пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода с равномерной нагрузкой на площадь каталитического элемента

Формула изобретения

1. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода, содержащий вертикально расположенный полый трубчатый корпус с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенный в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой и помещенную в его нижней части по меньшей мере одну сборку каталитических элементов в виде горизонтального ряда вертикально расположенных каталитических пластин, отличающийся тем, что каждая каталитическая пластина сборки установлена внутри канала, образованного двумя канальными пластинами из материала, каталитически не активного для реакции рекомбинации водорода и кислорода, причем нижний торец каждой каталитической пластины расположен внутри, а верхний - за пределами соответствующего канала.

2. Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что все пластины каждой последующей сборки установлены над пластинами предыдущей сборки с изменением ориентации на 45 - 90°.

3. Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что ширина просвета между канальными и каталитической пластинами с каждой стороны последней составляет 10 - 30 мм.

4. Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что канальная пластина выполнена плоской, или гофрированной, или сетчатой из термо- и коррозионно-стойкого материала.

5. Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что канальные пластины ориентированы под углом 5 - 70° к вертикали.

6. Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что каталитические пластины имеют высоту 50 - 150 мм, канальные - 30 - 130 мм, расстояние между нижними торцами канальных и каталитических элементов составляет 10 - 50 мм, а между их верхними торцами - 10 - 100 мм.

Описание изобретения к патенту

Область использования

Изобретение относится к области водородной безопасности и может быть использовано для удаления водорода в помещениях, в частности при утечках водорода на предприятиях химической индустрии, из установок с применением водорода (например, из системы охлаждения генераторов электростанций), в хранилищах водородных баллонов, при захоронении ядерных отходов (где водород образуется в результате радиолиза воды и органических веществ), на испытательных стендах с применением водорода, в учебных лабораториях, при коррозии оборудования, при авариях на атомных электростанциях (АЭС) и др.

Уровень техники

Одним из основных методов обеспечения водородной безопасности на современных АЭС является метод, в основе которого лежит автокаталитическая реакция рекомбинация водорода и кислорода

Устройство, в котором осуществляется реакция (1), - пассивный автокаталитический рекомбинатор (ПАР) представляет собой обычно вертикально расположенный металлический полый трубчатый корпус с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенный своими торцами с окружающей средой и с установленными в его нижней части каталитическими элементами. В качестве катализатора используют обычно металлы платиновой группы, чаще саму платину, а в качестве механической основы - термо- и коррозионностойкие материалы. При контакте с водородом тепло экзотермической реакции (1) способствует появлению в корпусе ПАР восходящего конвективного потока. Процесс газообмена между окружающей средой и пространством в ПАР обеспечивает всасывание водород-воздушной смеси в ПАР и окисление водорода в результате указанной реакции. Таким образом, процесс связывания водорода протекает естественным путем, в так называемом пассивном режиме, то есть без необходимости энергопитания и управления извне. Вместе с тем современные ПАР пока не в полной мере удовлетворяют требованиям водородной безопасности. Модернизация ПАР для нужд АЭС осуществляется в направлении повышения производительности (скорости каталитического процесса), сокращения стартового периода включения ПАР в работу, снижения его стоимости (уменьшение закладки в катализатор драгоценных металлов), уменьшения тепловых нагрузок на катализатор, обеспечения надежности работы в экстремальных условиях аварий, повышения прочности катализатора и др. При этом наибольшую озабоченность вызывают саморазогрев катализатора при концентрациях водорода выше 6-8% об. и недостаточная для работы при высоких температурах прочность. «Перегретый» катализатор может быть источником мелких раскаленных фрагментов, отделяемых от катализатора, а также «блуждающих» катализаторных частиц, выносимых с газовым потоком из верхней части ПАР. Саморазогрев катализатора может превысить уровень воспламенения водорода (в области выше 500°C).

В попытках решить эти проблемы в последние 10-15 лет предлагались различные структуры катализатора и конструкции ПАР.

Известен ПАР, в котором для предотвращения выноса из него фрагментов катализатора и пламени под и над сборкой каталитических элементов (СКЭ) установлена сложная система фильтров-ловушек с множеством проходных отверстий размеров 0.1 мм (RU 2188471, G21C 19/317, 2001 - аналог). Кроме того, для снижения риска воспламенения водорода от раскаленного выхлопа в корпусе ПАР согласно данному аналогу установлено устройство для подмешивания внешней атмосферы и устройство турбулизации газов. Эти меры по увеличению безопасности ПАР приводят, однако, к существенному снижению его производительности.

Известен ПАР водорода и кислорода, содержащий вертикально расположенный полый трубчатый корпус с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенный в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой, и помещенную в его нижней части по меньшей мере одну СКЭ в виде горизонтального ряда вертикально расположенных каталитических пластин (RU 2222060, G21C 9/06, 2004 - прототип). С целью устранения локального перегрева каталитических элементов при концентрациях водорода выше 8% об. нижняя часть каталитических пластин в этом ПАР закрыта пористым (дроссельным) слоем. Затруднение диффузионного потока водорода к нижней активной поверхности приводит к снижению реакционной и тепловой нагрузки, тогда как верхняя, каталитически активная, часть пластины остается доступной для газовых реагентов. Близкое к данному техническое решение приведено в другом патенте тех же авторов (RU 2232635, B01J 37/02, 2003 аналог). Здесь нижняя часть каталитической пластины закрыта защитным слоем из неорганического инертного материала с пористостью 0,1 1,0 см³/г толщиной менее 1 мм. Недостатком таких решений является многофазная структура каталитических элементов, - менее прочная по сравнению с однофазной, особенно с учетом существенного различия коэффициентов температурного расширения фаз при работе катализатора в широком интервале температур (20 700). Кроме того, экранирование части каталитической поверхности снижает скорость реакции рекомбинации и, как следствие, производительность ПАР.

Раскрытие изобретения

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является предотвращение локального перегрева и тем самым разрушения каталитических элементов при сохранении высокой каталитической активности ПАР в целом. Указанный технический результат обеспечивается тем, что в ПАР водорода и кислорода, содержащем вертикально расположенный полый трубчатый корпус с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенный в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой, и помещенную по высоте в его нижней части по меньшей мере одну СКЭ в виде горизонтального ряда вертикально расположенных каталитических пластин, согласно изобретению каждая каталитическая пластина сборки установлена внутри канала, образованного двумя канальными пластинами из материала, каталитически не активного для реакции рекомбинации водорода и кислорода, причем нижний торец каждой каталитической пластины расположен внутри, а верхний - за пределами соответствующего канала. При этом все пластины каждой последующей сборки могут быть установлены над пластинами предыдущей сборки с изменением ориентации на (45-90)°. Ширина просвета между канальными и каталитической пластинами с каждой стороны последней может составлять (10 30) мм. Канальная пластина может быть выполнена плоской или гофрированной, или сетчатой из термо- и коррозионно-стойкого материала, а канальные пластины в целом могут быть ориентированы под углом (5 70)° к вертикали. Каталитические пластины могут иметь высоту (50 150) мм, канальные - (30 130) мм, расстояние между нижними торцами канальных и каталитических элементов может составлять (10 50) мм, а между их верхними торцами - (10 100) мм.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками изобретения и указанным техническим результатом заключается в том, что каналы переносят часть всасываемого в ПАР водород-воздушного потока в зону площади каталитических пластин, более удаленной по направлению его движения. Тем самым снижается тепловая нагрузка экзотермической реакции на нижнюю часть каталитической пластины и подключаются ее более удаленные участки. Это перераспределение тепловой нагрузки приводит к более пологому профилю снижения концентрации водорода вдоль направления восходящего газового потока. С другой стороны, это позволяет выполнить структуру катализатора однофазной с основой из пористого металла, в порах которого введены антикоррозионная компонента и металл-катализатор. Однофазная структура катализатора, снижение локальной тепловой нагрузки на нижнюю часть каталитической пластины и более пологий профиль снижение концентрации водорода вдоль восходящего потока газа позволяют предотвратить разрушение катализатора и, вместе с тем, отказаться от усложнений каталитической структуры, уменьшающей производительность ПАР.

Краткое описание иллюстраций

На фиг.1 схематически изображен ПАР согласно изобретению в продольном разрезе; на фиг.2 - схема течения газовых потоков в СКЭ ПАР; на фиг.3 - зависимости удельной скорости рекомбинации водорода и кислорода при работе ПАР разной производительности; на фиг.4 - зависимость температуры катализатора ПАР от концентрации водорода в окружающем пространстве.

Подробное описание изобретения

ПАР водорода и кислорода содержит вертикально расположенный полый трубчатый корпус 1 с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщенный в своих верхнем и нижнем торцах 1.1, 1.2 с окружающей средой (обычно, воздухом), и помещенную по высоте его нижней части по меньшей мере одну, в данном примере две СКЭ 2,3, каждая в виде горизонтального ряда вертикально расположенных каталитических пластин 4. Согласно изобретению каждая каталитическая пластина 4 установлена внутри канала 5, образованного двумя канальными пластинами 6 из каталитически не активного для реакции рекомбинации водорода и кислорода, а также термо- и коррозионностойкого материала, например, из нержавеющей стали. При этом нижний торец каждой каталитической пластины 4 расположен внутри, а верхний - за пределами соответствующего канала 5. Все каталитические и канальные пластины 4,6 каждой последующей сборки, в данном случае СКЭ 3, установлены над пластинами предыдущей сборки, в данном случае СКЭ 2, с изменением ориентации на (45 90)°. Ширина просвета b между канальными пластинами 6 и каталитической пластинами 4 с каждой стороны последней составляет (10 30) мм. Канальные пластины 6 могут быть выполнены плоскими, как на фиг.1, или гофрированными, или сетчатыми, а также ориентированными под углом (5 70)° к вертикали (последние три варианта не показаны). Каталитические пластины 4 имеют высоту h_кат=(50 150) мм, канальные пластины 6 - высоту h_кан=(30 130) мм, расстояние между нижними торцами канальных и каталитических элементов составляет h_ниж=(10 50) мм, а между их верхними торцами h_верх=(10 100) мм.

Работа ПАР

С появлением в окружающей воздушной среде водорода на поверхностях каталитических пластин 4 начинается экзотермическая реакция рекомбинации водорода и кислорода, приводящая к саморазогреву этих пластин и появлению восходящего газового потока (фиг.2). Вследствие теплопередачи конвективным путем и через тепловое излучение саморазогрев каталитических пластин 4 приводит к разогреву и соседних канальных пластин 6. Между последними также возникает восходящий газовый поток, переносящий часть поступающей снизу газовой смеси к верхним частям каталитических пластин 4. Тем самым снижается термическая нагрузка на нижние части каталитических пластин и одновременно подключаются к функционированию их вышерасположенные поверхности. Расположение в корпусе 1 двух и более СКЭ (в данном примере двух - 2 и 3) существенно увеличивает производительность ПАР (фиг.3). Для более равномерной нагрузки на катализатор целесообразно на каждой вышерасположенной СКЭ (на фиг.1 - СКЭ 3) ориентировать пластины под углом (45 90)° в отношении пластин предыдущей СКЭ (на фиг.1- СКЭ 2). Эффективность канальной сборки зависит от взаимного расположения каталитических и канальных пластин: расстояний между пластинами, высот канальных и каталитических пластин, а также от количества каталитических сборок, расположенных одна над другой.

Для оценки каталитической активности катализатора ПАР согласно изобретению снимали зависимости (фиг.3) удельной скорости рекомбинации водорода 1кат (скорости рекомбинации водорода в расчете на единицу площади сечения S входящего в ПАР газового потока) от стационарной концентрации водорода С в двух ПАР, отличающихся объемом катализатора (а следовательно и размерами СКЭ) примерно в 3 раза в относительно маломасштабном ПАР высотой 350 мм и проходным сечением (90×50) мм и в ПАР высотой 700 мм и проходным сечением (70×100) мм. В обоих экспериментах в нижней части ПАР размещались одна над другой три СКЭ. Испытание первого ПАР с сечением (90×50) мм проводили в климатической камере объемом 86 литров, а второго с сечением (90×50) мм - в камере объемом 555 литров. Через пространство камер осуществлялся проток воздуха с водородом при постоянной скорости воздушного потока (43 и 100 л/мин, соответственно) с разным содержанием водорода. Температуру в камерах поддерживали при (25 30)°С. Ступенчато меняя концентрацию водорода в подаваемом в камеру газовом потоке, каждый раз регистрировали установившуюся в испытательной камере стационарную концентрацию водорода С, а также (с помощью термопар) температуру катализатора. Из величин входящих потоков воздуха (J_возд) и водорода (J _вод) находили параметр i_кат по формуле:

На фиг.4 приведены соответствующие зависимости температуры катализатора (Т) от стационарной концентрации водорода в камере. Длительная (многочасовая) работа канальных сборок в интервале C до 15% об. и температур катализатора до (600 700)°C не приводила к воспламенению водорода в испытательной камере. При этом каталитические пластины и после многократного тестирования в указанных условиях сохраняли каталитическую активность и практически не изменяли своего внешнего вида и массы. Из этого можно сделать вывод, что удельная скорость каталитического процесса для канальной структуры СКЭ согласно изобретению практически не зависит от размера и производительности ПАР. По соображениям безопасной работы с большими объемами водорода снятие зависимости i_кат - С для второго ПАР были ограничены С=10% об.