用于一气体混合物中氢和氧再化合的装置与方法

专利名称:用于一气体混合物中氢和氧再化合的装置与方法
本发明涉及一种用于气体混合物中氢和氧再化合的装置，其中气体混合物通过一个流入管道可导入一加热室，一输送鼓风机接通到该流入管道内。本发明还涉及一种用于气体混合物中氢和氧再化合的方法。
核电厂里发生故障或事故的情况下，例如这时由于核(加)热可能会发生锆的氧化，必须要考虑包含着反应堆堆芯的安全容器或反应堆安全壳内部形成的游离态氢气和一氧化碳。因为这样可能会在反应堆安全壳内部产生爆炸性气体混合物。
为防止在核电厂的反应堆安全壳内形成这种爆炸性气体混合物，探讨了各种不同的装置或方法。所属的装置例如有催化式或加热式再化合器，催化和电动式点火装置或者上述二装置的结合，以及反应堆安全壳的持续或事后惰性化处理方法。其中特别是加热式再化合器，以其卓有成效地抵抗可能是来自反应堆堆芯的可游离物质而最为出色，因而在不同的工作条件下性能也特别可靠。
在一加热式再化合器中，例如由DE 2 411 006 C2所公开的那样，通常设有一个加热室，气体混合物通过一根流入管道可导入其中。气体混合物在加热室中达到这样一个高温，而使得其中的氢与同样地在气体混合物中含有的氧进行再化合反应，最终使氢减少到给定极限值以下或探测不出(的水平)。其中气体混合物导入加热室是通过接通到流入管道内的一个输送鼓风机来保证的。
为使这样一种加热式再化合器的工作参数能够合乎要求地被调节，加热室通常设有一个加热功率的调节装置。举例来说，已知由DE 3 339 242 C2公开了这样一个加热式再化合器，其中通过一个电气调节装置来调节为加热室的加热而设的加热棒，而实现再化合反应的控制或操纵。在由DE 2 411 006C2已知的加热式再化合器工作时，先对一个加热室进行加热，然后根据反应热量对加热功率进行调节。
不过，在按照这样一个方案对加热室及附属部件进行设计时，首先需要考虑使所提供的加热功率和气体混合物可处理的体积气流足够精确地匹配。特别是在预定的设计体积气流时，这可能会导致用于加热室的加热装置有较大的设计尺寸，同时由于可能要求一些在安全性方面比较关键的部件有一定的冗余，该加热装置也比较昂贵。
因此，本发明的目的在于提供一种上述类型的用于气体混合物中氢和氧再化合的装置，特别是用于核电厂的反应堆安全壳-大气，其中通过特别简单的方法使得即使在不同工况下也能保证气体混合物中含有的氢可靠地减少。另外还要提供一种特别适合于装置的运行方法，用于气体混合物中氢和氧的再化合。
本发明的目的在上述类型的装置中这样来实现，即，为输送鼓风机配置一个调节器单元，该调节器单元依据一个表征气体混合物氢含量的特征值调节输送鼓风机的输送量。
这个表征氢含量的特征值可以是一个氢含量的直接测量值。该特征值也可以是例如从加热室流出的气体混合物的一个温度测量值，因为在知道其它边缘参数的情况下，由该温度可反推出气体混合物中的氢含量。
本发明从这样的考虑出发通过使再化合装置的工作参数以特别简单的方式适应于许多工况，从而以特别简单的方式使气体混合物中的氢可靠地减少。为此，输送鼓风机的输送量、亦即导入加热室的气体混合物的体积气流不是固定的，而是设计成可变化的工作参数。为了使再化合反应装置即便在气体混合物中氢浓度较低时也有特别高的效率，对与输送鼓风机相配置的调节器单元进行如此设计即，考虑将气体混合物中即时的(“实际”)氢浓度作为用于调节输送量的输入参数。
在此，再化合装置在工作前接收一个预定的用于输送量的起始值内容。根据测得的气体混合物中的氢浓度-并考虑因再化合反应所释放的反应热-通过相应跟踪鼓风机的输送量来实现机动地(gleitend)提高流过加热室的通流量。其中，输送量可以设成按需要提高到例如起始值的两倍(在氢浓度较高时)，而无须把加热室设计成专门应用于有最大通过量的情况。而且这时还可以通过机动地调节通流量实现对加热室的温度调节(在加热功率几乎恒定的情况下)。
加热室相宜地可被一些加热棒加热，为了在再化合装置工作时有特别高的机动灵活性，同样可调整或可调节加热棒的加热功率。同时各加热棒在有利的结构中可设置于其所配有的气流管内部，于是在加热管和配有的气流管之间均形成用作气体混合物流动区域的一个环形间隙。
为避免超温，加热棒相宜地沿轴向分为几个，最好是三个功率等级。加热棒电路比较有利地按三角形接法连接，同时最好设置为三组、每组由八个加热棒串连成一组。
在有利的改进中，加热室在流动端后接一个反应室。在加热室内已转化的气体混合物与尚未反应的气体混合物在该反应室里进行混合。特别是由于再化合反应的放热性，已转化的气体混合物同时被相当强烈地加热。通过与尚未反应的气体混合物混合而将其加热，使再化合反应再度进行。于是可大大减少气体混合物中原来含有的氢。其中反应室可特别设计成环形室，来自加热室的全部气流管聚集在其内，而使加热室流过的分气流全部特别均匀地混合。通过这样一种设置，即使在加热棒完全掉落时，通过反应室内的附加再化合也能确保氢可靠地减少。
在变型或改进的有利结构中，加热室后接一个固定混合器。该固定混合器最好是具有一些混合元件，它们会受到流速大于10m/s的流体介质的冲击。固定混合器使通过加热室的气体混合物分气流特别均匀地混合，因此尤其是在反应室的共同作用下，保证了从已转化的气体混合物到尚未反应的气体混合物的高效热传递，同时保证尚未反应的气体混合物中开始进行再化合反应。
在特别有利的改进中，该装置同时考虑气体混合物的气流通道，这样地设计固定混合器通过至少一个由放热的再化合反应加温的气体混合物分气流可以被加热。通过这样一种设置，能够特别高效地充分利用再化合反应的放热反应能量，随着由加热室流出的各气体混合物分气流相互混合，气体混合物中尚未转化的氢开始进行再化合反应。
为限制再化合装置承压的或受压的结构元件的热负载，加热室有利地设置在一个内部隔热(innenisoliert)的壳体内。其中可以按双层罩式壳体结构，在壳体内罩和壳体外罩之间设置一个气隙亦或设置一个耐高温和辐射的隔离材料。为了减小热量的辐射传递，可将壳体的内表面做成镜面。同时对承压的壳体外罩进行相宜地设计，以满足最高的安全性要求，而且还与加热室和反应室隔热。所以再化合装置为一封闭的再化合，在外部区域只有少量的热损失。通过该设置，能够特别有效地利用放热的再化合反应释放的热量，用来在尚未转化的气体混合物中继续进行再化合反应。
由于受热部件能够与承受机械负荷的部件或承压部件分开，故能实现使用众所周知的合适的材料，而材料耗费特别少，并且保证特别高的寿命，例如高于1000个工作小时。尤其是这样一种结构能确保承受机械负载的部件或承压部件即使在再化合装置全负荷工作时，只承受例如不再超过450度的特别高温，而同时在再化合装置内部(由于不存在压力负载)可能出现大约800度的特别高温。通过这一高温由此导致的高速度反应，即使在高流量的情况下也能确保一个有效的反应。对于承受机械负载部件在高达450度的温度范围，根据现行的核技术设备安全标准(例如ASME-Code)承压部件的结构可以采用一些具有高使用寿命的材料。
在适当的改进中，加热室在流动端后接一个喷雾冷却器，其壳体直接与加热室的壳体相连。同时该喷雾冷却器能够将从加热室或反应室流出的气体混合物高效地冷却到对于另一在安全壳里设置的部件的外罩一个不叫人担心的温度水平。通过直接在加热室上设置喷雾冷却器(特别是形成具有共同“较冷”外层的一整体式罩壳)而不需要使用耐高温的管道材料。
本发明关于方法方面的目的是这样来实现的气体混合物通过一个流入管道导入一加热室，一输送鼓风机接通到该流入管道内，同时依据一个表征气体混合物氢含量的特征值调节输送鼓风机的输送量。
本发明所能达到的优点主要在于该再化合装置可用来特别灵活地和可变通地、依据气体混合物氢含量和/或反应区温度按需要调节输送鼓风机的输送量。因此以较少的花费就可达到特别高效率的氢转化，同时就是在氢含量很少时，输送量也能特别好地适合可供使用的加热功率。此外因为再化合装置的承压部件相对于加热室和/或反应室隔热，即使再化合装置的结构尺寸只有很小，并且结构元件有较薄的薄壁结构，也能达到一个特别高的反应带温度，而且尽管如此对于外层以特别简单的方式就能满足苛刻的安全条件。
下面借助附图对本发明的实施例予以详细说明，附图中
图1为用于某一气体混合物中氢和氧再化合的装置的简略示图，图2示出图1所示装置的一个再化合单元，图3示出图1所示装置的另一再化合单元，和图4示出图2或图3所示再化合单元的一个反应室剖面。
在全部附图中，同样的零部件具有相同的附图标记。
图1所示装置1用于气体混合物中、即一个未详细示出的核电厂发生故障时其反应堆安全壳-大气中氢与氧的再化合。同时该装置1包含一个再化合器单元2，2′，气体混合物通过一个流入管道4可导入其中。为了把气体混合物输送到再化合器单元2，2′，有一个输送鼓风机6接通到流入管道4内，输送鼓风机6通过一根轴8与一驱动马达10连接。再化合器单元2，2′的输出端与一喷雾冷却器12连接，喷雾冷却器的出口端连接到气体混合物的排出管道14。喷雾冷却器在其入口端与一管道16连接，用于冷却水的输送。冷却时未用完的或汽化的水可通过一个排水管道18从喷雾冷却器12排出，有一蒸汽收集器20连接在该排水管道内。
为了在需要时绕过装置1，流入管道4通过一个可用阀22关闭的旁通管24，绕过再化合器单元2，2′和其后接的喷雾冷却器12直接与排出管道14相连。
再化合器单元2的一种结构在图2中详细示出。按图2再化合器单元2包含一个通过一些加热棒32可加热的加热室30。在本实施例中设有24个加热棒32，它们由8个相互电串联成一组、共三组加热棒32组成。当然还可以选择任意合适的另一加热棒数量。加热棒32穿过一共同的夹持板34，该夹持板还形成了加热室30的界面，这些加热棒以其从加热室30伸出的端部支托在一共同的固定装置36里。
在加热室30内部的空腔区域38里，各加热棒32设置在其所属的气流管40内部。因而各加热棒32与其所属的气流管40共同在空腔区域38内形成一环形间隙状的气体混合物气流通路，该气流通路将加热室30进气侧的一个与流入管道4相连的进气区域42与这一后接的反应室44相连。
反应室44内设有一静态混合器46，使从气流管40流出的气体混合物分气流相互均匀混合。反应室44在出口端与一导流机构48相连，该导流机构又通到喷雾冷却器12内腔中。
加热室30与其后接的反应室44一起设置在一个内部隔热的壳体50内。同时该壳体50包含一个承压的、因而承受机械载荷的外罩52。为相对于加热室30和反应室44隔热，该外罩52内衬有一个内部隔热体54，在其朝加热室30或反应室44的内侧设有一个起热屏蔽作用的内套56。同时考虑到材料的选择和几何尺寸，内部隔热体54和内套56这样地设计即使在加热室30或反应室44的内腔里达到如超过820度高温时，外罩52上的温度也不会再超过大约450度。
外罩52因而相对于加热室30和反应室44隔热。因此即便外罩52具有较薄的薄壁结构，通过采用合适的传统材料，也能具有在苛刻的安全要求下所需的压力安全性。
外罩52与反应室44后接的喷雾冷却器12的壳体58直接结合，形成一整体式混凝土结构。因此连接反应室44与后接的喷雾冷却器12不需要承压管道。
图3表示再化合器单元2′的变型结构。其中再化合器单元2′的设置结构基本上与再化合器单元2相同，不同的则是在喷入气体混合物以及利用由再化合反应而加热的气体混合物的分气流来加热固定混合器46这些方面。
按图3在再化合器单元2′中，流入管道4通入一些环绕加热室30周围设置的喷射嘴60。喷射嘴60出来的气体混合物通过设置在内套56和外罩52之间的管道系统62进入到加热室30的进气区域42。
另外与再化合器单元2不同的是，再化合器单元2′的内套56在反应室44区域设有通孔64，将反应室44的内腔与管道系统62相连。因此当再化合器单元2′工作时，到达反应室44内的气体混合物分气流流入管道系统62，通过该管道系统再度进入到加热室30的进气区域42。其中用喷射泵的方式以抽吸作用将气体混合物通过喷射嘴60导入进气区域42，确保管道系统62的一个最小流量。同时流过管道系统62的分气流由于前面进行的再化合反应而具有一升高的温度。该升高的温度用来加热设置在反应室44内的固定混合器46。
再化合器单元2，2′还可配备一个变型结构的反应室70，如图4所示。在该结构中，气流管40在图4中与其所属的加热棒32都只是表示出一个，沿轴向延长的为所属的加热棒32。其中各气流管40在没有以所属加热棒32填入的一端72设有孔，气体混合物通过这些孔沿着与各加热棒32纵轴垂直的方向进入到一共同的紊流室74内。气体混合物导入气流管40的分气流在共同的紊流室74内聚集，而使全部分气流特别好地均匀化。
同时紊流室74在流动端后接一涡流室76，固定混合器46设置于其内。其中该涡流室76被一个酒杯状结构的流动元件78同心地环绕，使从涡流室76流出的气体混合物沿涡流室76的外侧逆流。这些从涡流室76流出的气体混合物由于前面进行的再化合反应而具有一个约达800度的高温，因此其热量至少部分地传递到涡流室76的外壁和其内设置的固定混合器46。所以在这种结构型式中，固定混合器46通过至少由于再化合反应加热的气体混合物分气流也可以被加热。
在装置1工作时，在输入再化合器单元2，2′的气体混合物内发生氢和氧的再化合。其中气体混合物首先在加热室30中被加热，同时由于承压外罩52相对于温度高达800度以上的加热室30隔热，因而加热可以不作安全技术的考虑。在这样的高温下，所期望的再化合反应以特别高的速度和效力进行，因此即使在气体流量很高而出现很短的滞留时间的情况下也能达到高的反应程度。
由加热室30流出的气体混合物进入到反应室44或涡流室76。气体混合物在那里均匀化，同时将已完全转化的气体混合物部分与可能尚未反应的成分混合。因采用固定混合器更加有利于该混合。由于混合，气体混合物的已转化部分将其因放热的再化合反应而可能大大提高的焓(热函)部分地传递给气体混合物中尚未反应的成分。因此该成分被加热，而开始进行其再化合反应。因此装置1的出色之处在于其再化合反应时有特别高的效率。
装置1设计成(可根据产生的氢气量)有特别灵活机动的工作方式。为了使装置1在运行时有特别好的灵活可变性，除了对加热棒32进行电控制之外，还可以按要求调节输送鼓风机6的输送量。为此，如图1所示，为驱动马达10亦即输送鼓风机6配置一个调节器单元80。该调节器单元80传送给驱动马达10一个调整信号，通过它调整马达转数，进而调整输送鼓风机6的输送量或输送功率。调节器单元80在入口端与一个用于测定气体混合物中氢含量的氢传感器82相连。
其中调节器单元80设计成这样它依据测得的气体混合物中氢含量确定调整信号来确定马达转数。这样，在装置1工作时依据气体混合物的氢含量和/或反应温度来调节输送鼓风机6的输送量。在此，例如在装置1工作开始时，在加热棒最大的加热功率下调节通过再化合器单元2，2′的最小气体流量，例如为150m3/h。当气体混合物中氢含量升高时，在保持加热功率的情况下，相应地根据氢含量的升高程度，按一种机动提高流量的方式持续地提高通流量。视不同的要求，可将通流量例如提高到300m3/h，亦即最小通流量的两倍。
通过这样一种按照需要对输入再化合器单元2，2′中的气体流量进行控制，以特别高的效率和特别简单的方式，保证了气体混合物中的氢可靠地减少。
权利要求
1.一种用于气体混合物中氢和氧再化合的装置(1)，其中，气体混合物通过一个流入管道(4)可输入一加热室(30)，一输送鼓风机(6)连接在该流入管道内，在此，一个与输送鼓风机(6)相配置的调节器单元(80)依据一个表征气体混合物中氢含量的特征值来调节该鼓风机的输送量。
2.按照权利要求
1所述的装置(1)，其中，加热室(30)可被一些加热棒(32)加热。
3.按照权利要求
2所述的装置(1)，其中，各加热棒(32)设置在一个其所属的气流管(40)内部。
4.按照权利要求
1至3之一所述的装置(1)，其加热室(30)在气流端后接有一个反应室(70)。
5.按照权利要求
1至4之一所述的装置(1)，其加热室(30)后接有一个固定混合器(46)。
6.按照权利要求
5所述的装置(1)，其中气体混合物的气流通道这样地设计固定混合器(46)可以被一个由再化合反应加温的气体混合物分气流加热。
7.按照权利要求
1至6之一所述的装置(1)，其中加热室(30)设置在一个内部隔热的壳体(50)内。
8.按照权利要求
7所述的装置(1)，其中加热室(30)在流动端后接一个喷雾冷却器(12)，该冷却器的壳体(50)直接与加热室(30)的壳体相连。
9.一种用于一气体混合物中氢和氧再化合的方法，其中气体混合物通过一个流入管道(4)输入一加热室(30)，一输送鼓风机(6)连接在该流入管道内，在此，依据一个表征气体混合物氢含量的特征值调节输送鼓风机(6)的输送量。
专利摘要
一种用于气体混合物中氢和氧再化合的装置(1),该装置尤其可用在核电站上,其中气体混合物通过一个流入管道(4)输入一加热室(30),一输送鼓风机(6)连接在该流入管道内。在不同工况下,也应能保证以特别简单的方式可靠地减少气体混合物中含有的氢。为此按照本发明设有一个与输送鼓风机(6)相配置的调节器单元(80),它依据气体混合物中的氢含量来调节输送量。
文档编号G21C9/00GKCN1335996SQ99813341
公开日2002年2月13日 申请日期1999年9月29日
发明者伯恩德·埃卡特, 阿克塞尔·希尔 申请人:费罗马托姆Anp有限责任公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan