专利名称：监测和消除氢气的系统的制作方法
技术领域：
本发明的目的本发明涉及一种系统，基于该系统可以监测在空气中氢气的聚集和阻止在相同介质中氢气的聚集超过其4％(体积)的可燃性下限。该方法的进行是以氢气再化合过程中的最大参数为代价，也就是说，在更小的总尺寸具有更大的工作效力，并使用最少可能的催化材料。获得了氢气再化合的方法安全性，并具有最大氢气氧化效率(实际上100％)。氢气含量读数必须迅速降低，为了表征在最大体积中气体混合物的构造(structure)，以使氢气含量读数不依赖于外部条件，以及便于作为立即测量的最小数量的工作参数的浓度读数。在不同操作参数和环境的影响下，该装置的所有部件不应是易燃、或爆炸性气体混合物的点火或爆炸源。
氢气监测和消除系统作为整体是在一复杂的装置中实现，该装置是必要的，以阻止氢气在空气中不同位置的聚集。该系统是用于在遇到紧急情况(由于空气中较大浓度的氢气造成)时迅速消除氢气，和作为一种迅速和安全的方法来测量含有氧气的气体介质中氢气的浓度。该阐述的装置是作为氢气工厂的标准冷却系统的附件(在正常条件下)，在供电中断引起的紧急情况下和在不可能有效使用冷却系统的条件下，该装置是作为基本装置。该装置由两个基本部件构成——无源(passive)催化氢气复合器(RCP)；——热催化氢气探测器(DTC)。
该热催化氢气探测器和无源催化氢气复合器装置是基于众所周知的氢气与加浓空气催化燃烧的原理，在利用热催化氢气探测器的情况下，为确定浓度，其读数是用于表示催化反应的热效应。
该系统可作为一种安全的方法，防止在工业生产的一些部门着火引起爆炸，如那些氢气和可燃气体积聚达到爆炸浓度的部门，包括使用水冷反应堆的核电站、电化学工业以及气体泵送站等。与本发明相关的背景技术人们知道催化探测器测量系统WS-85和复合器FR90-1500是来自SIEMENS公司，其基于德国专利DE3727207AL(1989)。
已知的用于除去氢气的大多数催化装置是装备在导管中，其中催化固体是位于内部基面(特别是在FR90-1500中)。为指示在催化剂中氢气氧化放热反应的进程，对导管中的气体混合物进行加热。加热的气体，一旦通过导管膨胀，则使外部气体混合物恒定供给到复合器的基面(由于阿基米德原理的作用)。
熟知的复合器(专利DE 372707 AL，1989)使用扁平金属模件和陶瓷板元件作为催化剂。为防止环境对催化剂可能的影响，罩(cover)的最外表面装备有额外的系统，这些系统仅在相关连事件发生时(温度或压力的提高)打开催化剂。使用热抽空系统以防止进气混合物可能的爆燃，爆燃是因催化剂过热发生的。复合器的罩是用来在环境氢气的氧化期间阻止催化剂过热。
以这种方式，在开发氢气复合器的结构时，发明者们追求立即在催化剂的表面达到最佳的氢气氧化条件。因而，没有对所有过程考虑容差，容差是源于氢气到催化表面的传输(氢气在催化表面的扩散、在复合器罩内部的对流)。
氢气复合器的高度规范的催化剂的几何结构导致形成稳定的边界层。由于边界层的存在，导致氢气通过该边界层的传递显著减少，因而导致氢气燃烧速率降低以及不完全燃烧。氢气的不完全燃烧可引起氢气和热空气的混合物在出口处爆燃，相对于氢气-空气混合物在复合器的有源模件(active modules)低端的燃烧，爆燃构成潜在的危险。对稳定的边界层来说，在该位置的氢气传递速度达到有效值(significant magnitudes)，因而基本上超过热传递。该因素也可由于局部过热导致催化剂涂层的破坏。
另一方面，在催化剂壁形成稳定的边界层会导致氢气-空气流偏移到中心部分，这会引起作为整体的系统的气体动态阻力的增加。自然对流系统的气体动态阻力的数值决定了氢气-空气流通过催化剂的速率的效率和复合器的效率。
因而，开发的氢气复合器在特定的燃烧速率并不是最佳的。
使用了熟知的热催化氢气探测器，这些探测器涂有催化剂的热电阻、或催化剂材料的导线(由电流加热)并包括在测量装置中。在存在可以分析的可燃气体和氧气的混合物时，在传感器表面则有催化反应，该反应引起其加热。氢气存在的特征信号是传感器电阻的变化，这是由于催化剂温度的增加和由于测量装置中平衡的变化。当氧气过量时，反应速率与可燃气体的浓度线性相关。然而，加热的裸线在氢气爆燃比值下是不安全的。同样，一般不希望存在带电的裸线。为此原因，通常寻找与可分析介质绝缘的氢气探测器传感器，并且测量是在特别准备的(organised)可分析气体流中进行(气体以恒定速度供给)。为此目的，使用外部导流器(风扇等)、或多孔材料的特殊的罩，以将分析气体扩散到传感器。
在可分析气体介质中直接使用这类探测器面临特殊的困难，原因在于探测器对产生确定数量的热的响应是由介质的热性能决定。同样，探测器对氢气出现的响应时间可以非常长，特别是基于通过多孔材料扩散的扩散探测器。氢气存在的特征信号是传感器电阻相对于比较元件电阻的变化，电阻变化是由催化剂温度的增加所引起。
以上所述的氢气探测器有许多缺点——氢气浓度并不是在可分析介质中直接测量，而是在一个特殊制备的探头中测量。
——响应时间依赖于氢气的扩散速率、或依赖于探头的处理(preparation)速度，并且相当长。
——传感器是在极端条件下工作(铂丝和传导高电流的热电阻)。
——高成本。
之所以获得了以上氢气复合器的技术结果，是由于采用作为催化元件的活性高性能蜂窝状材料(HPCM)，这些材料具有不规则的三维空间结构，该结构对动态气流而言基本上不允许产生稳定的边界层，这导致当使用HPCM催化剂时物质和热传递参数显著提高，即便是尺寸较小的情况。选用该催化剂可以开发氢气燃烧速率最佳的复合器。
复合器安全性的获得是通过选择金属作为固体多孔催化剂的材料。催化剂材料的高热导率促使不存在特定的过热点，而过热可以构成氢气着火的原因。
特别是通过构造复合器的对流罩而获得高氢气燃烧速率，该对流罩由两个垂直壁组成-内壁和外壁。内壁和外壁之间的空间用隔热材料进行填充。氢气燃烧速率是由氢气-空气混合物通过催化剂的速度所决定，这导致复合器的气体动阻力和阿基米德力增加的平衡。阿基米德力是由对流罩中的气体温度所决定。如果从复合器的对流罩有可觉察到的热消耗，氢气燃烧速率则降低。对复合器进行隔热以避免复合器对流罩的热消耗。
固体催化剂是位于悬置的支撑物中，该支撑物相对于复合器的对流罩是隔热的，以最大限度降低热消耗，以及当氢气一旦出现时促使起动氢气的催化燃烧。
把在复合器对流罩内的空间分成两个或更多的垂直部分，以防止在流道截面的催化燃烧不均匀和防止复合器效力的降低。
众所周知，SIEMENS FR-90/1500复合器(最接近于专利DE3727207AL的型式)的氢气燃烧效率，在氢气浓度大约为3％(体积)和对流罩的流道截面大约为300cm2时，不超过0.4nl/s。在相同条件下，本发明的复合器的氢气燃烧效率达到0.8nl/s。
氢气探测器技术结果的获得，是通过使用自然对流来把可分析空气供给到探测器的传感器(固体多孔催化剂)。在所述罩的内部，放置爆炸测试电加热元件以检测(organise)通过探测器传感器的可分析空气的自然对流。
使用具有特别选定参数的高度多孔蜂窝状材料(HPCM)允许对流的必要的速度。
对流罩由两个垂直壁(内壁和外壁)组成，其中间的空间是用隔热材料进行填充，以最大限度降低热消耗和对进气流和催化剂进行初步加热所需的电力。
探测器安全性的获得是通过选用金属作为多孔催化剂的材料。催化材料的高热导率使其不存在局部过热点，而局部过热可以是氢气爆燃的原因。出于相同的目的，催化剂是位于悬置的支撑物中，该支撑物相对于氢气探测器罩是隔热的。
测量了先前加热的空气流以及催化剂和催化剂以后的出气流之间的温度差，以确定空气中氢气的浓度。在对流空气流中的氢气完全氧化时(通过催化剂而发生)，在温度差和浓度之间存在简单的线性关系 其中AT＝测量的温度差，CH2＝氢气的容积浓度。
氢气探测器可位于复合器对流罩的外侧和内侧，在后一种情况下，探测器的热对流加速了在存在氢气时复合器工作起动。在存在氢气和复合器工作时，如果复合器的对流更强和供给更大体积的空气，则探测器操作间歇显著加大。
开关部件包括热偶信号放大器和微处理机，用以处理、贮存、和显示来自探测器的信号，该信号可作为该系统的整个氢气探测器的测量读数。
使用高度多孔蜂窝状材料(HPCM)作为氢气探测器的活性(active)元件。
附图简要描述为使描述完整和帮助更好地理解本发明的特点，与实际的具体实施例的优选实施例一致，提供附图作为说明书的必要部分，其中附图是用来说明而不是限制本发明
图1是本发明装置的垂直剖面图。
图2是横剖面图，说明根据本发明的系统如何构建监测探测器以及如何实施。
图3表示探测器与数据监测连接的基本的线路图。
本发明的优选具体实施例从以上所述附图，可以看到监测和消除氢气的系统(安装在装置中)包括两个基本部件，一个是复合器A，另一个是复合器的探测器B。
根据本发明，复合器A表示垂直安装的具有双壁的导管，由耐腐蚀材料制成，如不锈钢。所述复合器的内壁是对流罩1，基于此计算对流罩的总尺寸，其目的是获得必要的装置的效率和一位置的读数，例如流道截面为180250mm2以及重量为1500。
固体催化剂2，作为模件，垂直于进入流放置，位于对流罩的底部。固体催化剂是加入盒3中，以防止热传递到对流罩的壁。盒3具有两个对称结构，每个结构中有长金属线细脉(long runs ofwire)4。盒横向通道的横截面小于固体催化剂的几何面积。该固体催化剂是插在盒的上部和下部结构之间，其中上部和下部结构逐渐地变得更加靠近。包含固体催化剂2的盒3完全布于对流罩的流道截面，因而防止直接气流流到催化剂的外面。
在固体催化剂2之上，和在上部对流罩的分离区以上，有牢固密封的金属隔板5，这些金属隔板是沿对流罩1的轴放置，其方式是平行于气体混合物的流动方向。隔板5把对流罩的内部体积分成两个或更多部分(与对流罩的剖面结合)。例如，对图1中的样品复合器来说，对流罩的流道截面是分成3部分。
复合器的对流罩1是位于复合器的外保护罩6，在其之间有10至20mm的间隔。内保护对流罩和外保护对流罩之间的间隔用隔热材料或物质7填充，例如空气。复合器保护罩的上部和下部分离区有金属丝网口8。
监测探测器“B”是位于复合器“A”的底部，在包含催化固体的盒(2和3)和金属丝网口8之间。
监测探测器“B”有两个操作形式-内部和外部型，其差别在于存在安全屏蔽和金属丝网(外部)。
监测探测器“B”作为一个整体包括固体催化剂12，固体催化剂象一个圆盘是位于双壁垂直导管的底部。壁是由耐腐蚀材料制成，如不锈钢(对流罩)。对流罩是设计用来制成可分析混合气体的自然对流通过探测器的传感元件。通过举例，在图2中，探测器的总尺寸是高度为100mm以及直径为30mm。
探测器的对流罩在端面附近的侧面区域有进口和出口并用金属丝网22封闭。在内探测器罩壁9和外探测器罩壁10之间有一间隔，该间隔是用隔热材料或空气11填充。
固体催化剂12，象一个圆盘，是垂直于进气流安装到金属盒--罩13上，该金属盒-罩与壁稍微分开。电加热元件18是位于探测器罩的内壁和盒-罩13之间。在固体催化剂的底部和顶部装有筛网热交换器(14和17)。
工作热偶16的接头安装在热交换器的网14之下的结构的中心线上，测量进入气流的温度。热偶16测量固体催化剂12的温度、或出气流的温度。热偶16的接头是安置在固体催化剂和网-热交换器17之间，并与热偶15同轴。热偶15和热偶16冷接头是在恒温器19的密封区域。来自热偶的输出和加热器的两个输出是通过密封动力点(power point)进行供给。在探测器的结构中，热偶20是用来测量恒温器密封区域的温度。热偶20包括在电缆导体的结构中。为了有效地检查复合器催化剂和为了测量大于2％(体积)的氢气浓度，热偶21可包括在探测器的结构中。在操作21中热偶的接头装在固体催化剂2中，而冷接头是安置在区域19中。
在图3中，显示了本发明元件的接头排列的程序框图。在所指位置安装复合器“A”，该复合器“A”包括一个内部型式的监测探测器“BA”。根据本发明的装置中，使用许多外部监测探测器“B1-Bn”是可以接受的，这些监测探测器是安置在氢气可能漏出的区域。探测器加热器的电源是通过导线引入，这些导线不与测量通道连接。来自热偶15、16、20和21(内部型式BA)的信号被引到信号接受和监测部件，该部件可以是，例如，一个基于ADC和个人计算机或商务局部区域网的系统。“复合器监测”耦合加上适当使用热偶21，就可以监测紧急情况下的氢气含量(氢气浓度大于体积的2％)，这仅仅是由于复合器的催化剂2的加热(没有任何额外的能源)。“复合器监测”耦合也是一种有用的复合器的无源校正元件，也就是说，在探测器“0BA，B1-Bn”中，在氢气浓度大于体积的1％的读数中，热偶21应该确定复合器中固体催化剂2温度的提高。
权利要求
1.一种监测和消除氢气的系统，用于监测在空气中氢气的聚集、防止所述聚集超过其可燃性下限、以及消除空气中的所述氢气和可燃气体，其特征在于包括两个基本部件一个是无源催化氢气复合器，另一个是热催化氢气探测器；所述复合器包括决定对流罩(1)的垂直导管，所述对流罩的流道截面用固体催化剂完全覆盖，所述固体催化剂包含在实际的热催化探测器(12)中并由高度多孔蜂窝状材料构成。
2.根据权利要求1所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于所述固体催化剂具有特征参数筛目尺寸不小于2mm、物质通过尺寸不大于1、和区段宽度不小于3个筛目尺寸。
3.根据权利要求1至2所述的用于监测和消除氢气的系统，其特征在于所述固体催化剂是包含在海绵状金属中。
4.根据权利要求1至3所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于所述固体催化剂是由一层催化剂和活性成分所制成和覆盖。
5.根据权利要求1至4所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于所述复合器的对流罩由两个垂直壁组成-内壁和外壁，所述内壁和外壁之间的空间用隔热材料进行填充。
6.根据权利要求1至5所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于所述固体催化剂是位于相对于对流罩悬置的隔热支撑物中。
7.根据权利要求1至6所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于在所述复合器的所述对流罩的内部空间有一系列位于两个或更多部分的垂直隔板。
8.根据权利要求1所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于所述用于监测和消除所述可燃气体的催化探测器包括加热的固体催化剂，所述固体催化剂是模件的形式并覆盖所述对流罩的流道截面。
9.根据权利要求8所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于所述固体催化剂是由高度多孔蜂窝状材料制成。
10.根据权利要求8和9所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于所述固体催化剂是由金属蜂窝状物制成。
11.根据权利要求8和10所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于所述固体催化剂被熔进和覆盖一层催化和活性成分。
12.根据权利要求8至11所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于所述固体催化剂包括特征参数筛目尺寸不小于2mm、通过的物质尺寸不大于1、以及模件宽度不小于3个筛目尺寸。
13.根据权利要求8至12所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于包括一个电加热元件，所述电加热元件位于所述对流罩的内部，用来预热进入气流和催化剂薄层。
14.根据权利要求8至13所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于限定在对流罩的垂直内壁和外壁之间的空间，是用隔热材料进行填充。
15.根据权利要求8至14所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于相对于所述罩而言，所述固体催化剂是位于悬置的隔热支撑物中。
16.根据权利要求8至15所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于相对于所述对流罩而言，所述固体催化剂是位于悬置的隔热支撑物中。
17.根据权利要求8至16所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于依据进入的加热空气流和催化固体的温度，利用电压热偶提供监测区域的初级信号。
18.根据权利要求8至17所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于依据进入的加热空气流和出气流的温度，利用电压热偶提供所述监测探测器的初级信号。
19.根据权利要求8至18所述的监测和消除氢气的系统，其特征在于在所述监测探测器使用了冷接头热偶恒温器连接。
全文摘要
本发明是用于在催化剂的帮助下控制和消除空气中的氢气和可燃气体。本系统包括一种装置，该装置由无源氢气复合器和一个控制探测器组成，其中其中使用了自由对流供给记录和进行消除气体混合物的部件，所述部件具有相同类型的构造，其中探测器可放置在复合器的内侧或外侧。
文档编号B01J15/00GK1452591SQ00819387
公开日2003年10月29日 申请日期2000年3月31日 优先权日2000年3月31日
发明者迪姆乔·弗卡索文, 亚历山大·卡林尼科夫, 加雷尔·博罗诺夫, 里卡多·布拉克比左 申请人:戴维系统技术公司