1.1.3　氢燃烧极限

氢与空气、氧气或其他氧化剂混合的可燃极限取决于点火能量、温度、压力、是否存在稀释剂以及设备、设施或装置的尺寸和配置。这种混合物可以用其任何一种成分稀释，直到其浓度低于燃烧极限下限（LFL）或高于燃烧极限上限（UFL）。氢-空气或氢-氧气混合物的燃烧极限随着火焰向上传播而增大，随着火焰向下传播而减小。

液氢（LH₂）和作为氧化剂的液氧（LOX）或固体氧的混合物是不会自燃的。由于这些混合物点火能量非常小，易发生火灾。如果激波点火，LH₂和液态或固态氧的混合物可能会爆炸。

在101.3kPa（1atm）和环境温度下，氢在干燥空气管道中向上传播的燃烧极限为4.1%～74.8%。在101.3kPa（1atm）和环境温度下，氢在氧气中向上传播的燃烧极限为4.1%～94%。当压力在101.3kPa以下时，可燃极限的范围将会减小，如表1-3和表1-4所示。

表1-3　氢-空气混合物和氢氧混合物的燃烧极限[3]　单位：%

表1-4　低压空气中采用45mJ点火源的氢燃烧极限[3]

（1）氢-空气混合物

在311K（38℃）环境温度，压力范围为34.5～101.3kPa（0.34～1atm）下，由45mJ电火花点火源点燃的氢气-空气混合物的LFL等于4.5%（体积分数）。当燃烧压力低于34.5kPa（0.34atm）时，氢气-空气混合物的LFL将会升高。氢-空气混合物的体积分数在20%～30%之间[4]，低能量点火源点燃混合物的最低压力为6.2kPa（0.06atm）。然而，使用强点火源时，发生点火的最低压力为0.117kPa（0.0012atm）。

对于向下传播，在101.3kPa（1atm）下，当温度从290K升高到673K（17～400℃）时，氢-空气混合物的LFL从9.0%降低到6.3%，UFL从75%的氢体积分数增加到81.5%。

与甲烷-空气混合物相比，由于更宽的燃烧极限和更低的点火能量，氢-空气混合物更具危险性，如图1-1所示。

图1-1　101.3kPa、298K时氢-空气和甲烷-空气混合物的最小点火能量[5]

（2）氢气-氧气混合物

101.3kPa（1atm）下，氢气-氧气混合物在管道中的火焰向上传播的燃烧极限为4%～94%。降低压力会增加LFL[3]。当使用高能点火源时，在50%（体积分数）氢下，观察到的最低点火压力为57kPa（0.56atm）。在压力超过12.4MPa（122atm）的条件下，LFL不会随压力的变化而变化，而在1.52MPa（15atm）时，UFL的氢体积分数为95.7%[3]。当温度从288K上升到573K时（15～300℃），LFL从9.6%的氢体积分数下降到9.1%，UFL从90%上升到94%。

（3）稀释剂的影响

氢-氧-氮混合物的燃烧极限如图1-2所示。表1-3给出了气态氢和气态氧的燃烧极限[使用相同浓度的惰性气体（氦气、二氧化碳和氮气）进行均匀燃烧]。表1-5给出了在不同管道尺寸下氦、二氧化碳、氮和氩等作为稀释剂时对氢气-空气燃烧极限的影响[3]。在降低空气中氢的燃烧极限方面，氩是效果最差的稀释剂。

图1-2　101.3kPa（1atm）、298K（25℃）下氢-氧-氮混合物的燃烧极限[3]

图1-3　氮气、氦气、二氧化碳和H₂O等稀释剂对101.3kPa（1atm）氢气-空气燃烧极限的影响[氮气、氦气和二氧化碳的温度为298K（25℃），水的温度为422K（149℃）][3]

表1-5　等浓度稀释剂对氢气-空气燃烧极限的影响[3]

氦气、二氧化碳、氮气和水蒸气对空气中氢气可燃极限的影响如图1-3所示。