ДОЖИГАТЕЛЬ ВОДОРОДА И РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА, ИМЕЮЩАЯ ТАКОЙ ДОЖИГАТЕЛЬ
HYDROGEN IGNITER AND REACTOR PLANT HAVING SAID IGNITER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам очистки газовой среды от водорода, в частности к дожигателю водорода.
Уровень техники
При эксплуатации ядерных реакторных установок для поддержания требуемого примесного состава защитного газа (газовой среды), обычно представляющего собой инертный газ, требуется удаление из защитного газа водорода. Очистку защитного газа от водорода возможно осуществлять с помощью дожигателя водорода.
Из патента RU 2253915 известен дожигатель водорода, имеющий в своем составе оксид меди и выполненный с возможностью пропускания через него потока инертного газа (газовой среды), содержащего водород. Водород на оксиде меди окисляется до воды, которая увлекается потоком инерционного газа.
При очистке газовой среды (защитного газа) от водорода с помощью такого дожигателя возможно загрязнение защитного газа примесями меди или оксида меди. Такие примеси могут оказывать негативное воздействие на конструктивные элементы реакторной установки, а также на теплоноситель, например загрязнять его.
Ввиду того что вода, образовавшаяся в результате окисления водорода на оксиде меди, не удаляется из потока газовой среды, результирующая защитная газовая среда насыщается водяными парами, концентрация которых может превысить допустимое значение.
Также необходимо отметить относительно низкую эффективность дожигателя водорода на основе оксида меди.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является получение дожигателя водорода, который не будет загрязнять газовую среду (например, защитный газ) примесями, вредными для конструктивных элементов реакторной установки и/или теплоносителя, в частности свинцово-висмутового теплоносителя. Дополнительной задачей настоящего изобретения является повышение эффективности дожигателя водорода. Другой дополнительной задачей настоящего изобретения является удаление из газовой среды, прошедшей через дожигатель водорода в соответствии с настоящим изобретением, паров воды, образовавшихся в результате дожигания водорода.
2
3
Задача настоящего изобретения решается с помощью дожигателя водорода, входящего в состав газовой среды, состоящего из корпуса, имеющего отверстия для подвода и отвода газовой среды, и наполнителя, содержащего оксид висмута и/или оксид свинца, размещенного в корпусе. В одном из вариантов оксид висмута представляет собой BiO, а наполнитель предпочтительно имеет гранулированную форму.
В корпусе дожигателя может быть размещена по меньшей мере одна реакционная емкость, в которой размещается наполнитель. В преимущественном варианте выполнения в корпусе также установлена распределительная труба, проходящая от отверстия для подвода газовой среды через по меньшей мере одну реакционную емкость, причем распределительная труба предпочтительно имеет отверстия в боковых стенках в местах прохождения через реакционные емкости. Кроме того, по меньшей мере одна реакционная емкость преимущественно имеет отверстия для подвода и отвода газовой среды.
Корпус дожигателя может быть снабжен нагревателем. В предпочтительном варианте осуществления корпус имеет дно, крышки и боковую стенку, причем отверстие для подвода газовой среды выполнено в крышке, причем отверстие для отвода газовой среды выполнено в дне, а нагреватель установлен на боковой стенке корпуса. В другом варианте дожигатель водорода может быть соединен с подводящим трубопроводом, соединенным с корпусом дожигателя водорода с обеспечением возможности подвода газовой среды в отверстие для подвода газовой среды, причем нагреватель установлен на подводящем трубопроводе.
В преимущественном варианте выполнения дожигатель водорода соединен с холодильником и конденсатором с помощью отводящего трубопровода, соединенного с корпусом дожигателя водорода с обеспечением возможности отвода газовой среды из отверстия для отвода газовой среды в холодильник и конденсатор.
Газовая среда, пропускаемая через дожигатель, преимущественно включает в свой состав инертный газ.
На решение задач настоящего изобретения направлена также реакторная установка, имеющая в своем составе любой из вышеописанных вариантов дожигателя водорода. В преимущественном варианте осуществления реакторная установка является ядерной, а в качестве теплоносителя в ней предпочтительно используется свинцово-висмутовый теплоноситель.
Благодаря настоящему изобретению удалось получить дожигатель водорода, который обеспечивает такой технический результат, как отсутствие загрязнения газовой среды примесями, вредными для конструктивных элементов реакторной установки и/или теплоносителя, в частности свинцово-висмутового теплоносителя. Это позволяет повысить надежность конструкции реактора, в котором используется такой дожигатель водорода и/или система очистки газа, и безопасность эксплуатации такого реактора.
Кроме того, благодаря настоящему изобретению удалось достигнуть такого технического результата, как повышение эффективности дожигателя водорода, что дает возможность снизить массогабаритные характеристики дожигателя водорода и устройств, использующих его в своем составе, а также снизить стоимостные параметры.
Настоящее изобретение обеспечило получение и такого технического результата, как удаление из газовой среды, прошедшей через дожигатель водорода в соответствии с настоящим изобретением, паров воды, образовавшихся в результате дожигания водорода. Это повышает надежность работы устройств, в которых применяется газовая среда, а также увеличивает срок службы самой газовой среды, что снижает как трудовые затраты на ее замену, так и улучшает финансовые показатели ввиду снижения денежных затрат на заменяемую газовую среду.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен дожигатель водорода в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение раскрывает дожигатель водорода, входящего в состав газовой среды, выполненной, предпочтительно, с использованием инертного газа, например гелия, неона, аргона, криптона, ксенона и/или радона. Использование инертного газа в качестве основного компонента газовой среды позволяет повысить эффективность использования дожигателя и снизить расход наполнителя, так как дожигатель будет дожигать только примеси (в частности, водород), а взаимодействие с инертным газом будет отсутствовать в силу инертных химических свойств таких газов. Использование инертного газа также снижает воздействие на конструктивные элементы дожигателя, такие как корпус и т.п., что повышает срок его службы и снижает расходы на обслуживание.
Дожигатель состоит из корпуса, имеющего отверстия для подвода и отвода газовой среды, и наполнителя, содержащего оксид висмута и/или оксид свинца, размещенного в корпусе. В том случае, если в корпусе размещен висмут и/или свинец не в форме оксида, а, например, в виде металла, то такое выполнение также может считаться одной из форм реализации настоящего изобретения, так как из металлического висмута может быть легко получен оксид висмута, а из свинца оксид свинца при пропускании через дожигатель кислорода или газовой среды, содержащей кислород.
Корпус дожигателя может быть выполнен из металлических, композитных или полимерных материалов, обеспечивающих достаточную механическую прочность, температурную устойчивость, химическую нейтральность к газовой среде и наполнителю (оксиду висмута) и отсутствие или незначительность выделений, которые могут загрязнять газовую среду. В предпочтительном варианте корпус выполнен с использованием стали. Корпус преимущественно выполнен герметичным для того, чтобы газовая среда, поступающая через отверстие для подвода, выходила только из отверстия для отвода газовой среды. В этом случае обеспечивается более полное взаимодействие газовой среды с наполнителем и более эффективное дожигание водорода, а также отсутствие утечек во внешнюю среду, благодаря чему повышается безопасность использования дожигателя и снижается загрязнение окружающей среды.
В корпусе дожигателя размещен наполнитель, который в соответствии с изобретением представляет собой оксид висмута и/или оксид свинца. Благодаря тому что висмут и свинец являются более тяжелыми металлами, чем медь, удается снизить загрязнение газовой среды, проходящей через оксид висмута и/или оксид свинца, так как более тяжелые атомы и их соединения меньше подвержены уносу газовой средой. Кроме того, в случае применения дожигателя в системе очистки газовой среды от водорода, применяемой, например, в ядерном реакторе со свинцово-висмутовым теплоносителем, наличие висмута или свинца в газовой среде, используемой, например, в качестве защитного газа, не будет восприниматься в качестве загрязнения для теплоносителя. Кроме того, сам теплоноситель через газовую среду также не будет загрязнять наполнитель дожигателя. Все это позволяет повысить срок службы как теплоносителя, так и наполнителя дожигателя.
2
3
Принцип действия дожигателя преимущественно основан на химической реакции частичного восстановления оксида висмута BiO до BiO с образованием паров воды:
2
3
2
2
BiO+Н→2BiO+HO.
2
3
Применение оксида висмута вместо оксида меди само по себе повышает эффективность дожигания, однако применение реакции частичного восстановления оксида висмута позволяет дополнительно повысить эффективность дожигания. Соответственно, в дожигателе предпочтительно наличие оксида висмута BiO, а не оксида висмута BiO, так как наличие первого позволяет осуществлять химическую реакцию частичного восстановления, а при наличии второго будет происходить реакция полного восстановления с получением висмута в металлической форме.
На удержание реакции восстановления в частичной форме, обеспечивающей более высокую эффективность, направлено выполнение наполнителя в гранулированной форме, например в виде шариков. Это позволяет предотвратить спекание наполнителя и тем самым повышает срок эксплуатации наполнителя. Выполнение наполнителя в виде гранул обеспечивает технологичность изготовления наполнителя и удобство обращения с наполнителем на этапах размещения и извлечения наполнителя из корпуса дожигателя, что снижает затраты труда и стоимость дожигателя в целом, повышает удобство осуществления работ по обслуживанию дожигателя. Кроме того, выполнение наполнителя в виде гранул обеспечивает большую площадь взаимодействия оксида висмута и водорода (кислорода), а значит, и более высокую эффективность процесса, поскольку гранулированный наполнитель будет иметь зазоры между гранулами, между которыми может протекать газовая среда - при выполнении гранул в шарообразной форме эти зазоры будут иметь гарантированный и наибольший размер.
На фиг.1 представлен предпочтительный вариант выполнения дожигателя водорода в соответствии с настоящим изобретением с трубопроводами для подвода и отвода газовой среды и арматурой для управления подводом и отводом газовой среды.
Корпус дожигателя водорода, показанного на фиг.1, состоит из боковой стенки 1, дна 2 и крышки 3. В показанном на фиг.1 варианте осуществления дожигателя корпус выполнен в виде специально предназначенного для выполнения своих функций изделия, однако корпус дожигателя может быть представлен элементами корпусов других устройств, например, при размещении наполнителя в межкорпусном пространстве устройств, входящих в состав системы очистки газовой среды от водорода или реакторной установки.
В крышке 3 выполнено отверстие для подвода газовой среды, через это отверстие внутрь дожигателя подается газовая среда из подводящего трубопровода 7, соединенного с корпусом дожигателя водорода с обеспечением возможности подачи газовой среды в отверстие для подвода газовой среды для реализации процесса дожигания. В дне 2 выполнено отверстие для отвода газовой среды, через это отверстие из дожигателя отводится газовая среда через отводящий трубопровод 8, соединенный с корпусом дожигателя водорода с обеспечением возможности отвода газовой среды из отверстия для отвода газовой среды для реализации процесса дожигания в проходном потоке газовой среды.
Показанные на фиг.1 отверстия выполнены в крышке и дне корпуса и имеют относительно малое поперечное сечение, однако в других вариантах размеры отверстий могут быть значительно больше вплоть до того, что в дожигателе отсутствуют крышка и дно и газовая среда подводится и отводится через полное поперечное сечение корпуса. Такой вариант выполнения корпуса также входит в объем защиты настоящего изобретения. В некоторых вариантах отводящее отверстие может отсутствовать, однако при этом снижается эффективность работы дожигателя, поскольку при наличии отводящего отверстия удается обеспечить более эффективную работу дожигателя в проходном потоке газовой среды. В других вариантах отводящее отверстие может быть расположено рядом с подводящим отверстием или разные части одного отверстия могут применяться для подвода и отвода газовой среды - такой вариант выполнения отверстий также входит в объем защиты настоящего изобретения.
Подводящий и отводящий трубопроводы могут быть присоединены к корпусу сваркой или любым другим известным из уровня техники способом, обеспечивающим достаточную механическую, тепловую и химическую прочность, а также не загрязняющим газовую среду или наполнитель. Достаточно герметичное присоединение трубопроводов к корпусу позволяет подавать газовую среду в дожигатель без потерь. Часть трубопроводов или трубопроводы полностью могут быть выполнены в виде единого целого с корпусом дожигателя на стадии изготовления корпуса, например, в виде участков труб, отходящих от отверстий, для соединения с трубопроводами. Такие варианты позволяют упростить соединение дожигателя с трубопроводами и входят в объем защиты настоящего изобретения.
Наполнитель 5 в виде оксида висмута может быть размещен в корпусе дожигателя водорода, например на его дне 2, однако в преимущественном варианте выполнения настоящего изобретения оксид 5 висмута, например в форме гранул, размещается в одной или более реакционных емкостях (корзинах) 4. Это позволяет повысить технологичность изготовления и обслуживания дожигателя, так как сначала наполнитель 5 может размещаться в реакционных емкостях 4, а емкости 4 затем могут размещаться в корпусе дожигателя, что устраняет необходимость выполнения более трудоемкой операции размещения наполнителя непосредственно внутри корпуса. Кроме того, применение реакционных емкостей позволяет повысить эффективность использования объема корпуса путем реализации нескольких уровней размещения наполнителя.
Как показано на фиг.1, в преимущественном варианте выполнения дожигателя в корпусе установлена распределительная труба 9, проходящая от отверстия для подвода газовой среды в крышке 3 через по меньшей мере одну реакционную емкость 4. Распределительная труба может подводить газовую среду к реакционной емкости, находящейся за той емкостью, через которою она проходит, для подачи, например, из конца трубы, однако в предпочтительном варианте распределительная труба имеет отверстия в боковых стенках в местах прохождения через реакционные емкости, что позволяет повысить эффективность подачи газовой среды путем ее распределения по всем реакционным емкостям. При наличии нескольких уровней реакционных емкостей, как показано на фиг.1, распределительная труба может иметь открытое отверстие, из которого газовая среда непосредственно поступает в нижнюю реакционную емкость, или проходит до дна нижней реакционной емкости, где она может быть заглушена дном емкости или специальной заглушкой, а газовая среда может поступать в нижнюю реакционную емкость в таком случае через боковые отверстия в распределительной трубе. Благодаря этому обеспечивается более полное прохождение газовой среды через реакционные емкости и наполнитель, в результате чего повышается эффективность дожигателя водорода, так как газовая среда не имеет возможности походить к отверстию для отвода газовой среды помимо наполнителя, не прореагировав с ним.
Реакционные емкости 4 преимущественно имеют отверстия для подвода и отвода газовой среды. В том случае, если емкости 4 расположены в несколько уровней и через них, например, в центре емкостей проходит распределительная труба 9, как это показано на фиг.1, то газовая среда будет наиболее эффективно проходить через наполнитель, который будет располагаться между донными элементами емкостей (в верхней емкости наполнитель будет располагаться между дном емкости и крышкой дожигателя), и выходить через боковые поверхности емкостей, например, на периферию емкостей 4 к стенкам 1 корпуса, откуда будет спускаться к отверстию для отвода газовой среды в дне 2, как это показано на фиг.1. Показанная на фиг.1 структура дожигателя оптимальна с точки зрения организации потока газовой среды для повышения эффективности дожигания водорода на наполнителе и обеспечения максимально возможной равномерности превращения исходного запаса оксида, исключающего дальнейшее превращение BiO в металлический Bi.
Дополнительно повысить эффективность дожигания водорода возможно путем повышения температуры газовой среды, и/или наполнителя, и/или реакционных емкостей, и/или корпуса вплоть до 500°С. Это может быть сделано путем размещения на корпусе, например на боковой стенке 1, нагревателя 6, состоящего из одной или более секций, как это показано на фиг.1. Нагреватель может быть электрическим или в другой форме. Нагретый корпус будет нагревать газовую среду, и посредством нагретой газовой среды и/или через распределительную трубу и реакционные емкости будет нагреваться наполнитель.
В некоторых случаях может быть полезно установить нагреватель на подводящий трубопровод для предварительного нагрева газовой среды, подаваемой в корпус дожигателя, - это позволит подавать газовую среду уже нагретой, что будет означать отсутствие необходимости нагрева газа внутри корпуса, в результате чего дожигание водорода может начинаться сразу же после подачи газовой среды в корпус к наполнителю, что повышает эффективность дожигателя.
В результате дожигания водорода происходит образование паров воды, которые в составе газовой среды выводятся из дожигателя. Пары воды в некоторых случая могут быть нежелательными примесями, и необходима очистка газовой среды от них. Для этого система очистки газовой среды от водорода может иметь в своем составе, помимо дожигателя водорода, холодильник, конденсатор и отводящий трубопровод, соединенный с корпусом дожигателя водорода и холодильником с обеспечением возможности отвода газовой среды из отверстия для отвода газовой среды в холодильник и конденсатор. В холодильнике происходит охлаждение газовой среды, и водяные пары конденсируются в конденсаторе, а газовая среда беспрепятственно выходит из холодильника и конденсатора и может вновь использоваться по назначению в очищенном виде. Холодильник может быть выполнен совместно с конденсатором, или это могут быть два последовательно установленных устройства, соединенных с помощью трубопровода, который может считаться частью отводящего трубопровода, или без использования трубопровода. Помимо дополнительной очистки газовой среды от паров воды применение холодильника позволяет снизить температуру газовой среды, например после нагрева в дожигателе, до рабочей температуры.
Описанный дожигатель водорода в соответствии с настоящим изобретением может использоваться для очистки газовой среды от водорода, например, в реакторной установке, которая может быть ядерной и в которой в качестве теплоносителя может использоваться свинцово-висмутовый теплоноситель. Применение дожигателя водорода, имеющего в качестве наполнителя оксид висмута и/или оксид свинца, обеспечит минимальное загрязнение свинцово-висмутового теплоносителя в такой ядерной реакторной установке.