РАБОЧИЙ ЭЛЕМЕНТ КАТАЛИТИЧЕСКОГО СЖИГАТЕЛЯ ВОДОРОДА Российский патент 2006 года по МПК G21C9/06 G21C19/317 

Изобретение относится к области обеспечения безопасности атомных электростанций (АЭС), в частности к системам беспламенного сжигания водорода, поступающего в объем помещений и защитной оболочки АЭС, как при нормальной работе станции, так и в аварийных условиях.

Известен каталитический сжигатель водорода, представляющий собой блок размером 100×100×85 мм или 70×140×85 мм, содержащий набор цилиндрических ячеек диаметром 20 мм, внутри которых располагаются рабочие элементы - каталитические стержни диаметром 5,8 мм и длиной 63 мм, выполненные из катализатора - платиновой черни (см. ШЕБЕКО Ю.Н. и др. «Исследование беспламенного горения водорода на поверхности гидрофобизированного катализатора», Физика горения и взрыва, 1995, т.31, №5, с.37-43).

Недостатком известного каталитического сжигателя водорода с указанными рабочими элементами является то, что при определенном расходе гремучего газа (более 4940 и 2000 мл/мин для указанных выше размеров блока и количества стержней, равном 19 и 32 штук. При расчете на один каталитический стержень указанные значения критического расхода гремучего газа составляют 260 и 62,5 мл/мин) поверхность катализатора разогревается до температуры, достаточной для зажигания газовой смеси с образованием пламени, переходящего во взрыв. Причем из-за того, что в защитной оболочке АЭС в случае тяжелой аварии с потерей теплоносителя может выделиться 10²-10³ кг водорода. Последствия такого взрыва с разрушением контейнмента могут быть катастрофическими.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является каталитический сжигатель водорода, в котором рабочие элементы выполнены в виде длинномерных объектов, изготовленных из материала катализатора (см. Авторское свидетельство №1779191, кл. G 21 С 9/04, опубл. 27.07.1996). В качестве такого материала могут быть использованы следующие металлы: платина, палладий, осмий, иридий, рутений, родий (см. ДОРФМАН Я.А. «Катализаторы и механизм гидрирования и окисления», Алма-Ата, «Наука», 1984, с.144-145).

Недостатком этого известного каталитического сжигателя водорода, содержащего рабочие элементы в виде длинномерных объектов, является то, что при обычных величинах поперечного размера длинномерных объектов, составляющих порядка одного и более миллиметров, существует значительная вероятность возникновения пламенного горения и взрыва водородовоздушной смеси в процессе работы каталитического сжигателя водорода из-за возможности саморазогрева рабочего элемента катализатора до температуры взрывного самовоспламенения водорода в воздухе Т*_заж, которая для водородовоздушной смеси составляет 850 К (577°С) (см. Химическая энциклопедия, Москва, Советская энциклопедия, 1988, т.1, с.402).

Задача изобретения заключается в снижении вероятности возникновения пламенного горения и взрыва водородовоздушной смеси при работе каталитического сжигателя водорода за счет повышения температурного порога возникновения пламенного горения водорода в воздухе в зоне рабочего элемента каталитического сжигателя водорода.

Технический результат заключается в повышении безопасности атомных станций при использовании в помещениях каталитических сжигателей водорода, делая их существенно более безопасными с точки зрения самопроизвольного воспламенения и взрыва водородовоздушной смеси в процессе работы каталитического сжигателя водорода.

Задача решается за счет того, что известный рабочий элемент каталитического сжигателя водорода, выполненный в виде длинномерного объекта (проволоки, ленты и т.п.) произвольной длины из материала, обеспечивающего беспламенное каталитическое сжигание водорода, согласно изобретению имеет поперечный размер много меньше 10³ мкм, определяемый, в частности, из соотношения

где d - поперечный размер длинномерного объекта, выраженный в микрометрах; n - коэффициент запаса, показывающий, во сколько раз повышается минимальная температура зажигания водородовоздушной смеси (выражается в Кельвинах) при использовании длинномерного объекта, имеющего поперечный размер, равный d, выраженный в микрометрах.

Данное техническое решение основано на том, что переход в пламенное горение горючей газовой смеси возможен только при условии разогрева определенного минимального слоя этой газовой смеси до температуры, превышающей минимальную температуру ее воспламенения. Поэтому для перехода в пламенное горение температура нагретого тела - воспламенителя, находящегося в контакте с горючей газовой смесью, должна быть несколько выше температуры воспламенения газовой смеси, а при малых размерах воспламенителя превышение его температуры над температурой воспламенения должно быть уже существенным. Если нагретое тело выполнено в виде протяженного объекта с поперечным размером d, то уменьшение этого размера ниже определенного значения d_кр (для водородовоздушной смеси d_кр≈10³ мкм) приводит к существенному ухудшению условий зажигания газовой смеси и перехода в пламенное горение, т.к. требуется более высокая температура нагретого тела - воспламенителя. Причем чем меньше размер d, тем выше требуется температура нагретого тела. Для водородовоздушной смеси существенное ухудшение условий воспламенения обеспечивается при d≪10³ мкм, делая рабочий элемент каталитического сжигателя водорода с таким поперечным размером существенно более безопасным. Экспериментально установлено, что в диапазоне поперечных размеров (диаметра) длинномерного воспламенителя от нескольких микрометров до ˜10³ мкм существует определенная зависимость минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси от поперечного размера длинномерного нагретого тела - воспламенителя (при величине диаметра длинномерного нагретого тела воспламенителя более ˜10³ мкм минимальная температура зажигания водородовоздушной смеси уже не зависит от диаметра и остается постоянной величиной, равной 850К (577°C)), показывающая, что при уменьшении поперечного размера (диаметра d) воспламенителя до значения много меньше 10³ мкм резко возрастает минимальная температура зажигания Т_заж водородовоздушной смеси (фиг.1). При этом длина длинномерного нагретого тела значения не имеет. Это позволяет, сделав поперечный размер рабочего элемента каталитического сжигателя водорода много меньше 10³ мкм (при произвольной длине этого рабочего элемента), поднять величину минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси в n раз, где коэффициент n определяется по соотношению (1), обеспечив тем самым существенное повышение безопасности атомных станций, в которых используются каталитические сжигатели водорода, с точки зрения вероятности самопроизвольного воспламенения и взрыва водородовоздушной смеси в процессе работы каталитического сжигателя водорода.

Рабочий элемент каталитического сжигателя водорода повышенной безопасности представляет собой длинномерный объект (проволоку, ленту и т.д.) произвольной длины, выполненный из платины, палладия или другого материала, обеспечивающего беспламенное каталитическое сжигание водорода, причем поперечный размер этого длинномерного объекта (диаметр проволоки, ширина ленты и т.д.) составляет много меньше 10³ мкм и не превышает, по крайней мере, величины d, определяемой по соотношению (1) для заданного коэффициента n.

На фиг.1 и 2 показана зависимость минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси, находящейся при комнатной температуре и атмосферном давлении, от диаметра проволочного воспламенителя при линейном и логарифмическом масштабе координаты d соответственно. Здесь использованы следующие обозначения:

Т_заж - минимальная температура зажигания водородовоздушной смеси нагретой проволокой диаметром менее одного миллиметра;

Т*_заж - минимальная температура зажигания водородовоздушной смеси нагретой проволокой (или стержнем) при поперечном размере (диаметре) проволоки (или стержня) более одного миллиметра;

d - диаметр проволоки;

lg(d[мкм]) - десятичный логарифм диаметра проволоки, выраженного в микрометрах.

При работе каталитического сжигателя водорода, находящегося в атмосфере водородовоздушной смеси, на его поверхности протекает экзотермическая реакция окисления (сгорания) водорода:

2H₂+О₂→2H₂О+Q↑, (2)

где Q=230 кДж/моль.

При этом происходит самопроизвольный разогрев поверхности катализатора до некоторой квазиравновесной температуры Т_кат, которая не является постоянной величиной, а изменяется по мере изменения внешних и внутренних факторов. К этим факторам можно отнести скорость поступления водородовоздушной смеси к поверхности катализатора, скорость каталитической реакции (2), наличие газовых и парообразных примесей в водородовоздушной смеси и т.д. В результате действия этих во многом неопределенных и непредсказуемых факторов значение Т_кат в процессе работы каталитического сжигателя водорода может значительно изменяться, в том числе и увеличиваться, приближаясь в процессе своего роста к опасному значению минимальной температуры зажигания Т*_заж водородовоздушной смеси, равному 850К.

При приближении температуры разогрева поверхности катализатора Т_кат к уровню минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси Т*_заж=50К в условиях работы обычного рабочего элемента каталитического сжигателя водорода, имеющего поперечный размер порядка 10³ мкм и более, резко возрастает вероятность перехода беспламенного сгорания водорода в пламенное сгорание, сопровождающееся взрывом.

При приближении температуры разогрева поверхности катализатора Т_кат к уровню температуры 850К в условиях работы заявляемого рабочего элемента каталитического сжигателя водорода, имеющего поперечный размер много меньше 10³ мкм, вероятность перехода беспламенного сгорания водорода в пламенное сгорание и во взрыв будет существенно ниже, так как значение минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси при поперечном размере рабочего элемента d, много меньшем 10 мкм, определяемом по соотношению (1), будет существенно (в n раз) выше, чем для обычного рабочего элемента каталитического сжигателя водорода. Причем с уменьшением поперечного размера рабочего элемента безопасность каталитического сжигателя водорода увеличивается. Так, при поперечном размере рабочего элемента каталитического сжигателя водорода, равном 40 мкм, запас по минимальной температуре зажигания водородовоздушной смеси по сравнению с обычным рабочим элементом каталитического сжигателя водорода составит величину n, равную 1,5; при поперечном размере 10 мкм величина n увеличивается до 2 (см. фиг.2). А при поперечном размере рабочего элемента менее 2 мкм запас по минимальной температуре зажигания водородовоздушной смеси (величина n) будет составлять уже более трех (см. фиг.2), делая каталитический сжигатель водорода с таким рабочим элементом практически абсолютно безопасным, так как разогрев поверхности катализатора до температуры Т_кат выше 2550К (т.е. отвечающей запасу, равному трем) просто невозможен. Это связано с тем, что даже адиабатическая температура сгорания наиболее калорийной, стехиометрической водородовоздушной смеси не превышает 2550К, не говоря уже о температуре достаточно медленного каталитического окисления водорода, которая будет значительной ниже из-за наличия теплопотерь в окружающую среду.

Была изготовлена и испытана тепловая модель заявляемого рабочего элемента каталитического сжигателя водорода. Проволочный рабочий элемент каталитического сжигателя моделировали нихромовой проволочкой диаметром 10 мкм и длиной 15 мм. Нагрев модели рабочего элемента каталитического сжигателя при его работе в водородовоздушной смеси моделировали пропусканием через нихромовую проволочку постоянного электрического тока. Нихромовая проволочка находилась в атмосфере стехиометрической водородовоздушной смеси (30% об. водорода + 70% об. воздуха) при давлении 1 атм. При пропускании по нихромовой проволочке электрического тока величиной 0,085 А ни в одном из трех проведенных опытах водородовоздушная смесь не загорелась, хотя температура нихромовой проволочки при этом достигала ˜1450К. Температуру нагрева нихромовой проволочки определяли по результатам предварительного измерения тока перегорания (расплавления) этой проволочки в инертной газовой смеси (30 об.% водорода + 70 об.% азота) при давлении 1 атм. Проволочка перегорает (т.е. достигается температура плавления нихрома, равная 1673К) при токе 0,098А. Учитывая, что температура нагрева проволочки, как показали эксперименты, прямо пропорциональна величине пропускаемого по ней электрического тока, легко определить температуру нагрева проволочки при токе 0,085 А, которая оказалась равной ˜ 1450К.

Таким образом, испытанная тепловая модель заявляемого рабочего элемента каталитического сжигателя водорода показывает, что при величине его характерного поперечного размера (в данном случае - диаметра проволоки), равного 10 мкм, нагрев рабочего элемента до температуры, почти в полтора раза превышающей справочное значение минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси (850К), не приводит к загоранию водородовоздушной смеси, обеспечивая тем самым повышенную безопасность при работе заявляемого рабочего элемента каталитического сжигателя водорода.

Изобретение относится к области обеспечения безопасности атомных электростанций. Сущность изобретения: рабочий элемент каталитического сжигателя водорода выполнен в виде длинномерного объекта, изготовленного из материала, обеспечивающего беспламенное каталитическое сжигание водорода. Поперечный размер длинномерного объекта d определяется соотношением где n - коэффициент запаса, показывающий во сколько раз повышается минимальная температура зажигания водородовоздушной смеси, выраженная в Кельвинах, при использовании рабочего элемента каталитического сжигателя водорода в виде длинномерного объекта с поперечным размером d, выраженным в микрометрах. Преимущества изобретения заключаются в повышении безопасности атомных станций при использовании в помещениях каталитических сжигателей водорода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Рабочий элемент каталитического сжигателя водорода, выполненный в виде длинномерного объекта, изготовленного из материала, обеспечивающего беспламенное каталитическое сжигание водорода, отличающийся тем, что поперечный размер длинномерного объекта d определяется соотношением

где n - коэффициент запаса, показывающий, во сколько раз повышается минимальная температура зажигания водородовоздушной смеси, выраженная в Кельвинах, при использовании рабочего элемента каталитического сжигателя водорода в виде длинномерного объекта с поперечным размером d, выраженным в микрометрах.