氢能的安全应用研究-赛迪智库.pdf

安全产业研究 赛迪工业和信息化研究院 主办 2022 年 6 月 25 日 总第 49 期 2 第 期 本期主题 □ 氢能的安全应用研究 国际观察 □ 美国和日本氢能产业发展特点与启示 企业研究 □ 林德集团国际氢能龙头企业 数据之窗 □ 2015-2020 年我国氢气产量及增长情况（单位万吨，） □ 2016-2021 年中国燃料电池汽车产量及销量（单位辆） □ 2017-2021 年中国加氢站数量及增速（单价座， ） □ 2018-2023 年中国氢燃料电池产业市场规模预测 （单位亿元） 『所长导读』 2022年3月23日，国家发展改革委、国家能源局发布了氢能产业发展中长 期规划（2021-2035年）（以下简称规划）。规划明确，氢能是一种来 源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载 体之一。安全应用在氢能产业发展中的作用不言而喻，“构建清洁低碳、安全高效 的能源体系”也是规划的重点要求之一，做好氢能的安全利用，才能充分发挥 氢能在能源绿色低碳转型中的作用，促进氢能产业高质量发展。 本期主题文章为氢能的安全应用研究。文章归纳了氢能在不同领域的应用 情况；分析了氢能在应用中存在的安全风险；论述了解决氢能安全应用的主要方法； 提出了促进氢能安全应用的对策建议。国际观察部分美国和日本氢能产业发展 特点与启示，针对美国和日本氢能产业发展的特点进行了梳理，也给出了对我国 发展氢能产业的启示。企业研究林德集团国际氢能龙头企业，总结了全球 氢能产业龙头企业林德集团的发展历程与经验，为我国氢能产业企业发展提出了建 议。 本期内容由 黄玉垚 、黄鑫、程明睿等研究人员承担了主要研究工作，不足之处 欢迎业界的批评和指正。 赛迪智库安全产业研究所所长 高宏 2022年6月25日 本期主题氢能的安全应用研究 一、氢能在不同领域的应用现状1 （一）工业领域的应用2 （二）交通运输领域的应用4 （三）储能领域的应用5 （四）发电领域的应用5 （五）供暖和制冷领域的应用6 二、氢能在应用过程中的安全风险分析6 （一）氢在工业领域应用中主要安全风险分析7 （二）氢在交通运输领域应用中主要安全风险分析8 （三）氢在储能领域应用中主要安全风险分析9 三、氢能应用风险的主要解决方案10 （一）氢在工业领域应用风险的主要解决方案10 （二）氢在交通运输领域应用风险的主要解决方案11 （三）氢在储能领域应用风险的主要解决方案13 四、促进氢能安全应用对策建议13 （一）坚持安全优先的基本原则13 （二）加强全链条安全监管14 （三）强化氢能安全应用相关技术创新14 （四）深入开展宣传引导14 目 录 目 录 CONTENTS 本期主题氢能的安全应用研究 安全产业研究2022 年第 2 期 1 氢能是一种绿色能源，无污染、 零排放、供应充足，同时来源及应 用均十分广泛，是一次能源重要的 替代产品之一。它的制备与使用已 经成为各国能源战略重要部分。据 不完全统计，我国从 2014 至今制定 了 21 项国家政策来支持氢能的普及 与使用，同时各地方政府纷纷发布 相关产业规划支持氢能发展，我国 氢能的产业发展迎来良机。 氢能产业的发展重在安全高效 利用。在2022年3月23日国家发 展改革委、国家能源局联合印发的 氢能产业发展中长期规划（2021- 2035 年）中明确指出，“把安全 作为氢能产业发展的内在要求，建 立健全氢能安全监管制度和标准规 范，强化对氢能制、储、输、加、 用等全产业链重大安全风险的预防 和管控，提升全过程安全管理水平， 确保氢能利用安全可控”。同时要 求，“有序推进氢能在交通领域的 示范应用，拓展在储能、分布式发 电、工业等领域的应用，推动规模 化发展”。 氢能产业虽然潜力巨大，但安 全应用仍然是业界关注的焦点。由 于氢元素化学性质活泼、应用中涉 危操作过多、氢能基础设施不完善 以及安全保障技术有限等原因，急 需加强氢能应用全链条的安全管理 和技术保障，有效应对各类应用安 全风险。 一、氢能在不同领域的应用 现状 从全球范围来看，氢能的主要 应用领域有工业（如化工业、工业 过程热、原油厂炼油、炼钢等）、 交通运输（如航空、航运、铁路运输、 道路交通运输等）、储能（如储能 电站、加氢站等）、发电（如替代 天然气作为补偿电源等）、供暖和 本期主题 氢能的安全应用研究 专业就是实力 精准就是品牌 安全产业研究2022 年第 2 期 2 制冷（如热电联供等）等。从全球 氢能在各领域使用量的情况来看， 33 用于炼油、27 用于氨气生产、 11用于储能、11％用于甲醇生产、 9 用于交通运输、3％用于炼钢、6 用于其他领域。 （一）工业领域的应用 在工业领域，氢能的应用主要 包括化学工业和金属冶炼业。在化 学工业中，氢能主要用来炼油制乙 烯、丙烯和芳烃（如苯、甲苯等）， 制备氨气和甲醇等。在金属冶炼业， 氢主要是替代焦炭作为还原剂和能 源以冶炼铁及其它金属。 1、氢能在化学工业方面的应用 在炼油工业中，氢气是一种 重要的反应物，参与到加氢脱硫和 加氢裂化等工艺中来制备汽油和柴 油，以及通过对粗汽油、石脑油、 重油、生物燃料油等的脱磺酸基、 精炼、裂解、催化以及不饱和烃等 的加氢反应，来增加中间馏分油的 精收利用率，改善油料质量。据中 国石化经济技术研究院的预测，随 着常压渣油加氢、沸腾床加氢裂化 等加氢工艺技术的优化与发展，将 进一步推动炼油企业加氢生产能力 与市场需求的快速提升，2021-2030 年全球加氢处理能力年均增长率将 达1.70；中间馏分油年均增速将 图 1 全球氢能应用领域分解 数据来源安全产业研究所 本期主题氢能的安全应用研究 安全产业研究2022 年第 2 期 3 高达 2.1，推动加氢裂化能力年均 增速提高 2，使得中间馏分油加氢 能力从 11.1 亿吨 / 年增至 16.5 亿 吨/年。 表 1 2020 年 -2030 年全球加氢装置变化情况及变化趋势预测 装置 2020 年占一次加 工能力比重（） 2013-2020 年均 增长率（） 2030 年占一次加 工能力比重预测 （） 2020-2030 年均 增长率预测（） 催化裂化 21.79 1.42 21.81 0.82 催化重整 13.87 1.84 15.06 1.64 加氢裂化 11.34 3.55 11.44 0.89 加氢处理 75.22 2.06 80.13 1.45 延迟焦化 10.78 3.10 11.28 1.27 蒸馏能力 1.10 0.81 数据来源中国石化经济技术研究院 在氨气制备工业中，氢气作为 主要原料，与空气中的氮气混合后， 在高温、高压和催化剂的作用下， 直接生成氨气。氨气的市场需求量 巨大，它不仅是目前最主要的氮素 化肥，同时也是主要的无机化学和 有机化学工业基础原材料，用于生 产铵、胺、染料、炸药、人工合成 化纤、人工合成环氧树脂等重要原 料。此外，氨能在存储和运输方面 更简单、安全，较氢能的优势明显， 美国、日本、韩国已经布局氨能在 燃料电池领域的应用，全球即将进 入“氢 2.0”（即“氨”）时代。 据预测，2022-2030 年，氨气的产 量年均增速将超过 3.8，氢气在氨 气生产领域的需求量年均增速将超 过 4.0。 在甲醇生产领域，氢气和一 氧化碳作为反应物，在催化剂的条 件下直接制得甲醇，也可以通过氢 气和二氧化碳的直接反应来制备。 近年来，利用氢气和二氧化碳直接 反应制甲醇是各国研究及应用的重 点，它带来了将大气中的二氧化碳 转化为化石燃料的巨大可行性。全 世界甲醇需求市场将在未来数年快 速增长，预计 2023 年将达到 1.09 亿吨，年均增速约 6。受此影响， 氢气在甲醇生产领域的需求量年均 增速将超过 5。 专业就是实力 精准就是品牌 安全产业研究2022 年第 2 期 4 2、氢能在金属冶炼工业的应用 在金属冶炼工业中，氢主要用 来替代焦炭作为冶炼铁及其它金属 的还原剂和能源，采用这种工艺路 线炼钢产量已占铁矿石炼钢产量的 6.8％。使用绿氢（即制氢工艺中碳 排放为零所得的氢）或蓝氢（即由 化石燃料制得的氢）作为还原剂进 行金属冶炼，在世界范围内可每年 减少约 23 亿吨的二氧化碳排放量， 对推动实施“碳达峰、碳中和”战 略有着重要意义。目前，欧洲国家 已布局了氢直接炼钢项目，如德国 杜伊斯堡-沃尔苏姆钢铁厂的500 MW 电解水制氢，同时用氢作为还原 剂炼钢的项目。 由于目前我国仍然采用炼焦煤 方法炼铁为主，因此每年将消耗 1 亿吨半焦和 4 亿吨焦炭，以此测算， 每年将排放超过12亿吨的二氧化 碳，占据我国二氧化碳年排放量的 约 10。若以氢气直接炼铁替代焦 炭炼铁，每年将需要大约数千万吨 的氢气。 （二）交通运输领域的应用 在交通运输领域，氢是最具潜 力的化石燃料替代品。氢动力系统 以其零碳排放量和更广阔的环境适 应性，有望作为交通运输部门重大 推广的化石燃料替代和技术解决方 案之一，但这主要取决于动力电池 科技的进展。燃料电池种类众多， 目前较为常见并应用的有质子交 换膜电池、磷酸电池、熔融碳酸盐 电池和固体氧化物电池。从催化剂 稳定性、电效率、工作温度、比功 率 / 功率密度等指标情况来看，最 适用于交通运输行业的是质子交换 膜电池。在交通运输领域，氢燃料 电池主要应用领域包括道路运输， 如小型汽车、公共汽车、卡车和其 他货车；海上运输，如船舶、港口； 铁路和航空；其他领域，如救援车 辆、深海装备等。 相对于传统纯电动汽车，氢燃 料电池汽车的燃料加注时间更短、 续航里程更长，但综合能源效率仅 为25左右，远低于纯电动汽车 70 的能源效率。从经济性能方面 来讲，当燃料电池成本为75 100 美元 / 千瓦时，氢燃料电池车仍能 够在续航里程数的 400500km 以内 和纯电车竞争，将对有更高里程需 求的消费者更具吸引力。目前氢能 本期主题氢能的安全应用研究 安全产业研究2022 年第 2 期 5 在航空、道路交通等领域已有应有， 同时全球在不断布局氢能更广泛的 应用领域，随着能源体系的不断优 化和碳排放交易系统的扩大，氢能 应用范围将越来越大。 （三）储能领域的应用 氢储能是氢的又一个重要应用 领域，如加氢站及储能电站。氢储 能技术是指一种使用储氢材料为能 量贮存介质，在常规发电量过剩时 期利用冗余性电能生产氢的再贮存 技术。当电网系统在能源生产不足 时，利用燃料电池将贮存的重氢来 生产电能并转变为甲烷，为常规燃 料涡轮引擎发电机提供动能。氢储 能技术能够缓解我国电网系统削峰 填谷、新能源稳定并网问题，全力 提升电力系统可靠运行能力和灵活 多样性，并大幅度降低碳排放量， 高效推进我国智能电网系统工程建 设和实现节能减排、“碳达峰碳中 和”的战略。然而，氢储能成本高 昂（如表2），且对装置的安全性 要求极高，氢储能技术的推广应用 急需政策、投资、服务等方面联合 发力。 表 2 储能计算特性比较 储能类型 成熟度 投资成本（元 kw -1 ） 效率（） 抽水储能 商业化 50006000 7180 压缩空气 示范应用 30005000 4275 氢储能 示范应用 20000 4050 数据来源根据网上公开资料整理 2022，3 加氢站是氢储能领域的又一个 应用，用于给燃料电池汽车提供氢 气，是高压加氢、高压储氢于一体 的设施。随着我国对燃料电池汽车 推广力度的不断加大，燃料电池汽 车保有量的不断增加，电力企业、 石化企业等各类企业纷纷布局加氢 站的建设，我国近几年加氢站数量 呈现递增态势。据智研咨询机构统 计数据，2017 年我国加氢站总数只 有 10 座，2021 年已达 218 座，到 2025 年，我国加氢站保有量将超过 1000 座。 （四）发电领域的应用 在发电领域，氢能主要用于 替代天然气作为补偿电源。风、 专业就是实力 精准就是品牌 安全产业研究2022 年第 2 期 6 光、水等可再生能源电力有季节性 波动，一般在冬季资源量小，而在 春夏秋季资源量大。这样，就可在 风、光、水、电过剩时电解水制氢， 并在岩穴（譬如采空的盐矿）和采 空的天然气田等处低成本存储；在 风光水电有较长时间的短缺时，用 氢能通过燃料电池或燃气轮机发电 或热电联供，这样可再生能源电力 制氢及氢能发电就成为碳中和时代 电力系统中储能容量最大的储能模 式。风光水电的短时间波动则主要 由抽水蓄能、蓄电池储能电站、电 动汽车智能充电、储热储冷和用户 侧响应来进行消纳和补偿。 在风光电作为发电主力时，需 要大量灵活性电源作为补偿电源， 大部分灵活性电源的年利用小时数 很低，利用小时数仅为 1000 小时左 右的占很大的比例。在这种情况下， 发电系统投资的折旧和利息在发电 成本中就会占很大的比例。而氢燃 料电池发电系统的成本未来会远远 低于燃煤和燃气发电系统，因此特 别适合作为年利用小时数较低的补 偿电源。 （五）供暖和制冷领域的应用 建筑物的供暖与发电规模仅为 全世界总能源需求的三分之一。氢 气因其零碳排放的性质，在分布式 供暖领域，可作为天然气的替代品。 未来，随着氢气输送能力的进一步 提升，以及制氢、储氢、氢燃料电 池、氢锅炉等成本将进一步下降， 到 2030 年，氢燃料供热成本有望降 为 900 2000 美元 /（户 年），以 热电联供的形式对建筑物进行供暖 的氢能需求量为 3 9万吨/年。在 风光电供应不足时，使用氢作为热 电联供的能源，这样既提供热力又 提供电力，与波动的风光电是非常 好的配合。 二、氢能在应用过程中的安 全风险分析 氢在0℃、1个大气压下是一 种无色无味的气体，密度仅为空气 的1/14，是自然界已知最轻的元素， 易泄漏扩散，对金属材料有劣化作 用，易发生氢腐蚀和氢脆。在常温 常压空气中的可燃极限为4 75 （体积分数），可燃范围宽；爆轰 极限为 18.3 59（体积分数）， 爆轰速度为1480 2150m/s，易爆炸。 本期主题氢能的安全应用研究 安全产业研究2022 年第 2 期 7 氢气又是高能燃料，当与空气或其 他氧化剂结合着火时，会释放出大 量的能量。所以，氢的商业应用确 实面临着很大的风险。 （一）氢在工业领域应用中主 要安全风险分析 1、氢能在炼油工业方面应用 安全风险 炼油过程中主要采用加氢裂化 工艺，通过一系列的反应将重质油 转化为轻质油。该过程对反应环境 的条件要求非常苛刻，存在很高的 安全风险，主要有以下几个方面 反应过程中的安全隐患。 加氢 裂化工艺中应用了大量的催化剂， 同时产生多种类型的生成物。在催 化剂进行活化以及参与反应期间， 发生爆炸的可能性较大，因此存在 严重的安全风险。加氢裂化的反应 发生后，会产生大量的尾气，且成 分比较复杂。尾气中残留的氢气与 其他废气混合，具有一定安全隐患， 在排出过程中如遇明火会发生爆炸 事故。 生产设备存在的安全隐患。 加氢裂化工艺所用金属设备非常容 易受到复杂环境中的高温和氢气影 响，进而产生氢脆现象，进而发生 安全事故，甚至造成工业生产中断， 同时也对企业员工的人身安全产生 了危害。此外，一些生产设备由于 长期的高效运转而存在各种类型的 故障，一旦设备带着故障运行，将 会增加生产过程中的安全风险。最 后，一些设备和装置的防火防爆设 计不符合要求也会增加安全事故发 生的概率。 工艺条件控制中的安全隐患。 生产过程中，要科学地管理和控制 压力、温度、进料速度等反应条件， 来保障反应的正常进行。一旦压力 超出控制范围，会对装置造成破坏 性的影响。同时温度的控制必须科 学有效，一旦失控会造成飞温的状 况，导致严重的安全事故发生。此 外，加氢进料的速度过快或过慢， 都会使反应无法顺利进行，最终埋 下安全隐患。 2、氢能在氨气生产方面应用 安全风险 氨气的生产过程中涉及氢气主 要是合成系统，合成系统主要由氨 合成、氨冷冻、压缩机站和氨罐区 等 4 个工序构成，其中氨合成和氨 专业就是实力 精准就是品牌 安全产业研究2022 年第 2 期 8 罐区属于重大危险源。氨合成属于 特殊工序，其中氨合成塔的工作温 度为 498℃，压力为 12.5MPa，一级 氨分离器和液氨储罐的最低温度分 别为 –32℃和 –36℃，而氢气又是 易燃易爆气体。故合成系统具有高 温、高压、低冷、易燃、易爆和有 毒等特点，存在火灾、爆炸、中毒、 窒息、烫伤和冻伤等事故危险。 3、氢能在甲醇生产方面应用 安全风险 甲醇生产过程中氢气作为主要 反应物，其安全风险主要分布在三 个区域生产装置区、甲醇罐区和 液氧罐区，这些区域也是重大危险 源。甲醇生产工艺过程复杂，化学 反应剧烈，氢气也是易燃易爆气体， 存在火灾、爆炸等安全风险，极易 发生重特大安全生产事故，并产生 连锁反应。例如，氢气在甲醇生产 过程中，在有限空间内聚积至爆炸 极限浓度时，遇明火即可发生爆炸。 （二）氢在交通运输领域应用 中主要安全风险分析 氢能在交通运输领域应用中的 安全风险主要是在储运阶段，尤其 是储氢瓶等储氢设施的安全风险。 储氢设备内胆锈蚀和氢脆、疲劳、 氢渗等问题将导致整体塑性降低， 裂缝扩大速率加快，甚至会严重影 响储氢设备的服役寿命并导致漏水 事件。 1、储氢过程中的安全风险 储氢过程中的安全风险主要包 括 氢脆 （又称氢损伤，是指氢在 存储物内聚合成氢分子，形成应力 集中并超过存储物强度极限，造成 存储物材料力学性能下降、开裂或 损伤） 和内胆腐蚀， 特别是当氢气 含有腐蚀性杂质时，安全风险加剧。 氢脆一旦发生，易造成存储物（尤 其是钢瓶）的力学性能降低而泄漏 氢气，极易引发起火爆炸事故。 疲 劳， 是指存储物在重复装氢过程中 导致寿命下降的现象，存储物内胆 的抗疲劳能力降低时，极易导致氢 气泄露。 氢气剥离， 氢气存储的压 力在 35MPa 至 70MPa 之间，在这种 高压条件下，反复重装过程中将引 发升温和内胆中氢气渗透问题，对 内胆材料的树脂黏合剂产生影响， 从而引发树脂黏合剂出现剥离，最 终引起储氢物储氢能力的下降和安 全性能的降低。 本期主题氢能的安全应用研究 安全产业研究2022 年第 2 期 9 在装卸过程中，如果储氢罐多 次重复使用，会形成细小裂纹或磕 碰摩擦，非常容易发生爆炸。此外， 在氢气多次装卸过程中，含杂质较 高的氢气会滞留在储氢罐中，如果 不及时检查罐内余气情况，多次反 复装卸后储氢罐中的氢气纯度会降 低，形成易燃混合气体。 氢气的液化存储也具有一定的 安全风险。氢气在零下 253℃的临 界温度下进行液化储存，一旦储氢 瓶保温层遭到破坏使得内部环境温 度升高，会导致瓶内的氢气快速从 液态变为气态，瞬间在内部形成巨 大的负压，从而发生爆炸。 2、运氢过程中的安全风险 一是氢气输运管路的防雷、 防静电等设备一旦保护失灵，会因 为雷电及静电的聚集使管路及结构 发生损坏，而造成起火爆炸事故； 二是管路由于锈蚀、意外碰撞、热 胀冷缩、振动疲劳等因素而遭到破 坏时，就会产生大量氢气向体外渗 透问题，一旦管路的法兰、阀门、 焊缝等漏气或封闭垫圈破裂而引起 漏气，则泄露的氢气遇到火源就会 引起自燃或爆炸；三是输氢管道在 抽送或压缩氢气时，极易发生由动 火、检修而引起氢气与氧气或其它 助燃气体混合，当混合气体达到一 定的浓度限值时，遇明火会产生爆 炸事故；四是外部的明火作业易引 火进入管路内部，包括在管路周围 的明火作业，或者与管路相连接的 焊接用具因为回火而引入管路内， 管路若过于接近热源，则易引发管 内气体过热而造成的起火爆炸；五 是当含有水或其它杂质的废气在管 路内流淌时，一旦超过规定的流量 就会因摩擦或碰撞形成静电堆积而 放电。 （三）氢在储能领域应用中主 要安全风险分析 氢能在储能领域的主要风险 因素来自于加氢站日常运营。如 一是在高压作用下，储氢设备或局 部零部件因质量缺陷可能无法满足 使用要求而发生故障引发氢气泄漏 事故。二是在高压条件下，由于氢 气能渗入各种金属设备的碳素中而 引起各种金属管线和储运装备的氢 脆破损，也会使储运装置和输送管 线的塑性和硬度急剧下降，致使机 械设备受损，引起泄露事件，而且 专业就是实力 精准就是品牌 安全产业研究2022 年第 2 期 10 氢脆只能预防而不能根治。三是因 加氢设备需要高压运行，氢气泄漏 时会在金属管道或焊缝处高速喷射 而出进而形成静电，而静电荷的形 成方式与其喷射时的速度也具有直 接同比关系，当静电荷超过规定值 时可能会造成起火或爆裂事故的发 生。四是储氢罐以及输气管道的出 口处容易产生静电积聚而放电，从 而形成了氢气着火爆炸事件的主要 引火源。所以，氢气的泄漏及静电 的产生是加氢站重要风险点。 三、氢能应用风险的主要解 决方案 （一）氢在工业领域应用风险 的主要解决方案 1、在炼油工业方面应用风险 主要解决方案 加氢设备的选材和防腐处理措 施。 针对设备的氢脆等问题，必须 引起高度的重视。首先，要提高设 备的选购标准，尤其是加氢裂化装 置的选择，必须符合强度的要求， 同时具备一定的防腐能力，保障设 备的使用寿命和运行安全。其次， 可以从设备的操作方面来避免设备 发生氢脆，主要是在生产停工的阶 段，对设备进行缓慢降温，可以有 效减少设备的安全隐患。此外，针 对设备的腐蚀现象，可以通过对压 力和温度的合理控制来降低硫化氢 浓度，减轻硫化氢对设备的腐蚀， 并采用不锈钢等材质避免高温对设 备产生影响。 预防加氢裂化装置事故的处 理措施。 为了避免加氢裂化装置安 全事故的发生，需要在生产的多个 环节中采取预防措施。首先，要保 证加氢裂化装置运行的参数科学合 理，只有合适的参数设置才能够确 保装置在运行过程中发挥出实际的 功能。其次，为了防止飞温状况的 出现，需要对装置的温度数据进行 合理设置，避免反应器中的各床层 温度超出预设的范围，一旦温度过 高，应及时启用泄压装置，避免爆 炸等事故的产生。此外，对于出现 反应中断，需要对中断的根本原因 进行明确，制定有效的安全处理措 施，并合理实施，以确保整个生产 的最终产品质量符合相关要求。 2、在氨气生产方面应用风险 主要解决方案 氨气的制备装置主要建设在避 本期主题氢能的安全应用研究 安全产业研究2022 年第 2 期 11 免火源且通风条件良好之处，与其 他生产设备保持一定的安全间距。 氨气储罐上安装有温度计、液位计、 报警仪等监控监测设备，周边区域 安装防护围栏、危险化学品职业危 害告知牌、重大危险源警示牌等安 全警示标识。厂区设置气体监测仪、 监控摄像设施、风向标、防护围堰、 防静电设施、洗眼淋浴器、消防和 气防设施（包括消防栓、消防炮、 灭火器、氧气呼吸器）等。 3、在甲醇生产方面应用风险 主要解决方案 氢气在甲醇生产方面涉及的安 全风险主要是火灾、泄露、爆炸三 点。针对这三点，主要的解决方案 是 火灾防治方法在系统投料开 车过程中，对高压装置以及高压管 路中的接头法兰进行热紧，以防止 由“小漏变大漏”、“大漏”因紧 固不住而造成的火灾事故。在整个 生产装置区内配备了可燃气体检测 器和火灾报警仪，在作业岗位上还 安置了便携式气体检测器；在整个 生产装置区内设有消防水控制系统 并配备消防器材，包括消防栓、消 防枪、干粉灭火剂和泡沫灭火器等。 气体泄漏防治方法汽化炉工 作后严格规范地进行热紧处理；甲 醇的装置关键设备主要是高温与高 压两种，其设备的选择禁止选用等 级低的材质代替等级高的材质；在 生产装置区内，安装对应气体的检 测仪器，防止出现泄漏。 爆炸防治方法在甲醇生产设 备所在区内安装防爆装置；在涉及 易燃介质的工业生产设备和管线上 设有法兰跨接线，在电气设备上安 装接地线，以及采用其它的防静电 和抗弱电等措施；在甲醇生产区设 置防雷及接地设备，如在烟囱及高 塔上装载避雷针，生产设备和各类 建筑物上设置接地网，可预防由于 雷击而产生的爆炸事故；为保证工 作现场通气良好以避免氢气集聚， 在密闭厂房内均设有防爆风机；受 限空间内动火作业时，必须按规定 进行通风换气，分析检测，确保氢 气不在爆炸浓度范围之内。 （二）氢在交通运输领域应用 风险的主要解决方案 1、在储氢方面应用风险主要 解决方案 专业就是实力 精准就是品牌 安全产业研究2022 年第 2 期 12 Ⅳ型储氢瓶的开发是提升储氢 效率及安全的重要手段。 目前，在 国内应用较多的是III型储氢瓶（铝 内胆纤维缠绕瓶），在国外应用较 多的是Ⅳ型储氢瓶。Ⅳ型瓶优势更 明显一是从技术上来讲，其采用 非金属内胆，具有优异的抗氢脆腐 蚀能力，相对金属内胆的 III 型瓶 更具安全优势；在通过相同外径、 容积和压力（70MPa）条件下，Ⅳ型 储氢瓶储氢密度可以达到 5.5％， 高于III型瓶的3.9％；成品重量 为 48KG，比 III 型瓶轻 22.5；二 是从经济性上来讲，Ⅳ型储氢瓶制 造成本只有 III 型瓶的 63.5，而 且其由于内胆为塑料，不易疲劳失 效，使用寿命较长，进一步降低了 消费成本。车载储氢系统的发展趋 势为安全、高储氢密度、轻量化、 低成本、长寿命，因此 III 型瓶向 Ⅳ型瓶转变是符合未来氢能产业发 展要求的，Ⅳ型瓶也将会成为氢燃 料电池乘用车的首选储能装备。 2、在运氢方面应用风险主要 解决方案 高压运氢的标准体系上来看， 目前各国均出台了相关设计规定。 如美国已出台了 DOT-3AA/3AAX 压缩 气体运输标准，规定长管拖车在运 输氢气时期安全系数应达到 2.48； 此外，美国还制定了 E-8009 标准， 详细规定了储氢材料组成、可耐压 极值等。我国也制定了相关标准 规范来强化氢气储运要求，如 GB/ T3634.2-2011氢气第2部分纯氢、 高纯氢和超纯氢主要针对化学工 业、石油炼制、金属冶炼等方面的 管道输送氢气，提出了系列要求。 高压运氢虽然存在一定安全风险， 但严格按照相关标准规定运氢则能 大大降低风险。 在液氢运输方面，运氢装置安 装卸压阀，可进一步调节内部氢气 压力，在远离明火的条件下无危险。 虽然液氢运输过程中不能完全的隔 热，储氢设备内的液氢会发生蒸发 促使内部气压增大，但通过卸压阀 的调节可逐步降低气压。同时，当 氢气从储氢装置排出后，在空气中 将迅速扩散，在远离明火的条件下 同样无危险。 此外，为了防止氢脆发生，在 实际应用过程中通常会选用铝制复 合材料作为输氢管道的材料，而不 本期主题氢能的安全应用研究 安全产业研究2022 年第 2 期 13 选高强度钢，如锰钢、镍钢等。储 氢瓶若以高强度钢为材质，则在长 期高压储氢条件下，钢的强度在长 期受氢气分子入侵后变低。但铝材 质受此类影响较小，可降低氢脆现 象。 （三）氢在储能领域应用风险 的主要解决方案 氢在储能领域的安全风险主要 来源于加氢站。据调查结果显示， 加氢站的主要风险点在于氢气加注 机和压缩机会发生氢气泄漏，将直 接影响加氢机和站内控制室的安全 运行。为降低氢气泄露带来的风险 隐患，加氢站在实际运行过程中， 需要在压缩机上安装泄漏检测和自 动关闭系统、氢气传感器，以及 在加氢站不同位置安装手动关闭系 统。 同时，加氢站保持适当的安 全距离也是风险防控的重要手段之 一。不同国家对于安全距离有着不 同的要求，如表 3 所示。 表 3 国内外规范内加氢站的安全距离对比 类别 控制要求 中国 美国 德国 日本 英国 站内 距离 限制距离 站内明火 1214* 12 15 8 5 布置距离 氢设备之间 315 null* 0.51 null null 氢与非氢设备距离 48 null 2 null null 保护距离 设备与道路 25 3 null 3 8 与厂房 / 仓库 515 0 2h*** 5 null null 站外距离 与站外建筑 1250 22h null null 与站外明火 2040 34.6 null null 8 注* 明火距离按站内的燃气（油）热水炉、燃气厨房进行取值；** 由于国外引入风险评估，部分 数据未作强制规定，按评估结果确定；*** 美国规范要求对象的建构筑物耐火时间不低于 2h。 四、促进氢能安全应用对策 建议 （一）坚持安全优先的基本原则 统筹氢能应用发展和安全，将 安全作为氢能应用领域的重要基石 和要求，构建氢能各应用领域的安 全管理制度，建立氢能在工业、交 通运输、储能、发电、供暖等应用 领域的重大安全风险的预防和管控 机制，提升氢能应用的安全管理水 专业就是实力 精准就是品牌 安全产业研究2022 年第 2 期 14 平。 （二）加强全链条安全监管 完善氢能全链条的安全监管制 度和标准体系，落实氢能安全应用 的企业主体责任和部门监管责任； 建立健全氢能在各领域安全应用标 准规范，强化安全监管效能。加强 氢能应用领域突发事故的应急处置 能力建设，制定切实可行的处置预 案和操作规程，提升氢能在各领域 应用中的安全风险防范能力和本质 安全水平。 （三）强化氢能安全应用相关 技术创新 推动氢能应用核心技术和安全 防范技术的协同发展，加强储氢材 料及技术、氢气泄漏检测监测预警 产品及技术、特种设备的检测技术 等的研发。强化大数据、互联网、 人工智能等新一代信息技术在氢能 全产业链的应用，为氢能各应用环 节易出现的疲劳、泄漏、火灾、爆 炸等风险隐患提供先进的解决方 案，提升氢能应用领域事故防范预 警及应急处置能力。 （四）深入开展宣传引导 积极开展氢能安全应用的宣传 教育工作，强化氢能使用企业的培 训力度，推动氢能安全风险防范技 术及设施的高效利用，全方位提升 氢能安全应用意识。加强社会层面 的氢能科普教育，推进全社会对氢 能的认知水平，为氢能的安全应用 打下坚实基础。 （作者黄玉垚 ） 国际观察 15 安全产业研究2022 年第 2 期 随着能源转型和气候变化的压 力日益增大，特别是新冠疫情和地 区冲突导致国际能源供应链不稳定 性持续增强的背景下，世界各国都 在加速探索低碳多元的能源供给模 式。氢能作为清洁高效、应用广泛 的能源之一，成为世界主要国家关 注的热点。据国际氢能委员会预测， 到2050年氢能占全球能源消费的 比重将提高到 18，氢经济的市场 规模将达到 2.5 万亿美元。为此， 许多国家纷纷制定氢能发展战略或 路线图，并通过技术创新、基础建 设和示范应用积累了较强的技术储 备，逐步构建氢能产业链，推动氢 能大规模应用，试图在国际氢能领 域竞争中占据优势。我国作为世界 上最大的制氢国，在主要技术储备 和生产工艺方面具有一定基础，但 产业发展路径尚不清晰，产业链关 键环节亟需打通，规模化应用趋势 尚未形成。因此，对美国、日本、 德国氢能发展的特点和现状进行分 析，以期为发展我国氢能产业提供 参考。 一、美国氢能产业发展战略 与特点 （一）将氢能纳入国家能源发 展战略 美国是全球最早将氢能纳入能 源战略的国家。早在1970年，美 国就提出了“氢经济”概念。从 20 世纪 90 年代开始，美国政府的氢能 政策从技术研发到推广应用，逐步 深入到产业发展，并在应对气候变 化的目标下不断提升氢能的战略地 位。2002 年，美国发布国家氢能 发展路线图，标志着美国氢能产 业从远景构想转入行动阶段，此后 美国陆续出台氢能技术研究与开 发行动计划氢立场计划氢 与燃料项目计划等文件。2003 年， 以美国为首成立了氢能与燃料电池 国际伙伴关系，并建立全球“氢安 国际观察 美国和日本氢能产业发展特点与启示 专业就是实力 精准就是品牌 16 安全产业研究2022 年第 2 期 全委员会”，设立氢安全知识工具 平台，意图引领全球氢产业发展。 自2004年以来，美国能源部平均 每年投资氢能产业项目超过 1.2 亿 美元，通过一系列项目布局和持续 投资，奠定了氢能产业关键技术的 全球优势地位。2019 年，美国燃料 电池和氢能协会（FCHEA）发布美 国氢经济路线图，提出美国能源 部计划2020年2022年在乘用车、 分布式电源、家用热电联产等多个 领域实现氢能的规模化应用，并继 续保持氢能领域技术优势地位；到 2050 年，氢能产业将累计提供 340 万个就业机会，并满足美国 14 对 能源需求，加强美国经济在全球的 领导地位。2020 年 11 月，美国能 源部发布最新版氢能计划发展规 划，提出到2030年及更长时期 的氢能总体战略。2021 年 2 月，美 国重新加入巴黎气候协议，进一步 推动包括氢能在内的技术研发和规 模化应用。2022 年，美国能源部发 布实现清洁能源稳健转型的能源 供应链战略，对包括氢能在内的 重点领域供应链风险进行分析并提 出应对策略。持续的政策文件出台 凸显了美国对于氢能发展的高度重 视。 （二）力求实现全产业链的技 术领先 美国认为清洁能源技术为美国 制造业在未来全球低碳经济中保持 领导地位提供了机会，而清洁氢气 将成为清洁能源经济的核心，促进 美国国内就业，并使美国成为该领 域产业的全球领导者。因其开展氢 能技术研发的时间较长，研发重点 已覆盖了从制氢到用氢的各环节。 美国能源部 2013 年发布燃料电池 技术办公室未来数年技术研究、开 发与示范行动计划，推动美国氢 能进入技术开发和示范研究阶段； 2020 年发布氢能计划发展规划， 提出对可再生能源、电解槽制氢技 术、核能等绿色清洁制氢技术，储 氢载体及储氢设施，高性能氢燃料 电池等领域开展研发。此外，基于 研发的深入，美国还大力开展氢能 技术、设备、材料等标准的研究制 定，旨在通过对氢能产业全流程的 质量控制，加速推动氢能技术的产 业化进程。全产业链的技术研发及 掌控核心技术的路径不仅推动美国 国际观察 17 安全产业研究2022 年第 2 期 国内能源体系转型，还为其在全球 氢能经济发展中占据领先地位奠定 基础。 （三）注重氢能应用的经济性 指标 经济性指标是加速氢能技术产 业化进程和商业化应用的关键因素 之一。为了在全球范围内率先推出 氢能技术的市场应用，美国制定了 综合性的评估指标，把经济指标和 技术指标结合起来，提高氢能应用 的可行性。随着全球气候压力增大， 以及在新能源领域的竞争加剧，美 国推动氢能研发应用和产业化步伐 明显加快。2021 年 6 月，美国能源 部启动“加快建设清洁能源地球” 计划，第一个行动就是“氢气行动”， 目标是十年内将清洁氢气的成本降 低80，达每公斤1美元，以实现 美国2050年净零碳排放的目标。 2021年美国参议院通过5500亿美 元的基础设施投资和就业法案， 其中有 95 亿美元用于支持氢能领域 发展，促进氢能产业的“可及性”。 2022 年 3 月， 美国能源部宣布投 入 2800 万美元，用于开发利用城市 固废、残留煤炭废物、废塑料和生 物质原料生产低成本清洁氢气的技 术。这反映出美国对加速提升氢能 经济性的急迫性。 二、日本氢能产业发展战略 与特点 （一）以建设多元化应用的“氢 能社会”为目标 日本是全球最早推动氢能全面 应用的国家之一。20 世纪 70 年代， 日本成立“氢能源协会”，开始了 氢燃料电池技术开发。依托国内汽 车产业的雄厚基础，氢燃料汽车成 为日本氢能产业链下游应用最早推 广的重要领域。2014年，日本在 能源基本计划