KR20000064828A - 수소 가스를 함유한 공기의 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소를 신속하고 안전하게 처리하기 위해서 수소 가스가 발생되어 축적되기 쉬운 원자로 격납용기의 내부와 같은 영역에서 사용되는 수소 가스를 함유한 공기의 처리장치에 관한 것이다.

원자로 격납용기의 수소 가스를 함유한 공기의 처리장치는 공기 흡기구 (33) 와 배기구 (35) 가 제공되어 있으면서 가스 통로가 설치된 하우징 (31), 상기 가스 통로에 위치된 촉매 베드 (37) 및 상기 촉매 베드에 또는 상기 촉매 베드에 인접하게 위치된 히터 (39) 를 구비한다. 상기 촉매 베드는 판상 촉매 또는 벌집형 촉매로 이루어지고, 전기 히터로 가열됨으로써 활성화된다. 수소 가스를 함유한 공기내의 수소와 산소는 유동해서 접촉 베드와 접촉하고, 상호 재결합함으로써 수소 가스는 공기로부터 제거된다.

Description

수소 가스를 함유한 공기의 처리장치

기술분야

본 발명은 수소 가스를 함유한 공기의 처리장치에 관한 것으로, 특히 원자로 격납용기내의 공기에 함유된 수소 가스를 안전하게 처리하기 위한 장치에 관한 것이다.

배경기술

수소 가스가 공기에 함유되어 있을 때, 수소와 산소는 공존해서 수소가 연소 반응을 시작하는 것을 용이하게 한다. 더욱이, 수소 농도가 소정치를 넘을 때, 수소가 산소와 폭발적으로 반응하므로, 수소 가스를 취급하거나 또는 수소 가스를 발생시키는 어떤 발전소에도 충분한 대응책이 마련되어야 있어야 한다. 예를 들어, 원자력 발전소에서 원자 코어가 과도하게 가열된다면, 원자로 연료의 연료 피복 튜브용으로 사용되는 지르코늄 기저 합금의 지르코늄등과 수증기는 상호 반응해서 다량의 수소 가스를 발생시킨다. 더욱이, 사고시 원자로 격납용기내의 섬프 (sump) 내로 유동하는 방사능 물질로 인한 물의 방사능 분해는 느리지만 장기간에 걸쳐 다량의 수소 가스를 발생시켜 원자로 격납용기내에 축적시킨다. 격납용기내의 공기의 수소 농도가 4％, 특히 6％ 를 넘을 때, 수소가 연소할 가능성이 있고, 만약 농도가 10％ 를 넘는다면 수소는 폭발적으로 연소할 것이다. 따라서, 안전성을 확보하기 위해서 수소 가스는 낮은 농도일 때 처리되어 제거되어야 하고, 농도가 높은 레벨까지 상승하도록 해서는 않된다.

상기 요구에 부응하도록, 전기적 수소 재결합 유니트, 점화형 수소 버너, 촉매작용 수소 재결합 유니트등이 제공되어, 개발중에 있거나 또는 사용되고 있다. 개략적으로 이들을 설명하면, 도 4 에 도시된 전기적 수소 재결합 유니트는 주로 수소 가스의 발생이 느리고 수소 농도가 4％ 이하인 곳에서 사용하였고, 재결합 유니트내로 흡입구 (3) 를 통해 수소와 공기의 가스 혼합물을 취함으로써 수소를 처리하고, 또한 수소와 산소가 전기 히터 (5) 와 재결합된 후에 배기구 (7) 로부터 배기 가스를 배출시킨다.

도 5 및 도 6 에 도시된 점화형 수소 버너 (10) 는 자유 공간에 장착되고, 히터 (13) 는 약 120V 의 전원 (11) 으로부터 전기가 공급되어 수소를 함유한 가스 혼합물을 점화해서 화염을 진행시킴으로써 수소 함유량을 연소시킨다. 더욱이, 점화형 수소 버너 (10) 는 히터 (13) 뿐만 아니라, 보호 하우징 (15), 전기 공급용 관 및 보호 우산 (19) 을 갖는다. 이 보호 우산 (19) 은 격납용기의 비상 냉각 스프레이에서 분무된 액적으로부터 히터 (13) 를 보호한다.

더욱이, 도 7 에 도시된 촉매작용 수소 재결합 유니트 (20) 는 증착된 촉매 물질로서 백금 또는 팔라듐을 수반한 다량의 판상 촉매로 이루어진 이동가능한 촉매 베드 (21), 흡기구 (23) 및 배기구 (25) 및 보호 하우징 (27) 으로 구성된다. 이때, 수소 가스가 놓여있는 격납용기에서 수소 가스가 발생될 때, 수소와 산소를 함유한 가스 혼합물은 자연 순환형태로 흡기구 (23) 를 통해 촉매 베드 (21) 로 유동한다. 수소와 산소는 촉매 베드 (21) 의 촉매 작용면상에서 재결합하고, 촉매 베드 (21) 는 반응열로 가열되며, 가스는 촉매 베드 (21) 를 통과할 때 고온 상태가 된다. 촉매는 가열됨으로써 활성화되고, 반응도 더욱 활성화된다. 그 후에, 가열된 뜨거운 배출 가스는 배기구 (25) 를 통해 배출되어 수소 가스의 처리는 완료된다.

전술한 전기적 수소 재결합에서, 연소 진행없이 재결합 반응하에서 실행됨으로써 처리가 느리고, 장치가 발생할지도 모르는 강한 연소로부터 장치를 보호하기 위해서 4％ 를 넘는 수소 농도를 갖는 가스 혼합물에는 실제적으로 사용될 수 없다는 문제점을 갖는다.

더욱이, 비록 점화형 수소 버너가 자유 공간내에서 짧은 시간동안 다량의 수소를 처리할 수 있더라도, 수소를 함유한 가스 혼합물이 직접 점화되면서 화염이 진행되기 때문에, 수소 농도가 화염이 연소를 전행시킬 수 있는 약 6％ 아래에 있을 때에는 수소가 처리될 수 없는 또 다른 문제점이 있다. 버너의 장점에도 불구하고, 그 사용은 다량의 수소 가스가 생산되는 비상 상황으로 제한되어야 하는데, 그 이유는 처리시 화염을 사용해서 안전 시스템 구성요소, 전기 공급 케이블 및 원자력 기계사용 시스템과 같은 다른 장비가 부작용을 받을 수 있는 위험이 있기 때문이다.

더욱이, 비록 촉매작용 수소 재결합 유니트가 가스 혼합물을 처리해서 낮은 농도에서 높은 농도까지 넓은 범위에 걸쳐 수소를 처리할 수 있더라도, 처리 속도가 너무 느려서, 단기간에 다량의 수소 가스가 발생될 때 발생된 수소 가스는 전체적으로 처리될 수 없어서, 높은 수소 농도가 발생하게 된다. 높은 수소 농도 상태에서의 점화는 폭연 (deflagration) 또는 폭발 (detonation) 을 야기함으로써 또 다른 문제를 일으킬 수 있다. 게다가, 다량의 수소 가스가 발생되는 경우와 같은 비상 상황에서, 다양한 종류의 물질이 격납용기내의 공기내에 함유되어 있고, 촉매는 촉매의 활성을 떨어뜨리도록 포함된 물질중의 유독 물질에 의해 파괴되어 수소 가스의 처리가 불가능하게 되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 수소 가스를 함유한 공기용 처리 장치를 제공하는 것에 있으며, 이 장치는 어떤 농도의 수소 가스 또는 가스 혼합물내에 포함된 다양한 종류의 유독 물질을 갖더라도 수소를 함유한 가스 혼합물 내의 수소를 확실하게 그라고 안전하게 처리할 수 있다.

발명의 개요

전술한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 수소 가스를 함유한 공기용 장치는 흡기구 및 배기구를 갖는 가스 통로를 설치한 하우징, 가스 통로에 위치된 촉매 베드 및 촉매 베드내에 또는 촉매 베드에 인접하게 위치된 히터를 구비한다. 촉매 베드가 판상 촉매로 이루어진 실시예에서, 전기 히터는 촉매를 관통해 연장해서 촉매 베드와 접촉하여 놓임으로써 위치될 수 있고, 촉매가 벌집형 촉매로 이루어진 또 다른 실시예에서, 전기 히터는 벌집형 촉매의 상류측에 또는 거기에 밀접하게 가스 통로에 위치될 수 있다.

도면의 간단한 설명

도 1 은 본 발명에 따른 실시예의 일반적 구성을 도시한 개략도.

도 2 는 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 도시한 단면 정면도.

도 3 은 도 1 의 선 Ⅲ-Ⅲ 을 따라 취한 수평 단면도.

도 4 는 종래 기술의 장치의 실시예를 도시한 일반적 투시도.

도 5 는 또 다른 종래 기술의 장치의 사시도.

도 6 은 도 5 의 부분을 도시한 확대도; 및

도 7 은 또 다른 종래 기술의 장치의 전개도.

본 발명의 실시예

첨부된 도면을 참조하여, 지금부터 본 발명의 실시예가 기술된다. 먼저 도 1 에 대해 언급하면, 원자로 격납용기내의 수소 가스를 함유한 공기 처리용 수소 재결합 유니트 (30) 의 보호 하우징 또는 덮개 (31) 에는 그 하부에 흡기구 (33) 와 그 상부에 배기구 (35) 가 각각 제공되어 있고, 또한 이들과 소통하는 공기 통로가 설치되어 있다. 더욱이, 복수개의 판상 촉매 (37a) 를 구비한 촉매 베드 (37) 는 흡입구 (33) 에 가까운 공기 통로에 위치되고, 공기 유동 경로는 판상 촉매 (37) 사이에 설치되어 공기를 통과시킨다. 더욱이, 전기 히터 (39) 는 판상 촉매 (37) 를 관통해 연장하여 위치되고, 그 가열 부위는 판상 촉매에 인접해 있다.

전술한 구성을 갖는 수소 재결합 유니트 (30) 에서, 원자로 격납용기에서 사고로 인해 수소 가스가 발생될 때, 수소와 산소를 함유한 가스 혼합물, 즉 수소 가스를 함유한 공기는 흡입구 (33) 를 통해 덮개 (31) 내의 가스 통로내로 유동하고, 또한 판상 촉매 (37a) 의 촉매 표면상에서, 수소와 산소는 열 발생으로 인해 결합한다. 수소 가스가 발생되는 사고가 일어나는 동안, 전기 히터 (39) 에는 전기가 공급되어 전기 저항열을 발생시킴으로써 인접한 촉매를 가열하고, 이 촉매를 활성화시킴으로써 재결합 반응을 촉진시킨다. 재결합 반응이 발생되는 영역에 인접한 촉매는 열 발생의 열 전도에 의해 가열되고, 재결합 반응은 촉진되어 판상 촉매 (37a) 의 전체 영역을 활성화한다. 판상 촉매 (37a) 상의 활성화 촉진 현상은 전체 촉매 베드 (37) 에 걸쳐 발생되고, 수소와 산소의 재결합이 촉진됨으로써 수소가 신속히 처리되도록 한다. 재결합 반응에서 발생된 열을 통해 온도 상승된 공기는 가스 통로를 통해 더 멀리 유동해서 배출구 (35) 로부터 배출된다.

수소 가스가 발생되는 비정상적 상황이 일어나는 동안, 비록 수증기와 고압, 고온의 냉각제부터 누출되어 발생된 유독 물질을 함유한 혼합물이 흡입구 (33) 를 통해 유동해서 촉매 베드 (37) 와 접촉하더라도, 수소 가스 처리는 전기 히터 (39) 의 가열로 인한 촉매 활성화의 도움으로 신속히 실행될 수 있다.

더욱이, 다량의 수소 가스의 발생으로부터 수소 농도가 4％를 넘을 때, 전기 히터 (39) 는 점화원이 되어, 흡입구 (33) 또는 배출구 (35) 를 통해 장치로부터 진행된 연소에 의해 다량의 수소 가스를 처리한다.

다음, 벌집형 촉매를 사용하는 수소 재결합 유니트가 기술될 것이다. 도 2 및 도 3 에 대해 언급하면, 원자로 격납용기의 수소 가스를 함유한 공기의 처리를 위한 수소 재결합 유니트 (40) 의 하우징 또는 컨테이너 (41) 에는 그 하부에 흡기구 (43) 와 그 상부에 배기구 (44) 가 제공되고, 이들과 소통하는 공기 통로 (42) 가 설치된다. 컨테이너 (41) 의 배출구 (44) 는 이격된 보호 덮개 (46) 로 덮혀 있고, 환상 배출구 (45) 는 그 측부에 설치된다. 이때, 벌집형 촉매로 이루어진 촉매 베드 (47) 는 컨테이너 내부의 공기 통로 (42) 에 위치되고, 전기 히터 (49) 는 촉매 베드 (47) 아래의 공기 통로 (42) 에 위치된다. 전기 히터 (42) 의 가열 부위는 촉매 베드와 가깝지만, 인접해 있지는 않다.

전술한 수소 재결합 유니트 (40) 에서, 수소 가스가 원자로 격납용기에서의 사고로 인해 발생될 때, 수소와 산소를 함유한 가스 혼합물, 또는 수소 가스가 함유된 공기는 흡기구 (43) 를 통해 컨테이너 (41) 의 공기 통로 (42) 로 유동해서 촉매 베드 (47) 와 접촉한다. 그 후에, 수소 및 산소는 촉매의 표면상에서 결합함으로써 열을 발생시킨다. 수소 가스가 발생되는 사고가 일어나는 동안, 전기 히터 (49) 에는 전기가 공급되어, 전기 저항열을 발생시킴으로써 히터에 가까운 촉매의 하부를 가열하고 활성화시킨다. 그 결과로, 재결합 반응이 촉진된다. 결합 반응이 발생되는 영역에 인접한 촉매가 발열 반응에 의한 열 전도를 통해 가열되고, 재결합 반응은 촉진된다. 따라서, 촉매층 (47) 의 촉매가 계속적으로 가열되고, 활성화를 촉진시키는 현상은 전체 촉매층 (47) 에 걸쳐 발생됨으로써 수소와 산소의 결합을 촉진시킨다. 재결합 반응의 열로부터 온도 상승된 공기는 공기 통로 (42) 를 통해 유동하고, 배기구 (45) 를 통해 배출된다.

수소 가스가 발생되는 비정상적 상황이 일어나는 동안, 비록 수증기와 고온, 고압의 냉각제 누출로 인해 발생된 유독 물질을 함유한 혼합물이 흡기구 (43) 를 통해 유동해서 촉매층 (47) 과 접촉하더라도, 수소 가스의 처리는 전기 히터 (49) 의 가열로 인한 촉매 활성화의 도움으로 신속히 실행될 수 있다.

더욱이, 수소 농도가 다량의 수소 가스의 발생으로부터 4％ 를 넘을 때, 전기 히터 (49) 는 점화원으로서 작용하고, 연소파의 진행에 의해 다량의 수소 가스를 처리한다.

산업상 이용가능성

전술한 바와 같이, 본 발명에 따라, 공기의 수소 농도가 낮을 때, 수소 가스는 히터로 인해 촉진되는 촉매 활성화의 도움으로 수소 재결합 반응을 신속히 실행함으로써 처리되고, 수소 농도가 다량의 수소 가스의 발생에 따라 크게 상승할 때, 히터는 점화원으로 작용해서 연소 반응을 시작함으로써 수소를 신속히 처리한다.

Claims (3)

1. 흡기구와 배기구가 제공되어 있으면서 가스 통로가 설치된 하우징, 상기 가스 통로에 위치된 촉매 베드 및 상기 촉매 베드에 또는 상기 촉매 베드에 가깝게 위치된 히터를 구비한 것을 특징으로 하는 수소 가스를 함유한 공기의 처리장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 베드는 판상 촉매로 이루어지고, 상기 히터로서의 전기 히터는 판상 촉매를 관통해 연장하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 수소 가스를 함유한 공기의 처리장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 베드는 벌집형 촉매로 이루어지고, 상기 히터로서의 전기 히터는 상기 가스 통로의 벌집형 촉매의 상류 측부상에서 벌집형 촉매에 가깝게 위치되는 것을 특징으로 하는 수소 가스를 함유한 공기의 처리장치.