РЕКОМБИНАТОР И СПОСОБ РЕКОМБИНАЦИИ ВОДОРОДА ИЛИ МЕТАНА И КИСЛОРОДА В ГАЗОВОЙ СМЕСИ
RECOMBINER AND METHOD FOR RECOMBINATION OF HYDROGEN OR METHANE AND OXYGEN IN GAS MIXTURE

[0001] Заявляемая группа изобретений относится к средствам и методам предотвращения образования в помещениях взрывоопасных газовых смесей с участием водорода или метана, в частности в защитной оболочке реакторов атомных электростанций.
[0002] Основным источником поступления водорода в помещения защитной оболочки АЭС является вода первого контура. Механизм поступления следующий:
- радиолиз воды под действием ионизирующего излучения в режимах нормальной эксплуатации реакторной установки;
- пароциркониевые реакции в режимах проектных и запроектных аварий при кризисе теплообмена 1-го и 2-го рода и при плавлении активной зоны;
- взаимодействие кориума с бетоном при запроектной аварии с проплавлением корпуса реактора.
[0003] Выход значительного количества водорода из первого контура в помещения герметичной защитной оболочки может привести к образованию взрывоопасной среды и спровоцировать процессы дефлаграции и детонации водорода. Данные процессы сопровождаются разрушениями оборудования 1-го контура реактора, систем безопасности и т.д. На АЭС ФУКУСИМА-1 произошла детонация водорода на 1-3 блоках, образовавшегося в результате пароциркониевой реакции при осушении и плавлении активной зоны, что привело к значительным разрушениям конструкционных элементов АЭС и нарушению целостности защитной оболочки.
[0004] В соответствии с концепцией обеспечения водородной взрывобезопасности и требованиями, изложенными в нормативных документах, в системе аварийного удаления водорода используется оборудование, принцип действия которого основан на беспламенной, каталитической рекомбинации водорода с кислородом, содержащимся в атмосфере под защитной оболочкой.
[0005] Способ беспламенной, каталитической рекомбинации водорода реализуется посредством пассивных каталитических рекомбинаторов водорода (ПКРВ). Так, в частности, известны ПКРВ, описанные в патентах RU 2360734, G21C 9/06, 2009, RU 2461900, G21C 9/06, 2012, RU 2499305, G21C 9/06, 2013, RU 2537956, G21C 9/06, 2015.
[0006] Конструкции всех ПКРВ практически идентичны и представляют собой корпус из нержавеющей стали, в который помещен каталитический блок, и воздуховоды для отвода газовой смеси. Разница, в основном, состоит в конструкции и размещении каталитического блока, а также в конструкции корпуса.
[0007] Также известны каталитическая система и рекомбинационное устройство для рекомбинации водорода и кислорода, описанные в патенте RU 2179758, G21C 9/06, опубл. 2002.
[0008] Каталитическая система содержит металлический несущий лист, который выполнен хорошо теплопроводящим. Лист покрыт в первой зоне слоем первого каталитического благородного металла, а во второй зоне - слоем второго каталитического благородного металла. При этом первая и вторая зоны расположены предпочтительно на одной и той же стороне листа. В качестве благородных металлов предпочтительно используют платину и палладий. Несущий лист выполнен из нержавеющей стали и снабжен дополнительным каталитическим слоем.
[0009] Отмеченное рекомбинационное устройство содержит множество каталитических систем, которые удерживаются в держателях. Поток газа сперва приводят в контакт во второй зоне с благородным металлом, а затем в первой зоне с первым благородным металлом.
[0010] Известны рекомбинационное устройство и способ каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси, описанные в патенте RU 2222060, G21C 9/06, опубл. 2004. Данный патент выбран в качестве прототипа.
[0011] В указанном рекомбинационном устройстве по меньшей мере одна каталитическая структура расположена в камере, через которую при функционировании проходит газовая смесь. Каталитическая структура в направлении потока газовой смеси имеет несколько участков. В направлении набегающего потока первый участок содержит каталитическое тело с окружающим дроссельным слоем для предотвращения диффузии притекающих к каталитическому телу реакционных газов, и следующий за первым участком второй участок содержит по меньшей мере одно каталитическое тело, непосредственно доступное газам.
[0012] Известный способ каталитической рекомбинации водорода и/или монооксида углерода с кислородом в газовой смеси заключается в том, что для введения в реакцию рекомбинации газовую смесь подводят к каталитическому телу. При этом каталитическое тело на первом в направлении потока участке нагружают лишь парциальным потоком газовой смеси и полностью разгружают от газовой смеси лишь на втором участке.
[0013] Для разных типов современных ПКРВ порог поджига водородной смеси составляет 8-12% об. Столь низкий порог поджига водородосодержащей смеси имеющихся ПКРВ обусловлен особенностями конструкции, при которых, исходя из требований пассивности образа действия системы, прокачка водородосодержащей смеси осуществляется посредством естественной циркуляции. Это характеризуется малыми расходами прокачиваемой водородосодержащей смеси, что понижает производительность ПКРВ и снижает отвод тепла, выделяемого при каталитических реакциях. Таким образом, происходит значительный разогрев активного элемента до температур, способных вызвать поджиг водородосодержащей смеси.
[0014] По результатам исследований, проведенных ГНЦ РФ ФЭИ для некоторых типов запроектных аварий, сопровождаемых осушением, но не плавлением активной зоны (пароциркониевые реакции), объемная концентрация водорода в среднем по объему под защитной оболочкой может превысить 14%, в то время как в отдельных помещениях может доходить до 20%.
[0015] Таким образом, даже для ограниченного набора исследуемых запроектных аварий, существующие системы не способны обеспечить водородную безопасность энергоблока. Более того, использование подобных систем может привести к детонации водородосодержащей смеси, поскольку нижний концентрационный предел детонации составляет 18% об., а верхний концентрационный предел детонации составляет 58% об.
[0016] Технический результат предлагаемой группы изобретений заключается в расширении арсенала технических средств и методов предотвращения образования в помещениях взрывоопасных газовых смесей с участием водорода или метана за счет повышения порога поджига смеси минимум до 60% об.
[0017] Кроме того, техническим результатом является повышение производительности рекомбинатора и понижение температуры каталитических элементов за счет замены естественной циркуляции воздушной смеси на принудительную при обеспечении требования пассивности образа работы системы (т.е. без внешнего источника и управляющего воздействия).
[0018] Указанный технический результат достигается за счет того, что рекомбинатор водорода или метана и кислорода в газовой смеси включает в себя корпус с входным и выходным участками и размещенный в корпусе, по крайней мере, один каталитический блок с, по крайней мере, одним каталитическим элементом.
[0019] Каталитический блок содержит канал с входной и выходной зонами. Каталитический элемент выполнен в виде топливного элемента, размещенного в канале таким образом, что его анод расположен во входной части канала, а катод расположен в выходной части канала. В конкретном применении изобретения топливный элемент может работать на водороде, метане или другом взрывоопасном газе.
[0020] Для принудительной циркуляции водородосодержащей смеси через каталитический блок рекомбинатор снабжен устройством для перемещения газовой среды. Питание устройства для перемещения газовой среды осуществляется от топливного(ых) элемента(ов).
[0021] Количество каталитических блоков и каталитических элементов определяется конструкцией и электрическими характеристиками топливных элементов, потребным расходом газовой смеси через рекомбинатор, характеристиками устройства для перемещения газовой среды и т.п.
[0022] Для обеспечения необходимого тока топливные элементы каталитических блоков могут быть соединены параллельно.
[0023] Предпочтительно, чтобы в качестве устройства для перемещения газовой среды был применен компрессор.
[0024] Предпочтительно, чтобы компрессор был установлен по потоку газовой среды выше каталитических блоков.
[0025] Для улучшения теплового режима работы рекомбинатора катализаторный блок может быть снабжен, по крайней мере, одним радиатором, расположенным во входной зоне и/или выходной зоне канала.
[0026] Способ рекомбинации водорода или метана и кислорода в газовой смеси заключается в следующем: для введения в реакцию рекомбинации газовую смесь подводят к, по крайней мере, одному каталитическому элементу. В качестве каталитического элемента используют топливный элемент, который помещают в канал с входной и выходной зонами таким образом, что анод топливного элемента расположен во входной зоне канала, а катод расположен в выходной зоне канала. Подвод газовой смеси к топливному элементу осуществляют при помощи устройства для перемещения газовой среды, запитанного от топливного элемента.
[0027] Предпочтительно, чтобы в качестве устройства для перемещения газовой среды был использован компрессор.
[0028] В предлагаемом техническом решении естественная циркуляция водородосодержащей смеси через каталитический блок заменяется на принудительную, расход циркуляции смеси прямо пропорционален количеству поступаемого водорода. Таким образом, значительно повышается производительность ПКРВ и увеличивается теплоотвод от каталитического блока (понижена температура каталитических элементов), что приводит к увеличению пороговой концентрации поджига водородной смеси до 60% об. и увеличению производительности ПКРВ по рекомбинируемому водороду. При этом принцип работы ПКРВ остается пассивным (без управляющего воздействия), что соответствует требованиям нормативных документов МАГАТЭ и внутрироссийского законодательства.
[0029] Вышеизложенное представляет собой краткое изложение сущности изобретения и, таким образом, может содержать упрощения, обобщения, включения и/или исключения подробностей; следовательно, специалистам в данной области техники следует принять во внимание, что данное краткое изложение сущности изобретения является только иллюстративным и не подразумевает какое-либо ограничение.
[0030] Для лучшего понимания сути предлагаемого технического решения ниже приводится описание конкретного примера выполнения изобретения, не являющееся ограничительным примером практической реализации рекомбинатора и способа рекомбинации водорода или метана и кислорода в газовой смеси в соответствии с данным изобретением со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
[0031] на фиг. 1 изображена обобщенная схема рекомбинатора;
[0032] на фиг. 2 изображена схема каталитического блока.
[0033] Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
[0034] Как показано на фиг. 1, рекомбинатор водорода включает корпус 1 из нержавеющей стали, выполненный в виде вертикально ориентированного кожуха, имеющего входной 2 и выходной 3 участки. Корпус 1 предназначен для направления потока газовой смеси через устройство снизу вверх.
[0035] Внутри корпуса 1 расположены каталитические блоки 4 и компрессор 5. Компрессор 5 по потоку установлен за каталитическими блоками 4. Как показано на фиг. 2, каталитический блок 4 содержит канал 6, имеющий входную 7 и выходную зоны 8. Внутри канала 6 находится водородный топливный элемент 9.
[0036] Водородный топливный элемент 9 установлен таким образом, что его анод 10 находится во входной зоне 7 канала, а катод находится в выходной зоне 8 канала. Как показано на фиг. 1, для обеспечения питания компрессора топливные элементы 9 соединены параллельно.
[0037] В канале 6 расположены радиаторы 12, обеспечивающие отвод тепла экзотермической реакции рекомбинации водорода и кислорода.
[0038] Способ рекомбинации водорода и кислорода в газовой смеси будет показан на примере работы рекомбинатора.
[0039] Газовая смесь окружающей среды поступает к каталитическому блоку 3 через входной участок 2 корпуса 1 и выходит наружу через выходной участок 3. При отсутствии водорода в помещении с ПКРВ во входной 7 и выходной 8 зонах присутствует находящийся в окружающей среде кислород. Топливный элемент не вырабатывает электрический ток и компрессор 5 не работает.
[0040] При появлении водорода в помещении с ПКРВ он первым делом попадает во входную зону 7 канала 6. На катализаторе анода 10 топливного элемента 9 молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.
[0041] Топливный элемент начинает вырабатывать электрический ток, вследствие чего в работу включается компрессор 5, обеспечивающий прокачку газовой смеси, содержащей рекомбинируемый газ, через ПКРВ в режиме принудительной циркуляции.
[0042] Предлагаемое изобретение также может быть использовано для удаления метана из угольных шахт. В этом случае, при обеспечении безопасности и предотвращении взрывов, значительно сокращаются затраты электроэнергии на вентиляцию шахт, поскольку она получается из рекомбинируемого метана.
[0043] Хотя в данном документе были описаны различные стороны осуществления заявленного изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что возможны другие подходы к осуществлению данного изобретения. Различные стороны и реализация данного изобретения изложены в настоящем описании в иллюстративных целях и не подразумевают ограничения, причем объем защиты настоящего изобретения указан в нижеследующей формуле изобретения.