复合器部件的制作方法

专利名称:复合器部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合器部件，特别是应用在用于核技术设备的安全系统中，该复 合器部件具有多个布置在共同的壳体中的催化剂部件，当氢气在流入气流中被一起运送 时，这些催化剂部件分别触发与氧气的复合反应，其中壳体以烟囱形式包围布置在其中的 催化剂部件，从而在复合反应中释放的热量通过对流促进了壳体内的气体流动。
背景技术：
在核技术设备中、特别是在核电站中，必须在出现干扰情况或事故情况时(在这 些情况中例如可能出现由于核加热而导致的锆氧化)将在包围反应堆芯的安全容器或反 应堆防事故外壳内的氢气和一氧化碳的形成和释放考虑在内。特别在出现冷却剂损耗干 扰之后可能在此释放出大量的氢气。由此可能在反应堆防事故外壳内产生爆炸性的混合气 体。如果没有对应的措施，那么甚至可能出现反应堆防事故外壳的大气中的氢气的积聚， 由此可能在由于较大量的氢气燃烧而导致出现突发的点火时，对安全容器的完整性造成危 害。
为了防止在核电站的反应堆防事故外壳中形成这种爆炸性的混合气体，对各种不 同的装置或方法进行了讨论。例如包括有如催化的复合器、催化的和/或电力驱动的点火 装置或上述两种装置的组合、以及用于使反应堆防事故外壳恒定惰化的方法。
当使用点火系统以用于从反应堆防事故外壳的大气中去除氢气时，应该借助于受 控制的燃烧实现氢气与氧气的可靠的复合。在此，应该稳妥地避免作为有毒的氢气燃烧的 后果的重要的压力形成。这种点火系统通常因此这样设计，即当已经超过混合气体的下点 火界限时，也就是说当混合气体具有相对较低的氢气浓度时，或者当惰化界限低于体积百 分比为大约55%的蒸汽以及高氢气浓度时，也确保了氢气的可靠的点火。
一种由EP 289 907 Bl中已知的、用于受控点燃包含有氢气的混合气体的点火系 统包括火花塞点火装置，其可通过集成的蓄能器供应能量。此外，该点火系统还设有自给自 足地设计的蓄能器，从而不需要馈电线。在此特别设计了作为蓄能器的干电池。然而这种点 火系统由于集成的蓄能器的电容而仅仅适用于一段受限制的运行时间。这还导致了，即在 例如5%至大约8%的体积百分浓度范围中，基本上通过提早点火而阻止了无焰催化氧化。 因此当浓度更高时排除了有利的无焰催化分解以及同时产生的高温区域(> 600-900°C )。
无焰催化作用的区域进而实际上在不可点燃的区域上减少，并且已经当浓度差异 偏低时利用快速的气体移动过程引发了提早的一次点火，而不会(由于缺乏高温区域)实 现用于达到短的火焰加速路径的有效的反向点火(Gegenzuendimg)。此外，当提早地激励 火花塞点火装置时，在具有后来的氢气释放的干扰进程中，氢气的受控制的点火仅可以受 限制地实现。此外，这种点火系统同样也在点火延迟时间结束之后才对氢气的释放作出反 应。而且，将必须覆盖所有可想到的干扰情况的点火系统仅仅可以受限制地实现长时间运 行。此外，在显示出干扰情况的前部地带中，不可能从例如发电站的控制室外部的工作站展 开点火系统的预防性的激发。[0007]此外，在仅仅基于使用用于氢气的点火方法、例如火花塞系统形式的安全系统中 存在有附加的限制，即在蒸汽惰化的情况下，完全不能进行氢气分解。相应地，在这种系统 中只有在相应的蒸汽凝结之后才能充分地燃烧在安全容器中积累的氢气。当蒸汽中的氢气 浓缩时，这可能导致相对较高的氢气量或氢气浓度，其随后由于点火而在相对较短的时间 内燃烧，从而可能产生不受控制的反应过程。此外，在仅仅基于点火的系统中需要注意的 是，在所谓的“抵抗全厂失电(Station-black-out) ”情况下、也就是说在反应堆防事故外壳 内的能量供应完全损失的情况下，点火可能完全失效。
可替换地或补充地，因此可以在安全系统的范畴中，在核技术设备的安全容器或 反应堆防事故外壳中布置所谓的惰性的自动催化的复合器。该复合器通常包括合适的催化 剂部件，该催化剂部件在催化的路段上当氢气在流入气流中被一起运送时，触发与氧气的 复合反应。催化剂部件在此通常设有包围的壳体，其中该壳体设计为烟@形式，从而基于烟 囱效应自动地在壳体之内产生对流流动，从而使得混合气体可靠地沿着各自的催化剂部件 在其上引导，并且进而可以维持催化的复合反应。原本的催化部件在此在各自催化的复合 器部件之内主要垂直地并且尽可能平行地布置，以便在部件之间产生上升气流并且促进该 上升气流。当氢气积累在反应堆防事故外壳的混合气体中时，该装置通常自动地启动并且 使氢气与大气中包含的氧气发生氧化，从而特别也当存在有蒸汽惰化的条件或混合气体稍 微处于点火极限之上时，可以在不点火的情况下实现有效的氢气分解。
当然也可以在这种系统中当假定在安全容器中出现了高氢气释放率和同时出现 了低蒸汽浓度的干扰情况时，则达到在积累的氢气方面的局部的或全局的临界的浓度和 量。
由于在这种复合器上的点火迄今为止仅仅偶然地根据不同的大气条件，例如氢气 浓度、蒸汽成分等等被观察到，因此通过这种装置既不能可靠地避免所不期望的点火，也不 能确保点火功能。此外，在检验中从可高达30min的时间延迟直至达到最大的反应温度为 止，在这种催化剂单元上进行报告。例如通过降低的涂层厚度或扩散抑制层等等来实现完 全避免催化剂点火的措施，在更高的浓度范围中也并不导致安全地排除所不期望的点火。 即使当这种检测有可能成功时，偶然的点火基本上由于反应堆防事故外壳中的可想像到的 其它不稳定的点火源而一般来说不能被排除。
为了在技术上安全地设计反应堆防事故外壳，因此当应用催化的复合器时，分别 检测安全容器中的当氢气-过量供应(Ueberspeisimg)时出现的最大浓度，并且将点火置 于这个条件之下。在这样的点火情况下，将从快速爆燃直至可能的爆燃_爆炸_过渡的设 计考虑在内。为了本身能够通过反应堆防事故外壳的结构性的设计方案合适地对在此理论 上出现的巨大的负载和直到几个巴(巴)的压力差进行补偿，反应堆防事故外壳相应的结 构以及在其中预设的设备通常被相应高密度地设计。因此可能值得期待的是安全系统的修 改设计方案，在该安全系统中本身在所述的条件下立即可靠地将大气中氢气的过高浓度排 除，并且进而可以安全地避免所述的点火情况或爆炸情况。
为了实现这种目标，也可以设置有组合系统，其既包括点火装置又包括催化的复 合器。由EP 596 964 Bl例如已知了一种用于使得混合气体中的氢气发生复合的组合的催 化剂-点火系统。在这种系统中，当氢气发生催化的复合时，在催化剂体上获得的热量被输 送给点火装置，并且在那里用于点燃未衰竭的、含氢的气体。然而在这种组合的催化剂_点火系统中，只有在释放氢气之后的点火延迟时间结束之后才点燃氢气。在第一次释放氢气 之后，也就是需要一定的时间，直到催化剂体连同相邻的点火装置一起都充分加热为止，以 便能够点燃氢气。这种时间延迟导致了，在反应堆防事故外壳内的快速的气体移动过程中， 当氢气浓度相对较高时才开始点燃氢气。
然而在整个系统加热之后，在已经超过了下部的点火极限之后才在不催化的部件 上出现早点火。这导致了，在从例如5%直至大约10%的体积百分浓度范围中，基本上由于 提早的点火而阻止了无焰催化氧化。当浓度更高时的无焰催化分解以及同时产生的高温区 域因此被排除。
无焰催化作用的区域进而实际上在不可点燃的区域上减少，并且已经当浓度差异 偏低时，利用快速的气体移动过程而引发了提早的一次点火，而不会(由于缺乏高温区域) 实现用于达到短的火焰加速路径的有效的反向点火。
在其它的带有催化的复合器和多个独立的火花塞点火装置的组合系统中(其中 点火与催化的复合独立无关地在点火装置中开始)，通过系统彼此之间相应的协调而考虑 到相对较大的投入，并且特别是对于在错误的点火频率中出现的不利影响的处理是成问题 的。在此原则上又有效的是，利用相应的气体移动过程而引发了提早的一次点火，而不会 (由于缺乏高温可能性)实现用于确保短的火焰加速路径的有效的反向点火。

发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种上述类型的复合器部件，特别是用在核技术设 备中的安全系统中，利用该复合器部件即使在假设有相对极端的条件或情况下也以特别高 的运行安全性，确保了从混合气体中可靠地去除氢气。
该目的根据本发明由此实现，即至少一个布置在壳体之内的催化剂部件具有给定 点火区域，其中在对流进行中当环境条件为大约1巴和100°c时，当流入气流中的氢气体积 百分浓度大于5%时，产生高于560°C的表面温度。
本发明从这种构思出发，即在所述的可能的极端条件下，当可靠地避免了临界的 浓度的形成时和当稳定地排除了爆炸情况时，则可以实现可靠地去除氢气，这由此实现，基 本上基于催化复合器的系统以特别合适的方式由适宜的被启动的点火来补充。此外，为了 保持特别高的运行安全性并且也为了克制“失电(black-out)，，的情况，点火系统也应该完 全地或至少尽可能地设计成无源的(passiv)。基于催化复合器的系统的、这种通过合适的 点火机构实现的适宜的补充通过以下方式来实现，以特别有利的方式将在催化的复合中局 部地在催化剂部件的区域中释放的热量用于适宜地开始进行点火。
在此，系统应该在其整体方面上特别地这样来设计，即使在干燥的情况下也利用 适度的氢气释放和相对较低的蒸汽成分提早地开始催化的氢气分解，特别地还是在从例如 6至大约8%的氢气的非临界的体积百分浓度的情况下。在更高的蒸汽浓度、从例如> 30% 直到大约> 8%的氢气体积百分浓度时，在> 40%和优选地直到大约> 10%以及更高的氢 气体积百分浓度时，应该延长了这种无焰的复合器运行。由此实现了，在多种情况下完全不 会出现点火。在更极端的情况下，特别是当出现的有关的氢气量的体积百分浓度大于大约 8%时，然而无论如何都是当氢气体积百分浓度大于10%时，应该预防性地阻止进一步的浓 度升高，并且适宜地自动引发安全容器不同的空间区域中的点火。[0020]为了可靠地并且是在避免了被视为过高的点火延迟时间的情况下确保这一点，现 在设计为，借助于催化剂部件和包围该部件的壳体的结构性合适的定位和尺寸确定，以及 借助于结构性合适的设计，特别是在预先确定为此设计组件的流动路径和尺寸方面，适宜 地对各自催化部件的区域中浓缩有氢气的气流的流动特性和点火特性加以利用。在此，流 入的氢气在反应的启动阶段，也在较低的温度下，通过催化的特别有效的系统来进行转换， 在优选较少量时实现快速升温，并且因此使得催化反应进一步加速以及进而建立周围的边 界层。
在此基于这种认识，在所述类型的催化复合器中，其中，例如由于烟囱效应或类似 物，使得气流以规定的流动速度沿着催化剂部件在其上引导，并且进而可以开始并且维持 复合反应，在催化剂的平衡状态中，也就是说特别在自然对流的运行状态中，优选地在薄片 状的流动区域中，现在可以利用快速结束的复合反应来制造更厚的边界层，并且因此实现 了在气流中直接相邻于催化活性表面的氢气成分的衰竭。这是因为现在在催化剂的平衡 状态中当温度升高时在催化剂上的非常快速的动力的复合反应；以及同时被限定的气体扩 散过程，其直接在催化活性表面的边界区域中对着引导经过的气流，由于在那里一起运送 的氢气与氧气的转换而导致了紧邻于催化剂的氢气成分和氧气成分的局部的贫化，(和在 一定程度上导致了保护层的建立)。
该装置因此以合适的方式这样确定尺寸，特别是在浓度提升阶段中，在还未能够 点燃的混合物中，已经在给定点火区域中实现了快速并且均勻的加热，催化反应的动力随 之被相应地加速，并且因此高效地围绕着高温-给定点火区域铺设了完整的浓缩-保护层。
通过催化的复合反应所产生的热量相应地加热了催化剂，当本身在贫化的区域中 还存在有在催化剂部件中起控制作用的温度方面的、对于点火来说是充分的混合气体的氢 气成分时，该热量也就可以在这种平衡状态中仅仅随后导致了环流的气流的点火。这可以 在所期望的点火开始时在保持得特别短的点火延迟时间中以下述方式得到利用，即通过组 件合适的结构性设计，在为此预设的区域中、也就是说在给定点火区域中，在自然对流的运 行期间就已经将温度设定或维持在氢气的点火温度之上，也就是说在560°C之上。一旦未显 著贫化的、并且因此具有点火能力的混合气体足够接近地到达各自的区域，则在此在无值 得注意的延迟时间的情况下，实现在这种具有超临界条件的区域中点火。当温度更高时还 需要注意的是，点火区域还会扩大到氢气混合物的下部的和上部的点火极限，并且进而可 观察到提早点火的轻微的趋势。
点火在此可以特别地通过气体移动过程而引发，其结果是，具有点火能力的混合 气体到达各自的给定点火区域邻近的环境中。通过以“超临界的”状态的方式在给定点火 区域中设定所述的条件，系统在这个区域中因此快速并且灵敏地对每种类型的气体移动过 程作出反应，从而快速且安全地引发已经在前部地带中显示出的大范围的干扰的点火。
在给定点火区域中的表面温度的预设的设定在此特别可以通过各自的催化剂部 件和相邻组件合适的结构性设计来实现。在此特别可以考虑的是根据设计在对流进行期间 由于复合反应所释放的、对催化剂部件进行加热的热量，和相应的散热，特别是以辐射热的 形式，以及通过直接耦合的组件的热传导。设定的温度可以在此特别地通过选择各自的组 件合适的几何形状和尺寸，在各自的导热性能方面被适宜地施加影响。系统在此可能根据 需求在给定点火区域的范围中为了可靠地设定所述的表面温度而设有附加供热。对于特别高的运行安全性来说，系统然而有利地设计为完全惰性的系统，其中设定的温度基本上通 过在复合反应中释放的热量和相应的传导而在给定点火区域的范围中给出。
有利的是，系统在此这样来设计，即在给定点火区域中，在对流进行中当环境条件 为大约1巴和100°c时和当流入气流中的氢气体积百分浓度大于5%时，产生在600°C和 900°C之间的表面温度。
为了确保在壳体内部中的足够高的温度，有利地在壳体内布置了至少三个、优选 为至少十个催化剂部件。
为了产生可靠的复合反应，以优选的方式合适地来设计这个或各个催化剂部件。
对此特别的是，这个或各个催化剂部件分别具有由多孔的材料、优选由Al2O3所 制成的催化活性区域，其中多孔的材料在其它有利的设计方案中作为陶瓷的修补基面涂 层_孔系统，并在一定条件下附加地带有合适的蚀刻涂层_附着层以实现充分的耐磨性，而 涂覆在合适的载体上，优选地涂覆在薄的、带有Al-成分的金属载体上。由此可以实现内表 面的有助于催化效应的扩大，优选地以大于1000因数的方式，特别有利地以大于10000因 数的方式。此外，催化活性区域的多孔材料在另外的有利的设计方案中掺杂有催化剂材料、 优选地掺杂有Pt和/或Pd，其中适宜的为了避免由于催化剂毒素或类似物所引起的减活化 作用，而尽可能均质地也设计Pt和/或Pd分布在孔系统的位于更深位置的区域中。
为了实现特别有利的催化效应，在此为贵金属浓度有利地设计了从2至10的、特 别是直至25g/m2的过度掺杂量。在给定点火区域的范围中，掺杂量有利地高于在其余的催 化活性区域中的掺杂量。
催化的活性材料、特别是钼和/或钯，可以掺杂到封闭的金属载体上、多孔载体 上，或也可以掺杂到陶瓷载体上，例如球体或粒状物上，并且作为散料安设在合适的金属的 框架-支承结构之内。
带有催化活性贵金属的涂层密度在此也可以局部地和特别是通过通流高度可变 化地保持，从而在复合反应方面还由此可以对地点和设定的表面温度的高低产生影响以及 因此也可以对给定点火区域的环境产生影响。
有利的是，例如可以以这种方式来对催化剂部件的流入区域中的给定点火区域进 行定位。例如在此可以在给定点火区域的范围中实现升高催化剂材料的、特别有利的是来 自于两个催化部件Pt和Pd的浓度。
有利的是，催化剂部件主要布置在复合器部件的下部区域中，从而通过由于复合 过程而积累的热量对烟 效应形成支持，并且进而特别对壳体内部的对流流动形成支持。 以有利的方式并且为了特别有利的流动比例，复合器部件在其流入区域中具有自由的横截 面面积、也就是说可由气流自由地通流过的横截面面积在整体-横截面面积中的部分，其 大于40%、优选的大于90%。通过一个以薄膜技术的实施方式，在此可以实现直至98%的 特别有利的自由的横截面面积。
此外，装置在有利的设计方案中利用少量的催化剂物料和不在催化区域中的非催 化的壳体部分的仅仅减少的加热而这样确定尺寸，即特别在浓度提升阶段中或者已经在还 未能够点燃的混合物中，实现了快速的均勻的加热，催化反应随之被相应地加速，并且因此 可以在流入区域中高效地围绕着给定点火区域的高温区域而铺设有完整的浓缩-保护层。
为了对烟囱效应形成支持并且因此为了实现特别稳定的流动比例，有利地将高炉炉身的深度与高炉炉身的高度之间的比例设计为大约1 3至1 5。复合器部件的总高 度在此可以例如是0. 3m至3m。
复合器部件的催化剂部件优选地设计为催化剂板，其中该催化剂板优选地主要垂 直对齐从而有利于导流。催化剂部件优选地彼此间隔开大约0. 5cm至3cm，并且大约与壳体 的底部边缘以相同高度来布置，然而有利地以其底部边缘大约或直至10cm(高于壳体的底 部边缘)布置。单个的催化剂部件之间的间距也可以改变，从而当间距较小时实现较高的 反应度，并且因此实现局部较高的温度。该参数因此也可以被考虑用于导温和给定点火区 域的预设。可替换或附加的是，可以通过催化活性表面的局部升高的安装密度来产生所谓 的热点、也就是说温度升高的区域，以便限定给定点火区域。
为了实现特别可靠的点火开始，催化剂板有利地设计为薄部件或以薄膜的结构形 式来设计，并具有小于Imm的壁厚、优选地小于0. 2mm的壁厚，部分地也还显著地更小。由 于随之出现的相对较小的局部热的迟缓，在此特别在瞬间过程可以实现特别是自发的催化 的混合物衰竭以及局部的温度升高，从而恰好也在瞬间的混合物变化时可以特别有效地确 保所期望的点火功能。
通过薄膜技术的应用以及合适的催化合成可以确保，例如在瞬间的浓度变化中， 在例如3%的氢气体积百分比之上的范围中，在催化剂部件处的表面温度提升速度设定为 在30s之内、优选地在< IOs之内>50°C/%H2。此外，在给定点火区域中可以这样设计和 布置催化剂部件，即在瞬间地供应氢气(从实际的0%到自发的>6%、优选地>8%的体积 百分比)时，短暂地且部分地并不实现完全有效的浓度保护层的合成，并且出于安全方面 的原因实现了提早的点火。
这种催化的氢气_分解可以当氢气体积百分浓度> 8至10%时，当相应高的蒸 汽-CO2成分为例如大约40%的体积百分比时，当> 50-55蒸汽-CO2成分时，也当氢气体积 百分浓度> 10%时，优选地得以实现。装置的二元性效应也在这种蒸汽惰化的区域中，当 大约>55%的体积百分比的蒸汽-CO2成分时被证实为是有利的，这是因为通过无焰氧化已 经可以完全地分解氢气，并可以同时产生相应的高的温度位(Temperaturpotentiale)，例 如> 600°C，然而特别在从点火条件出发是更困难的上部的点火极限处，也可以产生直至> 900°C的温度位。通过这种高温可以对点火区域中的由于高蒸汽成分而出现的升高的热传 导进行补偿，并且也在这些条件下实现安全的点火。
通过这种特殊的复合装置与反应堆防事故外壳喷射系统的运行的组合，可以在蒸 汽惰化的区域中通过喷射和产生的复合对流流体而实现大气的强化的混合，以及同时实现 氢气-成分的减少。由此特别地，具有用于燃烧加速(Flammbeschleunigung)的适宜的位势 可能的临界的高浓度云团短暂地与剩余的大气混合，并且不同的高温_给定点火区域还进 一步被带到统一的水平。在此，特别显著的高温可以设定在> 700°C、优选地> 800°C的给 定点火区域中。通过合适的探测器还可以直接地并且典型地测定高温-给定点火区域的温 度，以及氢气控制策略、也就是说特别是反应堆防事故外壳_喷射系统的激活和/或控制， 在该信息的基础上相应地达到效果。该装置还通过显著的高温区域，也当出现了高的气体 速度(例如>50m/s和更高)时提供了可靠的自发的点火。在此出现的(通过高密度流入 的更冷的环境大气引起的)冷却效果可以通过物料的当前的加热而在装置的内部中安全 地补偿。[0042]在特别有利的设计方案中，在气流方面，连接在催化活性区域下游的催化非活性 区域被设计为给定点火区域。在此，在催化活性区域中积累的热量适宜地在下游的非活性 区域中传导。在此基于这种考虑，在催化活性表面区域的流出区域中，基于预先的复合反应 总会存在有衰竭的气流。仅仅是对于这种情况，即在短时间内积累了相对较大的、以氢气浓 缩的气体量，也就是说例如由于在安全容器内的气体移动过程，能够点燃的混合气体一直 到达这个区域中，从而确保了特别满足需求的引发点火。复合装置有利地这样设计，即例如 实现了在给定点火区域中的气体速度的自发的加倍，优选地到5m/s，当部分的催化剂区域 温度> 560°C (优选地> 600°C)时，并且进而适宜地实现了点火功能的激活。
在复合器部件附加的或可替换的有利的设计方案中，在这个或这些催化剂部件之 前在气流方面连接了用于汇聚流体的装置。因此可以确保，外部的气体移动过程在安全外 壳中以合适地汇聚和增强的方式，在催化剂部件的流入气体中或特别地在给定点火区域中 产生，从而恰好在这种情况下使得给定点火区域的范围中气体流动中的贫化区域破裂，并 且可靠地引发点火。汇聚在此可以通过合适的导流片或另外的转向装置，通过用于产生涡 流的装置，通过螺旋形的管导片(Konfusoren)和/或通过横截面-减少来实现或得到支 持。特别的是，这种装置可以在所有的主方向上在壳体的下部部分中，垂直地或水平地布置 在壳体上或者也可以集成地布置在催化剂部件中。催化剂装置还可以与完全封闭或部分封 闭的管路-或通道系统相连接。通过供给(Aufgabe)压力脉冲，在此可以通过这样的管件， 例如也与喷射器组合起来，为了吸入外界空气，适宜地在给定点火区域的范围中提高气体 速度并且根据需要引发点火。
优选的是，复合器部件使用在核技术设备的安全系统中。
利用本发明获得的优点特别在于，通过提供给定点火区域，利用在对流进行中超 临界的、也就是说在位于氢气的点火温度之上的表面温度，适宜地可以将这样的认识应用 于确保特别可靠的和快速的点火过程，即在催化剂附近形成了具有衰竭的氢气成分的边界 层。当衰竭层由于流动比例而破裂时，则点火可以在这样一种系统中特别地随之被快速且 可靠地引发。这特别地是指这种情况，即压力脉冲或气体移动过程在复合器部件的流入区 域中或者在给定点火区域的范围中产生高的气体流动速度，从而使在紧邻于催化表面处的 气体层以衰竭的或减少的氢气成分而破裂。由此，现在不能或仅仅只能少量地实现衰竭的 气体与相对较热的催化剂部件表面的直接的接触，从而由此可靠地引发了在该空间区域中 的点火。
因此，复合器部件特别在安全系统中可以良好地使用，在其中，在单个的复合器之 间的串扰效应(其中在一个复合器中通过由另一个复合器实现的焰锋而引发了点火)在与 之相联系的不稳定性方面应该被避免。由于当缓慢的爆燃时，具有相对较长的振荡延续时 间和相应的焰锋的较低振幅的、在此所产生的压力波向前运动，也就在出现焰锋之前，由于 在此产生作用的气体移动过程而在复合器中引发了点火。紧凑的可燃气体供应因此导致了 局部的复合器装置的过度供应(Ueberspeisimg)和在加热面的边界层区域中的浓度衰竭 和在相界上导致了边界层干扰，从而引起了附加的另外的对流流动，以及能够实现安全的 点火。因此，在进一步提高浓度之前确保了临界的区域的安全点火，其中，以多米诺骨牌效 应或多米诺骨牌点火的形式，从第一复合器装置出发，在相邻的或在流体方面连接的复合 器装置中安全地引发了点火。串扰的和未受控制的流动比例可以由此安全地被避免，从而实现需要被承受的负载的最小化。
相应地，该系统可以在其整体上来说设计的重点在于氢气分解的催化功能，其中 在相对较多的情况下，也就是说特别当体积百分浓度低于8-10%时，并且在相应的蒸汽浓 度中，在放弃点火的情况下可以仅仅催化地实现氢气分解。当浓度较高时，点火和燃烧过程 最初在浓缩区域或启动区域中通过缓慢的爆燃来实现，其中在相邻的装置中安全的点火过 程由于在燃烧波(Verbrenrumgswellen)或焰锋之前间隔开的气体移动过程而开始。


参照附图详细说明本发明的一个实施例。图中示出
图1示出了用于混合气体中的氢气和氧气复合的安全系统，
图2以纵截面图示出了催化复合器，和
图3以侧视图示出了根据图2的复合器。
具体实施方式
相同的部件在所有的附图中以相同的标号标注。
根据图1的安全系统1设计用于氢气的复合，该氢气处于混合气体中，也就是处于 核技术设备的、在图1中简要示出的安全容器2的反应堆防事故外壳-大气中。安全系统 1包括多个布置在安全容器2之内的催化复合器部件4，这些部件中的每一个在催化路径上 引发了在流过的气流中被一起运送的氢气与包含在反应堆防事故外壳-大气中的氧气的 复合反应。
对此，每个热复合器部件4 (如在图2中的放大的视图中可看到地)都包括多个布 置在壳体6中的催化剂部件8。在图2中出于简明的原因可看到四个催化剂部件8，其中在 实施例中但特别地在一个共同的壳体6中布置了十个或更多的催化剂部件8。催化剂部件 8在此分别具有以合适地选择的材料、例如钯和/或钼制成的表面，其在邻接的混合气体中 是这种情况，即这种混合气体包含例如一定的体积百分比的重要的氢气成分，而和在大气 的气体中所包含的氧气发生了催化的复合反应。在此，氢气与氧气在形成水的情况下发生 了放热反应。通过这种放热反应，催化剂部件8就其那一方面而言被加热，从而由于由此产 生的温度落差而从下向上在周围的气体空间中产生了对流流动。
为了通过所谓的烟囱效应而对这种对流流动加以支持，各个复合器部件4的、围 绕催化剂部件8的壳体6特别设计为烟@形状，并且为了使得由此产生的对流流动变得更 加容易，这些催化剂部件8基本上设计为板状的并且彼此平行地布置。此外，复合器部件4 的总高度大约为3m，并且高炉炉身的深度与高炉炉身的高度之间的比例设计为大约1 3 至1 5。在用于气流的流入区域10中，复合器部件4还具有一部分可自由通流的、也就 是说并不由装配部件所阻碍的横截面面积，其大约为90%。在整体而言，由这些组件构成 的复合器部件4因此具有结构上的特性，这些特性当安全容器2的大气气体中存在有氢气 时，自动地启动了催化复合过程，并且通过对流流动的支持效应根据烟 效应而维持，以及 促使大气进一步充分混合，直至氢气充分地分解为止。
催化剂部件8分别具有一个由多孔的材料、特别地由A1203所制成的催化活性区 域12。该多孔的材料在此作为陶瓷的修补基面涂层_孔系统，并附加地带有合适的蚀刻涂层-附着层以实现充分的耐磨性，涂覆在带有A1-成分的、合适的薄的金属载体上。由此确 保了内表面的有助于催化效应的扩大，以大于因数10000的方式。催化活性区域12的多孔 的材料在此掺杂有催化剂材料、特别地掺杂有Pt和/或Pd，其中为了避免由于催化剂毒素 或类似物所引起的减活化作用，而尽可能均质地也设计Pt和/或Pd分布在孔系统的位于 更深位置的区域中。
为了实现特别有利的催化效应，在此为贵金属浓度设计了直至25g/m2的过度掺杂量。
安全系统1在其整体上而言设计用于，当存在多个可能的干扰情况时，在也包含 有相对而言未必是真实的极端干扰条件的情况下，确保在此可能在安全容器2的大气中所 产生的氢气的安全和可靠的复合。为此，安全系统1设计用于分解氢气，并且重点在于催化 的复合，其中在需要的情况下并且特别是局部限制性补充地也应该实现能够点燃的混合气 体的点火。催化的复合器部件4在其组件的形式、定位和尺寸方面主要这样设计，即当混合 气体中的氢气浓度达到大约6体积百分比或根据需要也达到大约8体积百分比时，当较高 的蒸汽浓度直至> 10Vol%时则还未实现点火，而是通过催化地引发的复合反应在催化剂 部件8的表面上实现了氢气分解。
对于更高的氢气浓度来说相反地补充地设计为，催化剂部件8由于通过催化的复 合反应所释放的热能而这样地加热，其温度以为此预设的给定点火区域20 (该点火区域优 选地直接处于催化剂的流入区域中)上所谓的“热点”形式，处于混合气体的点火温度之 上，并且因此对混合气体的点火产生支持，其以惰性的系统的形式自动地引发了复合过程。 在此，通过在壳体6之内的、特别是催化剂部件8之内的装配部件的布置、结构和尺寸，在 考虑到在复合反应中释放的热量和热传导的情况下，由于辐射热或也以通过单个组件的热 传导的形式来这样设计系统，在各个复合器部件4的对流进行中的参考条件下，当周围环 境条件为大约1巴和100°C时和当催化剂部件8中的流入气流中的氢气体积百分浓度大于 5 %时，给定点火区域20中的表面温度设定为在600 V和900 V之间，也就是说大约为560 V 的氢气的点火温度。
在复合器部件4的这个设计方案中考虑到这样的认识，即那些可以部分地也局部 由金属覆盖的各个催化剂部件8在催化的复合运行中，也就是说在当前的自然对流中，由 需要处理的气流进行环流，其中在紧邻于催化剂部件8的催化表面处，由于进行中的复合 反应而实现了气流中的氢气成分的衰竭。在自然对流的状态中，催化剂部件8因此以层状 气流的形式直接与衰竭的气体接触，其中在距离更远的空间区域中存在带有氢气成分相应 升高了的未衰竭的气体。在自然对流的这种状态中因此通过衰竭的气体层使得点火效应减 弱，该点火效应可由加热的催化剂材料施加于周围的气流。
这种效应在复合器部件4中用于，在需要的情况下，也就是说特别在自然对流的 状态中，以超临界方式的形式来操纵给定点火位置20，其中原本处于点火极限之上的表面 温度起控制作用。在这样一种状态中，该系统因此相对灵敏地对于流动比例的干扰(其中 对于这种情况，即接触了过热的表面部分的、衰竭的气体层发生破裂，并且未衰竭的气体能 够到达该表面部分)自发地基于升高的温度引发了点火。因此通过系统的这个设计方案， 在紧邻于催化剂部件8的附近区域中干扰了流动比例的压力脉冲或气体移动过程中，可以 自发地并且在无值得注意的点火延迟时间的情况下引发点火。因此特别可以对下述情况来说确保自动的和惰性的点火，即在安全容器2内出现了压力脉冲，从而在已经出现在可能 地显示出的干扰情况或类似物的前部地带中可以引发可靠的点火。
为了还进一步提高系统相对于压力脉冲或气体移动过程或类似物的灵敏度以及 进而提高要开始的点火的可靠性和安全性，可以在单个的催化剂部件8中在前连接有合适 的、用于汇聚流体的装置，其有利于或加强了在给定点火区域20上出现的压力脉冲或气流 的适宜的导向。为此，如在图3的图示中可看到地，可以为布置在壳体6中的催化剂部件8 设置导流片22、导向片24、漩涡或涡流发生器26或另外的合适的装置或管导片来作为用于 导流的装置，利用这些装置将出现的压力脉冲适宜地引导至临近于给定点火区域的空间区 域。
参考标号表
1安全系统
2安全容器
4复合器部件
6 壳体
8催化剂部件
10流入区域
12活性区域
20给定点火区域
26涡流发生器
权利要求
一种复合器部件(4)，具有多个布置在共同的壳体(6)中的催化剂部件(8)，当氢气在流入气流中被一起运送时，所述催化剂部件分别触发与氧气的复合反应，其中所述壳体(6)以烟囱形式包围布置在其中的所述催化剂部件(8)，从而在所述复合反应中释放的热量通过对流促进了所述壳体(6)内的气体流动，以及其中至少一个布置在所述壳体(6)内的所述催化剂部件(8)具有给定点火区域(20)，其中在对流进行中当环境条件为大约1巴和100℃时和当所述流入气流中的氢气体积百分浓度大于5％时产生高于560℃的表面温度。
2.根据权利要求
1所述的复合器部件(4)，其中在所述给定点火区域(20)中，在所述 对流进行中当环境条件为大约1巴和100°C时和当所述流入气流中的氢气体积百分浓度大 于5%时产生在600°C和900°C之间的表面温度。
3.根据权利要求
1或2所述的复合器部件(4)，其中在所述壳体(6)内布置了至少三 个、优选为至少十个催化剂部件(8)。
4.根据权利要求
1至3中任一项所述的复合器部件(4)，其中所述或各个催化剂部件 (8)分别具有由多孔的材料、优选由Al2O3所制成的催化活性区域(12)。
5.根据权利要求
4所述的复合器部件(4)，其中所述催化活性区域(12)的所述多孔的 材料掺杂有催化剂材料、优选地掺杂有Pt和/或Pd。
6.根据权利要求
1至5中任一项所述的复合器部件(4)，所述复合器部件在其流入区 域中具有大于40%的、优选大于90%的自由的横截面面积。
7.根据权利要求
1至6中任一项所述的复合器部件(4)，所述复合器部件的催化剂部 件(8)设计为催化剂板。
8.根据权利要求
7所述的复合器部件(4)，其中所述催化剂板设计为具有壁厚小于Imm 的、优选地壁厚小于0. 2mm的薄部件。
9.根据权利要求
1至8中任一项所述的复合器部件(4)，其中在所述给定点火区域 (20)的范围中设有与其它的催化活性区域(12)相比提高的催化剂材料的积聚程度。
10.根据权利要求
1至9中任一项所述的复合器部件(4)，其中在气流方面，连接在催 化活性区域(12)下游的催化惰性区域设计为给定点火区域(20)。
11.根据权利要求
1至10中任一项所述的复合器部件(4)，在一个或多个所述催化剂 部件(8)之前在气流方面连接了用于汇聚流体的装置。
12.根据权利要求
1至12中任一项所述的复合器部件(4)，其中催化剂部件群在流入 区域中被这样地确定尺寸和布置，即在瞬间的浓度变化时，例如氢气的体积百分比在3%之 上，在所述催化剂部件上的表面温度提升速度为在30s之内、优选地在IOs之内大于50°C每 氢气百分比。
专利摘要
本发明涉及一种复合器部件(4)，具有多个布置在共同的壳体(6)中的催化剂部件(8)，当氢气在流入气流中被一起运送时，这些催化剂部件分别触发与氧气的复合反应，其中壳体(6)以烟囱形式包围布置在其中的催化剂部件(8)，从而在复合反应时释放的热量通过对流促进了壳体(6)内的气体流动，该复合器部件即使在假设有相对极端的条件或情况下也以特别高的运行安全性确保了从混合气体中可靠地去除氢气。另外根据本发明，至少一个布置在壳体(6)内的催化剂部件(8)具有给定点火区域(20)，其中在对流进行中当环境条件为大约1巴和100℃时，当流入气流中的氢气的体积百分浓度大于5％时产生高于560℃的表面温度。
文档编号G21C19/317GKCN101896979SQ200880120624
公开日2010年11月24日 申请日期2008年11月27日
发明者理查德·贝茨, 贝恩德·埃卡特, 阿克塞尔·希尔 申请人:阿雷瓦核能有限责任公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan