防爆基礎知識

從安全角度看，氫最重要的物質特性是可燃性。可燃性又是可爆性的基礎。所以氫氣的可燃性導致了氫氣的兩種主要危險：火災和爆炸。想要分析氫氣的爆炸安全，需要先了解防爆的基礎知識，所以我們的氫安全系列會從防爆基礎知識的介紹開始。

防爆這個詞的概念比較寬泛，并不能嚴格界定氫氣防爆安全的范圍。比如我們在機場和地鐵站的安檢處看到安檢處附近的墻角放著一個防爆罐，非常結實，當發現爆炸物時將爆炸物放進防爆罐中，防止爆炸物爆炸時造成人員傷害。這樣的“防爆"顯然和氫氣爆炸安全不相關。另外氫氣存儲的一種方式是高壓存儲，防止高壓儲罐發生爆炸的“防爆"是壓力容器安全的范疇，不在這篇文章所介紹的“防爆"安全的范圍。

為了清晰的解釋這篇文章討論的氫氣防爆安全的范圍，讓我們先轉移目標，看一下工業防爆設備在歐盟的合規性要求。工業防爆設備進入歐盟市場需要符合ATEX指令，而符合ATEX指令的法規要求的必要條件是滿足ATEX指令下的協調標準的技術要求，即通常所說的ATEX認證。ATEX指令的全稱是“意向使用于潛在爆炸性環境的設備和保護系統"，ATEX即EXplosive ATmosphere的法文縮寫(法文atmosphere在前)。

爆炸性環境的定義是：在大氣環境中，氣體，蒸汽，汽霧或粉塵形式的可燃物質與空氣混合，當點火發生時，爆炸會傳播至整個混合氣體環境。這個定義所指的爆炸性環境的主要風險就是空氣中彌漫的可燃性物質被點火而發生爆炸事故。可能出現爆炸性環境的危險場地在工業中非常常見，因為很多工業過程由于工藝原因會有可燃性物質的存儲和使用，當可燃性物質泄露或釋放至空氣中就可能形成爆炸性環境。當危險場地的可燃性物質是氫氣時，如何防止泄露或釋放至空氣中的氫氣被點火發生爆炸就是氫氣的防爆安全了。

爆炸三要素

接下來我們要分析一下爆炸發生需要的要素。一個爆炸發生有三個要素，可燃物質，空氣(氧氣)和電火源。防止爆炸發生就要想辦法不讓三要素在同一時空聚齊。

在很多情況下，避免爆炸三要素一起出現非常困難，但是如果可以控制空氣中爆炸性物質的濃度在爆炸濃度下限(LEL或LFL)以下，或者使氧濃度足夠低，或者控制電火源(火花)可能出現的最大能量不超過爆炸性物質的最小點火能量(MIE)也可以實現防爆的目的。

氫的爆炸下限/炸上限與最小點火能量

防爆方法與技術

經過長期的理論和實踐探索，及經驗累積，工業界掌握了很多安全技術，并通過防爆產品和作業過程的標準化，將危險場地的爆炸風險降至可以接受的最小程度。下面簡單介紹一些防爆方法和技術：

• 改進工藝，用不可燃的物質替代可燃物質，比如興登堡號空難發生后，飛艇業就將氫氣換成不可燃的氦氣；（排除可燃物質）

• 氣體惰化或洗氣，如果涉及爆炸性危險的工藝是在密閉的容器內，可以通過將惰性氣體或氮氣注入密閉容器置換出氧氣；（降低可燃物質濃度）

• 如果爆炸性物質的泄露源房間或電氣設備外部，向房間/設備內部注入空氣使房間/設備內部相對外部大氣環境維持正壓；（防止爆炸性氣體進入）

• 粉塵惰化，如果爆炸性物質是粉塵，可以往爆炸性粉塵中添加惰性粉塵并均勻混合，使混合后的粉塵沒有可爆性；(排除可燃物質)

• 排除泄漏源或者減少泄露的可能性和泄漏量；（降低可燃物質濃度）

• 選用適當設備保護等級(EPL)且適合爆炸物質物質特性的有防爆認證的電氣設備，并正確安裝。（排除電火源）

• 對機械等非電結構進行電火源風險分析并形成電火源分析報告(IHAR)( 排除電火源)

• 在爆炸風險不能排除的情況下，將爆炸封閉在具有一定抗壓能力的密閉容器內，或者通過特定的泄爆口泄爆，同時對進出管路進行爆炸隔離。(抗爆，泄爆，爆炸隔離)

• 通過光學檢測，在火花發生時迅速釋放氧化性化學粉末，快速消耗掉反應釜內的氧氣(化學抑爆)

防爆方法和技術的選擇應基于具體應用，綜合考慮技術可行性，成本，安裝與維護的方便性，以及生產效率。從安全的角度應優先選擇避免出現爆炸環境或盡量爆炸環境的范圍(主要措施)；其次是排除電火源(二級措施)，最后在不得已的情況下再考慮爆炸防護(三級措施：抗爆，抑爆，泄爆)。