DE68908592T2 - Abgasrekombinator. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasrekombinator zum Züruckführen von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen in Gasen, die von einem Kondensator einer Dampfmaschine wie einer Dampfturbine und ähnlichem abgesaugt wurden, in Wasser durch Umsetzung des Wasserstoff- und des Sauerstoffgases.
• Bei einer Dampfmaschine wird zum Verringern des Gegendrucks verwendeter Wasserdampf durch einen Kondensator abgekühlt, um den Dampf wieder in Wasser zurückzuführen, und das kondensierte Wasser wird wiedergewonnen, um es wieder zu verwenden. In diesem Fall verringert sich der Vakuumgrad im Kondensator, wenn der Wasserdampf mit Luft oder, durch die Zersetzung des Wasserdampfs erzeugten, Wasserstoff- oder Sauerstoffgasen gemischt wird, was den thermischen Wirkungsgrad der Dampfmaschine negativ beeinflußt. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist daher eine Luftabsaugung 31 an den Kondensator 30 der Dampfmaschine angeschlossen, um Luft, Wasserstoff- und Sauerstoffgase oder ähnliches vom Kondensator 30 abzusaugen.
• Da der Dampf, der für eine Dampfturbine in einem Atomkraftwerk verwendet wird, Tritium und ähnliches enthält, können abgesaugte Gase nicht wie sie sind an die umgebende Atmosphäre abgegeben werden. Daher wird, um zu bewirken, daß sich das Volumen der abgesaugten Gase verringert, nachdem die Gase durch einen Abgasvorwärmer 32 vorgewärmt wurden, bewirkt, daß Wasserstoff- und Sauerstoffgase miteinander reagieren, um Wasserdampf zu erzeugen, der dann in einem Abgaskondensator 34 kondensiert wird, um ihn wieder zu verwenden.
• Für einen derartigen Abgasrekombinator 33 ist im allgemeinen eine Einheit verwendet worden, die einen großen Tank gefüllt mit Pelletkatalysatoren umfaßt, von denen jeder poröse Tonerdepellets enthält, die auf ihren Oberflächen Katalysatoren tragen. Bei einem derartigen bisher verwendeten Rekombinator müssen die gefüllten Schichten jedoch dick oder voluminös sein, um ausreichende Reaktionseffizienz zu erzielen. Derartige dicke gefüllte Schichten weisen verschiedene Nachteile insofern auf, als die Druckverluste höher werden, die Vorrichtung unvermeidlich groß wird und die Pelletkatalysatoren gerüttelt werden, sodaß sie aneinanderstoßen und pulverisiert werden, was zu einer Beeinträchtigung der Katalysatoren führt, und die Konstruktion zum Füllen der Pelletkatalysatoren kompliziert wird.
• Die GB-A-1,115,815 offenbart einen Kühlmittelreiniger für einen Kernreaktor, der ein vertikales Gefäß aufweist, das Adsorbensabschnitte für durch Wärmeaustauscher abgetrennte Kernspaltungsprodukte enthält.
• Es ist ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Abgasrekombinator zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise beseitigt, z.B. mit weniger Druckverlusten ohne Katalysatorpulverisierung und -beeinträchtigung verursacht durch Gasflüsse arbeitet und eine einfache Konstruktion aufweist und als Ganzes kompakt ist.
• Der Abgasrekombinator gemäß vorliegender Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt.
• Mit dem Begriff "Strömungsausrichtung" wie hierin verwendet ist gemeint, daß Gasströme konditioniert werden, um aus ihnen stetige parallele Ströme zu machen, ohne daß irgendeine Störung verursacht wird.
• Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und Ansprüche in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden werden.
• Fig. 1 ist ein Beispiel eines Blockdiagramms einer Kondensationsbearbeitungsabfolge;
• Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform des Abgasrekombinators gemäß vorliegender Erfindung darstellt; und
• Fig. 3 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Raumgeschwindigkeiten und Wasserstoffumwandlungsgrad darstellt.
• Auf Fig. 2 Bezug nehmend, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt, umfaßt die Vorrichtung ein vertikales zylindrisches Gefäß 1, das ein unteres Ende mit verringertem Durchmesser, einen am unteren Ende vorgesehenen Einlaß 2 für abgesaugtes Gas und einen am oberen Ende des Gefäßes 1 vorgesehenen Abgasauslaß 3 aufweist.
• Ein durch einen Abgasvorwärmer 32 wie oben beschrieben auf eine Temperatur von etwa 140ºC vorgewärmtes abgesaügtes Gas wird in den Einlaß 2 für abgesaugtes Gas zugeführt. Das abgesaugte oder Abgas wird im Gefäß 1 durch Erwärmen auf eine hohe Temperatur von etwa 350ºC durch die Reaktionswärme behandelt und wird vom Abgasauslaß 3 durch eine Auslaßrohrleitung in den Abgaskondensator 34 zugeführt.
• Bei dem dargestellten Abgasrekombinator gemäß vorliegender Erfindung hat das Gefäß 1 einen Durchmesser, der im wesentlichen dem der Auslaßrohrleitung entspricht, wodurch Druckverlust vermieden wird, der ansonsten in einem Gefäß mit einem Auslaß mit verringertem Durchmesser nach dem Stand der Technik auftreten würde.
• Im vertikalen zylindrischen Gefäß 1 sind Bienenwabenstrukturen 4 zum Ausrichten von Gasströmen und Bienenwabenkatalysatoren 5 in Schichten vorgesehen. Die bei dieser Ausführungsform verwendete Bienenwabenstruktur 4 ist zylindrisch und umfaßt darin rechteckige oder quadratische Zellen, deren Höhe im Bereich von 1,7 bis 5,9 mm liegt. Sie trägt keinen Katalysator. Die Bienenwabenstruktur 4 umfaßt eine Anzahl von sich in axialen oder vertikalen Richtungen erstreckenden Durchgangsöffnungen, die von den Zellen gebildet werden, um Strömungsausrichtung in parallele Ströme des durch den Abgaseinlaß 2 hineinfließenden Gasstroms vorzunehmen.
• Andererseits ist der Bienenwabenkatalysator 5 eine Bienenwabenstützstruktur aus Kordierit, die auf ihren Oberflächen mit Tonerde beschichtet ist, auf der der Katalysator wie Platin, Palladium oder ähnliches getragen wird, um Wasserstoff- und Sauerstoffgase zu kombinieren. Die Konzentration von Platin, Palladium oder ähnlichem als der Wirkbestandteil liegt im Bereich von 0,5-3 g/lit.
• Wie die Bienenwabenstruktur 4 umfaßt der Bienenwabenkatalysator 5 darin rechteckige oder quadratische Zellen mit einer Höhe von 1,7 bis 5,9 mm. Die axiale Länge des Bienenwabenkatalysators 5 ist viel länger als jene der Bienenwabenstruktur 4. Um die Bienenwabenstruktur 4 und den Bienenwabenkatalysator 5 leicht als einen Satz auszutauschen, ist das Gefäß 1 an Flanschen 6 in eine Mehrzahl von Teilen trennbar ausgeführt.
• Heizkörper 7 sind an äußeren Umfangsoberflächen des Gefäßes 1 vorgesehen, sodaß die Innentemperatur des Gefaßes 1 durch eine Ein/Aus-Steuerung der Heizkörper 7 konstantgehalten wird, wodurch eine stabile Reaktion erreicht wird.
• Unter Verwendung des Rekombinators wird ein abgesaugtes Gas, das beispielsweise 3,2 Vol.-% Wasserstoffgas und 1,6 Vol.-% Sauerstoffgas enthält, durch den Luftabsauger 31 vom Hauptkondensator 30 erhalten. Das abgesaugte Gas wird im Abgasvorwärmer 32 auf etwa 140ºC vorgewärmt und wird dann durch den Einlaß 2 für abgesaugtes Gas in das Gefäß 1 eingebracht. Das abgesaugte Gas wird durch die Bienenwabenstruktur 4 einer Strömungsausrichtung in parallele Ströme unterworfen und geht dann durch den über der Bienenwabenstruktur 4 angeordneten Bienenwabenkatalysator 5 hindurch. Während eines derartigen Hindurchgehens durch den Bienenwabenkatalysator 5 werden die Wasserstoff- und Sauerstoffgase im abgesaugten Gas miteinander durch die Wirkung des Katalysators rekombiniert, um sie in Wasserdampf umzuwandeln. Der Wasserdampf wird dann durch die Auslaßrohrleitung, die an den Abgasauslaß 3 am oberen Ende des Gefäßes 1 angeschlossen ist und im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie das Gefäß 1 hat, in den Abgaskondensator 34 zugeführt. Der Wasserdampf wird im Abgaskondensator 34 kondensiert, und das kondensierte Wasser wird dann in das ursprüngliche Umlaufsystem zurückgeführt.
• Die Leistung des Abgasrekombinators dieser Art wird durch %-Grad an Wasserstoffumwandlung eingeschätzt. In diesem Fall ist der Grad an Wasserstoffumwandlung durch (H&sub2;-Konzentration an der Einlaßseite - H&sub2;-Konzentration an der Auslaßseite)/H&sub2;-Konzentration an der Einlaßseite (%) gegeben. Wie in Fig. 3 gezeigt, betrug der Grad an Wasserstoffumwandlung beim erfindungsgemäßen Abgasrekombinator 99,99%, wenn die Raumgeschwindigkeit 15x10&sup4; l/h betrug und auch wenn die Raumgeschwindigkeit 21,6x10&sup4; l/h betrug. Wenn die Raumgeschwindigkeit 28,8x10&sup4; l/h betrug, betrug der Grad an Wasserstoffumwandlung 99,19%.
• In Figur 3 durch einen weißen Kreis gezeigte Daten gelten für den Fall, daß das Gefäß 1 horizontal ist. Innerhalb eines Bereichs der Raumgeschwindigkeit von weniger als 21,6x10&sup4; l/h wies die Vorrichtung vom horizontalen Typ im wesentlichen die gleiche Wirkung auf wie die Vorrichtung vom vertikalen Typ. Im Fall der Raumgeschwindigkeit von 28,8x10&sup4; l/h verringerte sich der Wasserstoffumwandlungsgrad mit der Vorrichtung vom horizontalen Typ auf 93,7%. Der Grund, weshalb die Vorrichtung vom vertikalen Typ dem horizontalen Typ überlegen ist, basiert vermutlich auf der Tatsache, daß vertikal fließende Wasserstoffgase in der Vorrichtung vom vertikalen Typ ausreichender miteinander gemischt werden, als beim horizontalen Typ, da die Wasserstoffgase leichter als die Luft sind.
• Nichtsdestoweniger kann, obwohl die Erfindung durch das oben beschriebene vertikale Gefäß veranschaulicht worden ist, stattdessen ein horizontales zylindrisches Gefäß verwendet werden.
• Bei der dargestellten Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung sind die Bienenwabenstrukturen 4 und die Bienenwabenkatalysatoren 5 im vertikalen zylindrischen Gefäß 1 vorgesehen, ohne daß irgendwelche beweglichen Elemente angeordnet sind, wie bei dem Gefäß wie nach dem Stand der Technik verwendet. Daher tritt kein Zusammenstoßen und keine Pulverisierung der Katalysatoren auf und somit kommt es kaum zu deren Beeinträchtigung.
• Darüber hinaus werden die in den am unteren Ende der Vorrichtung vorgesehenen Einlaß 2 für abgesaugtes Gas eingebrachten Gase der Strömungsausrichtung in parallele Ströme ausgesetzt und gehen dann durch die Durchgangsöffnungen der Bienenwabenkatalysatoren 5 in der Form von Bienenwabenstrukturen hindurch. Auf diese Art kann die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung die Druckverluste auf die Größenordnung von 1/50 jener des Standes der Technik verringern.
• Wie durch die Daten der Ausführungsformen gezeigt, kann durch das Merkmal der Erfindung in Verbindung mit dem Gefäß 1 in der Form eines vertikalen Zylinders ein hoher Grad an Wasserstoffumwandlung erreicht werden. Auch wenn der Durchmesser des Gefäßes 1 im wesentlichen gleich dem der Auslaßrohrleitung ausgebildet ist, kann die Vorrichtung ausreichend Leistung als ein Rekombinator aufweisen. Daher ist es möglich, die gesamte Vorrichtung auf eine Größe von weniger als 1/50 jener des Standes der Technik zu verringern. Darüber hinaus können, da der Abgasrekombinator von kleinem Typ ist, eine Vielzahl von Vorrichtungen parallel zueinander angeordnet sein, sodaß, wenn Katalysatoren einer Vorrichtung beeinträchtigt sind, die Vorrichtung sofort durch eine andere Vorrichtung ersetzt werden kann.
• Wie aus der obigen Erklärung zu entnehmen ist, kann der Abgasrekombinator gemäß vorliegender Erfindung einen hohen Grad an Wasserstoffumwandlung innerhalb des Bereichs hoher Raumgeschwindigkeit mit geringeren Druckverlusten beibehalten, ohne jegliche durch Gasströme verursachte Pulverisierung und Beeinträchtigung von Katalysatoren zu verursachen, sodaß die Vorrichtung eine einfache Konstruktion aufweist und im Ganzen kompakt ist. Daher schaltet die erfindungsgemäße Vorrichtung alle Nachteile des Standes der Technik aus und trägt wesentlich zur Entwicklung von Industrien bei. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur für Dampfturbinen in Atomkraftwerken, sondern auch in Kondensationsprozeßabfolgen von allgemeinen Dampfkraftmaschinen verwendet werden.
• Die Erfindung ist zwar im speziellen unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon veranschaulicht worden, Fachleute werden jedoch verstehen, daß die obigen und andere Veränderungen in Gestalt und Details daran vorgenommen werden können.

Claims (9)

1. Abgasrekombinator, der einen zylindrischen Behälter (1) mit einem Gaseinlaß (2) an einem Ende und einem Auslaß (3) an seinem anderen Ende aufweist, wobei zumindest eine Bienenwabenanordnung (4) im genannten zylindrischen Behälter ihre Durchgänge in der axialen Richtung des Behälters (1) zur Strömungsausrichtung von Gasen aufweist, die durch den Gaseinlaß (2) in den Behälter fließen, und zumindest eine Bienenwabenkatalysatorstütze (5) im genannten Behälter (1) an ihren Oberflächen einen Katalysator trägt, der die Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser katalysiert, wobei die genannte Katalysatorstütze (5) stromabwärts von der strömungsausrichtenden Bienenwabenanordnung (4) angeordnet ist.

2. Abgasrekombinator nach Anspruch 1, worin eine Vielzahl von Einheiten, die jeweils aus einer genannten strömungsausrichtenden Bienenwabenanordnung (4) und einer genannten Bienenwabenkatalysatorstütze (5) stromabwärts von der strömungsausrichtenden Bienenwabenanordnung (4) bestehen, so angeordnet sind, daß sie eine Vielzahl von Stufen bilden.

3. Abgasrekombinator nach Anspruch 2, worin der genannte Behälter (1) an Abschnitten, die Flansche (6) aufweisen, in eine Vielzahl von Teilen trennbar ausgeführt ist, deren Anzahl gleich der Anzahl der Einheiten ist, wodurch ein leichtes Auswechseln der Einheiten ermöglicht wird.

4. Abgasrekombinator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der genannte Behälter (1) einen Durchmesser aufweist, der im wesentlichen dem Durchmesser der Auslaßrohrleitung gleich ist, die an den genannten Auslaß (3) angeschlossen ist, um die den Behälter verlassenden Gase in einen Kondensator einzubringen.

5. Abgasrekombinator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die genannte strömungsausrichtende Bienenwabenanordnung (4) zylindrisch ist und ihre Zellen einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe im Bereich von 1,7-5,9 mm aufweisen.

6. Abgasrekombinator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die genannte Bienenwabenkatalysatorstütze (5) aus Kordierit besteht und an ihrer Oberfläche mit Tonerde beschichtet ist, um den Katalysator zu tragen.

7. Abgasrekombinator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die genannte Bienenwabenkatalysatorstütze (5) zylindrisch ist und ihre Zellen einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe im Bereich von 1,7-5,9 mm aufweisen.

8. Abgasrekombinator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin der genannte Behälter (1) an seinem äußeren Umfang mit Heizeinrichtungen (7) versehen ist, um die Innentemperatur konstant zu halten.

9. Abgasrekombinator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin der genannte zylindrische Behälter (1) vertikal liegt, wobei der genannte Einlaß (2) sich an seinem unteren Ende befindet.