Область техники

Изобретение относится к области водородной безопасности и может быть использовано для удаления водорода в помещениях, в частности, при утеч- ках водорода на предприятиях химической индустрии, из установок с приме- нением водорода (например, из системы охлаждения генераторов электро- станций), в хранилищах водородных баллонов, при захоронении ядерных от- ходов (где водород образуется в результате радиолиза воды и органических веществ), на испытательных стендах с применением водорода, в учебных ла- бораториях, при коррозии оборудования, при авариях на атомных электро- станциях (АЭС) и др.

Предшествующий уровень техники

Одним из основных методов обеспечения водородной безопасности на со- временных АЭС является метод, в основе которого лежит автокаталитиче- ская реакция рекомбинация водорода и кислорода

Н ₂ + У ₂ 0 ₂ -* Н ₂ 0 (пар) + 244,05 кДж ( 1 )

Устройство, в котором осуществляется реакция (1), - пассивный автокатали- тический рекомбинатор (ПАР) представляет собой обычно вертикально рас- положенный металлический полый трубчатый корпус с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщённый своими торцами с окружающей средой и с установленными в его нижней части каталитическими элемента- ми. В качестве катализатора используют обычно металлы платиновой груп- пы, чаще саму платину, а в качестве механической основы - термо- и корро- зионностойкие материалы. При контакте с водородом тепло экзотермической реакции (1) способствует появлению в корпусе ПАР восходящего конвектив- ного потока. Процесс газообмена между окружающей средой и пространст- вом в ПАР обеспечивает всасывание водород-воздушной смеси в ПАР и окисление водорода в результате указанной реакции. Таким образом, про- цесс 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 удовлетворя- ют требованиям водородной безопасности. Модернизация ПАР для нужд АЭС осуществляется в направлении повышения производительности (скоро- сти каталитического процесса), сокращения стартового периода включения ПАР в работу, снижения его стоимости (уменьшение закладки в катализатор драгоценных металлов), уменьшения тепловых нагрузок на катализатор, обеспечения надёжности работы в экстремальных условиях аварий, повы- шения 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 раскалённых фрагментов, отделяемых от катализатора, а также «блуждающих» катализа- торных частиц, выносимых с газовым потоком из верхней части ПАР. Са- моразогрев катализатора может превысить уровень воспламенения водоро- да (в области выше 500 °С).

В попытках решить эти проблемы в последние 10-15 лет предлагались раз- личные 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, G21С 19/317, 2001 - аналог). Кроме того, для снижения риска воспламенения водорода от раскалённого выхлопа в корпусе ПАР согласно данному аналогу установлено устройство для под- мешивания внешней атмосферы и устройство турбулизации газов. Эти меры по увеличению безопасности ПАР приводят, однако, к существенному сни- жению его производительности.

Известен ПАР водорода и кислорода, содержащий вертикально расположен- ный полый трубчатый корпус с сечением круглого или иного профиля, сво- бодно сообщенный в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой, и помещённую в его нижней части по меньшей мере одну СКЭ в виде гори- зонтального ряда вертикально расположенных каталитических пластин (RU 2222060, G21C9/06, 2004 - прототип). С целью устранения локального пере- грева каталитических элементов при концентрациях водорода выше 8 % об. нижняя часть каталитических пластин в этом ПАР закрыта пористым (дрос- сельным) слоем. Затруднение диффузионного потока водорода к нижней ак- тивной поверхности приводит к снижению реакционной и тепловой нагруз- ки, тогда как верхняя, каталитически активная, часть пластины остаётся дос- тупной для газовых реагентов. Близкое к данному техническое решение при- ведено в другом патенте тех же авторов (RU 2232635, B01J37/02, 2003 ана- лог). Здесь нижняя часть каталитической пластины закрыта защитным слоем из неорганического инертного материала с пористостью 0,1...1,0 см ³ /г тол- щиной менее 1 мм. Недостатком таких решений является многофазная струк- тура каталитических элементов, - менее прочная по сравнению с однофаз- ной, особенно с учётом существенного различия коэффициентов темпера- турного расширения фаз при работе катализатора в широком интервале тем- ператур (20...700°). Кроме того, экранирование части каталитической по- верхности снижает скорость реакции рекомбинации и, как следствие, произ- водительность ПАР.

Раскрытие изобретения

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является предотвращение локального перегрева и тем самым разрушения каталитиче- ских элементов при сохранении высокой каталитической активности ПАР в целом. Указанный технический результат обеспечивается тем, что в ПАР во- дорода и кислорода, содержащем вертикально расположенный полый труб- чатый корпус с сечением круглого или иного профиля, свободно сообщен- ный в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой, и помещённую по высоте в его нижней части по меньшей мере одну СКЭ в виде горизон- тального ряда вертикально расположенных каталитических пластин, соглас- но изобретению каждая каталитическая пластина сборки установлена внутри канала, образованного двумя канальными пластинами из материала, катали- тически не активного для реакции рекомбинации водорода и кислорода, при- чём 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 пре- дыдущей сборки с изменением ориентации на (45-90)°. Ширина просвета между канальными и каталитической пластинами с каждой стороны послед- ней может составлять (10...30) мм. Канальная пластина может быть выпол- нена плоской или гофрированной, или сетчатой из термо- и коррозионно- стойкого материала, а канальные пластины в целом могут быть ориентиро- ваны под углом (5...70) ⁰ 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 изобрете- ния и указанным техническим результатом заключается в том, что каналы переносят часть всасываемого в ПАР водород - воздушного потока в зону площади каталитических пластин, более удалённой по направлению его дви- жения. Тем самым снижается тепловая нагрузка экзотермической реакции на нижнюю часть каталитической пластины и подключается её более удалённые участки. Это перераспределение тепловой нагрузки приводит к более поло- гому профилю снижения концентрации водорода вдоль направления восхо- дящего газового потока. С другой стороны, это позволяет выполнить струк- туру катализатора однофазной с основой из пористого металла, в порах кото- рого введены антикоррозионная компонента и металл-катализатор. Однофаз- ная структура катализатора, снижение локальной тепловой нагрузки на ниж- нюю часть каталитической пластины и более пологий профиль снижение концентрации водорода вдоль восходящего потока газа позволяют предот- вратить разрушение катализатора и, вместе с тем, отказаться от усложнений каталитической структуры, уменьшающей производительность ПАР.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематически изображён ПАР согласно изобретению в продольном разрезе; на фиг.2 - схема течения газовых потоков в СКЭ ПАР; на фиг.З - за- висимости удельной скорости рекомбинации водорода и кислорода при рабо- те ПАР разной производительности; на фиг.4 - зависимость температуры ка- тализатора ПАР от концентрации водорода в окружающем пространстве.

Вариант осуществления изобретения

ПАР водорода и кислорода содержит вертикально расположенный полый трубчатый корпус 1 с сечением круглого или иного профиля, свободно сооб- щенный в своих верхнем и нижнем торцах 1.1, 1.2 с окружающей средой (обычно, воздухом), и помещённую 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 изо- бретению каждая каталитическая пластина 4 установлена внутри канала 5, образованного двумя канальными пластинами 6 из каталитически не актив- ного для реакции рекомбинации водорода и кислорода, а также термо- и кор- розионностойкого 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 ка- нальными пластинами 6 и каталитической пластинами 4 с каждой стороны последней составляет (10...30) мм. Канальные пластины 6 могут быть вы- полнены плоскими, как на фиг.1, или гофрированными, или сетчатыми, а также ориентированными под углом (5...70) ⁰ к вертикали (последние три варианта не показаны). Каталитические пластины 4 имеют высоту h _Kax = (50...150) мм, канальные пластины 6 - высоту Ь _кан = (30...130) мм, расстоя- ние между нижними торцами канальных и каталитических элементов состав- ляет АЬниж ⁼ (10...50) мм, а между их верхними торцами Δη _Βερχ = (10...100) мм.

С появлением в окружающей воздушной среде водорода на поверхностях ка- талитических пластин 4 начинается экзотермическая реакция рекомбинации водорода и кислорода, приводящая к саморазогреву этих пластин и появле- нию восходящего газового потока (фиг.2). Вследствие теплопередачи кон- вективным путём и через тепловое излучение саморазогрев каталитических пластин 4 приводит к разогреву и соседних канальных пластин 6. Между по- следними 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 каталитиче- ских пластин и одновременно подключаются к функционированию их выше расположенные поверхности. Расположение в корпусе 1 двух и более СКЭ (в данном примере двух - 2 и 3) существенно увеличивает производительность ПАР (фиг.З). Для более равномерной нагрузки на катализатор целесообразно на каждой вышерасположенной СКЭ (на фиг.1 - СКЭ 3) ориентировать пла- стины под углом (45...90) ⁰ в отношении пластин предыдущей СКЭ (на фиг.1- СКЭ 2). Эффективность канальной сборки зависит от взаимного рас- положения каталитических и канальных пластин: расстояний между пласти- нами, высот канальных и каталитических пластин, а также от количества ка- талитических сборок, расположенных одна над другой. Для оценки каталитической активности катализатора ПАР согласно изобре- тению снимали зависимости (фиг.З) удельной скорости рекомбинации водо- рода i _KaT (скорости рекомбинации водорода в расчёте на единицу площади се- чения S входящего в ПАР газового потока) от стационарной концентрации водорода С в двух ПАР, отличающихся объёмом катализатора (а следова- тельно и размерами С Э) примерно в 3 раза в относительно маломасштаб- ном ПАР (высотой 350 мм и проходным сечением (90 х 50) мм и в ПАР вы- сотой 700 мм и проходным сечением (70 х 100) мм. В обоих экспериментах в нижней части ПАР размещались одна над другой три СКЭ. Испытание пер- вого ПАР с сечением (90 х 50) мм проводили в климатической камере объё- мом 86 литров, а второго с сечением (90 х 50) мм - в камере объёмом 555 литров. Через пространство камер осуществлялся проток воздуха с водоро- дом при постоянной скорости воздушного потока (43 и 100 л/мин, соответст- венно) с разным содержанием водорода. Температуру в камерах поддержи- вали при (25...30) °С. Ступенчато меняя концентрацию водорода в подавае- мом 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 пото- ков воздуха (1 _ВО зд) и водорода (J _B(W ) находили параметр i _Kax по формуле:

W KlOO/Q-l}

1кат

[l - 0,5/{(100/C)-l }] S

На фиг.4 приведены соответствующие зависимости температуры катализа- тора (Т) от стационарной концентрации водорода в камере. Длительная (мно- гочасовая) работа канальных сборок в интервале С до 15 % об. и температур катализатора до (600...700) °С не приводила к воспламенению водорода в испытательной камере. При этом каталитические пластины и после много- кратного тестирования в указанных условиях сохраняли каталитическую ак- тивность 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 объёмами водорода снятие зависимости i _Kax - С для второго ПАР были ограничены С = 10 % об.

Промышленная применимость

Одно из наиболее важных конкретных областей промышленной применимо- сти изобретения является реакторные залы атомных электростанций. Одно- фазная структура катализатора, снижение локальной тепловой нагрузки на нижнюю часть каталитической пластины и более пологий профиль снижение концентрации водорода вдоль восходящего потока газа позволяют, как уже отмечалось, повысить производительность ПАР согласно изобретению без увеличения риска разрушения катализатора. При этом за счёт уменьшения необходимого количества ПАР существенно облегчается задача их разме- шения в стеснённых условиях реакторного зала.