CN110603603B - 涡流驱动的非能动式氢复合器和点火器 - Google Patents

Abstract

一种点火装置，其产生高速浮力引起的涡流，将氢气和空气从周围汇集到“点火器芯”上，其中“点火器芯”通过氢在其表面上的放热催化氧化而加热到自动点火温度。水(蒸气)作为产物形成，如果不从催化剂表面被剥离，则抑制氧化反应。涡流的高速度确保将反应形成的蒸汽边界层剥离，从而确保有更多的活性位置可用于氢的氧化。涡流是通过导流翅片将向上的气流引导成涡流而形成的。向上的气流由板形成，该板还涂有氢复合催化剂。在含氢的空气中，通过相同的催化氧化反应使板变热。

Description

涡流驱动的非能动式氢复合器和点火器

技术领域

本发明总体上涉及氢气处理系统，更特别地，涉及用于核电站的氢气点火器和氢复合器。

背景技术

传统的水冷核反应堆的设计目的是将冷却剂损失事故(“LOCA”)对安全壳完整性造成的威胁降至最低。LOCA会引起两个不同的问题。首先，反应堆冷却剂回路的破裂导致热水和蒸汽喷入安全壳气氛中。除非采用从安全壳中带走热量的系统，否则安全壳内的压力和温度可能会升高到安全壳容器的设计极限之外。其次，在严重的LOCA中，不仅涉及冷却剂的损失，而且无法将紧急冷却剂注入冷却剂系统，由此导致的燃料温度升高会导致主系统中的残留蒸汽与燃料护套中的锆之间发生高温反应。在严重的情况下，可能会发生燃料护套的完全氧化。反应放热并产生氢。反应产生的氢与蒸汽一起从主系统的破裂点逸出到安全壳气氛中。在严重事故中，氢的质量释放速率可以为每秒千克级的数量级。除非采用将氢浓度保持在自燃极限以下的系统，否则会在反应堆安全壳内产生潜在的爆炸性气体混合物。

新设计的水冷核反应堆避免了依靠电力供应、生产用水和操作员动作来缓解LOCA的影响。这种设计采用非能动方式，将来自安全壳气氛的热量通过安全壳壁传递，以将安全壳压力保持在设计范围内。例如，钢制安全壳壁和来自高位水箱的外部水冷却用于促进热传递。来自安全壳气氛的热量通过自然对流传递到安全壳壁。破裂处产生的热蒸汽与空气混合并上升到安全壳顶侧，并通过与冷安全壳壁接触而冷却。较冷的稠密混合物落下，并且开始自然循环过程，其中，壁附近的流量下降而中心区域的流量上升。在初始排出期之后，安全壳内的压力和温度会升高，直到蒸汽在冷安全壳壁和任何其他冷表面上的凝结速率等于蒸汽从破裂处排出的速率为止。

传统反应堆设计采用多种方法来缓解氢气的积累。预惰化是一种方法，其涉及在正常的核电站运行的启动之前或启动过程中，在安全壳内产生贫氧气氛。将惰性气体(通常为氮气)注入安全壳中以替代空气，该空气同时将被释放到环境中，并将氧气浓度降低到氢气燃烧所需的水平以下。考虑到大型设计固有的实际困难，预惰化通常仅应用于小型安全壳。

对于中型和大型安全壳设计，通常考虑使用氢气点火器来减少氢气。氢气点火器通常分布在整个安全壳内，特别是在氢气浓度可能很高的区域。一旦氢气浓度超过点火阈值，氢气点火器便开始燃烧，从而通过缓慢的爆燃除去氢气，同时在空间和时间上分配释放的能量。但是，在使用氢气点火器时，存在一个危险，即在一个位置处引发的爆燃可能传播到附近更敏感的区域(即，更靠近氢气的释放点的位置)或排放到易燃的相邻空间(所谓的喷射点火)，并比预期的更加有力地传播。这可能导致从爆燃到爆炸的转变，从而可能对安全壳结构和设备产生很高的负载。故意点火方法的另一个缺点是混合行为的不可预测性和故意点燃混合物可能导致的燃烧类型。这种不确定性促使人们寻求一种不发生爆燃的除氢方法。此外，在电源中断的情况下，可能无法使用依靠交流电源的点火器，电池供电的点火器由于可用的电能有限而仅限于间歇运行，并且催化点火器在以下方面存在限制：可被点燃的混合物范围；该混合物的反应时间及其对中毒、结垢或机械损坏的敏感性。因此，传统实践是提供一些其他方式来将氢浓度保持在爆燃极限以下，并且仅在这些其他方式无效的情况下才依靠故意点火。

一种这样的其他方式是使用氢复合器。氢复合器将氢和氧结合起来产生水，从而降低了安全壳中的氢浓度。与热复合器相反，催化复合器是自启动的，不需要外部电源，因此可以用作非能动系统的一部分。尽管已经提出将催化氢复合器用于安全壳中，但是由于多种因素，它们尚未在实践中得到广泛应用。大型反应堆设计中的传统做法是使用安全壳气氛混合来在整个安全壳内稀释在破裂源处产生的氢。这被认为是有效的，因为大容量的安全壳能够在浓度水平达到爆燃极限之前稀释大量的氢气。这提供了合理的时间段，可以在此时间段期间采取紧急行动来处理LOCA。

为了有效地操作，氢复合器需要相对较高的空气流速。传统地使用安全壳气氛的自然循环来实现安全壳冷却通常不会产生足够高的流速，从而不能有效地使非能动的氢复合器处理大的安全壳体积。而且，由于安全壳内存在机械和空间，因此，由LOCA引起的自然对流流动模式极其难以预测或建模，从而使得对于非能动氢复合器的最佳位置选择充其量是一门不精确的科学。因此，通常考虑将氢复合器放置在通风管道中，安全壳气氛的一部分通过该通风管道循环。这当然不是非能动系统，并且如果驱动循环风扇的动力丧失则无效。已经提出了各种方法来改善空气向复合器的流动。在DE 3035103中，公开了使用竖井和在竖井中的加热装置，以通过烟囱效应来改善流向复合器的流动。尽管竖井有效地将气流引导至复合器，但用于产生向上气流的电加热器却依赖于外部动力。此外，大型竖井在与安全壳内的设备集成时存在明显的物理困难。

考虑到氢复合器的诸多局限性，氢复合器仅被接受用于常规去除由辐射分解和腐蚀产生的氢。对于事故控制应用，迄今为止，商用反应堆并不仅仅仅依靠氢复合器，而是另外设置了点火器和/或惰化装置。因此，需要改善氢可通过催化复合器除去的条件。

发明内容

本发明通过提供一种非能动氢复合器和点火器来实现上述目的，该非能动氢复合器和点火器包括基本上水平的金属板，该金属板具有涂覆有氢复合催化剂的底侧，并被支撑在周向壳体中，该周向壳体具有在基本上水平的金属板下方的第一气体入口以及围绕基本上水平的金属板的周边的第一气体出口。穿过壳体并穿过第一组旋流叶片的第二气体入口被设置成基本邻近于基本上水平的金属板的上侧并与之连通，其中，第一组旋流叶片被构造成产生来自横向于所述第二气体入口的第二气体的涡流。第二气体出口设置成穿过壳体的上部，涡流通过该第二气体出口排出。第一非能动点火器被支撑在第一气体入口附近，并且第二非能动点火器被支撑在第二气体出口附近。

优选地，氢复合催化剂是铂或钯或其组合，并且基本上水平的金属板的底侧包括向下突出的叶片，该叶片覆盖有氢复合催化剂，并且构造成将进入第一气体入口的第一气体引导至第一气体出口。在一个实施例中，第一气体出口向上延伸穿过第一组旋流叶片中的至少一些的内部，并排出至第二气体出口的外部。期望地，第一组旋流叶片构造成将热量从行进穿过旋流叶片的第一气体传递到进入第二气体入口的第二气体。优选地，第一点火器是铂或钯线，其被缠绕为弹簧状以增加其表面积，并且第二点火器由涡流供能。第二点火器可以是类似于范德格拉夫发电机的累积电荷以产生火花作为点火激活能量的旋转装置，该旋转装置为驱动对构造成一旦达到特定的电压就放出火花的电容器充电的发电机的旋转装置，或者该旋转装置为驱动压电装置以产生火花的旋转装置。

在另一个实施例中，第二气体出口包括与第二气体出口间隔开的盖，因此第二气体可以从盖的下方排出。基本上水平的金属板的上侧可以具有附接到其表面的第二组旋流叶片，并且第二组旋流叶片被配置为与涡流同向。基本上水平的金属板的上侧也可以基本上用氢复合催化剂覆盖。

本发明还设想了一种氢复合和点燃氢的方法，该方法包括以下步骤：通过壳体的第一气体入口非能动地收集可能具有氢成分的第一气体，第一气体将通过该第一气体入口进行处理。该方法将来自第一气体入口的第一气体引导至基本上水平的金属板的涂覆有氢复合催化剂的底侧，并且沿着基本上水平的金属板的底侧引导至在基本上水平的金属板的外周处的第一气体出口。该方法还通过穿过壳体并穿过第一组旋流叶片的第二气体入口来非能动地收集可能具有氢成分的第二气体，该第二气体入口基本上接近基本上水平的金属板的上侧并与所述基本上水平的金属板的上侧连通，该旋流叶片产生来自横向于所述第二气体入口的第二气体的涡流。然后，该方法在第二气体出口处通过壳体的上部排出涡流，并在第一气体入口的入口处支撑第一非能动点火器，并在第二气体出口附近支撑第二非能动点火器。优选地，第二点火器由涡流供能，并且可以是旋转装置，该旋转装置累积电荷以产生火花作为点火激活能量。期望地，该方法包括设置与第二气体出口间隔开的盖，并且包括隔离第二点火器的步骤。

附图说明

当结合附图阅读优选实施例的以下描述时，可以得到对本发明的进一步理解。

图1是本发明一个实施例的局部剖开的三维图；

图2是本发明的复合器、点火器的二维剖视图；

图3是本发明的氢复合器点火器的立体图；和

图4是图3所示的氢复合器点火器的平面截面图。

具体实施方式

如前所述，在核电站发生严重事故的情况下，安全壳内的氢爆炸可通过以下方式缓解：i)PARs(非能动自动催化复合器)，其非能动地复合空气中的氢和氧以形成水蒸气(通常用于大型、干燥的安全壳中)，ii)使气氛惰性化(实际上仅在很小的安全壳中有用)，以及iii)电力加热元件(主动点火器)，其加热到高于氢气在可燃极限下限时的着火温度的温度(用于冰冷凝器式安全壳、BWR Mark III安全壳和2003年10月16日之后获得许可的所有水冷反应堆安全壳)。本发明的目的是代替主动点火器技术。

当前的主动点火器本质上是电热塞，其被放置在安全壳内预期形成或积累氢的合适位置。在发生事故的情况下，如果可以使用场外交流电源，则无需备用电源，并且点火器可靠。在场外交流电源丢失而发生事故的情况下，通常会有两个独立供电的备用组，每个组都有大约33个点火器。一个序列配有备用供能柴油发电机，另一个序列则由电池供电。在某些情况下，提供了冗余柴油发电机或便携式发电机。如果使用电池供电，则备用电源通常设计为可连续供电四个小时。

当前点火器的主要问题是其需要大量的电缆、停电期间的维护困难以及需要外部电源进行操作。而且，随着时间的流逝，这些电缆可能会磨损而需要更换。因此，需要不依赖于外部电源、相关的布线和控制的非能动、独立的氢点火器。与当前的点火器不同，本文公开的系统符合这些标准。此外，本文公开的装置不需要操作员干预即可起作用。

过去，有采用氢复合催化剂的非能动点火器设计。使用这种非能动点火器遇到一些关键挑战。首先，由于缓慢地流经催化剂的自然对流空气，点火器的加热过程很慢。其次，随着反应开始，在催化剂表面上形成水，这倾向于抑制复合反应。随着反应的继续，一旦板的温度升高并允许更高的空气流动速度剥离水分子，由放热反应产生的蒸汽就会自行移除。一旦板达到高于约500℃的温度，就达到该空气流动速度。

本文公开的非能动点火器通过空气中氢气的催化氧化产生热表面；自然地补充通过催化表面的连续空气流；并自然地形成一个涡流，该涡流具有较高的速度(与竖直浮力相比)，以通过改善至催化剂和从催化剂的质量传递来提高自催化性能。与使用简单的向上气流的非能动式点火器相比，所有这三个因素都可以在较低的氢气浓度下更快地加热非能动式点火器。

在图1-4中所示并在本文中描述的本发明包括基本上水平的金属板14，该金属板的底侧16涂有氢复合催化剂，例如铂或钯或其混合物。该板优选地由具有高导热率的材料制成。在存在氢气和空气的情况下，板的底侧会在其表面复合氢气，从而产生热量。一旦板14的底侧16被加热，顶侧18也被加热。随着板14的顶侧18被加热，板的顶侧上方的空气变热，并且相邻的空气由于其浮力而上升。来自周围的冷空气被吸入并取代了所述相邻的空气。然而，围绕板的新鲜进气的通路沿着径向螺旋叶片28。这些叶片板28迫使进气会聚成涡流24，类似于沙漠中自然产生的尘卷风。该涡流24向上移动并通过狭窄的烟囱22离开。“点火器芯”26被策略性地放置在烟囱22的口部中。与水平板的底侧相似，点火器芯也涂有氢复合催化剂。涡流24的高的速度通过以下几点确保高的复合反应速率：1)用新鲜的反应物补充催化剂，以及2)通过从催化剂表面除去水分子(催化反应的副产物)。另一方面，水平板14不需要加热到高温。过去的研究表明，仅需要在热表面和周围空气之间的100℃温度差，即能形成非常高的速度(8至10m/s)的涡流。因此，与需要至少高于200-500℃的温差的竖直对流气流(0.5至1m/s)相比，在较低的氢浓度下，水平板14可产生非常高的速度(8至11m/s)的涡流。

水平板14的底侧16需要通过壳体12中的不阻碍涡流24的通路30排放。因此，被引导的翅片或叶片28的内部32用于该目的。被引导的叶片28的内部32形成通路，用于使来自水平板14下方的热空气上升并离开装置，如图2所示。这还允许在涡流进气20沿叶片28外部流动时对其进行预热。水平板14的底侧16可具有翅片34，以：1)允许更大的催化剂表面积，以及2)以对流体动力学更有利的路径将热空气引导至引导翅片28的内部32并离开装置10。相似地，水平板14的顶侧18可以设置有与涡流同向的翅片36，以允许更好地将热量从水平板传递到空气。代替翅片36，可以使用竖直销、或平板、或其他板几何形状，以有效地将热量从销或板传递到空气。为了增强对涡流24的加热，水平板14的顶侧18也可以涂覆有氢复合催化剂。图1-4示出了使用上述原理的优选实施例。在水平板14下方的预热器部分40的口部(即下部气体入口42)处还有螺旋弹簧点火器38，该螺旋弹簧点火器也可以引燃进入气体入口42的新鲜空气(用氢气)。

在涡流出口44处的点火器26的替代实施例是利用旋转机构在主体上累积电荷(类似于范德格拉夫发电机)以产生作为点火激活能量的火花。另外，可以在基本上水平的金属板14的上表面18上形成第三组叶片36，以迫使漂浮的经加热的空气层随着其上升而旋转，从而形成柱状涡流，该柱状涡流可以被锚定并吸引额外的热空气以维持自身状态，以在化学能和电能之间提供新的热-机械联系。另外，基本上水平的金属板14的上表面18和第三组叶片36可以涂覆有氢复合催化剂。

上部点火器26的另一替代实施例是使涡流24驱动发电机，该发电机给电容器充电，一旦达到特定电压，该电容器将放出火花。上部点火器26的又一替代实施例是由涡流24驱动的旋转机构，以驱动压电设备。一种这样的旋转机构可以是可旋转地附接到基本上水平的金属板14的上部中心的轴，该轴竖直地延伸并且具有从该轴的表面径向地延伸并且螺旋地围绕该轴的表面延伸的叶片。

因此，本发明提供了一种自致动且自维持的非能动氢点火器10。浮力引起的涡流24允许高速空气激活点火器芯，从而允许点火器更快且在较低浓度下达到自动点火温度。点火器允许涡流24由较低的板温度形成，从而允许在较低的氢浓度(在空气中高于4％、小于8mol％的氢)下点火。引导翅片28具有双重功能：1)外表面引导进气以形成涡流；2)内表面为从基本上水平的金属板14的底侧16的复合反应的排出的热空气提供了通路；3)内部热空气将涡流进气20预热，从而缩短了点火时间。涡流24可以通过使用也是自驱动的竖直轴旋转叶片来运行其他电火花发生器。一旦预热器入口42中的速度升高，弹簧点火器38也可以引起点火。烟囱罩46防止点火器芯的催化表面暴露于安全壳的喷雾、水等，而其他催化表面(基本上水平的金属板14的下部翅片34和弹簧点火器38)则通过该装置的设计而受到保护。此设计的较大版本可以设计为用于现有PARs(非能动自动催化复合器)的双重功能，用于在氢气达到可燃性下限(<4％)之前大量地变性氢气并且激活点火器，所述点火器在氢气达到爆炸水平(>10％)之前点燃过量的氢气。PARs通常较慢，并且此实施例可以加快进程并提高工厂的针对设计基准和超出设计基准的事故的安全性。

尽管已经详细描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员将理解，可以根据本公开的整体教导对这些细节进行各种修改和替代。因此，所公开的特定实施例仅是说明性的，并不限制本发明的范围，本发明的范围将由所附权利要求及其任何和所有等同形式的全部范围给出。

Claims (15)

1.一种非能动氢复合器和点火器，包括：

水平的金属板，所述水平的金属板具有涂覆有氢复合催化剂的底侧，并且被支撑在周向的壳体中，所述壳体具有在所述水平的金属板下方的第一气体入口和围绕所述水平的金属板的周边的第一气体出口；

通过所述壳体并通过第一组旋流叶片的第二气体入口，所述第二气体入口靠近所述水平的金属板的上侧并与所述水平的金属板的上侧连通，并且所述第一组旋流叶片构造成产生来自横向于所述第二气体入口的第二气体的涡流；

第二气体出口，所述第二气体出口穿过所述壳体的上部，所述涡流通过所述第二气体出口排出；

第一非能动点火器，所述第一非能动点火器被支撑在所述第一气体入口附近；以及

第二非能动点火器，所述第二非能动点火器被支撑在所述第二气体出口附近。

2.根据权利要求1所述的非能动氢复合器和点火器，其中，所述氢复合催化剂是铂或钯或其组合。

3.根据权利要求1所述的非能动氢复合器和点火器，其中，所述水平的金属板的底侧包括向下突出的叶片，所述叶片覆盖有氢复合催化剂，并构造成将进入所述第一气体入口的第一气体引导至所述第一气体出口。

4.根据权利要求1所述的非能动氢复合器和点火器，其中，所述第一气体出口向上延伸通过所述第一组旋流叶片中的至少一些的内部，并排出至所述第二气体出口的外部。

5.根据权利要求4所述的非能动氢复合器和点火器，其中，所述第一组旋流叶片被构造成将来自通过所述第一组旋流叶片行进的第一气体的热量传递至进入所述第二气体入口的第二气体。

6.根据权利要求1所述的非能动氢复合器和点火器，其中，所述第二非能动点火器由所述涡流提供动力。

7.根据权利要求1所述的非能动氢复合器和点火器，其中，所述第二气体出口包括与所述第二气体出口间隔开的盖，使得所述第二气体能够从所述盖的下方排出。

8.根据权利要求1所述的非能动氢复合器和点火器，其中，所述水平的金属板的上侧具有附接到其表面的第二组旋流叶片。

9.根据权利要求8所述的非能动氢复合器和点火器，其中，所述第二组旋流叶片与所述涡流同向。

10.根据权利要求1所述的非能动氢复合器和点火器，其中，所述水平的金属板的上侧基本上被氢复合催化剂覆盖。

11.一种复合和点燃氢的方法，包括以下步骤：

通过壳体的第一气体入口非能动地收集可能具有氢成分的第一气体，所述第一气体将通过所述第一气体入口被处理；

将所述第一气体从所述第一气体入口引导至水平的金属板的涂覆有氢复合催化剂的底侧，并且沿着所述水平的金属板的底侧到达在所述水平的金属板的周边处的第一气体出口；

通过穿过所述壳体并穿过第一组旋流叶片的第二气体入口非能动地收集可能含有氢成分的第二气体，所述第二气体入口靠近所述水平的金属板的上侧并与所述水平的金属板的所述上侧连通，所述第一组旋流叶片构造成产生来自横向于所述第二气体入口的第二气体的涡流；

在穿过所述壳体的上部的第二气体出口处排出所述涡流；

在所述第一气体入口的入口处支撑第一非能动点火器；和

在所述第二气体出口附近支撑第二非能动点火器。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一气体出口向上延伸穿过所述第一组旋流叶片中的至少一些的内部，并且排出至所述第二气体出口的外部。

13.根据权利要求11所述的方法，包括由所述涡流向所述第二非能动点火器供能的步骤。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二非能动点火器是旋转设备，所述旋转设备累积电荷以产生火花作为点火激活能量。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二气体出口包括与所述第二气体出口间隔开的盖，并且所述方法包括隔离所述第二非能动点火器的步骤。

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