KR100503816B1 - 가스 혼합물내의 수소를 재결합시키기 위한 장치 - Google Patents

가스 혼합물내의 수소를 재결합시키기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 혼합물내의 수소를 재결합시키기 위한, 특히 원자력 발전소에 사용하기 위한 장치(1, 1')에 관한 것이다. 상기 장치가 작동하는 동안에는 가스 혼합물의 의도치 않은 점화가 특히 신뢰할만한 방식으로 방지된다. 상기 장치는 본 발명에 따라, 장치가 작동될 때 자유 대류 방식으로 순환할 수 있는 가스 혼합물이 관류하는 하우징(4)내에 배치된 촉매 장치(2)를 포함하며, 상기 촉매 장치에는 불꽃 차단 장치(8)가 할당된다. 이 때 상기 불꽃 차단 장치(8)내에 바람직하게 침전물 트랩(14)이 통합됨으로써, 촉매 장치(2)로부터 분리된 뜨거운 촉매 입자들이 가스 혼합물의 흐름 방향을 거슬러서 배출되는 것이 확실하게 피해진다.

Description

가스 혼합물내의 수소를 재결합시키기 위한 장치{DEVICE FOR RECOMBINING HYDROGEN IN A GAS MIXTURE}
본 발명은 가스 혼합물내에 있는 수소를 재결합시키기 위한 장치, 특히 원자력 발전소용 장치에 관한 것이다.
원자력 발전소에서, 발생하지 않을수도 있지만, 장애 또는 사고가 발생하는 경우, 예를 들어 코어 가열로 인해 지르코늄의 산화가 발생할 수 있다. 이러한 경우에는, 원자로 심(reactor core)을 둘러싸는 안전용기 또는 격납용기 내에서의 수소 가스 및 일산화탄소의 형성 및 방출을 고려해야만 한다. 그 결과로서 격납용기 내부에서는 폭발성 가스 혼합물이 형성될 수 있다.원자력 발전소의 격납용기내에서 상기와 같은 폭발성 가스 혼합물의 형성을 방지하기 위해, 다양한 장치 또는 방법이 논의되었다. 상기 장치 또는 방법에는 예를 들어 촉매 재결합기, 촉매 작용 및 전기에 의해서 작동되는 점화 장치와 같은 장치 또는 전술한 상기 2개 장치들이 조합된 장치 그리고 격납용기를 영구적으로 또는 순차적으로 불활성화시키는 방법이 있다.
격납용기의 분위기로부터 수소를 제거하기 위해 촉매 작용 재결합기를 사용하는 경우는, 수소와 산소의 재결합이 특히 초기에 무불꽃 방식으로 달성되어야 한다. 이 경우에는, 유독한 수소 연소작용의 결과로서 나타나는 심각한 압력 증가가 확실히 방지되어야 한다. 이를 위해, 격납용기 분위기에서 오랜시간 체류했더라도, 실제로 활성도를 상실하지 않고, 낮은 대기 온도에서 수동으로(passively) 작동하며 조기에 작동하는 적절한 재결합 장치가 (예비공개되지 않은) 독일 특허 출원서 제 196 36 557.0호에 제안되어 있다. 이러한 형태의 재결합 장치에 의해서는, 예를 들어 격납용기-분위기의 증기-비활성화 단계에서 점화 없이도 수소의 "원활한(smooth)" 재결합이 가능해진다. 수소와 산소의 재결합을 위한 촉매 시스템은 미국 특허 제 5,167,908호에도 개시되어 있다.
유럽 공개 특허 출원서 제 0 436 942호에는, 외부 온도에 따라 자동으로 개방되는 하우징 보호 장치를 갖춘 재결합 시스템이 공지되어 있다. 그와는 달리, 재결합 시스템의 준비 상태에서는 하우징 보호 장치가 폐쇄됨으로써, 촉매작용하는 재결합기의 표면 오염이 방지된다.
대조적으로 유럽 공개 특허 출원서 제 0 416 140호에 공지된 재결합 장치에서는 필터 매체가 제공되는데, 이 필터 매체는 예를 들어 에어로졸과 같이 대기 환경으로부터 방출되는 오염물질을 저지하여 재결합 장치의 촉매를 오염으로부터 보호한다.
유럽 공개 특허 출원서 제 0 388 955호에는, 수소의 연소를 조절하기 위한 점화 장치가 추가로 제공된 재결합 장치가 공지되어 있다.
각각의 공지된 재결합기 시스템은, 부품들의 치수가 매우 작으면서도 재결합기의 성능이 매우 우수하고 오염 방지 능력이 높게 설계되었다. 또한 가스 혼합물내의 수소를 재결합시키기 위한 장치를 원자력 발전소에 사용하기 위해서는, 원자력 발전소의 안전에 악영향을 미치는 효과들이 발생되지 않도록 보장되어야 한다. 수소를 재결합시키기 위해 사용되는 촉매 장치가 재결합의 결과로 가열되고, 상기 장치의 온도 상승으로 인해 원자력 발전소의 격납용기 분위기에서 가스 혼합물의 원치않는 점화가 야기될 수 있다는 사실을 고려해야 한다.
도 1은 가스 혼합물내의 수소를 재결합시키기 위한 장치의 개략도,
도 2는 가스 혼합물내의 수소를 재결합시키기 위한 선택적인 장치의 개략도,
도 3은 도 2의 절단면(III),
도 4는 도 2의 절단면(IV).
본 발명의 목적은, 작동중에 가스 혼합물의 원치않는 점화가 특히 확실하게 방지될 수 있는, 가스 혼합물내의 수소를 재결합시키기 위한 장치, 특히 원자력 발전소의 격납용기-분위기를 위한 장치를 제공하는 것이다.
서문에 언급한 방식의 장치를 위한 상기 목적은 본 발명에 따라, 동작 상태에서 가스 혼합물이 자유 대류 방식으로 관류할 수 있는 하우징내에 배치된 관련 촉매 장치에 불꽃 차단 장치가 할당됨으로써 달성되며, 상기 불꽃 차단 장치는 가스 혼합물을 유입시키기 위해 제공된, 0.2mm 내지 최대 3mm의 평균 크기를 갖는 다수의 유입 개구부를 포함한다.
이 경우 "자유 대류 방식"이란 용어는 특히, 촉매 장치의 부근에서 수소의 재결합에 의해 야기되는 가스 혼합물의 국부적인 온도 증가가, 재결합 장치를 통과하는 가스 혼합물의 흐름이 외부 구동장치 없이 이루어질 수 있도록, 재결합 장치내의 압력 손실을 과도하게 보상하는 부력(lift)을 야기한다는 것을 의미한다. 이 경우에는, 하우징이 대략 수직으로 배치된 샤프트 형태로 구성됨으로써, 동작 상태에서 가스 혼합물의 흐름을 보조하기 위한 굴뚝 효과가 나타난다.유입 개구부의 치수를 설정함으로써 불꽃 차단 장치의 기능이 보장되며, 이 경우에는 예를 들어, 에어로졸과 같은 보다 작은 입자가 자유롭게 통과할 수 있다. 따라서, 예를 들어 에어로졸과 같은 작은 입자에 의한 막힘 위험이 확실하게 방지된다. 따라서, 재결합 장치를 통과하는 가스 혼합물의 흐름 특성과 관련된 압력 손실은 오랜 작동 시간 후에도 낮게 유지된다. 적절히 선택된 흐름 표면과 더불어 이와 같은 방식의 치수설정에 의해서는, 수소의 재결합율과 관련하여 유입되는 가스 혼합물의 흐름 속도에 바람직하게 재결합 장치를 설계할 수 있다.
본 발명은, 재결합 동안 발생되어 방출되는 불꽃에 의해서, 재결합 장치 부근에서 가스 혼합물의 원치않는 점화가 발생할 수 있다는 인식으로부터 출발한다. 이와 같은 원치 않는 점화를 확실하게 방지하기 위해서, 하우징으로 둘러싸인 재결합 장치의 내부 공간은 상기 장치의 외부 공간으로부터 폭발과 관련하여 분리되어야 한다. 이러한 목적을 위해 불꽃 차단 장치가 제공된다. 이 경우, 불꽃 차단 장치는, 특히 가스 혼합물의 흐름 방향과 반대 방향으로 이루어지는 불꽃 전파가 확실하게 방지되도록 배치되어야 한다.
불꽃 차단 장치는 하우징을 완전히 또는 부분적으로 둘러싸는 천공된 플레이트 또는 격자로서 형성될 수 있다. 불꽃 차단 장치는 바람직하게 촉매 장치 앞에 접속될 수 있다.
재결합 장치를 둘러싸는 가스 혼합물의 원치않는 점화를 매우 확실하게 방지하기 위해서, 촉매 장치 앞에 바람직하게 침전물 트랩이 접속된다.
이와 관련하여, 놀랍게도 소위 "표류하는(stray)" 뜨거운 촉매 입자라도 재결합 장치를 둘러싸는 가스 혼합물의 점화에 기여할 수 있다. 재결합 장치가 동작중에 있거나 또는 정지 상태에 있는 경우에도, 촉매 장치로부터 입자가 분리될 수 있다. 상기 분리된 촉매 입자는 수소의 재결합시 방출되는 열로 인해 높은 온도를 가질 수 있어, 예를 들어 재결합 장치의 주변에서 점화가능한 가스 혼합물 내부로 입자가 유입될 때 점화를 야기할 수 있다. 재결합 장치로부터 배출되는 표류하는 촉매 입자에 의한 상기와 같은 점화를 확실하게 방지하기 위해 침전물 트랩이 제공된다. 침전물 트랩은 목적에 맞게 불꽃 차단 장치내에 통합된다.
재결합 장치를 둘러싸는 가스 혼합물이 표류하는 뜨거운 촉매 입자에 의해 점화되는 것을 방지하기 위해, 바람직하게 상기 침전물 트랩은 하우징속으로 유입되는 가스 혼합물에 의해서 냉각될 수 있다. 이는 침전물 트랩상에 충돌하는 작열하는 촉매 입자를 간단한 방식으로 즉시 확실하게 냉각시킨다.
재결합 장치의 하우징은 바람직하게 가스 혼합물용 배출 개구부 상부에 하우징 지붕을 포함한다. 가스 혼합물이 자유 대류 방식으로 흐르게하는데 있어 특히 바람직한 샤프트 형태의 하우징은, 촉매 장치상에 직접적으로 작용하는 물방울 없이, 상부에 배치된 스프레이 장치와 조합하여 사용될 수도 있다. 따라서, 촉매 장치상에서 물방울의 직접적인 작용의 결과로서 이루어지는 촉매 입자의 제거는 근소한 정도로만 이루어질 수 있다.유입 개구부의 평균 크기는 바람직하게 최대 2mm이다.
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재결합 장치 외부에서 가스 혼합물의 점화를 매우 확실하게 방지하기 위해서, 촉매 장치 및 불꽃 차단 장치에 의해 제한된 폭연 부피는 재결합기 샤프트 또는 샤프트 형태 하우징의 부피와 관련하여, 바람직하게 재결합기 샤프트 부피의 약 20% 보다 작은 것이 바람직하다. 이 경우에, 상기 폭연 부피는 불꽃 길이를 바람직하게 최대 0.3m로 제한하거나, 또는 촉매 장치와 불꽃 차단 장치 사이의 평균 간격을 최대 0.3m로 제한한다.
재결합 반응으로 가열된 가스 혼합물에 의해 굵은(coarse) 입자가 재결합 장치로부터 배출되는 것을 방지하기 위해, 바람직하게 촉매 장치는 앞에 굵은 입자 트랩이 접속된다. 이 경우, 굵은 입자 트랩은, 한편으로는 촉매 장치로부터 분리된 표류하는 촉매 입자가 재결합 장치로부터 배출되는 것을 효과적으로 차단하고, 다른 한편으로는 온도 균일화를 위해 굵은 입자 트랩의 영역에서 가스 혼합물의 혼합 작용이 이루어지도록 설계될 수 있다. 굵은 입자 트랩의 치수는, 예를들어 대기중의 에어로졸과 같이 작은 크기의 입자가 자유롭게 관통될 수 있도록 설정된다. 이 경우, 대기중의 에어로졸의 필터링은 필요치 않으며, 그 이유는 특별히 촉매 장치에서의 열영동 또는 온도에 의해 유도되는 반발력에 의해 에어로졸의 침전이 상당히 방지되기 때문이다. 따라서, 에어로졸에 의한 막힘 위험이 확실하게 방지되어, 결과적으로 재결합 장치내에서의 자유 대류를 방해하는 압력 손실은 재결합 장치가 장시간 동작하더라도 낮게 유지된다. 따라서, 재결합 장치를 통과하는 가스 혼합물의 유동률은 오랜 동안의 작동 동안에도 악영향을 받지 않는다. 이를 위해, 굵은 입자 트랩은 바람직하게 적어도 0.1mm, 바람직하게는 적어도 0.2mm 내지 최대 1mm의 평균 갭 폭을 갖는 다수의 관통 개구부를 포함한다. 이 경우 굵은 입자 트랩은 단층 스크린 플레이트로서 또는 다층 스크린 장치 혹은 섬유 장치로서도 형성될 수 있거나 또는 상기 2가지의 조합 형태로서 형성될 수 있다.
재결합 장치의 표면 온도를 재결합 장치를 둘러싸는 가스 혼합물의 점화 온도 이하의 범위로 제한하기 위해서, 하우징은 바람직하게 절연 케이스를 포함한다. 이 경우에는, 에어 갭 또는 온도에 안정적이고 광선에 안정적인 절연 재료가 이중 케이스 스타일 형태로 제공될 수도 있다. 또한, 광선에 의한 열전달을 줄이기 위해, 하우징 내부 표면은 추가로 금속 코팅될 수 있다. 이 경우 상기 내부 표면은, 특히 500℃ 이상의 온도 범위에서 광선에 의한 관련 열전달을 적게 유지하는 3차원 미러 효과를 형성되도록 연마될 수 있다.
재결합 장치로부터 배출되는 가스 혼합물을 재결합 장치를 둘러싸는 가스 혼합물의 점화 온도 이하의 온도로 냉각시키기 위해, 촉매 장치 뒤에는 바람직하게 촉매 장치로부터 배출되는 가스 혼합물에 대기 환경을 혼합하기 위한 혼합 영역이 형성된다. 혼합 영역은 바람직하게 흐름 방향으로 굵은 입자 트랩의 뒤에에 배치된다. 이 경우, 혼합을 위해서는 바람직하게, 하우징 내부를 흐르는 가스 혼합물에 대기 환경을 공급하기 위한 다수의 갭 개구부가 하우징내에 제공된다.
재결합 장치를 둘러싸는 가스 혼합물의 원치않는 점화를 특히 신뢰할만하게 방지하기 위해, 상기 재결합 장치는 수소의 재결합에 의해 가열되는, 촉매 장치로부터 흐르는 가스 혼합물이 재결합 장치를 둘러싸는 가스 혼합물의 점화 온도 이하의 온도를 갖도록 설계된다. 이를 위해, 촉매 장치 뒤에는 바람직하게 스태틱 믹서가 접속되는데, 이 믹서는 촉매 장치로부터 배출되는 가스 혼합물의 온도 균일화를 야기한다. 이경우, 국부적으로 특히 높은 온도로 가열된 가스 혼합물 부분이 국부적으로 특히 낮은 온도로 가열된 가스 혼합물의 부분과 혼합됨으로써, 높은 최대 온도가 방지된다.
특히 가스 혼합물내에 보유되는 수소의 효율적인 재결합을 위해, 촉매 장치는 촉매 방식으로 활성화되는 재료로서 바람직하게 백금 및/또는 팔라듐을 포함한다. 바람직하게 촉매 장치는 대략 플레이트 형태의 다수의 촉매 바디를 포함하며, 인접한 2개의 촉매 바디는 각각 서로에 대해 적어도 0.8cm 내지 최대 3cm의 평균 간격으로 배치된다. 부피가 적은 경우에도 높은 재결합율에 도달되도록 하기 위해, 바람직하게 각각의 촉매 바디의 양측면이 반응 표면을 형성하면서 촉매 재료로 코팅되어, 이 경우 상기 가스 혼합물은 각각의 촉매 바디의 전면 및 후면의 반응 표면을 거쳐 제공될 수 있다.
촉매 바디는 바람직하게 하나의 공통 지지부내에 지지된다. 따라서 재결합 장치는 특히 저렴한 조립 비용 및 설치 비용으로 제조될 수 있다. 이 경우에는, 상기 지지부가 바람직하게 우수한 열전도성을 가짐으로써, 매우 간단한 방식으로 촉매 장치의 영역에서 온도의 균일화가 보장된다.
촉매 장치로부터 배출되는 가스 혼합물의 온도를 재결합 장치를 둘러싸는 가스 혼합물의 점화 온도 이하의 온도로 특히 신뢰성있는 방식으로 유지하기 위해서, 촉매 장치는 가스 혼합물에 보유된 수소 성분만을 산화시키도록, 특히 가스 혼합물내에 보유된 수소를 70% 미만, 바람직하게는 50% 미만으로 산화시키도록 설계되는 것이 바람직하다.
하우징이 가스 혼합물의 흐름 방향으로 바람직하게 적어도 0.4m, 바람직하게는 적어도 1m 내지 최대 2m의 길이를 가짐으로써, 재결합 장치 내부에서 특히 신뢰할만한 대류 흐름이 달성될 수 있다.
본 발명에 의해 달성된 장점은 특히, 촉매 장치 앞에 접속된 불꽃 차단 장치에 의해 수소 재결합시 방출되는 열로 인해 발생되는 불꽃이 재결합 장치 외부 공간 영역으로 전파되는 것이 피해진다는 점이다. 불꽃 차단 장치의 치수를 적절히 설정함으로써, 특히 압력 손실을 낮추는 재결합 장치의 설계가 가능해지며, 그 결과 재결합 장치는 자유 대류 방식으로 그리고 그에 따라 간단한 수단에 의해 동작할 수 있게 된다. 또한 촉매 장치 앞에 접속된, 바람직하게는 불꽃 차단 장치내에 통합된 침전물 트랩에 의해서, 재결합 장치 외부의 공간 영역으로 분리되는 표류하는 뜨거운 촉매 입자가 확실하게 방지된다. 따라서, 재결합 장치의 외부 공간 영역에서 의도치 않은 점화가 방지되는 가운데, 점화가능한 분위기에서 재결합 장치의 불꽃없는 작동이 가능해진다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 하기에서 자세히 설명된다.
동일한 부분은 도면에서 동일한 도면 부호로 표기된다.
도 1에 따른 장치(1) 및 도 2에 따른 장치(1')는 각각 가스 혼합물내의 수소를 재결합시키기 위해 제공되는 것으로, 즉 장애 발생시, 상세하게 도시되지 않은 원자력 발전소의 오염 분위기에 제공된다. 이를 위해 상기 장치(1. 1')는 촉매 장치(2)를 각각 하나씩 포함하며, 상기 촉매 장치내에서 수소의 재결합에 적합한, 촉매방식으로 활성화되는 재료가 자세하게 도시되지 않은 방식으로 지지 장치상에 제공된다. 이 경우 촉매방식으로 활성화되는 재료로서는 특히 귀금속으로 이루어진 혼합물 또는 귀금속 박막 구조물이 제공될 수 있다. 이 경우 귀금속으로는 특히 백금 및/또는 팔라듐이 제공된다.
촉매 장치(2)는 대략 플레이트 형태로 서로에 대해 적어도 0.8cm 내지 최고 3cm의 간격을 두고 거의 평행하게 배치된 다수의 촉매 바디(3)를 포함한다. 이 경우 촉매 바디(3)는 고체 플레이트로서 실시되거나 또는 플레이트 형상으로 구조물을 보유하는 헐거운 충전재(loose filling)로 구성될 수 있다.
각각의 촉매 바디(3)는 반응 표면을 형성하면서 양측면이 촉매 재료로 코팅되며, 이 경우 가스 혼합물은 각각의 촉매 바디(3)의 전면 및 후면의 반응 표면을 거쳐 제공될 수 있다. 특히 간단한 조립을 위해서, 촉매 바디(3)는 삽입 랙(push-in rack)으로 구성되고 높은 열전도성을 갖는 공통의 지지부에서 유지된다.
촉매 장치(2)는 하우징(4)내에 배치된다. 이 경우 하우징(4)은 동작 상태에서 가스 혼합물이 자유 대류 방식으로 장치(1, 1')를 통해 흐를 수 있도록 형성된다. 이를 위해 하우징(4)은 화살표(6)로 표시된 거의 수직의 바람직한 방향을 따라 샤프트를 형성한다. 장치(1, 1')가 동작 상태에 있는 경우, 촉매 장치(2)의 영역에서 가스 혼합물의 재결합 동안 발생되는 열로 인한 부력(lift)이 가스 화합물에 대한 압력 강하를 과보상함으로써, 장치(1, 1')를 통과하는 가스 혼합물의 흐름은 샤프트형 하우징의 굴뚝 효과의 결과로서 외부 보조 장치 또는 구동 장치 없이 개시된다. 이 경우 샤프트형으로 형성된 하우징의 부분은 야기되는 압력 손실을 보상하기 위해서 0.5m 내지 2.5m의 굴뚝 높이를 가진다. 또한 특히 바람직한 대류 특성을 위해, 하우징(4)은 바람직하게 0.3 내지 10의 높이 대 깊이의 비율을 갖는다.
장치(1, 1')는, 촉매 장치(2)의 영역에서 수소의 재결합 동안 열방출로 인해 야기되는 고온에서도, 장치(1, 1') 외부 영역에서 점화가능한 가스 혼합물의 점화를 신뢰성있게 방지하도록 구성된다. 이를 위해 촉매 장치(2)에는 불꽃 차단 장치(8)가 할당된다. 도 1에 따른 실시예에서, 불꽃 차단 장치(8)는 하우징(4)을 완전히 둘러싸는 와이어 격자로서 형성된다. 선택적으로, 천공된 플레이트가 제공될 수도 있다.
도 2에 따른 실시예에서, 불꽃 차단 장치(8)는 촉매 장치(2) 앞에 접속된다. 이 경우, 불꽃 차단 장치(8)는 촉매 장치(2)까지의 평균 간격이 0.3m 미만이도록 흐름 방향으로 촉매 장치(2) 앞측에 배치된다. 따라서, 촉매 장치(2) 및 불꽃 차단 장치(8)에 의해 제한된 부피는 그곳에서 형성되는 불꽃을 0.3m 미만의 불꽃 길이로 제한된다.
도 2에 따른 실시예에서, 불꽃 차단 장치(8)는 다수의 불꽃 필터(10)를 포함하며, 도 3에는 이중 하나의 불꽃 필터만이 도시되어 있다. 실시예에서 각각의 불꽃 필터(10)는 가스 혼합물을 위한 다수의 유입 개구부(12)가 형성된 천공된 금속 베이스 바디(11)로 구성되며, 이는 도 4의 절단면에 도시되어 있다. 이 경우, 베이스 바디(11)는 섬유 천(cloth), 특히 금속 섬유천으로 이루어진 층(13)으로 커버된다. 이러한 방식으로 형성된 불꽃 필터(10)는 상기 필터를 통과하는 가스 혼합물의 균질화에도 기여한다.
불꽃 필터(10) 각각의 금속 베이스 바디(11)의 천공은 예를 들어 라운드형, 슬롯형 또는 사각형으로 이루어질 수 있다. 선택적으로 다른 형상의 천공도 가능하다. 모든 유입 개구부(12)에 의해 규정되는 모든 불꽃 필터(10)의 사용가능한 영역(free area)에 대한 합은 적어도 촉매 장치(2)의 자유 유입 단면보다 크며, 바람직하게는 약 1배 내지 3배 크다.
각각의 불꽃 필터(10)의 특히 큰 표면에 대해, 각각의 베이스 바디(11)에는 다양한 주름(fold) 및/또는 굽힘부(bend)가 제공되어, 대략 별 형상의 단면이 얻어진다. 또한 불꽃 필터(10)의 베이스 바디(11)의 천공에 의해 나타나는 유입 개구부(12)의 갭 폭은 수소 농도와 관련된 예상되는 구성에 따라 조절된다. 예를 들어, 수소-농도가 10 체적%에 이르는 경우, 장치(1)의 내부를 장치 주변부와 폭발과 관련하여 분리하기 위해, 예를 들어 최대 2mm의 갭 폭이 제공된다. 반대로, 설계시에 수소-농도가 10 체적% 이상인 경우, 갭 폭은 1mm 미만이다. 또한, 이 경우 불꽃 필터(10)의 금속 베이스 바디(11)의 천공 갭 폭은, 불꽃 필터(10)상에 콜로이드 또는 에어러졸이 침전되는 것을 충분히 방지하는 치수로 설정된다. 따라서, 동작중에는 장치(1)의 막힘이 확실히 방지된다.
불꽃 필터(10)의 금속 베이스 바디(11)내에 제공된 유입 개구부(12)의 갭 폭의 치수를 설정하는데 있어 또다른 설계 기준으로서 고려해야 하는 것은, 가스 혼합물이 점화되는 경우에는 장치(1')의 하우징(4) 내부에서 증가하는 압력이 약 100 hPa 미만으로 유지되어야 하며, 그럼으로써 장치(1')의 손상이 확실하게 방지된다. 이를 위해, 불꽃 필터(10)의 금속 베이스 바디(11)내에 있는 유입 개구부(12)의 갭 폭 치수는, 상기와 같은 점화 발생시 충분한 완화 단면이 제공되도록 설정된다.
도 2에 따른 실시예에서, 불꽃 차단 장치(8)에는 침전물 트랩(14)이 통합된다. 이를 위해, 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 각각의 불꽃 필터(10)는, 직접적으로 또는 액체 방울을 통해 V자-형태의 종단면을 갖는 불꽃 필터(10) 내부에 도달하는 입자가 필터의 바닥 영역에 침전되도록 형성된다. 이 경우 침전된 액체는 배출 개구부(15)를 통해 자세하게 도시되지 않은 배출 장치에 이르게 된다.
또한 침전물 트랩(14)은 다수의 트랩 플레이트(16)를 포함하며, 각각의 불꽃 필터(10)의 유입 덕트(duct) 위에 하나씩 배치된다. 선택적으로 또는 추가적으로 가스 혼합물의 흐름 방향에서 볼때, 침전물 트랩(14)은 촉매 장치(2) 앞에 배치된 와이어 망상조직(netting)을 포함할 수 있다. 포획된 입자 크기를 고려하여 침전물 트랩(14)을 설계하는 경우에는, 물리적인 이유에서 약 100㎛ 이상의 입자 크기를 갖는 촉매 입자가 주로 가스 혼합물의 점화에 기여한다는 사실이 고려된다. 촉매 장치(2)로부터 분리되는 상기 입자 크기보다 더 큰 표류하는 뜨거운 촉매 입자가 침전물 트랩(14)에 의해 가스 혼합물의 흐름 방향과 반대로 하우징(4)으로부터 흘러나가는 것이 확실히 방지된다. 침전물 트랩(14) 및 불꽃 차단 장치(8)는 하우징(4) 내부로 유입되는 가스 혼합물에 의해서 냉각될 수 있다.
촉매 장치(2)는, 장치(1, 1') 내부로 유입되는 가스 혼합물내에 보유된 수소 함량이 50% 미만으로 산화되도록 설계된다. 따라서, 산화에 의해 방출된 열량으로부터 야기되는 가스 혼합물의 온도 상승은 제한된다. 따라서, 촉매 장치(2)로부터 배출되는 가스 혼합물의 온도는 명백하게 장치(1, 1') 부근에서 대기 점화 온도 이하로 유지된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가스 혼합물내에서 나타나는 최대 온도를 보다 제한하기 위해, 가스 혼합물의 흐름 방향으로 촉매 장치(2) 뒤에 하우징(4)내에는 스태틱 믹서(17)가 배치된다. 이 경우, 예를 들어 다수의 믹싱 플레이트(18)를 포함하는 스태틱 믹서(17)는, 관류하는 가스 혼합물을 혼합하거나 와류(swirling)를 만들기 위해 이용된다. 이러한 혼합 또는 와류 형성은 하우징(4) 내부의 단면에 걸쳐 가스 혼합물 온도를 균일화시킨다. 이 경우, 촉매 바디에 대한 공간적인 근접함 때문에 높은 온도로 가열되는 영역내의 가스 혼합물은 촉매 바디(3)로부터의 비교적 큰 공간 간격으로 인해 비교적 차가운 영역내의 가스 혼합물과 혼합된다. 이는 보다 높게 가열된 영역내의 가스 혼합물의 온도를 효율적으로 감소시켜, 가스 혼합물에 대해 예정가능한 온도 범위 한계값 미만으로 확실하게 감소시킨다.
하우징(4) 내부에서 촉매 장치(2) 다음에는 굵은 입자 트랩(20)이 접속된다. 도 2에 따른 실시예에서, 스태틱 믹서(17) 뒤에 접속된 굵은 입자 트랩(20)은 실시예에서 얇은 와이어의 망상조직으로 형성된다. 이 망상 조직은 관통 개구부(21)를 형성하며, 와이어 천의 메시 폭은 장치(1, 1')의 압력 손실 및 요구되는 침전 능력을 고려하여, 800㎛ 보다 작게 선택된다. 또한 메시 폭의 치수를 결정할 때 고려되는 다른 설계 기준은, 굵은 입자 트랩(20)상에 콜로이드 또는 에어로졸이 침전되어서는 안된다는 점이다. 굵은 입자 트랩(20)은 오히려, 에어로졸 또는 콜로이드가 침전에 의한 손실 없이 그리고 정량으로 관통될 수 있도록 설계된다. 따라서, 침전되는 에어로졸 또는 콜로이드에 의한 막힘 위험이 확실하게 피해진다. 따라서 장치(1, 1')를 통과하는 유동율은 오랜 동작 시간에서도 크게 영향을 받지 않는다. 이 경우, 굵은 입자 트랩(20)의 메시 폭은 0.1mm 이상, 특히 0.2mm 내지 0.8mm이다. 선택적으로, 굵은 입자 트랩(20)은 또한 메시 폭이 넓은 다수의 와이어 망상 조직의 시리즈를 포함할 수 있다. 이 경우에, 각각의 와이어 망상 조직의 메시 폭은 1mm 보다 크게 선택될 수도 있다.
굵은 입자 트랩(20) 및 촉매 장치(2) 뒤에는, 촉매 장치(2)로부터 배출되는 가스 혼합물에 대기 환경을 혼합하기 위한 혼합 영역(24)이 접속된다. 이를 위해, 하우징(4)은 혼합 영역(24)에 다수의 슬롯 개구부(26)를 포함한다. 촉매 장치(2)로부터 배출되는 가스 혼합물과 대기 환경이 혼합됨으로써, 가스 혼합물의 온도는 대기 환경의 점화 온도 이하의 값으로 확실하게 떨어질 수 있다.
장치(1, 1')의 하우징(4) 단부 영역에는 가스 혼합물을 위한 배출 개구부(28)가 제공된다. 이 경우, 배출 개구부(28)가 하우징(4) 측방으로 배치됨으로써, 장치(1, 1')가 거의 수직으로 배치된 경우에는, 가스 혼합물이 거의 수평 방향으로 배출된다. 하우징(4)의 배출 개구부(28) 위에는 하우징 지붕(30)이 제공된다. 이 경우, 하우징 지붕(30)은 장치(1, 1')를 위한 방수 제한부로서의 역할을 함으로써, 스프레이 시스템이 장치(1, 1') 상부에서 동작하더라도 액체 방울이 장치(1, 1') 속으로 직접 유입되는 것을 방지한다. 따라서, 상기 방식의 스프레이 시스템을 사용하더라도, 촉매 입자가 촉매 장치(2)로부터 제거되는 것이 확실히 방지된다.
도 2에 따른 실시예에서 하우징(4)은 절연 케이스(32)를 포함한다. 실시예에서 절연 케이스(32)는 이중 케이스 방식으로 에어 갭으로서 형성된다. 선택적으로, 2개의 케이스층 사이에 배치되는 온도 및 광선에 안정적인 절연 재료가 제공될 수도 있다. 방사에 의해 이루어지는 하우징(4) 내부 영역으로부터 하우징 외부 영역으로의 열전달을 감소시키기 위해, 절연 케이스(32) 내부면의 표면은 미러 효과가 형성되도록 연마된다. 따라서, 절연 케이스(32)를 통한 광선의 배출이 확실하게 피해진다. 이러한 형태의 절연 케이스(32)에 의해, 500℃ 이상의 온도 범위에서 방사에 의한 관련 열전달이 상당히 저지된다. 이러한 형태의 절연 케이스(32)가 제공된 장치(1')는, 동작중에, 500℃ 이하의 하우징 외부 온도를 갖는다. 따라서, 하우징(4)을 둘러싸는 가스 혼합물이 하우징 외부의 고온으로 인해 점화되는 것이 확실히 방지된다.

Claims (21)

  1. 가스 혼합물내의 수소를 재결합시키는 장치로서,
    동작하는 동안에 가스 혼합물이 자유 대류 방식으로 관류할 수 있는 하우징(4)내에 배치된 촉매 장치(2)에 불꽃 차단 장치(8)가 할당되며, 상기 불꽃 차단 장치(8)는 상기 가스 혼합물의 유입을 위해 적어도 0.2mm 내지 최대 3mm의 평균 크기를 갖는 다수의 유입 개구부(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 불꽃 차단 장치(8)는 상기 촉매 장치(2) 앞에 접속되는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 장치(2) 바로 앞에 침전물 트랩(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 침전물 트랩(14)은 상기 불꽃 차단 장치(8)내에 통합되는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 하우징(4) 내로 유입되는 상기 가스 혼합물은 상기 침전물 트랩(14)을 냉가시키는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하우징(4)은 상기 가스 혼합물을 위한 배출 개구부(28) 위에 배치되는 하우징 지붕(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 유입 개구부(12) 각각은 최대 2mm의 평균 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 장치(2) 및 상기 불꽃 차단 장치(8)에 의해 제한되는 부피가 불꽃의 길이를 최대 0.3m로 제한하는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 장치(2)와 상기 불꽃 차단 장치(8)의 평균 간격은 최대 0.3m인 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 장치(2) 뒤에 배치되는 굵은 입자 트랩(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 굵은 입자 트랩(20)은 적어도 0.1mm의 평균 갭 폭을 갖는 다수의 관통 개구부(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하우징(4)은 절연 케이스(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 장치(2)의 뒤에 배치된, 상기 촉매 장치(2)로부터 배출되는 가스 혼합물과 대기 환경이 혼합되는 혼합 영역(24)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 장치(2) 뒤에 배치되는 스태틱 믹서(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 장치(2)는 촉매방식으로 활성화되는 재료로서 적어도 백금 또는 팔라듐중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 장치(2)는 대략 플레이트 형상인 다수의 촉매 바디(3)를 포함하며, 인접한 두개의 상기 플레이트 형상의 촉매 바디(3)는 서로 적어도 0.8cm 내지 최대 3cm의 평균 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 촉매 바디(3) 각각의 양측면상에 반응 표면을 형성하면서 촉매 재료가 코팅되며, 상기 가스 혼합물은 상기 플레이트 형상의 촉매 바디(3)의 전면 반응 표면 및 후면 반응 표면을 거쳐 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 플레이트 형상의 촉매 바디(3)는 우수한 열전달 능력을 갖는 공통 지지부내에서 지지되는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  19. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 장치(2)는 상기 가스 혼합물내에 보유된 수소 성분만을 산화시키는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치.
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하우징은 상기 가스 혼합물의 흐름 방향으로 적어도 0.4m의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 수소 재결합 장치 장치.
  21. 삭제
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