WO 00/0944 WO 00/0944
2 PCTIFR99/01999 DISPOSITIF ANTI-DÉFLAGRATION DE RECON~INE~R D'HYDROG~NE
PAR CATALrYSE
DESCRIPTION
On décrira ici. un dispositif anti-5 déflagration d'un recombineur d'hydrogène par catalyse.
De l'hydrogène peut être libéré en quantité
importante dans certaines circonstances accidentelles de fonctionnement d'une centrale nucléaire. Cet hydrogène s'accumulant dans l'atmosphère confinée de 10 l'enceinte de la centrale es;t susceptible d'attendre la concentration à laquelle l~e mélange qu'il forme avec l'air devient explosif, ce qui doit absolument être évité. C'est pourquoi on a conçu des appareils de recombinaison de l'hydrogène, qui réalisent la synthèse 15 chimique de l'eau avec lui, et l'oxygène de l'air ambiant et maintiennent donc la concentration en hydrogène à un niveau acceptable. Leur structure est simple et comprend un boîtier à entrée de gaz inférieure et à sortie supE~rieure, et des surfaces 20 garnies de catalyseur à l'intérieur du boîtier pour favoriser la réaction. Le mÉ:lange gazeux soumis à la synthèse de l'eau subit un tirage naturel analogue à
celui d'une cheminée dans le boîtier à cause de l'exothermie bien connue de la réaction.
25 Mais les recombineurs ne sont pas sans poser des problèmes. En effet, dans certaines conditions ils peuvent produire des déflagrations ;
notamment au début du fonct:i.onnement du recombineur, quand la température s'élève brusquement mais 30 irrégulièrement, ce qui produit des dilatations différentielles et des déformations des plaques porteuses du revêtement catalytique.
Des particules .peuvent se détacher du revêtement catalytique, et el:Les présentent des dangers 5 propres quand elles sont sorties du recombineur et ont pénétré dans l'atmosphère environnante plus froide . la vapeur d'eau dont le courant gazeux s'était chargé en traversant le recombineur se condense, et ne peut donc plus inhiber des déflagrations ; si l'atmosphère 10 environnante est déjà fortement chargée en hydrogène, les particules catalytiques détachëes peuvent y amorcer ces déflagrations, voire l'explosiôn que les recombineurs devaient précisénnent interdire.
Des tentatives précédentes d'améliorer le 15 fonctionnement de recombineur:5 ont consisté à améliorer l'adhérence des particules <~atalytiques aux surfaces d'accrochage, mais les possib_Llités sont limitées.
On a aussi propos<S des catalyseurs qui sont supposés agir pour une concentration faible d'hydrogène 20 afin de ne jamais la laisser s'élever dans l'enceinte ;
mais si l'hydrogène apparaît .avec un débit abondant, il y a risque d'explosion.
Le document DE 197 04 608 C décrit un recombineur catalytique dont le boîtier est barré par 25 un filtre au-dessus des surfaces catalytiques, et qui comprend encore des coupelles de rétention des particules catalytiques détachées à l'entrée du boîtier.
On combat ainsi l~~s risques de déflagration 30 provoqués par les particules détachées du revêtement catalytique sans pourtant s'opposer à leur détachage.
Cette conception n'est toutefois pas parfaite. Le filtre placé au travers du boîtier produit une perte de 2 PCTIFR99 / 01999 RECON ~ INE ~ R HYDROG ~ NE EXPLOSION DEVICE
BY CATALrYSE
DESCRIPTION
We will describe here. an anti 5 deflagration of a hydrogen recombiner by catalysis.
Hydrogen can be released in quantity important in certain accidental circumstances of operation of a nuclear power plant. This hydrogen accumulating in the confined atmosphere of 10 the enclosure of the central unit is likely to wait the concentration at which the mixture it forms with the air becomes explosive, which absolutely must be avoid. This is why we have designed hydrogen recombination, which carry out the synthesis 15 chemical water with it, and oxygen from the air ambient and therefore maintain the concentration in hydrogen at an acceptable level. Their structure is simple and includes a gas inlet housing lower and upper exit, and surfaces 20 lined with catalyst inside the housing for promote reaction. ME: gas mixture subject to synthesis of water undergoes a natural draft similar to that of a chimney in the housing because of the well known exotherm of the reaction.
25 But the recombiners are not without cause issues. Indeed, in some conditions they can produce deflagrations;
in particular at the start of the function: i.e. the recombiner, when the temperature suddenly rises but 30 irregularly, which produces expansions differential and plate deformations carrying the catalytic coating.
Particles can detach from the catalytic coating, and el: The present dangers 5 clean when they left the recombiner and have entered the colder surrounding atmosphere. the water vapor with which the gas stream had charged crossing the recombiner condenses, and therefore cannot no longer inhibit deflagrations; if the atmosphere 10 surrounding is already heavily loaded with hydrogen, detached catalytic particles can initiate there these deflagrations, even the explosion that the recombiners were specifically to ban.
Previous attempts to improve the 15 recombiner operation: 5 consisted of improving the adhesion of the analytical particles to surfaces attachment, but the possibilities are limited.
We have also proposed <S catalysts which are supposed to act for a low concentration of hydrogen 20 so as never to let it rise in the enclosure;
but if hydrogen appears. with an abundant flow, it there is a risk of explosion.
Document DE 197 04 608 C describes a catalytic recombiner whose housing is crossed by 25 a filter above the catalytic surfaces, and which still includes retention cups catalytic particles detached at the entrance to the housing.
This combats the risk of explosion 30 caused by loose particles of the coating catalytic without however opposing their stain removal.
However, this design is not perfect. The filter placed through the housing produces a loss of
3 charge importante qui affaiblit le tirage de l'écoulement produit par le recombineur. Le texte propose de le construire avec des ouvertures pouvant aller jusqu'à 1 mm de large, mais si l'affaiblissement 5 du tirage peut alors être réduit, le filtre ne pourra plus retenir que les plus grosses particules. Enfin, il n'est pas pris de précaution pour limiter les sorties de gaz très chauds sous forme de bouf fées ( la réaction de recombinaison étant explosive, et souvent saccadée 10 en pratique) ni la température du panache émis à la sortie quand la recombinaison est faite à un débit stable.
..
C'est pourquoi i.l est préconisé ici, à
tire d'invention, d'installer des filtres des deux 15 côtés du catalyseur, et à l'entrée et à la sortie du boîtier.
Les filtres propoaés ici sont des membranes ou des parois rigides et ajoutées, aux ouvertures suffisamment petites pour retenir les particules 20 catalytiques détachées, à l'exception peut-être des plus petites. Cette propriété les distingue des grilles couramment rencontrées dans :Les recornbineurs existants et dont la seule fonction este de protéger leur contenu contre les intrusions de corps solides, au cours de 25 manoeuvres de montage par exemple et qui n'occupent qu'une faible proportion de l'aire des orifices d'entrée et de sortie. Elle les distingue aussi des coupelles du brevet DE 197 0~~ 608 C, qui sont séparées par des espacements assez grands et réparties en deux 30 couches pour occuper toute 1<~ section du boîtier. Tous ces engins n'entravent pas véritablement l'écoulement des gaz et ne s'opposent donc pas au jaillissement d'un panache très chaud à la sortie du boîtier, ni de WO 00/09442 PCT/FR99/Oi999 3 heavy load which weakens the draft of the flow produced by the recombiner. The text proposes to build it with openings that can go up to 1 mm wide, but if the weakening 5 of the print can then be reduced, the filter cannot retain more than larger particles. Finally, it is not taken as a precaution to limit outings very hot gases in the form of bouffées (the reaction of recombination being explosive, and often jerky 10 in practice) nor the temperature of the plume emitted at the output when recombination is done at a rate stable.
..
This is why it is recommended here, at draws from invention, install filters from both 15 sides of the catalyst, and at the inlet and outlet of the housing.
The propoaes filters here are membranes or rigid and added walls, at the openings small enough to hold particles 20 detached catalysts, with the possible exception of smaller. This property distinguishes them from the grids commonly encountered in: Existing recornbineurs and whose sole function is to protect their content against the intrusion of solid bodies, during 25 assembly operations for example and which do not occupy that a small proportion of the area of the orifices entry and exit. It also distinguishes them from cups of patent DE 197 0 ~~ 608 C, which are separate by fairly large spacings divided in two 30 layers to occupy all 1 <~ section of the housing. All these devices do not really impede flow gases and therefore do not oppose the gushing of a very hot plume at the outlet of the housing, nor WO 00/09442 PCT / FR99 / Oi999
4 bouffées résultant de recombinaisons soudaines à la sortie ou à l'entrée du boîtiesr.
Les filtres proposés ici réduisent. ces phénomènes dangereux en confinant quelque peu le 4 puffs resulting from sudden recombinations at the exit or at the entrance of the box.
The filters offered here reduce. these dangerous phenomena by somewhat confining the
5 contenu gazeux du boîtier, et régularisant ainsi son écoulement. Ils ralentissent aussi l'échauffement du recombineur à l'apparition de: l'hydrogène, et donc les sollicitations thermiques subies par les surfaces porteuses du revêtement cata:Lytique et les risques de 10 détachage de particules. En contre partie, ils diminuent le débit qui peut traverser le catalyseur, mais cela compte moins que les avantages mentionnés, et on peut corriger cet inconvénient en augmentant la taille du recombineur.
15 L'invention sera maintenant décrite plus en détail à l'aide des figures suivantes .
- la figure 1 représente un recombineur traditionnel, et les figures 2 et 3 représentent diverses 20 formes de réalisation de l'invention.
Le recombineur de la figure l comprend un boîtier plat aux faces rectangulaires, qui est cependant ouvert par sa face inférieure et dont la face avant 2 porte une ouverture supérieure 3, équipée d'une 25 grille 4 de protection ; une grille semblable pourrait être placée à travers l' ouverture inférieure 1 . Un gaz riche en hydrogène peut ainsi entrer par l'ouverture inférieure dans le boîtier ~i ; il passe alors devant des plaques 6 orientées verticalement et 30 transversalement et dont .Les faces principales 7 portent un revêtement de platine et de palladium catalysant la recombinaison de l'hydrogène. Le palladium produit la recombinaison dès les basses températures et le platine est efficace aux températures élevées ; celui-là est donc essentiel pour amorcer la recombinaison, alors que le rôle du platine devient prépondérant dès que; la chaleur produite a 5 échauffé les plaques 6, qui sont très fines, n'ayant que quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur. Le gaz s'échauffe au cours de la réaction de synthêse de l'eau et s'élève par convection naturelle dans le boîtier 5 jusqu'à sortir par l'ouverture supérieure 3.
La réalisation de l'invention qui est représentée à la figure 2 a consisté à supprimer la grille 4 et à mettre un filtre de sortie 8 sur :.
l'ouverture supérieure 3, ain:~i qu'un filtre d'entrée 9 sous l'ouverture inférieure. Les filtres 8 et 9 représentés ici sont des filtres formés de fils métalliques entrecroisés, et on choisit la trame des fils de façon que les interstices (de 100 à 150 pn environ) subsistant entre eux soient plus fins que les particules catalytiques qui seraient susceptibles d'être arrachées au cours de la recombinaison . elles restent donc prisonnières dans le boîtier 5 et ne peuvent plus dériver vers des régions riches en hydrogène qui pourraient se former hors du recombineur.
Elles continuent d'assurer la recombinaison, mais dans un mélange gazeux riche en vapeur d' eau qui inhibe les déflagrations potentielles. Les filtres 8 et 9 produisent des pertes de charge qui réduisent le débit de gaz passant par le recombineur et donc, en conséquence, réduisent les risques de déflagration qu'une arrivée trop brusque d'hydrogène pourrait produire ; l'échauffement des plaques 6 et les risques de détachages de particules du revêtement catalytique par des déformations dues aux dilatations 5 gaseous contents of the housing, and thus regulating its flow. They also slow down the heating of the recombiner at the appearance of: hydrogen, and therefore thermal stresses on surfaces carriers of the cata coating: Lytique and the risks of 10 stain removal. In return, they decrease the flow that can pass through the catalyst, but that counts less than the benefits mentioned, and we can correct this drawback by increasing the size of the recombiner.
The invention will now be described in more detail.
detail using the following figures.
- Figure 1 shows a recombiner traditional, and Figures 2 and 3 show various 20 embodiments of the invention.
The recombiner of FIG. 1 comprises a flat case with rectangular faces, which is however opened by its lower face and whose face front 2 carries an upper opening 3, equipped with a 25 protective grid 4; a similar grid could be placed through the lower opening 1. A gas rich in hydrogen can enter through the opening lower in the housing ~ i; he then passes in front plates 6 oriented vertically and 30 transversely and of which .The main faces 7 have a platinum and palladium coating catalyzing the recombination of hydrogen. The palladium produces recombination from the bass temperatures and platinum is effective at high temperatures; so this one is essential for initiate recombination, while the role of platinum becomes preponderant as soon as; the heat produced has 5 heated the plates 6, which are very thin, having no only a few tenths of a millimeter thick. The gas heats up during the synthesis reaction of water and rises by natural convection in the housing 5 until exiting through the upper opening 3.
The realization of the invention which is shown in Figure 2 was to remove the grid 4 and put an output filter 8 on :.
the upper opening 3, so: ~ i that an input filter 9 under the lower opening. Filters 8 and 9 shown here are filters formed of wires intersecting metal, and we choose the weft of wires so that the gaps (from 100 to 150 pn approximately) remaining between them are thinner than the catalytic particles that would be susceptible to be torn off during recombination. they therefore remain trapped in the housing 5 and do not can no longer drift to regions rich in hydrogen that could form outside the recombiner.
They continue to provide recombination, but in a gas mixture rich in water vapor which inhibits potential explosions. Filters 8 and 9 produce pressure drops which reduce flow of gas passing through the recombiner and therefore, in consequently reduce the risk of explosion that a too sudden arrival of hydrogen could produce; the heating of plates 6 and the risks particle detachments from the catalytic coating by deformations due to dilations
6 différentielles sont amoindris ; enfin, la vapeur d'eau est mieux retenue dans le recombineur. Tous ces effets concourent à une meilleure sécurité. Enfin, l'intérieur du recombineur reste plus ch<~ud, ce qui améliore son 5 tirage, et le panache issu du recombineur est plus froid et donc moins réactif et moins dangereux.
Divers modes de réalisation sont possibles, mais il est avantageux que le: filtre de sortie 8 soit placé devant l'ouverture supérieure 3, plutôt qu'à
10 travers elle, si on veut réduire la perte de charge à
cet endroit. I1 déborde alora autour de l'orifice de sortie 3 pour offrir une superficie de sortie plus abondante au gaz, sans qu'on doive agrandir les ouvertures du filtre 8. Lé filtre 8 a l'aspect d'une 15 cage parallélépipédique ouverte devant l'ouverture de sortie 3, et des nervures 11 servent à l'attacher au boîtier 5. Le filtre d'entrée '9 est avantageusement construit de la même façon, en débordant autour de l'ouverture inférieure 1 et en forme de cage 20 parallélépipédique, afin de ne pas trop freiner l'entrée d'air. Ces filtres 8 et 9 saillant et englobant des volumes vides hors du boîtier 5 sont nettement préférés aux filtres plats usuels.
L'ouverture supérieure 3 disposée 25 latéralement peut aussi être remplacée par une ouverture supérieure 12 formées par l'absence d'une face supérieure sur un boîtier de récombineur, comme l'illustre la figure 3 ; cie plus, cette dernière réalisation i3.lustrée comprend une surface de catalyse 30 plus importante grâce à la présence de deux rangées parallèles de plaques 6, au lieu d'une. Les rangées peuvent aussi être allongée: pour disposer plus de plaques 6 ; le boîtier, 13 dans cette réalisation, a 6 differentials are lessened; finally the water vapor is better retained in the recombiner. All these effects contribute to better security. Finally, the interior of the recombiner remains more ch <~ ud, which improves its 5 draw, and the plume from the recombiner is more cold and therefore less reactive and less dangerous.
Various embodiments are possible, but it is advantageous if the: output filter 8 is placed in front of the upper opening 3, rather than 10 through it, if we want to reduce the pressure drop to this place. I1 overflows alora around the orifice of exit 3 to provide more exit area abundant in gas, without having to enlarge the filter 8 openings. Filter 8 looks like a 15 parallelepipedal cage open in front of the opening of outlet 3, and ribs 11 are used to attach it to the housing 5. The input filter '9 is advantageously built in the same way, spilling around lower opening 1 and cage-shaped 20 parallelepiped, so as not to brake too much the air intake. These filters 8 and 9 protruding and encompassing empty volumes out of enclosure 5 are clearly preferred over standard flat filters.
The upper opening 3 arranged 25 laterally can also be replaced by a upper opening 12 formed by the absence of a face top on a recombiner box, like illustrated in Figure 3; cie plus, the latter i3.lustré realization includes a catalysis surface 30 more important thanks to the presence of two rows plates 6, instead of one. The rows can also be extended: to have more plates 6; the housing, 13 in this embodiment, has
7 alors une forme sensiblement pyramidale (au lieu d'être parallélépipédique comme dans Ies réalisations précédentes) s'amincissant entre une portion inférieure 14 entourant les plaques 6 et une portion supérieure 15 au sommet de laquelle eat ménagée l'ouverture supérieure 12. Le filtre inférieur 15 est encore situé
immédiatement au-dessous des plaques 6 et le filtre supérieur 17 est monté sur l'ouverture supérieure 12 au à travers elle, de la même façon que pour la figure 2.
L' amélioration api>ortée par l' invention est sensible puisqu'au cours d'un essai réel, on constata que Ies filtres faisaient reculer le seuil d'apparition ,.
des déflagrations dans le recombineur de 8 d'hydrogène dans de l'air sec à 10 ~. L'échauffement des plaques fut plus lent de :20 ~, mais les différences locales de températures furent réduites de moitié. Le panache à la sortie du recombineur eut une température de moins de 100°C au lieu de jusqu'â 600°C, ce qui devrait réduire considérablement Ies risques de déflagration externe ; en outre, la température dans le recombineur fut de 400°C au lieu de 200°C, favorisant l'effet du tirage. Cette évolution considérable des températures s'explique par ce que la vapeur d'eau commence à se condenser sur le filtre de sortie, au lieu de le faire seulement clans 1e panache, et en ce que les particules qui pouvaient produire la recombinaison exothermique d<~ns le panache de sortie sont toutes arrêtées . On voit. aussi que la chaleur est mieux confinée dans le boîtier. Enfin, la recombinaison d'hydrogéne fut réduite de 15 ~, mais cette perte d'efficacité est modérée et peut être annulée si on ajoute des recombineurs ou si. on agrandit les surfaces de catalyse. 7 then a substantially pyramidal shape (instead of being parallelepiped as in the realizations previous) thinning between a lower portion 14 surrounding the plates 6 and an upper portion 15 at the top of which is the opening upper 12. The lower filter 15 is still located immediately below plates 6 and the filter upper 17 is mounted on the upper opening 12 at through it, in the same way as for figure 2.
The improvement brought about by the invention is sensitive since during a real test, we found that the filters lowered the threshold of appearance ,.
deflagrations in the recombiner of 8 of hydrogen in dry air at 10 ~. Warming up plates was slower by: 20 ~, but the differences local temperatures were cut in half. The plume at the exit of the recombiner had a temperature less than 100 ° C instead of up to 600 ° C, which should significantly reduce the risk of external deflagration; furthermore the temperature in the recombiner was 400 ° C instead of 200 ° C, favoring the effect of the draw. This considerable evolution of temperatures is explained by what the water vapor begins to condense on the output filter, at place in the plume only, and in this that the particles that could produce the exothermic recombination in the outlet plume are all arrested. We see. also that the heat is better confined in the housing. Finally, recombination of hydrogen was reduced by 15 ~, but this loss efficiency is moderate and can be canceled if add recombiners or if. we enlarge the surfaces of catalysis.
8 D'autres filtres que des réseaux de .fils métalliques entrecroisés peuvent être utilisés. Au sens de l'invention, un filtre est une paroi ou membrane ajourée, construire pour ai°rêter les particules de 5 catalyseur détachées mais laisser passer les gaz, tout en infligeant une perte de charge suffisante à
l'écoulement pour freiner la sortie des bouffées de gaz très chauds. 8 Other filters than .fil networks crisscrossed metal can be used. In the sense of the invention, a filter is a wall or membrane openwork, build to remove the particles of 5 detached catalyst but let the gases pass, everything by inflicting a sufficient pressure drop on flow to curb the outflow of gas very hot.