CN105336380B - 自供电氢气处理设备和具有其的核电站安全壳 - Google Patents

Abstract

一种自供电氢气处理设备，包括：热电转换装置，具有低温侧和高温侧，低温侧与高温侧之间限定容纳腔室，热电转换模块设置在所述容纳腔室内；催化复合装置，用于催化流过其的氢气和氧气发生复合反应以生成水和热量，产生热量的催化复合装置设置在所述高温侧作为热源；高压电源产生电路，与所述热电转换装置电连接以将热电转换装置产生的低压电转换为高压电；以及氢气点火装置，由所述高压电源产生电路产生的高压电被供给到所述氢气点火装置以执行氢气点火。本发明还涉及一种具有该自供电氢气处理设备的核电站安全壳。利用本发明的技术方案，可以解决事故情况下氢气处理设备对外界电源的依赖，实现安全壳内氢气风险的非能动控制。

Description

自供电氢气处理设备和具有其的核电站安全壳

技术领域

本发明的一个实施例涉及氢气处理设备，尤其是处理大型容器中氢气的氢气处理设备。

背景技术

核电站在发生失水事故及熔堆事故后，由于锆水反应、水的辐照分解及堆芯熔融物与混凝土的反应，将产生大量氢气，并且产氢速率快，氢气浓度高(氢气的浓度将达到10％甚至18％，在发生事故的前7h内可产生约1350kg的氢气，最高的产氢速率达2kg/s)，同时安全壳内温度和压力相应升高。

由于严重事故进程很漫长，从福岛事故中氢气爆炸的时间点来看，氢气爆炸有可能在事故三天以后发生，此时蓄电池等电源很可能已经耗尽，使得氢气点火器无法行使其正常功能。

进一步的评价结果表明：由于地震和海啸的双重破坏以及事故后未能及时恢复厂外供电，导致长达七、八天的全厂断电，因此安全壳内氢气风险控制系统要具备实现全时段处置能力。

在氢气风险控制方面，氢气点火器和复合器已经得到了较为广泛的应用。就技术本身而言，由于氢气复合器的效率较点火器低，为控制安全壳内氢气浓度快速升高，复合器需要布置的数量较多，这为工程实施带来了很多的困难。在氢气点火器方面，目前都采用能动手段，具体形式有火花塞型、电击发型、螺旋线圈型。专利CN102878578提出了一种核电站用氢气点火器，当供电电压为120V或220V交流电时，点火部件选用耐高温的螺旋线圈型加热元件；当供电电压为9-12V电源时，点火部件选用耐高温的封闭型电热塞。在其它类型的点火器方面，专利200420036681.9进行了激光点火器的探讨，但该部件虽然可以有效缓解点火端的消耗和老化，但是需要外界电源支持，在失电情况下无法行使正常功能。

发明内容

本发明的目的提供一种自供电的氢气处理设备，其可以非能动氢气点火，进一步降低氢气风险控制对电源的依赖。具体地，利用氢气催化复合作用面作为热源、例如安全壳大气环境的大气环境作为冷源，通过热电转换装置产生电源，继而通过无源放大电路产生高压电源，利用该高压电源触发氢气点火装置工作，从根本上解决事故情况下对外界电源的依赖，实现安全壳内氢气风险的非能动控制。

根据本发明的一个实施例，提出了一种自供电氢气处理设备，包括：热电转换装置，具有低温侧和高温侧，低温侧与高温侧之间限定容纳腔室，热电转换模块设置在所述容纳腔室内；催化复合装置，用于催化流过其的氢气和氧气发生复合反应以生成水和热量，产生热量的催化复合装置设置在所述高温侧作为热源；高压电源产生电路，与所述热电转换装置电连接以将热电转换装置产生的低压电转换为高压电；以及氢气点火装置，由所述高压电源产生电路产生的高压电被供给到所述氢气点火装置以执行氢气点火。

可选地，所述催化复合装置包括筒状催化体，所述筒状催化体内部限定催化反应空间，氢气和氧气在所述催化反应空间内发生复合反应，所述筒状催化体为导热体以将所述热量从筒状催化体的内部传递到筒状催化体的外侧；所述自供电氢气处理设备还包括导热的筒状壳体，所述低温侧与所述壳体内侧形状相匹配而与所述壳体内侧热接触，所述壳体包覆所述热电转换装置；所述高温侧与筒状催化体的外侧形状匹配且与筒状催化体的外侧热接触；且壳体外侧的大气环境作为冷源吸收来自所述低温侧的热量。

进一步地，所述催化反应空间和容纳腔室竖向布置，且包含氢气和氧气的混合气体自下而上流过所述催化反应空间。

所述筒状催化体的上方可设置有挡板，用于阻止喷淋水或凝结水进入到所述催化反应空间内。

所述热电转换装置可为圆筒状。

所述壳体的外侧可设置有散热片。

多个氢气点火装置可彼此间隔开地设置在所述壳体的周向方向上。

所述筒状催化体可为横截面为圆形、正方形或正六边形的中空筒体，所述中空筒体形成所述催化反应空间；且所述筒状催化体的内侧可包含氢气和氧气复合催化剂。

可选地，所述筒状催化体包括可筒状热导体，所述筒状热导体限定中空腔室，所述筒状催化体还包括催化芯体，所述催化芯体布置在所述中空腔室内，所述催化芯体具有沿竖向方向延伸的多个孔，所述孔构成包含氢气和氧气的混合气体的流动通道，所述多个孔形成为蜂窝结构，所述多个孔形成所述催化反应空间。进一步地，所述中空腔室为横截面为圆筒形、正方形或正六边形；所述催化芯体具有与所述中空腔室的形状配合的外部形状。进一步地，所述多个孔中的每一个的横截面为正方形、正六边形或圆形。

为了防止热电转换模块过热，可选地，所述容纳腔室下侧设置有气体入口，所述容纳腔室的上侧设置有气体出口。进一步地，所述气体出口设置有防水进入装置。或者可选地，所述容纳腔室被抽真空；且所述热电转换模块的暴露到容纳腔室的外表面涂敷有热反射面。

为了增加该氢气处理设备的可靠性，自供电氢气处理设备还可包括外部电源连接端口，该连接端口用于将外部电源供给到所述氢气点火装置。

上述的催化复合装置布置为筒状，不过，在一个可选的实施例中，所述催化复合装置包括彼此平行相对的第一催化复合板和第二催化复合板，所述第一、第二催化复合板的彼此相对的第一侧之间的空间为催化反应空间；所述热电转换装置包括板状的第一热电转换装置和板状的第二热电转换装置，其中第一热电转换装置的高温侧设置在第一催化复合板的第二侧，第二热电转换装置的高温侧设置在第二催化复合板的第二侧。进一步地，所述第一热电转换装置的高温侧外部还设置有第一壳体板，所述第二热电转换装置的高温侧外部还设置有第二壳体板，所述第一壳体板和所述第二壳体板均为导热板。

可选地，在上述的自供电氢气处理设备中，核电站安全壳内的大气环境作为冷源吸收来自所述低温侧的热量。

本发明还涉及一种核电站安全壳，包括上述的利用核电站安全壳内的大气环境作为冷源吸收来自所述低温侧的热量的自供电氢气处理设备。

附图说明

图1为根据本发明的一个示例性实施例的自供电氢气处理设备的结构示意图。

图2为根据本发明的一个示例性实施例的催化复合装置的结构示意图，其中示出了方形中空结构。

图3为根据本发明的又一个示例性实施例的催化复合装置的结构示意图，其中示出了圆形中空结构。

图4为根据本发明的再一个示例性实施例的催化复合装置的结构示意图，其中示出了方孔方蜂窝状结构。

图5为根据本发明的还一个示例性实施例的催化复合装置的结构示意图，其中示出了圆孔方蜂窝状结构。

图6为根据本发明的另一个示例性实施例的催化复合装置的结构示意图，其中示出了圆孔圆蜂窝状结构。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实例性的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

在贵金属的催化剂用下，氢气和氧气可以在较低浓度和温度下发生复合反应，如式(1)所示：

1摩尔氢气和0.5摩尔氧气反应将释放242kJ热量，贵金属材料铂和钯的熔点分别为1772℃、1555℃，而工作温度在600℃左右，有很高的安全性。

如图2所示的催化体为方形结构，其内部为中空结构，内表面含有贵金属的催化剂，含有氢气的混合气体自下部流入，在内表面发生氢氧复合反应，释放的热量加热气流，使得密度减小，与外界混合气体形成密度差，以自然循环的方式流动，实现持久的放热。

可选地，催化体也可以是中空圆柱结构，内表面含有贵金属的催化剂，如图3所示。

可选地，催化体还可以是多边形的，如正六边形等。

相对一体式催化体结构，还可有其它形式。

如图4所示，催化体402可以是方形蜂窝结构，孔的结构是方形的，氢氧复合放热加热多孔介质骨架，热量通过结构体401向外传递，为热电转换模块提供高温热源。

可选地，如图5所示，催化体502的蜂窝孔也可以是圆形的。

可选地，催化体还可以是圆形蜂窝结构，孔的结构是圆形的，图6所示。

可选地，催化体还可以多边形的，如正六边形等，孔的结构可以是方形、圆形或多边形。

下面参照图1具体描述根据本发明的一个示例性实施例的自供电氢气处理设备。

图1中的附图标记1表示进气口，2表示氢气催化复合板，3表示热电转换模块，4表示壳体，5表示放大电路，6表示点火端，7表示散热器，8表示下进气口，9表示上排气口，10表示挡板，11表示排气口。

当反应堆发生锆水反应时，大量氢气进入安全壳，含有氢气的混合气体自下部进气口1进入催化反应区，在催化复合板2的内表面发生氢氧复合反应，气流受热而密度减小，在浮升力的作用下通过排气口11排出。挡板10可防止喷淋水或凝结水进入热电转换模块甚至进一步与电路接触而导致点火器短路。热电转换模块3放置在氢气催化复合板2和壳体4之间。下进气口8和上排气口9可以保证有气流流过热电转换模块3以保持热电转换模块3高温侧和低温侧的有效温度梯度。上排气口9呈弯管状，以防止凝结水的回流。上排气口还可以设置其他的防止水自上而下进入的结构。在存在挡板10的情况下，上排气口9可以不设置为弯管状。

自供电氢气处理设备通过下部设有的螺栓孔12可固定安全壳建筑内，这样便于现场安装和更换。

自供电氢气处理设备还可设有外置电源接口13，这提高了设备的综合可用性。

点火端6设有散热器7，可及时进行热量导出，确保点火端的安全，延长其使用寿命。

在图1中，例如左侧的热点转换模块的左侧为低温侧，而其右侧为高温侧。

充分考虑传热过程的各种传导热阻、接触热阻和安全壳大气温度，通过控制催化体中催化剂的含量，利用催化复合提供合理的热源温度，安全壳大气环境作为冷源，利用冷热端的温度梯度进行电转换，产生电能。直流电经逆变电路和放大电路产生高压电源，触发点火。热电转换材料可选择碲化铋、硅锗合金热电模块等。

放大电路和点火端至少有1组，根据实际需要和热电转换模块的结构参数，可以布置多组。

本发明特别适用于事故情况下，尤其是丧失一切可用电事故，实现安全壳内氢气浓度控制。热电转换模块结构简单、体积小、重量轻，无运动部件，无噪声，安全可靠，只要有氢气存在，依靠氢氧催化复合反应为热电转换提供热边界，就可以持续工作，点火器的电压放大和点火电源不依赖外界支持，提高了控制氢气风险的能力。

需要指出的是，虽然在本发明中以核电站安全壳为例对自供电氢气点火器进行了说明，该自供电氢气点火器也可以应用到其他大型容器中需要消除氢气的场合。

在上述的自供电氢气点火器中，不仅氢气催化复合板将氢气和氧气复合以消除氢气，而且点火端6也使得氢气燃烧以消除氢气，这两种消除氢气的方式结合在一起形成了一种自供电的氢气处理设备。

综上，本发明提出了如下技术方案：

(1)一种自供电氢气处理设备，包括：热电转换装置，具有低温侧和高温侧，低温侧与高温侧之间限定容纳腔室，热电转换模块3设置在所述容纳腔室内；催化复合装置(对应于氢气催化复合板2)，用于催化流过其的氢气和氧气发生复合反应以生成水和热量，产生热量的催化复合装置设置在所述高温侧作为热源；高压电源产生电路(对应于放大电路5)，与所述热电转换装置电连接以将热电转换装置产生的低压电转换为高压电；以及氢气点火装置(对应于点火端6)，由所述高压电源产生电路产生的高压电被供给到所述氢气点火装置以执行氢气点火。

在一个可选的示例中，上述的催化复合装置为筒状，如图2-6所示。更具体地，在根据(1)的方案中：

(2)所述催化复合装置包括筒状催化体，所述筒状催化体内部限定催化反应空间，氢气和氧气在所述催化反应空间内发生复合反应，所述筒状催化体为导热体以将所述热量从筒状催化体的内部传递到筒状催化体的外侧；所述自供电氢气处理设备还包括导热的筒状壳体，所述低温侧与所述壳体内侧形状相匹配而与所述壳体内侧热接触，所述壳体包覆所述热电转换装置；所述高温侧与筒状催化体的外侧形状匹配且与筒状催化体的外侧热接触；且壳体外侧的大气环境作为冷源吸收来自所述低温侧的热量。

可选地，在根据(2)的方案中：

(3)所述催化反应空间和容纳腔室竖向布置，且包含氢气和氧气的混合气体自下而上流过所述催化反应空间。需要指出的是，相对于竖直方向稍微倾斜布置也在本发明的保护范围之内。

可选地，在根据(3)的方案中：

(4)所述筒状催化体的上方可设置有挡板10，用于阻止喷淋水或凝结水进入到所述催化反应空间内，和/或进入到热电转换模块3的容纳腔室内。

可选地，在根据(3)的方案中：

(5)所述热电转换装置为圆筒状，即，热电转换模块本身可以是一个单独的筒状体。如本领域技术人员所知的，热电转换模块也可以为多个，其绕筒状催化体的外侧间隔开布置。

可选地，在根据(3)的方案中：

(6)所述壳体的外侧可设置有散热片。这有助于维持热电转换模块的低温侧处于相对低的温度。

可选地，在根据(3)的方案中：

(7)多个氢气点火装置彼此间隔开地设置在所述壳体的周向方向上。

可选地，在根据(3)的方案中：

(8)所述筒状催化体为横截面为圆形、正方形或正六边形的中空筒体，所述中空筒体形成所述催化反应空间；所述筒状催化体的内侧包含氢气和氧气复合催化剂。

可选地，在根据(3)的方案中：

所述筒状催化体包括筒状热导体，所述筒状热导体限定中空腔室，所述筒状催化体还包括催化芯体，所述催化芯体布置在所述中空腔室内，所述催化芯体具有沿竖向方向延伸的多个孔，所述孔构成包含氢气和氧气的混合气体的流动通道，所述多个孔形成为蜂窝结构，所述多个孔形成所述催化反应空间。

可选地，在根据(9)的方案中：

(10)所述中空腔室为横截面为圆筒形、正方形或正六边形；所述催化芯体具有与所述中空腔室的形状配合的外部形状。

可选地，在根据(10)的方案中：

(11)所述多个孔中的每一个的横截面为正方形、正六边形或圆形。

可选地，在根据(3)-(11)的方案中：

(12)所述容纳腔室下侧设置有气体入口，所述容纳腔室的上侧设置有气体出口。

可选地，在根据(12)的方案中：

(13)所述气体出口设置有防水进入装置。

可选地，在根据(3)-(11)的方案中：

(14)所述容纳腔室被抽真空；且所述热电转换模块的暴露到容纳腔室的外表面涂敷有热反射面。

可选地，在根据(1)的方案中：

(15)自供电氢气处理设备还包括外部电源连接端口，该连接端口用于将外部电源供给到所述氢气点火装置。

可选地，在根据(1)方案中：

(16)所述催化复合装置包括彼此平行相对的第一催化复合板和第二催化复合板，所述第一、第二催化复合板的彼此相对的第一侧之间的空间为催化反应空间；所述热电转换装置包括板状的第一热电转换装置和板状的第二热电转换装置，其中第一热电转换装置的高温侧设置在第一催化复合板的第二侧，第二热电转换装置的高温侧设置在第二催化复合板的第二侧。

可选地，在根据(16)的方案中：

(17)所述第一热电转换装置的高温侧外部还设置有第一壳体板，所述第二热电转换装置的高温侧外部还设置有第二壳体板，所述第一壳体板和所述第二壳体板均为导热板。

可选地，在根据(1)-(17)方案中：

(18)核电站安全壳内的大气环境作为冷源吸收来自所述低温侧的热量。

本发明还涉及一种核电站安全壳，包括根据(18)的方案的自供电氢气处理设备。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (19)

1.一种自供电氢气处理设备，包括：

热电转换装置，具有低温侧和高温侧，低温侧与高温侧之间限定容纳腔室，热电转换模块设置在所述容纳腔室内，所述容纳腔室包括下进气口和上排气口，保证有气流流过热电转换模块以保持热电转换模块高温侧和低温侧的有效温度梯度；

催化复合装置，用于催化流过其的氢气和氧气发生复合反应以生成水和热量，产生热量的催化复合装置设置在所述高温侧作为热源；

高压电源产生电路，与所述热电转换装置电连接以将热电转换装置产生的低压电转换为高压电；以及

氢气点火装置，由所述高压电源产生电路产生的高压电被供给到所述氢气点火装置以执行氢气点火。

2.根据权利要求1所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述催化复合装置包括筒状催化体，所述筒状催化体内部限定催化反应空间，氢气和氧气在所述催化反应空间内发生复合反应，所述筒状催化体为导热体以将所述热量从筒状催化体的内部传递到筒状催化体的外侧；

所述自供电氢气处理设备还包括导热的筒状壳体，所述低温侧与所述壳体内侧形状相匹配而与所述壳体内侧热接触，所述壳体包覆所述热电转换装置；

所述高温侧与筒状催化体的外侧形状匹配且与筒状催化体的外侧热接触；且

壳体外侧的大气环境作为冷源吸收来自所述低温侧的热量。

3.根据权利要求2所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述催化反应空间和容纳腔室竖向布置，且包含氢气和氧气的混合气体自下而上流过所述催化反应空间。

4.根据权利要求3所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述筒状催化体的上方设置有挡板，用于阻止喷淋水或凝结水进入到所述催化反应空间内。

5.根据权利要求3所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述热电转换装置为圆筒状。

6.根据权利要求3所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述壳体的外侧设置有散热片。

7.根据权利要求3所述的自供电氢气处理设备，其中：

多个氢气点火装置彼此间隔开地设置在所述壳体的周向方向上。

8.根据权利要求3所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述筒状催化体为横截面为圆形、正方形或正六边形的中空筒体，所述中空筒体形成所述催化反应空间；

所述筒状催化体的内侧包含氢气和氧气复合催化剂。

9.根据权利要求3所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述筒状催化体包括筒状热导体，所述筒状热导体限定中空腔室，所述筒状催化体还包括催化芯体，所述催化芯体布置在所述中空腔室内，所述催化芯体具有沿竖向方向延伸的多个孔，所述孔构成包含氢气和氧气的混合气体的流动通道，所述多个孔形成为蜂窝结构，所述多个孔形成所述催化反应空间。

10.根据权利要求9所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述中空腔室为横截面为圆筒形、正方形或正六边形；

所述催化芯体具有与所述中空腔室的形状配合的外部形状。

11.根据权利要求10所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述多个孔中的每一个的横截面为正方形、正六边形或圆形。

12.根据权利要求3-11中任一项所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述容纳腔室下侧设置有气体入口，所述容纳腔室的上侧设置有气体出口。

13.根据权利要求12所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述气体出口设置有防水进入装置。

14.根据权利要求3-11中任一项所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述容纳腔室被抽真空；且

所述热电转换模块的暴露到容纳腔室的外表面涂敷有热反射面。

15.根据权利要求1所述的自供电氢气处理设备，还包括：

外部电源连接端口，该连接端口用于将外部电源供给到所述氢气点火装置。

16.根据权利要求1所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述催化复合装置包括彼此平行相对的第一催化复合板和第二催化复合板，所述第一、第二催化复合板的彼此相对的第一侧之间的空间为催化反应空间；

所述热电转换装置包括板状的第一热电转换装置和板状的第二热电转换装置，其中第一热电转换装置的高温侧设置在第一催化复合板的第二侧，第二热电转换装置的高温侧设置在第二催化复合板的第二侧。

17.根据权利要求16所述的自供电氢气处理设备，其中：

所述第一热电转换装置的高温侧外部还设置有第一壳体板，所述第二热电转换装置的高温侧外部还设置有第二壳体板，所述第一壳体板和所述第二壳体板均为导热板。

18.根据权利要求1所述的自供电氢气处理设备，其中：

核电站安全壳内的大气环境作为冷源吸收来自所述低温侧的热量。

19.一种核电站安全壳，包括根据权利要求18所述的自供电氢气处理设备。