Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода для работы в среде с высоким содержанием водорода

Полезная модель относится преимущественно к области ядерной энергетики и может быть использована для предотвращения пожаро-взрывоопасных ситуаций при авариях на атомных электростанциях (АЭС), а также на других предприятиях, в помещениях которых возможно скопление водорода. Достигаемым результатом полезной модели является обеспечение надежной работы рекомбинатора при концентрации водорода не менее 20 об.%, без уменьшения его производительности. Согласно полезной модели каждый каталитический элемент каталитического блока рекомбинатора снабжен пористым покрытием, распространенным на всю его поверхность и выполненным в виде прилегающей к поверхности каталитического элемента тканной проволочной сетки плотного плетения. При этом каталитический блок помещен в тяговой трубе прямоугольного поперечного сечения, каждый каталитический элемент выполнен в виде прямоугольной пластины, причем отношение высоты тяговой трубы к высоте каталитического блока составляют 3÷10, а отношение высоты каталитического блока к расстоянию между соседними пластинами составляет 3÷20. 1 нез., 6 доп. п. ф-лы, 3 ил.

Полезная модель относится преимущественно к области ядерной энергетики и может быть использована для предотвращения пожаро-взрывоопасных ситуаций при авариях на атомных электростанциях (АЭС), а также на других предприятиях, в помещениях которых возможно скопление водорода.

Уже с конца 80-х годов прошлого столетия составной частью системы безопасности АЭС стали рекомбинаторы, обеспечивающие протекание химической реакции соединения водорода и кислорода с образованием водяного пара. Рекомбинаторы размещают в ждущем режиме в помещениях защитной оболочки (гермозоны) АЭС с водоохлаждаемыми реакторами на случай аварии реактора с потерей теплоносителя. Такая аварии сопровождается повышением температуры до 1200°С и выше, что приводит к плавлению циркониевой оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), в которых помещается ядерное топливо. При этом перегретый пар, реагируя с цирконием и другими металлическими конструкциями и подвергаясь радиолизу, становится основным источником образования газообразного водорода. Вместе с парами воды и другими газообразными продуктами он быстро заполняет смежные и выше расположенные помещения гермозоны.

Для обеспечения водородной безопасности до недавнего времени в практике АЭС использовались так называемые дожигатели - активные рекомбинаторы водорода и кислорода в водяной пар [1], недостатком которых является низкая надежность работы, так как для своего функционирования они требуют ухода и внешнего энергопитания.

Более широкое распространение получили каталитические рекомбинаторы пассивного типа, не требующие для своего функционирования ни специального ухода, ни внешнего энергопитания. После смешения с воздушной атмосферой водородсодержащая газовая смесь вступает в контакт с катализатором пассивного рекомбинатора. При этом начинается связывание взрывоопасного

водорода в результате беспламенной каталитической реакции водорода с кислородом воздуха:

Пассивный автокаталитический рекомбинатор обычно выполняется в виде свободно сообщающегося в верхней и нижней частях с окружающей средой вертикальной тяговой трубы, в нижней части которой расположен блок каталитических элементов. В качестве каталитического материала обычно используется платина или палладий, а также другие металлы группы платины. Каталитический материал в дисперсном виде наносится на пористый инертный термостойкий субстрат, а последний - на металлический носитель (например, листовую нержавеющую сталь). В качестве носителя может быть использован и сам субстрат (-оксид алюминия, листы пористого металла и др). Экзотермическая реакция (1) вызывает разогрев газа в нижней части тяговой трубы и понижение его плотности, в результате чего возникает направленный вверх тяговый поток. Процесс связывания водорода, таким образом, происходит естественным образом. Именно это уникальное свойство данной реакции позволило создать пассивный рекомбинатор, работающий без внешнего или внутреннего энергопитания, т.е. функционирующий автокаталитически.

Вместе с тем современные рекомбинаторы пока не в полной мере удовлетворяют запросы практики. Широко ведущиеся в последние годы работы по совершенствованию рекомбинаторов преследуют цели повысить производительность, ускорить стартовый процесс, улучшить и удешевить каталитическую систему, снизить тепловую нагрузку, предотвратить перегрев катализатора и пр. Перегрев катализатора таит большую опасность. Дело в том, что температура каталитического элемента, особенно его нижней части, воспринимающей газ с наибольшей концентрацией водорода, может достичь весьма высокого уровня. Чем выше концентрация водорода в окружающей среде, тем с большей скоростью протекает процесс и тем выше температура в нижней части рекомбинатора. Максимальная концентрация водорода, при которой для данного рекомбинатора достигается область температур с переходом беспламенного каталитического процесса в объемное горение, называется критической

концентрацией водорода (С_крит). Величина С _крит определяется не только концентрацией водорода в окружающем пространстве, но и конструкцией рекомбинатора и каталитической сборки. Для разных типов современных рекомбинаторов предельные рабочие концентрации водорода ограничены диапазоном 4-8 об.%. Одной из важнейших проблем в этой связи является перегрев катализатора в пассивном рекомбинаторе, вызывающий возможность поджига водорода самим рекомбинатором. Достаточно большим количеством единичных рекомбинаторов можно, в принципе, обеспечить поддержание концентрации водорода на безопасном уровне (не более 4 об.%). Однако чем меньше производительность одного рекомбинатора и чем выше уровень С _крит, тем выше затраты на оснащение рекомбинаторами АЭС, не говоря уже о площадных возможностях станции. Исходя из этих соображений, маломощные и имеющие низкий уровень критической концентрации рекомбинаторы имеют мало шансов для практического использования.

Известен пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода, содержащий тяговую трубу, внутри которой в нижней части помещен каталитический блок в виде равноотстоящих друг от друга вертикально расположенных и параллельных друг другу каталитических элементов, каждый из которых в нижней части поверх каталитического слоя имеет металлическое пористое покрытие (дроссельный слой) [2] - ближайший аналог.

Каталитический элемент в своей нижней части, куда поступает реакционная смесь с максимальной концентрацией водорода, находится под пористым покрытием, подробно описанным в [3]. Верхняя (активная) часть каталитического элемента свободна от покрытия. В результате диффузионный процесс доставки реагентов к поверхности катализатора в нижней части каталитического элемента затруднен, процесс рекомбинации водорода и кислорода протекает с относительно низкой скоростью и, как следствие, при относительно невысокой температуре, не способной вызвать возгорание водорода. Подходящий к верхней части каталитического элемента газовый поток также не может вызвать возгорание водорода, но уже из-за пониженной (до безопасного уровня) концентрации водорода.

К недостаткам [2] можно отнести то, что пористое покрытие ограничивает приток к наиболее активной части каталитического элемента обоих реагентов (водорода и кислорода), что негативно отражается на производительности рекомбинатора.

Достигаемым результатом полезной модели является обеспечение надежной работы рекомбинатора при концентрации водорода не менее 20 об.%, без уменьшения его производительности.

Это обеспечивается тем, что в пассивном автокаталитическом рекомбинаторе водорода и кислорода, содержащем тяговую трубу, внутри которой в нижней части помещен каталитический блок в виде равноотстоящих друг от друга вертикально расположенных и параллельных друг другу каталитических элементов, каждый из которых в нижней части поверх каталитического слоя имеет металлическое пористое покрытие, согласно полезной модели указанное покрытие распространено на всю поверхность каталитического элемента и выполнено в виде прилегающей к нему тканной проволочной сетки плотного плетения.

При этом дополнительно согласно полезной модели сетка сплетена из проволок диаметром 0,10-0,50 мм; объем пор, образуемых пустотами в междоузлиях сетки составляет 0,01-0,20 см³/грамм; проволоки сетки изготовлены из химически и термически стойкого металла или сплава; тяговая труба имеет прямоугольное поперечное сечение, а каждый каталитический элемент выполнен в виде прямоугольной пластины; отношение высоты тяговой трубы к высоте каталитического блока составляет 3-10; отношение высоты каталитического блока к расстоянию между соседними пластинами составляет 3-20.

Применяемая согласно полезной модели сетка относится к тканным сеткам типа фильтровых. Как известно, фильтровые сетки не имеют прямых сквозных отверстий, и их пористость обусловлена лишь извилистыми пустотами в междоузлиях, - между поперечно пересекающимися основными проволоками и проволоками «утка». Тканная проволочная сетка типа фильтровой, во-первых, создает сопротивление диффузии, в основном, кислороду, тогда как для более подвижного водорода такая сетка сопротивления практически не создает.

В результате у поверхности катализатора образуется газовая смесь с большим содержанием водорода, нежели в окружающей среде, что, в свою очередь, интенсифицирует процесс каталитической рекомбинации водорода. Во-вторых, теплопроводная металлическая сетка способствует выравниванию профиля температуры по высоте каталитического элемента, расширяя, тем самым зону реакции и понижая локальные температуры в этой зоне. В третьих, благодаря плотному плетению и экранированию всего каталитического элемента значительно ослабляется ингибирующее влияние различных газовых и аэрозольных веществ, поступающих из реакторной зоны в помещения гермозоны вместе с водородом и парами воды. Следует отметить, что теплообмен между работающим катализатором и средой, т.е. отвод тепла от зоны реакции во избежание перегрева катализатора, более эффективен в случае каталитической системы, изготовленной только из металлических частей. Наличие всякого рода керамических носителей, субстратных слоев для нанесение каталитического материала на носитель, покровных слоев из рыхлого насыпного материала неизменно замедляет теплоотдачу от зоны реакции, что в первую очередь должно негативно сказаться на скорости самой реакции, а следовательно и на производительности рекомбинатора.

На фиг.1 схематически изображен пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода согласно полезной модели; на фиг.2 - участок тканной проволочной сетки, покрывающей каталитический элемент; на рис.3 - вид сверху участок сетки фиг.2.

Рекомбинатор (фиг.1) содержит тяговую трубу 1 прямоугольного поперечного сечения, свободно сообщающуюся в верхней и нижней частях с окружающей средой. Внутри нижней части тяговой трубы 1 помещен каталитический блок 2 в виде равноотстоящих друг от друга вертикально расположенных и параллельных друг другу каталитических элементов, выполненных в виде каталитических пластин 3, поверхность каждой из которых полностью покрыта прилегающей к ней тканной проволочной сеткой 4, плотно сплетенной из проволок 5, 6 (фиг.2, 3) диаметром 0,10-0,50 мм с образованием пор 7 Фиг.3), расположенных между узлами 8 плетения. Удельный объем пор составляет 0,01-0,20

см ³/грамм. Проволоки изготовлены из химически и термически стойкого металла или сплава, например, из нержавеющей стали. Отношение высоты Н тяговой трубы 1 к высоте h каталитического блока 2 составляет 3÷10, а отношение высоты h каталитического блока 2 к расстоянию s между соседними каталитическими пластинами 3 составляет 3÷20.

Рекомбинатор согласно полезной модели работает следующим образом. Образующийся при аварии реактора газообразный водород поступает в гермозону и затем в смеси с воздухом диффузионным путем проникает через открытые части тяговой трубы 1 и поры 7 экранирующих сеток 4 к каталитическим пластинам 3, побуждая начало автокаталитической реакции (1). По мере разогрева каталитического блока 2 за счет экзотермического тепла реакции внутри тяговой трубы 1 рекомбинатора возникает тяга, обеспечивающая непрерывный подвод к катализатору свежих порций водородсодержащей смеси. В результате каталитической реакции рекомбинации водорода и кислорода образуется водяной пар, который в смеси с азотом и другими непрореагировшими составляющими воздуха, поднимаясь вверх, поступает обратно в гермозону.

Было проведено тестирование рекомбинатора согласно полезной модели. Заключенные в металлические сетки каталитические пластины размещали в тяговой трубе с площадью проходного сечения 1600 мм² (40×40 мм) и высотой 350 мм. Оптимальная геометрия каталитической пластины (в частности, ее высота), расстояние между пластинами в рекомбинаторе и другие характеристики подбирались экспериментально. При этом было установлено, что данная каталитическая система является многофакторной. Например, с увеличением высоты каталитических пластин и с уменьшением расстояния между ними растет сопротивление тяговому потоку и снижается производительность. Серией экспериментов была найдена оптимальная высота Н=90 мм при расстоянии между пластинами h=9 мм. Рекомбинатор испытывали в специальной климатической камере, снабженной системами термостатирования, измерения локальных температур, газовых коммуникаций, отбора газовых проб для анализа концентрации водорода, а также предохранительными клапанами для направленного сброса давления при вспышках водорода. Постоянный поток воздуха

Производительность рекомбинатора определяли после достижения не изменяющихся во времени концентрации водорода в камере и локальных температур внутри рекомбинатора. Тестирование проводили при шаговом увеличении или уменьшении концентрации водорода в камере. Катализатор готовили путем платинирования пластин из пористого титана. Содержание дисперсной платины на 1 см² видимой поверхности пластины составляло 0,6 мг.

В таблице 1 приведены результаты измерений с применением для экранирования каталитических пластин различных фильтровых сеток.

Как видно из таблицы 1, применение покрытий каталитических пластин из тканных металлических сеток позволяет работать в области концентрации водорода в среднем около 15 об.%, причем сочетание низкой пористости с относительно большим диаметром проволок плетения позволяет пластинчатому катализатору работать в области концентраций водорода, более 20 об.%. При этом производительность рекомбинатора не снижается.

В таблице 2 приведены измеренные удельные производительности при С=8 об.% и С_крит для рекомбинатора с каталитическими пластинами высотой 90 мм, экранированными проволочной фильтровой сеткой разной высоты.

Как видно из таблицы 2, с увеличением высоты экрана при заданном значении расстояния между пластинами возрастает как удельная производительность рекомбинатора, так и параметр С_крит. Наиболее эффективно полное экранирование пластин высотой 90 мм при расстоянии между пластинами 9 мм, функционирование которых даже в водородо-воздушной смеси с 20-ти процентным содержанием водорода не приводит к его воспламенению. Эта же система продемонстрировала наибольшую производительность (9 кг/час·м²).

Можно предположить, что наблюдающееся «охлаждение» нижнего участка каталитических пластин в рекомбинаторе согласно полезной модели, приводящее к повышению С_крит, связано с относительно высокой теплопроводностью доминирующе диффундирующего через тканную сетку «избыточного» водорода, удельная теплопроводность которого в 6-7 раз превышает этот же параметр для кислорода или азота.

Следует отметить, что полное экранирование каталитических пластин металлической сеткой дополнительно к уже отмеченным преимуществам способствует также защите пластин от пыли, тумана, аэрозолей и других ингибиторов каталитической реакции.

Источники информации:

1. RU 2264853, 7 G21С 9/06, 2004.

2. RU 2222060, 7 G21С 9/06, 2000.

3. RU 2232635. 7 G21С 9/06, 1999.

1. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода, содержащий тяговую трубу, внутри которой в нижней части помещен каталитический блок в виде равноотстоящих друг от друга вертикально расположенных и параллельных друг другу каталитических элементов, каждый из которых в нижней части поверх каталитического слоя имеет металлическое пористое покрытие, отличающийся тем, что указанное покрытие распространено на всю поверхность каталитического элемента и выполнено в виде прилегающей к нему тканой проволочной сетки плотного плетения.

2. Рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что сетка сплетена из проволок диаметром 0,10-0,50 мм.

3. Рекомбинатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что удельный объем пор, образуемых пустотами в междоузлиях сетки, составляет 0,01-0,20 см³/г.

4. Рекомбинатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что проволоки сетки изготовлены из химически и термически стойкого металла или сплава.

5. Рекомбинатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что тяговая труба имеет прямоугольное поперечное сечение, а каждый каталитический элемент выполнен в виде прямоугольной пластины.

6. Рекомбинатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что отношение высоты тяговой трубы к высоте каталитического блока составляет 3÷10.

7. Рекомбинатор по п.5, отличающийся тем, что отношение высоты каталитического блока к расстоянию между соседними пластинами составляет 3÷20.