DE19914814C1 - Rekombinationseinrichtung und Verfahren zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid mit Sauerstoff in einem Gasgemisch - Google Patents

Abstract

Die Rekombinationseinrichtung (1, 1') zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid mit Sauerstoff in einem Gasgemisch umfaßt mindestens eine Katalysatoranordnung (2), die in einem im Betriebsfall für das Gasgemisch in freier Konvektion durchströmbaren Gehäuse (4) angeordnet ist. Dabei weist die Katalysatoranordnung (2) erfindungsgemäß in Strömungsrichtung des Gasgemischs gesehen, mehrere Teilbereiche (T1, T2) auf, wobei in Anströmrichtung ein erster Teilbereich (T1) einen Katalysatorkörper (6) mit einer umgebenden Drosselschicht (8) zur Hemmung der Diffusion der zu- und/oder abströmenden Reaktionsgase umfaßt, und wobei ein an den ersten Teilbereich (T1) anschließender zweiter Teilbereich (T2) mindestens einen den Reaktionsgasen unmittelbar zugänglichen Katalysatorkörper (6) umfaßt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rekombinationseinrichtung und ein Verfahren zur Rekombination von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid mit Sauerstoff, bei der mindestens eine Kataly­ satoranordnung in einem im Betriebsfall für das Gasgemisch durchströmbaren Gehäuse angeordnet ist, insbesondere für ein Kernkraftwerk.

Eine ähnliche Thematik ist in der gleichzeitig eingereichten Deutschen Anmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 199 14 823.6 und dem Titel "Katalytisches Element zur Rekombination von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid mit Sauerstoff" behandelt, deren Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung zuzurechnen ist.

Nach einem Störfall mit Kühlmittelverlust können in einem Kernkraftwerk große Mengen Wasserstoff und Kohlenmonoxid in Sicherheitsbehälter (Containment) freigesetzt werden. Ohne Gegenmaßnahme kann Wasserstoff in der Atmosphäre des Sicher­ heitsbehälters so weit angereichert werden, daß sich ein de­ tonationsfähiges Gemisch ausbilden kann. Bei einer späten zu­ fälligen Zündung könnte vor allem durch die Verbrennung einer größeren Menge an Wasserstoff die Integrität des Sicherheits­ behälters gefährdet werden.

Um derartige explosive Gasgemische im Sicherheitsbehälter zu verhindern, werden verschiedene Einrichtungen diskutiert. Hierzu gehören beispielsweise Einrichtungen wie katalytische Rekombinatoren, katalytisch und elektrisch betriebenen Zünd­ einrichtungen oder die Kombination der beiden vorgenannten Einrichtungen. Die prinzipielle Funktionsweise von katalyti­ schen Rekombinatoren ist beispielsweise aus der elektrochemi­ schen Verfahrenstechnik bekannt und beispielsweise erläutert in: "Elektrochemische Verfahrenstechnik", DECHEMA Monogra­ phien, 1970-1992, Band 97, S. 363-376, Tagung der Fachgruppe angewandte Elektrochemie), Verlag Chemie.

Zur Beseitigung des Wasserstoffs und des Kohlenmonoxids aus der Atmosphäre des Sicherheitsbehälters (Containment-Atmo­ sphäre) soll insbesondere eine frühzeitige und flammenlose Rekombination des Wasserstoffs und/oder des Kohlenmonoxids mit Sauerstoff erreicht werden. Dabei soll ein signifikanter Druckaufbau als Folge einer virulenten Wasserstoffverbrennung sicher vermieden sein. Eine dazu geeignete früh startende Re­ kombinationseinrichtung, die auch bei längerer Standzeit in der Containment-Atmosphäre nicht wesentlich an Aktivität ver­ liert und bei niedrigen Umgebungstemperaturen passiv startet, ist aus der DE 196 36 557 A1 be­ kannt. Mit einer derartigen Rekombinationseinrichtung ist ei­ ne "sanfte" Rekombination des Wasserstoffs z. B. in einer Pha­ se der Containment-Atmosphäre möglich, die einen Dampf ent­ hält und daher gegen spontane Entzündungen geschützt ist.

Aus der EP 0 527 968 B1 ist eine Rekombinationseinrichtung bekannt, bei der eine Anzahl von Katalysatorsystemen in Form von ebenen Platten, die beidseitig mit Katalysatormaterial wie Platin und/oder Palladium beschichtet sind, vorgesehen ist. Diese eignet sich besonders gut für den Wasserstoffabbau in der Atmosphäre des Sicherheitsbehälters eines Kernkraft­ werks. Jedes Katalysatorsystem umfaßt dabei ein Trägerblech aus Edelstahl, das beidseitig eine dünne Schicht, deren Dicke im Mikrometerbereich liegt, aus insbesondere Platin und/oder Palladium aufweist. Eine Vielzahl solcher beschichteter Ein­ zelplatten ist in einem Gehäuse, das als Modul aufgebaut sein kann, angeordnet. Das Gehäuse wird von unten mit dem zu über­ wachenden Gasstrom beströmt, und dieser Gasstrom verläßt das Gehäuse im oberen Bereich durch eine seitlich angebrachte Austrittsöffnung.

Aus der EP 0 436 942 A1 ist ein Rekombinatorsystem mit einer Gehäuseschutzeinrichtung bekannt, die sich in Abhängigkeit von einer äußeren Temperatur selbsttätig öffnet. In einem Be­ reitschaftszustand des Rekombinationssystems ist die Gehäuse­ schutzeinrichtung hingegen geschlossen, so daß eine Ver­ schmutzung der katalytisch aktiven Oberfläche des Rekombina­ tors vermieden ist.

Bei einer aus der EP 0 416 140 A1 bekannten Rekombinatorein­ richtung hingegen sind Filtermedien vorgesehen, die Schad­ stoffe aus der Umgebungsatmosphäre, wie beispielsweise Aero­ sole, zurückhalten und somit den Katalysator der Rekombinati­ onseinrichtung gegen Verunreinigung schützen.

Weiterhin sind aus der Deutschen Patentanmeldung DE 37 25 290 Edelmetall-Legierungen bekannt, welche über ein Trägerblech oder Metallnetz die bei der Rekombination entstehende Reakti­ onswärme aufnehmen oder ableiten, wodurch eine Zündung des Gasgemisches vermieden werden soll.

Aus der EP 0 388 955 A1 ist eine Rekombinatoreinrichtung be­ kannt, bei der zusätzlich eine Zündvorrichtung zur Auslösung einer kontrollierten Wasserstoffverbrennung vorgesehen ist.

Jedes bekannte Rekombinatorsystem ist für eine besonders hohe Rekombinatorleistung bei besonders geringen Komponentenabmes­ sungen sowie für eine hohe Resistenz gegenüber Verunreinigung ausgelegt. Für den Einsatz einer Rekombinationseinrichtung zur Rekombination von Wasserstoff in einem Gasgemisch in ei­ nem Kernkraftwerk ist darüber hinaus aber auch sicherzustel­ len, daß keine die Sicherheit des Kernkraftwerks negativ be­ einflussenden Effekte auftreten können. Es ist zu berücksich­ tigen, daß eine zur Rekombination des Wasserstoffs einge­ setzte Katalysatoranordnung einer Rekombinationseinrichtung sich in Folge der Rekombination üblicherweise erwärmt und aufgrund seiner erhöhten Temperatur zur Zündung des Gasgemi­ sches innerhalb der Containment-Atmosphäre des Kernkraftwerks in ungewollter Weise beitragen könnte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rekombi­ nationseinrichtung zur katalytischen Rekombination von Was­ serstoff und/oder Kohlenmonoxid mit Sauerstoff in einem Gas­ gemisch, insbesondere in der Atmosphäre in einem Sicherheits­ behälter einer Kernkraftanlage, anzugeben, bei dessen Betrieb eine ungewollte Zündung des Gasgemischs besonders sicher ver­ mieden ist. Auch soll ein Verfahren zur katalytischen Rekom­ bination angegeben werden.

Bezüglich der Rekombinationseinrichtung zur katalytischen Re­ kombination von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid mit Sauer­ stoff in einem Gasgemisch, bei der mindestens eine Katalysa­ toranordnung in einem im Betriebsfall für das Gasgemisch durchströmbaren Gehäuse angeordnet ist, und bei der die Kata­ lysatoranordnung in Strömungsrichtung des Gasgemisches gese­ hen mehrere Teilbereiche aufweist, wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Anströmrichtung der erste Teilbereich einen Katalysatorkörper mit einer umgeben­ den Drosselschicht zur Hemmung der Diffusion der zu- und/oder abströmenden Reaktionsgase umfaßt, und wobei der an den ers­ ten Teilbereich anschließender zweiter Teilbereich mindestens einen den Reaktionsgasen unmittelbar zugänglichen Katalysa­ torkörper umfaßt.

Hierbei werden also in der Rekombinationseinrichtung die Ei­ genschaften des ersten und des zweiten Teilbereichs, bevor­ zugt nacheinander, ausgenutzt. Somit ist in der mehrere Teil­ bereiche umfassende Katalysatoranordnung eine mehrstufige ka­ talytische Oxidation ermöglicht. Dabei werden die verschiede­ nen Teilbereiche derart ausgelegt, daß die entlang der Strö­ mungsrichtung des Gasgemischs auftretenden verschiedenen Re­ aktionsbedingungen berücksichtigt werden. Insbesondere wird der im Einströmbereich der Katalysatoranordnung erste Teilbe­ reich hinsichtlich des dort einströmenden hochexplosiven Gasgemischs besonders entzündungshemmend ausgebildet sein. Dagegen steht für die im oberen Strömungsbereich angeordneten Teilbereiche eine besonders hohe katalytische Aktivität im Vordergrund, da das Gasgemisch bereits teilweise gereinigt ist und demzufolge die zu einer Entzündung führende Konzent­ ration der Reaktionsgase, z. B. eine über 8 Vol.% liegende H2- Konzentration, bereits deutlich unterschritten ist. Alterna­ tiv können verschiedenartige Teilbereiche auch alter­ nierend entlang der Strömungsrichtung des Gasgemisches ange­ ordnet sein.

Bevorzugt kann ein Katalysatorkörper im zweiten Teilbereich ausgesucht sein, der eine höhere katalytische Aktivität be­ sitzt als der Katalysatorkörper im ersten Teilbereich. Dies kann z. B. durch Auswahl eines Katalysators mit einer höheren Dichte an Aktivitätszentren - höherer Anteil an katalytisch aktiven Material - ermöglicht sein, wodurch eine stärkere ka­ talytische Aktivität und somit ein verstärkte katalytische Reaktion in dem betreffenden Teilbereich erzielt ist. Je nach der Stärke der katalytischen Aktivität kann der zweite Teil­ bereich zusätzlich mit einer Flammensperreinrichtung umman­ telt sein. Die Flammensperreinrichtung hat dabei eine Spalt­ weite von höchstens 0,7 mm, vorzugsweise von kleiner 0,3 mm. Durch die unmittelbare Aufbringung der Flammensperreinrich­ tung auf den zweiten Teilbereich sowie zusätzlich durch eine Vergrößerung der Flammensperreinrichtung auf den ersten, be­ sonders diffusionshemmenden Teilbereich ist eine besonders gute Wärmeübertragung aus der zweiten Reaktionszone des zwei­ ten Teilbereichs in die erste Reaktionszone des ersten Teil­ bereichs - und somit ein schneller Start der katalytischen Reaktion auch in der ersten Reaktionszone - erreicht.

Der Katalysatorkörper kann aus mehreren Einzelteilen, z. B. zusammengepreßten oder gesinterten Fasern, bestehen. Zweckmä­ ßigerweise umfaßt der Katalysatorkörper im zweiten Teilbe­ reich ein plattenförmiges Trägerblech, das mit einem Kataly­ satormaterial beschichtet ist. Das Trägerblech ist beispiels­ weise aus einem nichtrostenden Edelstahl. Dabei weist das Trägerblech eine Blechdicke von weniger oder gleich 0,2 mm auf. Alternativ kann der Katalysatorkörper eine ebene Platte, eine perforierte Platte oder eine Kugel als mechanischen Trä­ ger umfassen. Je nach Funktion und Art der katalytischen Re­ kombination kann der mechanische Träger metallisch oder kera­ misch ausgeführt sein. Bei einer keramischen Ausführung han­ delt es sich beispielsweise um Washcoat (Al₂O₃).

Für eine besonders effektive Rekombination des im Gasgemisch geführten Wasserstoffs enthält das Katalysatormaterial ein katalytisches Edelmetall, insbesondere Platin oder Palladium. Platin ist dabei besonders temperaturbeständig und resistent gegen Katalysatorgifte. Darüber hinaus kann mit Platin als katalytisch aktives Material neben Wasserstoff auch Kohlen­ monoxid rekombiniert werden. Palladium eignet sich insbeson­ dere aufgrund seiner Eigenschaft, bei besonders geringen Um­ gebungstemperaturen anzuspringen. Im ersten Teilbereich kann somit beispielsweise bevorzugt ein Edelmetall ausgesucht sein, daß giftresistenter ist als das Edelmetall im zweiten Teilbereich. Bevorzugt ist das Katalysatormaterial mit Hilfe einer Haftvermittlerschicht und/oder einer Zwischenschicht auf den mechanischen Träger aufgetragen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Dros­ selschicht, die insbesondere porös ausgebildet ist, im er­ sten Teilbereich eine Schüttung, in welche der Katalysator­ körper angeordnet ist. Dabei durchströmt ein Teilstrom des Gasgemischs den in der Schüttung angeordneten Katalysatorkör­ per (durchströmte Alternative). Der Katalysatorkörper des zweiten Teilbereichs ist dabei getrennt von dem Katalysator­ körper des ersten Teilbereichs angeordnet. Beispielsweise sind die beiden Katalysatorkörper in Strömungsrichtung des Gasgemischs nacheinander angeordnet. Die Dimensionierung der Porösität der Schüttung erfolgt dabei derart, daß bei Vorlie­ gen eines besonders explosiven Gasgemischs im Einströmbereich von H₂-Konzentrationen größer 10 Vol.% im Ausströmbereich des ersten Teilbereichs die H₂-Konzentration auf kleiner 6 Vol.% reduziert ist. Zur Kompensation von Druckverlusten in dem durchströmbaren Gehäuse kann die Anströmfläche um das 2- bis 5-fache vergrößert sein. Bei einer Gehäusehöhe von 0,2 bis 2 m ist dann bevorzugt eine Durchströmgeschwindigkeit des Gasgemischs von 0,1 bis 1 m/s im Bereich der Katalysatoran­ ordnung erzielt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Dros­ selschicht im ersten Teilbereich auf den Katalysatorkörper als poröse Deckschicht aufgetragen. Bei dieser als umströmte Alternative bezeichneten Katalysatoranordnung sind der Kata­ lysatorkörper im ersten und im zweiten Teilbereich von einem durchgehenden Körper gebildet, d. h. dieser Körper erstreckt sich sowohl über den ersten als auch über den zweiten Teilbe­ reich. Somit wird der Katalysatorkörper vom gesamten Strom des Gasgemischs umströmt. Im Einströmbereich wird durch die auf den ersten Teilbereich aufgetragene Drosselschicht eine Hemmung der Diffusion von zu- und/oder abströmenden Reakti­ onsgasen erreicht. Somit ist die katalytische Rekombination der Reaktionsgase begrenzt, was wiederum zu einer Begrenzung der Reaktionstemperatur auch bei hohen H₂-Konzentrationen führt. Vorteilhafterweise ist die ebenfalls die katalytische Reaktion beeinflussende Geschwindigkeit des um- oder über­ strömenden Gasgemischs durch eine vorgegebene Geometrie des Gehäuses einstellbar. Bevorzugt ist bei einer Gehäusehöhe von 0,2 bis 2 m eine Überströmgeschwindigkeit des Gasgemischs von 0,1 bis 2 m/s im Bereich der Katalysatoranordnung einge­ stellt.

Für einen besonders hohen Reaktionsumsatz sind zweckmäßiger­ weise mehrere gleichartige Katalysatoranordnungen parallel zueinander angeordnet sind. Bei der umströmten Alternative sind beispielsweise benachbarte Katalysatoranordnungen mit den jeweils zugehörigen ersten und zweiten Teilbereichen zu­ einander parallel angeordnet. Dabei weist jede Katalysato­ ranordnung im ersten Teilbereich eine zugehörige Drossel­ schicht auf. Bei der durchströmten Alternative der Katalysa­ toranordnungen sind z. B. mehrere gleichartige erste Teilbe­ reiche parallel zueinander angeordnet und von einer gemeinsa­ men Drosselschicht umgeben. Die zugehörigen zweiten Teilbe­ reiche sind von den ersten Teilbereichen getrennt und eben­ falls zueinander parallel angeordnet. Alternativ dazu können verschiedenartige Katalysatoranordnungen alternierend ange­ ordnet sein. Durch eine Kombination von Katalysatoranordnun­ gen mit ersten und zweiten oder mehreren Teilbereichen, wo­ bei insbesondere ein Teilbereich eine ungedrosselte und ein weiterer Teilbereich eine diffusionsgedrosselte Reaktion er­ möglicht, ist eine besonders sichere und aktive katalytische Rekombination in mehreren Stufen erreicht. Durch dies mehr­ stufige Rekombination wird in den einzelnen Teilbereichen oder Strömungskanälen ein besonders sicherer Schutz vor Zün­ dung oder Entflammung bei gleichzeitig hohem Reaktionsumsatz auch bei weniger explosiven Gasgemischen erzielt.

Zweckmäßigerweise sind die Katalysatoranordnungen plattenför­ mig ausgebildet, besitzen jeweils eine Gesamtdicke von höch­ stens 1 cm, vorzugsweise ca. 0,3 mm, und weisen einen gegen­ seitigen Abstand von weniger als 20 mm auf.

Um auch bei sogenannten Aufwinden des zuströmenden Gasge­ mischs mit besonders hohen Geschwindigkeiten eine homogene Rekombination, insbesondere eine mehrstufige Oxidation, zu gewährleisten, ist in Anströmrichtung des Gasgemisches der Katalysatoranordnung ein Aufwindschutz vorgeschaltet. Der Aufwindschutz kann bereits einen Teil des Katalysatorkörpers enthalten. Er vergrößert besonders vorteilhaft die Quer­ schnittsfläche der Rekombinationseinrichtung am Eingang auf das 1- bis 5-fache. Hierdurch ist eine besonders einfache Strömungsbegrenzung des einströmenden Gasgemischs erzielt. Dies wiederum bewirkt eine kontinuierliche Zuführung des Gas­ gemischs, wodurch ein Verschieben der Reaktionszone sicher vermieden ist. Zur Reduzierung und ggf. Kompensation von im Gehäuse auftretenden Druckverlusten weist das Gehäuse bevor­ zugt eine Höhe von 0,2 bis 2 m auf.

Um bei einer möglicherweise auftretenden Strömungsumkehr in­ nerhalb der Rekombinationseinrichtung - bei sogenannten Ab­ winden - einen besonders sicheren Betrieb zu erreichen, ist in Abströmrichtung des Gasgemisches am Ende der Katalysator­ anordnung ein Abwindschutz angeordnet. Bei besonders extremen Strömungsverhältnissen mit wechselnden Strömungsrichtungen kann zusätzlich im Abströmbereich eine partielle Reaktions­ flächenabdeckung vorgesehen sein, die wie der Aufwindschutz eine Oberflächenvergrößerung bewirkt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist minde­ stens im Einströmbereich des ersten Teilbereichs eine Teflon­ beschichtung auf der Drosselschicht vorgesehen. Die Früh­ startfähigkeit, insbesondere bei feuchten Umgebungsbedingun­ gen, kann durch eine solche örtlich begrenzte Teflonbeschich­ tung zur Erzeugung lokaler hydrophober Eigenschaften des Ka­ talysatorkörpers führen. Durch die quantitative Begrenzung der Teflonbeschichtung kann eine reaktionsrelevante Adsorp­ tion von Wasser innerhalb der Poren- oder Drosselschicht ver­ mieden und somit eine Verbesserung der Frühstartfähigkeit (passiver Reaktionsstart) erzielt werden.

Die bezüglich des Verfahrens zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid mit Sauerstoff in ei­ nem Gasgemisch genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rekombination in einem in Strömungsrichtung ersten Teilbereich an einem von einer Drosselschicht umgeben­ den Katalysatorkörper durchgeführt und dann in einem zweiten Teilbereich an einem dem Gasgemisch unmittelbar zugänglichen Katalysatorkörper durchgeführt wird. Im ersten Teilbereich wird der Gehalt des im Gasgemisch geführten Wasserstoffs durch Oxidation auf weniger als 5 Vol.% reduziert. Die beiden Teilbereiche - erster und zweiter Teilbereich - ermöglichen bevorzugt katalytisch unterschiedliche aktive Zonen. Dies wiederum bewirkt eine mehrstufige katalytische Oxidation der Reaktionsgase.

Damit wird also selbst dem ungünstigsten Betriebsfall, der zu berücksichtigen ist, entgegengetreten. Somit weist das in den zweiten Teilbereich einströmende Gasgemisch eine Konzentrati­ on auf, die unterhalb der Zündkonzentration des betref­ fenden Reaktionsgases liegt. Dies führt dazu, daß selbst bei hochaktivem Katalysatormaterial im zweiten Teilbereich die diffusionshemmende und flammsperrende Drosselschicht entfal­ len kann.

Zweckmäßigerweise wird bei der durchströmten Alternative das Gasgemisch im ersten Teilbereich durch die Drosselschicht durchgeleitet. Dabei durchströmt ein Teilstrom des ungerei­ nigten Gasgemischs den ersten Teilbereich und wird gereinigt. Dieses gereinigte Gasgemisch wird dann in einer dem Katalysa­ torkörper nachgeschalteten Vermischungszone mit ungereinigtem Gasgemisch vermischt, wodurch die Konzentration von explosi­ ven Reaktionsgasen, insbesondere die H₂-Konzentration, redu­ ziert ist. Dieses gemischte, eine geringere Konzentration aufweisende Gasgemisch wird dann dem zweiten Teilbereich, der nicht durch eine Drosselschicht abgedeckt ist, zur weiteren katalytischen Oxidation zugeführt. Das Gasgemisch ist somit im zweiten Teilbereich dem Katalysatorkörper, der insbeson­ dere katalytisch hochaktives Material umfaßt, unmittelbar zu­ gänglich, wodurch ein höherer katalytischer Umsatz im zweiten Teilbereich gegeben ist, der durch ein Katalysatormaterial höherer katalytischer Aktivität noch weiter erhöht werden kann.

Bei der umströmten Alternative der Katalysatoranordnung wird das gesamte Gasgemisch vorzugsweise im ersten Teilbereich entlang der Drosselschicht geführt wird. Dabei erfolgt der Abbau der Konzentration an Wasserstoff entlang der Katalysa­ toranordnung, d. h. entlang des ersten und zweiten Teilbe­ reichs.

Bevorzugt ist im ersten Teilbereich die Reaktionstemperatur niedriger als im zweiten Teilbereich. Insbesondere liegt die Reaktionstemperatur im ersten Teilbereich unterhalb der Zünd­ temperatur der Reaktionsgase. Vorzugsweise beträgt die Reak­ tionstemperatur im ersten Teilbereich selbst im "worst case" weniger als 560°C. Diese Reaktionstemperatur liegt somit un­ terhalb der Zündtemperatur für Wasserstoff. Im zweiten Teil­ bereich ist aufgrund der bereits im ersten Teilbereich er­ folgten Reduzierung der Konzentration auf einen Wert unter­ halb der Zündkonzentration eine wesentlich höhere Reaktions­ temperatur ermöglicht, bevorzugt größer 560°C, insbesondere 800°C.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß durch mindestens zwei unterschiedliche Teil­ bereiche der Katalysatoranordnung eine besonders sichere, insbesondere ohne Zündung, und eine besonders aktive kataly­ tische Rekombination sowohl bei hochexplosiven Gasgemischen (hohe H₂-Konzentration bis 15 Vol.%) als auch bei weniger ex­ plosiven Gasgemischen (niedrige H₂-Konzentration von ca. 1 Vol.%) erreicht ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Rekombinationseinrichtung zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff und/oder Kohlenmon­ oxid mit Sauerstoff in einem Gasgemisch mit einer Katalysatoranordnung,

Fig. 2 einen Ausschnitt II aus Fig. 1,

Fig. 3 den funktionalen Verlauf der Konzentration und der Reaktionstemperatur in Abhängigkeit vom Strömungs­ weg entlang der Katalysatoranordnung,

Fig. 4 eine alternative Rekombinationseinrichtung zur ka­ talytischen Rekombination von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid mit Sauerstoff in einem Gasgemisch mit einer Katalysatoranordnung, und

Fig. 5 einen Ausschnitt V aus Fig. 4.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Rekombinationseinrichtung 1 gemäß Fig. 1 und die Rekom­ binationseinrichtung 1' gemäß Fig. 4 sind jeweils zur kata­ lytischen Rekombination von Wasserstoff und/oder Kohlenmon­ oxid mit Sauerstoff in einem Gasgemisch, nämlich in der Con­ tainment-Atmosphäre eines nicht näher dargestellten Kern­ kraftwerks bei einem Störfall, vorgesehen.

Die Rekombinationseinrichtung 1 umfaßt eine Mehrzahl von Ka­ talysatoranordnungen 2, die annähernd parallel in einem Ab­ stand von höchstens 20 mm zueinander angeordnet sind. Je nach Art und Funktion der Rekombinationseinrichtung 1 kann auch eine einzelne Katalysatoranordnung 2 vorgesehen sein. Darüber hinaus können mehrere gleichartige oder verschiedenartige Ka­ talysatoranordnungen 2 vorgesehen sein.

Die Katalysatoranordnungen 2 sind in einem Gehäuse 4 angeord­ net. Das Gehäuse 4 ist dabei derart ausgebildet, daß der Re­ kombinator 1, 1' im Betriebsfall für das Gasgemisch in freier Konvektion durchströmbar ist. Dazu bildet das Gehäuse 4 ent­ lang einer im wesentlichen vertikalen, durch den Pfeil 5 an­ gedeuteten Vorzugsrichtung einen Schacht. Der in Folge der Wärmeentwicklung bei der Rekombination des Gasgemischs im Be­ reich der Katalysatoranordnung 2 verursachte Auftrieb bewirkt im Betriebsfall der Rekombinationseinrichtung 1, 1' eine Überkompensation des Druckabfalls für das Gasgemisch, so daß in Folge einer Kaminwirkung des schachtartig ausgestalteten Gehäuses 4 eine Durchströmung des Gasgemischs durch die Re­ kombinationseinrichtung 1, 1' ohne äußere Hilfs- oder An­ triebsmittel einsetzt. Der schachtartig ausgebildete Teil des Gehäuses 4 weist dabei eine Höhe zwischen 0,2 und 2 m zur Kompensation der verursachten Druckverluste auf. Für ein be­ sonders günstiges Konvektionsverhalten weist das Gehäuse 4 zudem zweckmäßigerweise ein Höhen-zu-Tiefen-Verhältnis zwi­ schen 0,3 und 10 auf.

Die Rekombinationseinrichtung 1, 1' ist derart ausgestaltet, daß auch bei den in Folge der Wärmefreisetzung bei der Rekom­ bination von Wasserstoff im Bereich der Katalysatoranordnun­ gen 2 auftretenden hohen Temperaturen eine Zündung zündfähi­ gen Gasgemischs im Bereich außerhalb der Rekombinationsein­ richtung 1, 1' sicher vermieden ist. Dazu weist jede Kataly­ satoranordnung 2 in Strömungsrichtung des Gasgemischs gesehen mindestens zwei Teilbereiche - einen ersten Teilbereich T1 und einen zweiten Teilbereich T2 - auf. Je nach Art und Funk­ tion der Rekombinationseinrichtung 1, 1' können auch mehr als zwei Teilbereiche vorgesehen sein.

Für die katalytische Rekombination umfaßt jede Katalysatoran­ ordnung 2 sowohl im ersten Teilbereich T1 als auch im zweiten Teilbereich T2 einen Katalysatorkörper 6, der ein für die Re­ kombination geeignetes katalytisch aktives Material umfaßt. Als katalytisch aktives Material kann dabei insbesondere ein Edelmetall, eine Mischung aus Edelmetallen oder auch eine An­ ordnung aus Edelmetallfolien vorgesehen sein. Als Edelmetall sind dabei insbesondere Platin und/oder Palladium vorgesehen.

Um eine Zündung des insbesondere im Einströmbereich hochex­ plosiven Gasgemischs zu vermeiden, ist der Katalysatorkörper 6 im ersten Teilbereich T1 von einer Drosselschicht 8 zur Hemmung der Diffusion der zu- und/oder abströmenden Reakti­ onsgase umgeben. In dem zweiten Teilbereich T2 sind die Reak­ tionsgase dem Katalysatorkörper 6 unmittelbar zugänglich. Da­ bei wird das Gasgemisch im ersten Teilbereich T1 entlang der Drosselschicht 8 und im zweiten Teilbereich T2 entlang des Katalysatorkörpers 6 geführt.

Die katalytische Rekombination in dem in Strömungsrichtung des Gasgemischs gesehen ersten Teilbereich T1 erfolgt auf­ grund der den Katalysatorkörper 6 umgebenden Drosselschicht 8 gedrosselt. D. h. in dem ersten Teilbereich T1 wird bevorzugt das Zuströmen der Reaktionsgase, z. B. CO, H₂, O₂, CO₂, ge­ hemmt, so daß nur eine Teiloxidation durchgeführt wird. Die wiederum bewirkt, daß die katalytische Rekombination gebremst und somit die Reaktionstemperatur niedrig, insbesondere un­ terhalb von 560°C, gehalten wird. Die Länge des Teilbereichs T1 ist maßgeblich bestimmt durch die Konzentration des zu­ strömenden Reaktionsgases. Insbesondere wird der Gehalt des im Gasgemisch geführten Wasserstoffs im ersten Teilbereich T1 durch katalytische Oxidation auf weniger als 5 Vol.% redu­ ziert.

Somit strömt in die nachfolgende katalytische Zone, d. h. in den zweiten Teilbereich T2, ein Gasgemisch ein, dessen Kon­ zentration am Reaktionsgas unterhalb der Zündkonzentration liegt. Dies führt bevorzugt dazu, daß das Gasgemisch im zwei­ ten Teilbereich T2 dem Katalysatorkörper 6 unmittelbar zu­ gänglichen ist. Dabei ist der zweiter Teilbereich T2 kataly­ tisch aktiver als der Teilbereich T1, indem der Katalysator­ körper 6 im zweiten Teilbereich T2 katalytisch aktiveres Ma­ terial umfaßt. Die Reaktionstemperatur im zweiten Teilbereich T2 beträgt demzufolge mehr als 560°C. Die beiden Teilberei­ che - erster Teilbereich T1 und zweiter Teilbereich T2 - er­ möglichen wie dargelegt katalytisch unterschiedlich aktive Zonen, wodurch eine mehrstufige katalytische Oxidation der Reaktionsgase ermöglicht ist. Je nach Stärke der katalyti­ schen Aktivität kann der zweite Teilbereich T2 zusätzlich von einer nicht dargestellten Flammensperreinrichtung ummantelt sein.

Um auch bei sogenannten Aufwinden des zuströmenden Gasge­ mischs mit besonders hohen Geschwindigkeiten eine homogene Rekombination, insbesondere eine mehrstufige Oxidation, zu gewährleisten, ist in Anströmrichtung des Gasgemisches der Katalysatoranordnungen 2 ein Aufwindschutz 10 angeordnet. Der Aufwindschutz 10 vergrößert besonders vorteilhaft die Quer­ schnittsfläche am Eingang der Rekombinationseinrichtung 1 auf das 1- bis 5-fache.

Um bei einer möglicherweise auftretenden Strömungsumkehr in­ nerhalb der Rekombinationseinrichtung 1, 1' - bei sogenannten Abwinden - einen besonders sicheren Betrieb zu erreichen, ist in Abströmrichtung des Gasgemisches am oberen Ende des Gehäu­ ses 4 ein Abwindschutz 12 vorgesehen. Der Abwindschutz 12 dient gleichzeitig als Gehäusedach und damit als tropfenab­ weisende Begrenzung für die Rekombinationseinrichtung 1, 1'. Somit ist auch beim Betrieb eines Spraysystems oberhalb der Rekombinationseinrichtung 1, 1' ein Direkteintrag von Flüs­ sigkeitstropfen in die Rekombinationseinrichtung 1, 1' ver­ mieden.

Darüber hinaus umfaßt die Rekombinationseinrichtung 1, 1' in Strömungsrichtung des Gasgemischs gesehen unterhalb des Ab­ windschutzes 12 einen Filter 14. Dieser Filter 14, der den Katalysatoranordnungen 2 innerhalb des Gehäuses 4 nachge­ schaltet ist, dient der Filterung von groben Partikeln. Bei­ spielsweise ist der Filter 14 aus einem Geflecht dünner Dräh­ te aufgebaut. Das Geflecht weist dabei eine Maschenweite auf, die unter Berücksichtigung des Druckverlustes in der Re­ kombinationseinrichtung 1, 1' und der erforderlichen Abschei­ deleistung besonders klein, bevorzugt kleiner als 800 µm, ge­ wählt ist. Als weiteres Auslegungskriterium bei der Dimensio­ nierung der Maschenweite ist zudem berücksichtigt, daß am Filter 14 keine Abscheidung von Katalysatorgiften, wie Aero­ solen oder Kolloiden erfolgen soll. Der Filter 14 ist viel­ mehr derart dimensioniert, daß Aerosole oder Kolloide quanti­ tativ und ohne nennenswerte Abscheideverluste penetrieren können. Eine Verblockungsgefahr aufgrund sich ablagernder Aerosole oder Kolloide ist somit sicher vermieden.

Das Gehäuse 4 weist darüber hinaus einen Isoliermantel 16 auf. Beispielsweise kann der Isoliermantel 16 in der Art ei­ ner Doppelmantelausführung als Luftspalt ausgebildet sein. Alternativ kann auch ein zwischen zwei Mantelschichten ange­ ordneter temperatur- und strahlungsbeständiger Isolierstoff vorgesehen sein. Ein Austritt von Strahlung durch den Iso­ liermantel 16 ist somit sicher vermieden. Insbesondere ist der in einem Temperaturbereich von mehr als 500°C relevante Wärmetransport durch die Ausgestaltung des Isoliermantels 16 in einem hohen Maße unterbunden. Eine Zündung des das Gehäuse 4 umgebenden Gasgemischs (Containment-Atmosphäre) aufgrund einer hohen Gehäusetemperatur ist somit sicher vermieden.

Fig. 2 zeigt eine Katalysatoranordnung 2 gemäß Fig. 1 mit einem Katalysatorkörper 6. Die Katalysatoranordnung 2 ist plattenförmig ausgebildet und besitzt eine Gesamtdicke von höchstens 1 cm, insbesondere bei einer keramischen Ausfüh­ rung. Vorzugsweise beträgt die Gesamtdicke ca. 0,3 mm. Der erste Teilbereich T1 umfaßt die Drosselschicht 8, die den Ka­ talysatorkörper 6 umgibt. Die Drosselschicht 8 ist dabei als poröse Deckschicht ausgebildet, die auf den Katalysatorkörper 6 aufgetragen ist. Die Porigkeit der Drosselschicht 8 bewirkt eine Bindung der zuströmenden Reaktionsgase und somit eine Begrenzung der katalytischen Reaktion auf geringe Teilmengen pro Flächeneinheit im ersten Teilbereich T1. Der zweite Teil­ bereich T2 weist darüber hinaus eine Anreicherung an beson­ ders aktiven katalytischen Material auf, das beispielsweise als eine Schicht 18 auf den Katalysatorkörper 6 aufgetragen ist. Diese örtlich begrenzte Anreicherung von katalytisch ak­ tivem Material unterstützt die Startfunktion der Katalysato­ ranordnung 2. Die Schicht 18 enthält dabei insbesondere Pla­ tin oder Palladium. Alternativ kann das katalytisch aktive Material auch in der Oberfläche des Katalysatorkörpers 6 an­ geordnet sein.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist minde­ stens im Einströmbereich des ersten Teilbereichs T1 eine Te­ flonbeschichtung 20 auf der Drosselschicht 8 vorgesehen, die den Zutritt der Reaktionsgase nur geringfügig behindert. Durch die örtliche Begrenzung der Teflonbeschichtung 20 kann eine reaktionsrelevante Adsorption von Wasser innerhalb der Poren- oder Drosselschicht 8 vermieden und somit eine Verbes­ serung der Frühstartfähigkeit (passiver Reaktionsstart) er­ zielt werden.

Die Fig. 3 zeigt den funktionalen Verlauf der H₂-Konzentra­ tion K und der Reaktionstemperatur T in Abhängigkeit vom Strömungsweg des Gasgemischs entlang der Katalysatoranordnung 2 für den erwähnten "worst case". Im Betrieb der Katalysator­ anordnung 2 wird die H₂-Konzentration K im ersten Teilbereich T1 von deutlich über 10 Vol.% auf mindestens 5 Vol.% durch katalytische Oxidation reduziert, wobei die Reaktionstempera­ tur T im ersten Teilbereich T1 unterhalb von 560°C bleibt und somit die Zündtemperatur des Reaktionsgases an der Kata­ lysatoranordnung 2 unterschreitet.

Im zweiten Teilbereich T2 steigt die Reaktionstemperatur T aufgrund der höheren katalytischen Aktivität an, insbesondere wird die Zündtemperatur von 560°C überschritten. Da jedoch die Konzentration K im zweiten Teilbereich T2 deutlich unter­ halb der Zündkonzentration von größer 5 Vol.% liegt, ist eine Entzündung des Gasgemischs sicher vermieden. Die in der Fig. 3 dargestellten Funktionsverläufe sind charakteristisch so­ wohl für die Rekombinationseinrichtung 1 gemäß Fig. 1 als auch für die Rekombinationseinrichtung 1' gemäß Fig. 4.

Fig. 4 zeigt die Rekombinationseinrichtung 1' mit einer al­ ternativen Katalysatoranordnung 2. Dabei sind der erste Teil­ bereich T1 und der zweite Teilbereich T2 getrennt voneinander angeordnet. Der erste Teilbereich T1 umfaßt dabei eine Mehr­ zahl von parallel zueinander angeordneten Katalysatorkörpern 6, die von der Drosselschicht 8 gemeinsam umgeben sind. Dazu ist die Drosselschicht 8 eine lose Schüttung, in welche die Katalysatorkörper 6 angeordnet sind. In Abhängigkeit von der Art und der Funktion der Rekombinationseinrichtung 1' können mehrere gleichartige erste Teilbereich 1 vorgesehen sein, die wie in Fig. 4 dargestellt in Strömungsrichtung des Gasge­ mischs gesehen zueinander parallel unter Bildung eines Zwi­ schenraums 22 angeordnet sind. Alternativ können auch ver­ schiedenartige Teilbereiche T1, T2 alternierend angeordnet sein.

Der zweite Teilbereich T2 umfaßt ebenfalls eine Mehrzahl von Katalysatorkörpern 6, die dem ersten Teilbereich T1 nachge­ schaltet sind. Dabei sind die Katalysatorkörper 6 in Strö­ mungsrichtung des Gasgemischs gesehen parallel zueinander an­ geordnet. Je nach Art und Funktion der Rekombinationseinrich­ tung 1' kann es sich bei den Katalysatorkörpern 6 des ersten Teilbereichs T1 und des zweiten Teilbereichs T2 hinsichtlich der katalytischen Aktivität um gleichartige Katalysatoren handeln. Die Katalysatorkörper 6 können aber auch innerhalb des ersten Teilbereichs T1 und/oder des zweiten Teilbereichs T2 durch verschiedene katalytische Materialien in der kataly­ tischen Aktivität variieren.

Zur Rekombination des Gasgemischs durchströmt dieses zum ei­ nen die beiden ersten Teilbereiche T1 und gelangt mit gerin­ gerer H₂-Konzentration in den Zwischenraum 22. Zum anderen gelangt gleichzeitig über eine zwischen den beiden ersten Teilbereichen T1 angeordnete Zuführung 24 ungereinigtes Gas­ gemisch in den Zwischenraum 22. In dem Zwischenraum 22 wird das ungereinigte Gasgemisch mit dem bereits gereinigten Gas­ gemisch vermischt, wodurch eine bestimmte H₂-Konzentration ausgangsseitig im Zwischenraum 22 eingestellt ist, die bevor­ zugt unterhalb der Zündkonzentration von 5 Vol.% liegt. Das aus dem Zwischenraum 22 ausströmende Gasgemisch wird an­ schließend im zweiten Teilbereich T2 entlang der Katalysator­ körper 6 zur weiteren katalytischen Oxidation geleitet.

In der Zuführung 24 ist ein Gitter 26 angeordnet, welches die Zuströmung von ungereinigtem Gasgemisch begrenzt. Als Gitter 26 dient beispielsweise ein Drahtgeflecht. Es können aber auch mehrere Drahtgeflechte oder Metallgitter hintereinander geschaltet werden, wodurch eine besonders kleine Spaltweite von höchstens 100 µm, vorzugsweise ca. 2 µm, erreicht ist.

Hierdurch werden auch feine Partikel wie Katalysatorgifte, insbesondere Aerosole, quantitativ penetriert.

Fig. 5 zeigt die geschüttete Drosselschicht 8 gemäß Fig. 4. Die geschüttete Drosselschicht 8 weist vorzugsweise eine Korngröße von 1 bis 10 mm, insbesondere von 1 bis 5 mm, auf. Dabei weist in Strömungsrichtung des Gasgemischs gesehen (durch den Pfeil 28 angedeutet) die Drosselschicht 8 im Ein­ strömbereich E eine größere Korngröße auf als im Ausströmbe­ reich A. Hierdurch ist die Drosselschicht 8 besonders diffu­ sionshemmend und flammsperrend ausgeführt.

Claims (15)

1. Rekombinationseinrichtung zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid mit Sauerstoff in ei­ nem Gasgemisch, bei der mindestens eine Katalysatoranordnung (2) in einem im Betriebsfall für das Gasgemisch durchströmba­ ren Gehäuse (4) angeordnet ist, wobei die Katalysatoranord­ nung (2) in Strömungsrichtung des Gasgemisches gesehen mehre­ re Teilbereiche (T1, T2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in An­ strömrichtung der erste Teilbereich (T1) einen Katalysator­ körper (6) mit einer umgebenden Drosselschicht (8) zur Hem­ mung der Diffusion der zu- und/oder abströmenden Reaktions­ gase umfaßt, und der sich an den ersten Teilbereich (T1) an­ schließende zweite Teilbereich (T2) mindestens einen den Re­ aktionsgasen unmittelbar zugänglichen Katalysatorkörper (6) umfaßt.

2. Rekombinationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kata­ lysatorkörper (6) im zweiten Teilbereich (T2) eine höhere Ak­ tivität besitzt als der Katalysatorkörper (6) im ersten Teil­ bereich (T1).

3. Rekombinationseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kata­ lysatorkörper (6) im zweiten Teilbereich (T2) ein plattenför­ miges Trägerblech, das mit einem Katalysatormaterial be­ schichtet ist, umfaßt.

4. Rekombinationseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kata­ lysatormaterial ein katalytisches Edelmetall, insbesondere Platin oder Palladium, enthält.

5. Rekombinationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Teilbereich (T1) die Drosselschicht (8), die insbesondere po­ rös ausgebildet ist, eine Schüttung ist, in welche der Kata­ lysatorkörper (6) angeordnet ist.

6. Rekombinationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Teilbereich (T1) die Drosselschicht (8) auf den Katalysator­ körper (6) als poröse Deckschicht aufgetragen ist.

7. Rekombinationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichartige Katalysatoranordnungen (2) parallel zueinander angeordnet sind.

8. Rekombinationseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kata­ lysatoranordnungen (2) plattenförmig ausgebildet sind, je­ weils eine Gesamtdicke von höchstens 1 cm, vorzugsweise 0,3 mm, besitzen und nebeneinander mit einem gegenseitigen Abstand von weniger als 20 mm angeordnet sind.

9. Rekombinationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in An­ strömrichtung des Gasgemisches am Vorderende der Katalysator­ anordnung (2) ein Aufwindschutz (10) vorgesehen ist.

10. Rekombinationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Ab­ strömrichtung des Gasgemisches am Ende der Katalysatoranord­ nung (2) ein Abwindschutz (12) angeordnet ist.

11. Verfahren zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid mit Sauerstoff in einem Gasgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß die Re­ kombination in einem in Strömungsrichtung ersten Teilbereich (T1) an einem von einer Drosselschicht (8) umgebenden Kataly­ satorkörper (6) durchgeführt und dann in einem zweiten Teil­ bereich (T2) an einem dem Gasgemisch unmittelbar zugänglichen Katalysatorkörper (6) durchgeführt wird, wobei im ersten Teilbereich (T1) der Gehalt des im Gasgemisch geführten Was­ serstoffs durch Oxidation auf weniger als 5 Vol.% reduziert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das ge­ samte Gasgemisch im ersten Teilbereich (T1) durch die Dros­ selschicht (8) durchgeleitet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das ge­ samte Gasgemisch im ersten Teilbereich (T1) entlang der Dros­ selschicht (8) geführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Teilbereich (T1) die Reaktionstemperatur (T) niedriger ist als im zweiten Teilbereich (T2).

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Teilbereich (T1) die Reaktionstemperatur (T) weniger als 560°C und/oder im zweiten Teilbereich (T2) die Reaktionstem­ peratur (T) mehr als 560°C beträgt.