Дожигатель водорода

Полезная модель относится к устройствам очистки газовой среды от водорода, а именно к дожигателю водорода.
При эксплуатации ядерных реакторных установок с жидким металлическим теплоносителем на основе свинца или свинцово-висмутового сплава 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.
2
3
Известен дожигатель водорода (патент RU 2554115 (опубл. 27.06.2015), состоящий из корпуса, имеющего отверстия для подвода и отвода газовой среды, и наполнителя, содержащего оксид висмута BiO и/или оксид свинца, размещенного в корпусе. В корпусе размещена, по меньшей мере, одна реакционная емкость, в которой находится наполнитель, имеющий гранулированную форму. В корпусе может быть установлена распределительная труба, проходящая от отверстия для подвода газовой среды через, по меньшей мере, одну реакционную емкость, причем распределительная труба имеет отверстия в боковых стенках в местах прохождения через реакционные емкости. Реакционная емкость может иметь отверстия для подвода и отвода газовой среды, а корпус может быть снабжен нагревателем и иметь дно, крышки и боковую стенку, причем отверстие для подвода газовой среды может быть выполнено в крышке, отверстие для отвода газовой среды выполнено в дне, а нагреватель может быть установлен на боковой стенке корпуса.
2
3
Принцип действия дожигателя основан на химической реакции частичного восстановления оксида висмута BiO до BiO с образованием паров воды:
2
3
2
2
BiO+H→2BiO+HO, (1)
Наполнитель в соответствии с техническим решением имеет гранулированную форму, например, в виде шариков, что, по мнению авторов решения, обеспечивает более высокую эффективность.
Недостатками ближайшего являются
малая емкость, т.е. малое количество дожигаемого водорода в одном цикле, так как реакция поглощения водорода происходит, в основном, на поверхности гранул, в виде которых выполнен наполнитель;
2
3
большая масса наполнителя при изготовлении его из оксида висмута BiO;
2
3
засорение свинцового теплоносителя при использовании наполнителя, изготовленного из оксида висмута BiO;
2
3
высокая температура (до 500°C), необходимая для осуществления высокой скорости реакции взаимодействия водорода с оксидом висмута BiO.
Данные недостатки ведут к низкой эффективности работы устройства.
Указанные технические проблемы являются существенными и могут быть решены путем создания устройства, обеспечивающего значительное повышение эффективности работы дожигателя за счет увеличения количества дожигаемого водорода в одном цикле работы устройства с одновременным снижением температуры дожигателя и массы наполнителя. Указанные недостатки обуславливают необходимость в расширении арсенала технических средств определенного назначения путем создания устройства, лишенного указанных выше существенных недостатков.
Техническим результатом полезной модели является расширение арсенала технических средств дожигания водорода, используемых в ядерных реакторных установках с жидким металлическим теплоносителем на основе свинца или свинцово-висмутового сплава, путем разработки варианта устройства, позволяющего значительно повысить эффективность его работы.
Технический результат достигается тем, что разработан дожигатель водорода, который состоит из корпуса, имеющего отверстия для подвода и отвода газовой среды и, по меньшей мере, одной реакционной емкости, размещенной в корпусе и заполненной кислородсодержащим наполнителем. В качестве наполнителя использован диоксид свинца, причем наполнитель выполнен в виде спрессованных из порошка пористых блоков.
При этом, дополнительно, реакционная емкость сверху и снизу закрыта сетками, которые могут быть выполнены, например, тканными с ячейками микронных размеров. Наличие сеток способствует беспрепятственному прохождению газа и интенсификации процесса дожигания, что повышает эффективность предлагаемого устройства; кроме того, сетки дополнительно выполняет функцию надежного удержания наполнителя в реакционной емкости.
Помимо этого, для предотвращения выноса шлама и пыли с газовой смесью из дожигателя после реакционной емкости на выходе газового потока установлена предохранительная ловушка.
Помимо этого, для поддержания температуры с целью стабильности работы дожигателя корпус снабжен нагревателем.
3
4
Предлагаемое конструктивное решение устройства позволяет получить технический результат - повышение эффективности работы дожигателя за счет увеличения количества дожигаемого водорода в одном цикле работы устройства с одновременным снижением температуры дожигателя и массы наполнителя. Причинно-следственная связь между отличительными признаками полезной модели и указанным техническим результатом заключается в том, что в качестве наполнителя использован диоксида свинца, выполненный в виде пористых блоков. В этом случае принцип действия дожигателя основывается на химических реакциях частичного восстановления диоксида свинца при температуре (250-300)°C сначала до свинцового сурика PbO:
2
2
3
4
2
3PbO+2H=PbO+2HO (2),
а затем до оксида свинца (PbO):
3
4
2
2
PbO+H=3PbO+HO (3), (3).
На фигуре приведена схема предлагаемого дожигателя водорода.
Дожигатель состоит из корпуса 1 и крышки 2, в крышке выполнено отверстие 3 для подачи газовой смеси, содержащей водород, снизу корпуса выполнено отверстие 4 для отвода газа. В корпусе установлены реакционные емкости (кассеты) 5, в которых размещены пористые таблетки 6, спрессованные из порошка диоксида свинца. Кассеты сверху и снизу закрыты ткаными сетками микроплетения 7 с ячейками микронных размеров. Предпочтительно, для использования дожигателя без его перезагрузки в одном цикле работы реактора устанавливать до трех кассет. Под кассетами установлена предохранительная ловушка в виде полого конуса 8 для сбора шлама и пыли. Снаружи корпуса установлен кольцевой электронагреватель 9.
Устройство работает следующим образом.
2
3
Дожигатель подключают к линии газовой смеси (на фигуре не показана), содержащей водород, включают нагреватель 9, и после установления заданной температуры (250-300)°C пропускают газовую смесь с заданным расходом. Экспериментально было установлено, что при использовании в качестве наполнителя диоксида свинца в виде пористых блоков не только увеличивается количество удаляемого водорода в одном цикле работы устройства, но и снижается масса наполнителя: так для поглощения 1 моля водорода необходимо 359 г диоксида свинца при протекании реакции (2) и 239 г диоксида свинца при протекании реакций (2) и (3) по сравнению с 466 г оксида висмута BiO, который реагирует по реакции (1). Увеличение количества удаляемого водорода в одном цикле в свою очередь повышает время работы дожигателя без перегрузки или регенерации наполнителя. Кроме того, использование диоксида свинца в качестве наполнителя значительно снижает температуру дожигателя с 500°C до (250-300)°C, что также сказывается на эффективности его работы.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает более высокой эффективностью: применение в качестве наполнителя пористых блоков из диоксида свинца позволяет увеличить количество дожигаемого водорода в одном цикле работы дожигателя, при этом масса используемого наполнителя значительно меньше, чем при использовании оксида висмута и, кроме того, не происходит перегрев устройства. Повышению эффективности предлагаемого дожигателя дополнительно способствует наличие сеток, размещенных снизу и сверху реакционной емкости с наполнителем, а также наличие ловушки, позволяющей предотвратить вынос с газовой смесью частиц и пыли из дожигателя.