆等內容。監管單位應制定氫能源企業日常安全檢查內容，建立企業的安全評估體系，通過定時的安全評估和檢查提升企業的安全生產水準。

作者簡介：

劉松（1986-），男，天津寶坻人，天津消防救援總隊北辰支隊助理工程師，一級消防指揮員，研究方向：滅火救援與應急管理。

許文杰（1993-），男，山西太原人，山西省消防救援總隊太原支隊助理工程師，在讀碩士研究生，研究方向：應急管理。

參考文獻：

[1] 郭其云，董希琳，段耀勇，吳立志.我國能源結構調整過程中的消防安全對策研究，中國軟科學[J]，2007，193（01）：113-116.

[2] 陳清泰.中國能源發展面臨嚴峻形勢，經濟透視[J]，2004.