KR20000070869A - 수소를 가스 혼합물에 재결합시키기 위한 장치 - Google Patents

수소를 가스 혼합물에 재결합시키기 위한 장치 Download PDF

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칼 하인쯔 호르닝어
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Abstract

본 발명은 수소를 가스 혼합물에 재결합시키기 위한, 특히 원자력 발전소에 사용하기 위한 장치(1, 1')에 관한 것이다. 상기 장치의 작동 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 촉매제 장치(2)를 포함하며, 상기 촉매제 장치에는 불꽃 유지 장치(8)가 할당된다. 이 때 상기 불꽃 유지 장치(8)내에 바람직하게 침전물 트랩(14)이 통합됨으로써, 촉매제 장치(2)로부터 분리된 뜨거운 촉매제 입자들이 가스 혼합물의 흐름 방향을 거슬러서 배출되는 것이 확실하게 피해진다.

Description

수소를 가스 혼합물에 재결합시키기 위한 장치 {DEVICE FOR RECOMBINING HYDROGEN IN A GAS MIXTURE}
원자력 발전소에서는 장애의 경우 또는 사고의 경우에, 이런 일이 일어나지 않을 수도 있지만, 예를 들어 핵 가열로 인해 치르코늄의 산화가 나타날 수 있다. 이러한 경우에는, 원자로 심을 감싸는 안전 용기 또는 격납 용기 내부에서 이루어지는 수소 가스와 일산화탄소의 형성 및 방출을 고려해야만 한다. 그에 의해 격납 용기 내부에서 폭발성 가스 혼합물이 형성될 수 있다.
격납 용기 분위기로부터 수소를 제거하기 위해 촉매 방식 재결합기를 사용하는 경우에는 특히 수소가 산소와 조기에 그리고 불꽃 없이 재결합되어야 한다. 이 때에는 독성 수소 연소 작용의 결과로서의 현저한 압력 형성이 확실하게 피해져야 한다. 이 목적을 위해 적합하고 조기에 스타팅되며, 오랜 정지 시간 동안에도 격납 용기-분위기에서 실제로 능동성을 상실하지 않으면서 주변 온도가 낮은 경우에는 수동으로 스타팅되는 재결합 장치가 (미리 공개되지 않은) 독일 특허 출원서 196 36 557.0호에서 제안된다. 상기 방식의 재결합 장치에 의해서, 격납 용기-분위기의 예를 들어 증기 비활성화된 단계에서 점화 없이도 수소의 "매끄러운" 재결합이 가능해진다. 수소를 산소와 재결합시키기 위한 촉매제 장치는 미국 특허 5,167,908호에도 공지되어 있다.
유럽 특허 0 436 942호에는, 외부 온도에 의존하여 자발적으로 개방되는 하우징 보호 장치가 공지되어 있다. 재결합 장치의 준비 상태에서는 하우징 보호 장치가 그와 달리 폐쇄됨으로써, 재결합기의 촉매 방식으로 활성화된 표면의 오염이 피해진다.
유럽 특허 0 416 140호에 공지된 재결합기 장치에서는 그와 달리 필터 매체가 제공되는데, 이 필터 매체는 예컨대 에어로졸과 같은 주변 대기로부터 얻어지는 유해 물질을 억제하고, 그에 따라 재결합기 장치의 촉매제를 오염으로부터 보호한다.
유럽 특허 0 388 955호에는, 수소 연소를 트리거하기 위한 점화 장치가 추가로 제공된 재결합기 장치가 공지되어 있다.
공지된 모든 재결합기 장치는 소자들의 치수가 특히 작은 경우에도 재결합기의 성능이 매우 우수하도록 그리고 오염에 대한 방지 능력이 높도록 설계된다. 수소를 가스 혼합물에 재결합시키기 위한 장치를 원자력 발전소에 사용하기 위해서는 또한 원자력 발전소의 안전에 부정적으로 영향을 미치는 효과가 나타날 수 없도록 보장되어야 한다. 수소를 재결합시키기 위해 사용된 촉매제 장치가 재결합의 결과로 가열되고, 상기 장치의 상승된 온도로 인해 원치 않는 방식으로 원자력 발전소의 격납 용기-분위기에서 가스 혼합물의 점화에 기여할 수 있다는 사실을 고려해야 한다.
본 발명은 수소를 가스 혼합물에 재결합시키기 위한 장치, 특히 원자력 발전소용 장치에 관한 것이다.
도 1은 가스 혼합물내의 수소를 재결합시키기 위한 장치의 개략도이고,
도 2는 가스 혼합물내의 수소를 재결합시키기 위한 대안적인 장치의 개략도이며,
도 3은 도 2의 절단면(III)이고,
도 4는 도 2의 절단면(IV)이다.
본 발명의 목적은, 작동 중에 가스 혼합물의 원하지 않는 점화가 특히 확실하게 피해질 수 있는, 수소를 가스 혼합물내에 재결합시키기 위한, 특히 원자력 발전소 격납 용기-분위기용 장치를 제공하는 것이다.
서문에 언급한 방식의 장치를 위한 상기 목적은 본 발명에 따라, 작동중에 가스 혼합물이 자유 대류 방식으로 관류할 수 있는 하우징내에 배치된 관련 촉매제 장치에 불꽃 유지 장치가 할당됨으로써 달성된다.
이 경우 "자유 대류 방식"은 특별히, 수소를 촉매제 장치의 주변에서 재결합함으로써 얻어지는 가스 혼합물의 국부적인 온도 상승이 부력 장치내에서 결과된다는 사실로부터 이해해야 하며, 상기 부력 장치는, 재결합 장치를 통해 흐르는 가스 혼합물의 유동이 외부 구동 수단 없이 보장되도록 재결합 장치내에서의 압력 손실을 과보상한다. 이 경우에는 하우징이 거의 수직으로 배치된 샤프트의 형태로 형성됨으로써, 가스 혼합물의 유동을 지지하기 위한 굴뚝 작용이 작동중에 나타난다.
본 발명은, 재결합 장치로부터 배출되고 재결합시 형성되는 불꽃에 의해 재결합 장치의 주변에서 원하지 않는 가스 혼합물의 점화가 릴리스될 수 있다는 인식으로부터 출발한다. 이와 같은 원하치 않는 점화를 피하기 위해서, 하우징에 의해 감싸진 재결합 장치의 내부 공간은 상기 장치의 외부 공간으로부터 분해 기술적으로 분리되어야 한다. 이 목적을 위해 불꽃 유지 장치가 제공된다. 이 불꽃 유지 장치는, 특히 가스 혼합물의 유동 방향을 거슬러서 이루어지는 불꽃의 확대가 확실하게 중단되도록 배치되어야 한다.
불꽃 유지 장치는 하우징을 전체적으로 또는 부분적으로 감싸진 구멍난 플레이트 또는 격자로서 형성될 수 있다. 불꽃 유지 장치는 바람직하게 촉매제 장치 앞에 접속될 수 있다.
재결합 장치를 감싸는 가스 혼합물의 원하지 않는 점화를 매우 확실하게 피하기 위해서, 촉매제 장치는 바람직하게 침전물 트랩 앞에 접속된다.
말하자면 놀라운 방식으로 밝혀진 바와 같이, 소위 "표류하는" 뜨거운 촉매제 입자도 재결합 장치를 감싸는 가스 혼합물의 점화에 기여할 수 있다. 재결합 장치의 동작 중에 또는 정지 상태 중에도 입자가 촉매제 장치로부터 분리될 수 있다. 분리된 상기 촉매제 입자는 수소의 재결합시 방출되는 열로 인해 높은 온도를 가질 수 있으며, 그에 따라 점화 가능한 가스 혼합물내로 입자가 유입될 때 예를 들어 재결합 장치의 주변에서 점화를 야기할 수 있다. 재결합 장치로부터 배출되는 표류하는 촉매제 입자에 의한 상기와 같은 점화를 확실하게 피하기 위해서 침전물 트랩이 제공된다. 이 침전물 트랩은 목적에 맞게 불꽃 유지 장치내에 통합된다.
표류하는 뜨거운 촉매제 입자에 의해 야기되는, 재결합 장치를 감싸는 가스 혼합물의 점화를 특히 신뢰할만하게 피하기 위해 상기 침전물 트랩은 바람직하게 하우징내로 유입되는 가스 혼합물에 의해서 냉각될 수 있다. 그럼으로써, 침전물 트랩상에 충돌하는 작열하는 촉매제 입자의 즉각적이고 신뢰할만한 냉각이 매우 바람직한 방식으로 보장된다.
재결합 장치의 하우징은 바람직하게 가스 혼합물용 배출 개구 상부에 하우징 지붕을 포함한다. 그럼으로써 가스 혼합물을 자유 대류 방식으로 관류시키기 위해 특히 적합한 샤프트 형태의 하우징은, 촉매제 장치에 물방울을 직접 제공하지 않으면서 상부에 배치된 스프레이 장치와 조합하여 사용될 수도 있다. 따라서, 촉매제 장치에 물방울을 직접 제공함으로써 떠내려가게 되는 촉매제 입자가 적게 유지될 수 있다.
불꽃 유지 장치는 바람직하게, 가스 혼합물을 유입시키기 위해 제공된, 평균 크기가 0.1mm 이상, 바람직하게는 0.2mm 이상인 다수의 유입 개구를 포함한다. 이 경우 상기 유입 개구들의 평균 크기는 바람직하게 최대 3mm, 바람직하게는 2mm에 달한다. 유입 개구의 치수가 상기와 같음으로써 불꽃 유지 장치의 기능이 보장되며, 이 경우 예컨대 에어로졸과 같은 더 작은 크기의 입자는 자유롭게 관통될 수 있다. 그럼으로써, 예컨대 에어로졸과 같은 작은 입자에 의한 막힘 위험이 확실하게 피해진다. 그에 따라, 재결합 장치를 관류하는 가스 혼합물의 유동 특성과 관련된 압력 손실은 오랜 동안의 작동 후에도 매우 적게 유지된다. 또한 상기와 같은 설계 방식에서는 적합하게 선택된 유입면과의 조합에 의해 수소의 재결합율과 관련하여 유입되는 가스 혼합물의 유동 속도에 매우 유리하게 재결합 장치를 설계하는 것도 가능해진다.
재결합 장치 외부에서의 가스 혼합물의 점화를 매우 확실하게 중단시키기 위해서는, 촉매제 장치 및 불꽃 유지 장치에 의해 제한된 폭연 부피가 재결합기 샤프트의 또는 샤프트 형태 하우징의 부피와 관련하여 바람직하게 재결합기 샤프트의 부피의 약 20% 보다 더 작은 것이 바람직하다. 이 경우에는 상기 폭연 부피가 불꽃의 길이를 바람직하게 최대 0.3m로 제한하거나, 또는 촉매제 장치에 대한 불꽃 유지 장치의 평균 간격이 최대 0.3m에 달한다.
재결합 반응으로 인해 가열된 가스 혼합물에 의해 굵은 입자가 재결합 장치로부터 배출되는 것을 피하기 위해서 바람직하게 촉매제 장치가 굵은 입자 트랩 뒤에 접속된다. 이 경우 굵은 입자 트랩은, 한편으로는 촉매제 장치로부터 분리된 표류하는 촉매제 입자가 재결합 장치로부터 배출되는 것이 효과적으로 중단되고, 다른 한편으로는 굵은 입자 트랩의 영역에서 온도 균일화를 위해 관류하는 가스 혼합물의 혼합 작용이 나타나도록 설계될 수 있다. 긁은 입자 트랩의 치수는, 예컨대 대기 에어로졸과 같은 더 작은 입자 크기의 입자가 자유롭게 관통될 수 있도록 설정된다. 이 경우 대기 에어로졸의 필터링은 필요치 않은데, 그 이유는 특히 탕파에 의해서 또는 온도 유도된 촉매제 장치에서의 반동에 의해서 에어로졸의 침전이 충분히 피해지기 때문이다. 그럼으로써 에어로졸에 의한 막힘 위험이 확실하게 피해지고, 결과적으로 재결합 장치내에서의 자유 대류를 제지하는 압력 손실이 또한 재결합 장치의 오랜 작동 동안에도 적게 유지된다. 따라서, 재결합 장치를 관류하는 가스 혼합물의 유동률은 오랜 동안의 작동 동안에도 악영향을 받지 않는다. 이 목적을 위해 굵은 입자 트랩은 바람직하게 적어도 0.1mm, 바람직하게는 0.2mm 내지 최대 1mm의 평균 갭 폭을 갖는 다수의 관통 개구를 포함한다. 이 경우 굵은 입자 트랩은 단층의 여과 플레이트로서 또는 다층의 여과 장치 혹은 섬유 장치로서도 형성될 수 있거나 또는 상기 2가지의 조합 형태로서 형성될 수 있다.
재결합 장치의 표면 온도를 상기 재결합 장치를 감싸는 가스 혼합물의 점화 온도 아래의 범위로 명백하게 제한하기 위해서 하우징은 바람직하게 절연 케이스를 포함한다. 이 경우에는 이중 케이스 스타일의 형태로 공기 갭이 제공되거나 또는 온도에 안정적이고 광선에 안정적인 절연 재료가 제공될 수도 있다. 광선에 의한 열전달을 줄이기 위해 하우징의 내부 표면이 추가로 금속 코팅될 수 있다. 이 경우 상기 내부 표면은, 특히 500℃ 이상의 온도 범위에서 광선에 의한 관련 열전달을 적게 유지하는 3차원 미러 효과가 형성되도록 연마될 수 있다.
재결합 장치로부터 배출되는 가스 혼합물을 상기 재결합 장치를 감싸는 가스 혼합물의 점화 온도 아래의 온도까지 명백하게 냉각시키기 위해 촉매제 장치 뒤에는 바람직하게 촉매제 장치로부터 배출되는 가스 혼합물에 주변 대기를 혼합하기 위한 혼합 구간이 접속된다. 상기 혼합 구간은 목적에 맞게 유동측에서 볼 때 굵은 입자 트랩 뒤에 배치된다. 이 때 혼합을 위해서는 바람직하게, 하우징 내부를 관류하는 가스 혼합물에 주변 대기를 공급하기 위한 다수의 갭 개구가 하우징내에 제공된다.
재결합 장치를 감싸는 가스 혼합물의 원치 않는 점화를 특히 신뢰할만하게 피하기 위해 재결합 장치는 바람직하게, 촉매제 장치로부터 배출되며 수소의 재결합에 의해 가열되는 가스 혼합물이 상기 재결합 장치를 감싸는 가스 혼합물의 점화 온도 아래의 온도를 갖도록 설계된다. 이 목적을 위해 촉매제 장치 뒤에는 바람직하게 스태틱 믹서가 접속되는데, 이 믹서는 촉매제 장치로부터 배출되는 가스 혼합물의 온도의 균일화에 영향을 미친다. 국부적으로 특히 강하게 가열된 가스 혼합물의 부분이 국부적으로 특히 약하게 가열된 가스 혼합물의 부분과 혼합됨으로써, 높은 최대 온도가 피해진다.
가스 혼합물내에서 가이드되는 수소의 특히 효과적인 재결합을 위해 촉매제 장치는 바람직하게 백금 및/또는 팔라듐을 촉매 방식으로 활성화되는 재료로서 포함한다. 촉매제 장치는 바람직하게 거의 플레이트 형태의 다수의 촉매제 바디를 포함하며, 인접한 2개의 촉매제 바디는 각각 서로에 대해 적어도 0.8cm 내지 최대 3cm의 평균 간격으로 배치된다. 부피가 적은 경우에도 높은 재결합율에 도달되도록 하기 위해 바람직하게 반응면을 형성하면서 각각의 촉매제 바디의 양측면에 촉매제 재료가 코팅되며, 이 경우 가스 혼합물은 개별 촉매제 바디의 전면 반응면을 통해서 뿐만 아니라 후면 반응면을 통해서도 리드될 수 있다.
촉매제 바디는 바람직하게 하나의 공통 지지부내에 지지된다. 그럼으로써 재결합 장치는 특히 저렴한 조립 비용 및 설치 비용으로 제조될 수 있다. 이 경우에는 상기 지지부가 바람직하게 우수한 열전도 능력을 가짐으로써, 매우 간단한 방식으로 촉매제 장치의 영역에서 온도의 균일화가 보장된다.
촉매제 장치로부터 배출되는 가스 혼합물의 온도를 재결합 장치를 감싸는 가스 혼합물의 점화 온도 아래의 온도로 특히 신뢰할만하게 유지하기 위해서는, 촉매제 장치가 가스 혼합물내에서 가이드되는 수소 성분만을 산화하도록, 특히 가스 혼합물내에서 가이드되는 70% 미만의 수소, 바람직하게는 50% 미만의 수소 성분을 산화하도록 설계되는 것이 바람직하다.
하우징이 가스 혼합물의 유동 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, 촉매제 장치 앞에 접속된 불꽃 유지 장치에 의해서 수소 재결합시 발생되는 열의 결과로 나타나는 불꽃이 재결합 장치 외부의 공간 영역내로 확대되는 것이 피해진다는 점이다. 불꽃 유지 장치를 적절하게 디자인함으로써 특히 적은 압력 손실을 위한 재결합 장치의 설계가 가능해지며, 그 결과 재결합 장치는 자유 대류 방식으로 그리고 그에 따라 간단한 수단으로 작동될 수 있게 된다. 목적에 맞게 촉매제 장치 앞에 접속된, 바람직하게는 불꽃 유지 장치내에 통합된 침전물 트랩에 의해서, 해체되는 표류하는 고온 촉매제 입자가 재결합 장치 외부의 공간 영역내로 배출되는 것이 확실하게 피해진다. 그럼으로써, 점화 가능한 대기에서의 재결합 장치의 불꽃 없는 작동이 원하치 않는 점화를 피하면서 재결합 장치 외부의 공간 영역에서 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 수소를 가스 혼합물에 재결합시키기 위해서, 즉 자세하게 도시되지 않은 원자력 발전소의 격납 용기-분위에서 비정상적인 경우에 제공된다. 이 목적을 위해서 장치(1. 1')는 촉매제 장치(2)를 각각 하나씩 포함하는데, 상기 촉매제 장치내에서 수소의 재결합에 적합한, 촉매 방식으로 작용하는 재료가 자세하게 도시되지 않은 방식으로 지지 장치상에 제공된다. 촉매 방식으로 작용하는 재료로서는 특히 귀금속으로 이루어진 혼합물이 제공되거나 또는 귀금속 박막 배열도 제공될 수 있다. 이 경우 귀금속으로는 특히 백금 및/또는 팔라듐이 제공된다.
촉매제 장치(2)는 거의 플레이트 형태로, 거의 평행하게 배치된 다수의 촉매제 바디(3)를 포함하며, 이 바디들은 서로에 대해 적어도 0.8cm 내지 최고 3cm의 간격을 두고 배치된다. 이 경우 촉매제 바디(3)는 대규모 플레이트로서 실시되거나 또는 플레이트 형태의 지지 장치내에서 퇴적물로서 실시될 수 있다.
각각의 촉매제 바디(3)는 반응면을 형성하면서 양측에서 촉매제 재료로 코팅되며, 이 때 가스 혼합물은 각각의 촉매제 바디(3)의 전면의 반응면을 통해서 뿐만 아니라 후면의 반응면을 통해서도 리드될 수 있다. 특히 간단한 조립을 위해서 촉매제 바디(3)는 삽입부로 형성된, 높은 열전도 능력을 갖는 공통의 지지부내에서 지지된다.
촉매제 장치(2)는 하우징(4)내에 배치된다. 하우징(4)은, 장치(1, 1')의 작동중에 가스 혼합물이 자유 대류 방식으로 관류될 수 있도록 형성된다. 이 목적을 위해 하우징(4)은 실제로 수직인, 화살표(6)로 지시된 선호되는 방향을 따라 샤프트를 형성한다. 열발생의 결과로 가스 혼합물의 재결합시 촉매제 장치(2)의 영역에서 야기되는 부력이 장치(1, 1')의 작동중에 가스 혼합물을 위한 압력 강하의 과보상을 야기시키며, 그 결과 샤프트 형태로 형성된 하우징(4)의 굴뚝 작용의 결과로 가스 혼합물이 외부의 보조 수단 또는 구동 수단 없이도 장치(1, 1')를 관류하게 된다. 이 경우 샤프트 형태로 형성된 하우징의 부분은 야기된 압력 손실을 보상하기 위해서 0.5m 내지 2.5m의 굴뚝 높이를 가진다. 특히 유리한 대류 특성을 위해서 하우징(4)은 바람직하게는 추가로 0.3 내지 10의 높이 대 깊이의 비율을 갖는다.
상기 장치(1, 1')는, 열방출의 결과로 수소의 재결합시 촉매제 장치(2)의 영역에서 나타나는 높은 온도에서도 점화 가능한 혼합물의 점화가 장치(1, 1') 외부의 영역에서 확실하게 방지된다. 이 목적을 위해 촉매제 장치(2)에는 불꽃 유지 장치(8)가 할당된다. 도 1에 따른 실시예에서 상기 불꽃 유지 장치(8)는 하우징(4)을 완전히 감싸는 와이어 격자로서 형성된다. 대안적으로 구멍난 플레이트가 제공될 수도 있다.
도 2에 따른 실시예에서 불꽃 유지 장치(8)는 촉매제 장치(2) 앞에 접속된다. 이 경우 불꽃 유지 장치(8)는, 촉매제 장치(2)에 대한 상기 불꽃 유지 장치의 평균 간격이 0.3 미만이도록 유동 측으로 촉매제 장치(2) 앞에 배치된다. 그럼으로써, 촉매제 장치(2) 및 불꽃 유지 장치(8)에 의해 제한된 부피가 그곳에서 형성되는 불꽃을 0.3m 미만의 불꽃 길이까지 제한하게 된다.
불꽃 유지 장치(8)는 도 2에 따른 실시예에서 다수의 불꽃 필터(10)를 포함하며, 그 중에서 단 하나의 불꽃 필터가 도 3에 도시되어 있다. 실시예에서 각각의 불꽃 필터(10)는 천공된 금속 베이스 바디(11)로 구성되며, 천공은 - 도 4의 절단면에 도시된 바와 같이 - 가스 혼합물용의 다수의 유입 개구(12)를 개방시킨다. 이 경우 베이스 바디(11)는 섬유 조직, 특히 금속 섬유 조직으로 이루어진 층(13)에 의해서 커버된다. 상기 방식으로 형성된 불꽃 필터(10)는 상기 필터를 관류하는 가스 혼합물의 균일화를 위해서도 추가로 기여한다.
각각의 불꽃 필터(10)의 금속 베이스 바디(11)의 천공은 예를 들어 라운드 형태, 슬롯 형태 혹은 사각형으로 이루어질 수 있다. 대안적으로 천공의 다른 실시도 가능하다. 모든 유입 개구(12)에 의해 규정되고 가산된, 상대적이며 자유로운 모든 불꽃 필터(10)의 표면 크기는 촉매제 장치(2)의 자유 유입 횡단면과 같으며 바람직하게는 약 1배 내지 3배이다.
각각의 불꽃 필터(10)의 특히 큰 표면을 위해서 각각의 베이스 바디(11)에 상이한 주름 및 에지가 제공되며, 이 경우에는 거의 별모양의 횡단면이 나타난다. 불꽃 필터(10)의 베이스 바디(11)의 천공에 의해 형성된 유입 개구(12)의 갭의 폭은 또한 설계시에 기대되는 수소-농도에 매칭된다. 수소-농도가 10 부피% 까지인 경우에 장치(1)의 내부를 그것의 주변으로부터 분해 기술적으로 해체하기 위해서 예를 들어 최대 2mm의 갭 폭이 제공된다. 설계시에 수소-농도가 10 부피% 이상인 경우에는 그와 달리 갭의 폭이 1mm 미만이다. 이 때 불꽃 필터(10)의 금속 베이스 바디(11)의 천공의 갭 폭은 또한, 불꽃 필터(10)에서 콜로이드 또는 에어러졸이 분리되는 것이 충분히 피해지도록 설계된다. 그럼으로써 작동시 장치의 막힘이 확실하게 피해진다.
불꽃 필터(10)의 금속 베이스 바디(11)내에 제공된 유입 개구(12)의 갭 폭의 치수를 설정할 때 추가 설계 기준으로서 고려해야 하는 것은, 장치(1')의 하우징(4) 내부의 압력 구성은 그곳에 존재하는 가스 혼합물이 점화되는 경우에는 약 100 hPa 미만으로 유지되어야 한다는 것이며, 그럼으로써 장치(1')의 손상이 확실하게 피해진다. 이 목적을 위해 불꽃 필터(10)의 금속 베이스 바디(11)내에 있는 유입 개구(12)의 갭 폭의 치수는, 상기와 같은 점화의 경우를 위한 충분한 부하 경감 횡단면이 존재하도록 측정된다.
도 2에 따른 실시예에서 불꽃 유지 장치(8)에는 침전물 트랩(14)이 통합된다. 이 목적을 위해 각각의 불꽃 필터(10)는, - 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이 - 직접 또는 액체 방울을 통해 종단면이 V-형태로 형성된 불꽃 필터(10) 내부에 도달되는 입자가 상기 필터의 바닥 영역에 침전되도록 형성된다. 이 때 분리된 액체는 배출 개구(15)를 통해 자세하게 도시되지 않은 배출 장치에 이르게 된다.
침전물 트랩(14)은 또한 다수의 트랩 플레이트(16)를 포함하는데, 그 중에서 각각 하나씩 개별 불꽃 필터(10)의 유입 채널 위에 배치된다. 대안적으로 또는 추가적으로 침전물 트랩(14)은 가스 혼합물의 유동 방향으로 볼 때 촉매제 장치(2) 앞에 배치된 와이어 망상 조직도 포함할 수 있다. 포착될 입자의 크기를 고려하여 침전물 트랩(14)을 설계하는 경우에는, 물리적인 이유에서 주로 약 100㎛ 이상의 입자 크기를 갖는 촉매제 입자가 가스 혼합물의 점화에 기여한다는 인식이 고려된다. 촉매제 장치(2)로부터 해체되고 표류하며, 상기 입자 크기보다 더 큰 뜨거운 촉매제 입자가 하우징으로부터 가스 혼합물의 유동 방향을 거슬러서 배출되는 것은 침전물 트랩(14)에 의해서 확실하게 피해진다. 침전물 트랩(14) 및 불꽃 유지 장치(8)는 하우징(4)내로 유입되는 가스 혼합물에 의해서 냉각될 수 있다.
촉매제 장치(2)는, 장치(1, 1') 내부로 유입되는 가스 혼합물내에서 가이드되는 수소 함량의 50% 미만만이 산화되도록 설계된다. 따라서, 산화에 의해 방출된 열량으로부터 결과되는 가스 혼합물내의 온도 상승은 제한된다. 그에 따라 촉매제 장치(2)로부터 배출되는 가스 혼합물의 온도는 명백하게 장치(1, 1') 주변의 대기의 점화 온도 아래로 유지된다.
가스 혼합물내에서 나타나는 최대 온도를 추가로 제한하기 위해서 - 도 2에 도시된 바와 같이 - 하우징(4)내에 가스 혼합물의 유동 방향으로 촉매제 장치(2) 뒤에 스태틱 믹서(17)가 배치된다. 이 경우 예를 들어 다수의 믹싱 플레이트(18)를 포함하는 스태틱 믹서(17)는, 관류하는 가스 혼합물을 완전 혼합하거나 와류를 만들기 위해 이용된다. 상기와 같은 완전 혼합 또는 와류 형성에 의해 하우징(4) 내부의 횡단면에 걸쳐서 가스 혼합물 온도의 균일화가 달성된다. 이 경우, 촉매제 바디에 대한 공간적인 가까움으로 인해 더 강하게 가열된 가스 혼합물 내부의 구역들은 촉매제 바디(3)에 대한 비교적 더 큰 공간적인 거리로 인해 비교적 더 차가운 가스 혼합물의 구역들과 혼합된다. 그럼으로써 가스 혼합물 내부에서 가장 강하게 가열된 영역의 온도를 효과적으로 떨어뜨릴 수 있으며, 그 결과 미리 주어질 수 있는 가스 혼합물에 대한 온도 한계값 이하로 확실하게 감소된다.
하우징(4) 내부에서 촉매제 장치(2) 뒤에는 굵은 입자 트랩(20)이 접속된다. 도 2에 따른 실시예에서 스태틱 믹서(17) 뒤에 접속된 굵은 입자 트랩(20)은 실시예에서 가느다란 와이어의 망상 조직으로 형성된다. 이 망상 조직은 관통 개구(21)를 형성하며, 이 경우 철망의 메시 폭은 장치(1, 1')의 압력 손실 및 필요한 분리 능력를 고려하여 800㎛ 보다 작게 선택된다. 메시 폭을 결정할 때의 다른 설계 기준으로서는, 굵은 입자 트랩(20)에서 콜로이드 또는 에어로졸의 분리가 이루어져서는 안된다는 점이 추가로 고려된다. 굵은 입자 트랩(20)은 오히려, 에어로졸 또는 콜로이드가 중요한 분리 손실 없이 그리고 정량으로 관통될 수 있도록 설계된다. 따라서, 침전되는 에어로졸 또는 콜로이드에 의한 막힘 위험이 확실하게 피해진다. 그에 따라 장치(1, 1')의 처리량은 더 오랜 작동에서도 중요한 영향을 받지 않는다. 굵은 입자 트랩(20)의 메시 폭은 0.1mm 이상, 특히 0.2mm 내지 0.8mm이다. 대안적으로, 굵은 입자 트랩(20)은 또한 메시 폭이 넓은 다수의 와이어 망상 조직의 시리즈 결합도 포함할 수 있다. 이 경우에는 각각의 와이어 망상 조직의 메시 폭이 1mm 보다 크게 선택될 수도 있다.
굵은 입자 트랩(20) 뒤에 및 그에 따라 촉매 장치(2) 뒤에는, 주변 대기를 촉매제 장치(2)로부터 배출되는 가스 혼합물에 혼합하기 위한 혼합 구간(24)이 접속된다. 이 목적을 위해 하우징(4)은 혼합 구간(24)의 영역에서 다수의 슬롯 개구(26)를 포함한다. 주변 대기가 촉매제 장치(2)로부터 배출되는 가스 혼합물에 혼합됨으로써 상기 가스 혼합물의 온도는 주변 대기의 점화 온도 아래의 값까지 확실하게 떨어질 수 있다.
장치(1, 1')의 하우징(4)의 단부 영역에는 가스 혼합물을 위한 배출 개구(28)가 제공된다. 이 경우에는 배출 개구(28)가 하우징(4) 측면에 배치됨으로써, 장치(1, 1')가 거의 수직으로 배치된 경우에도 가스 혼합물이 거의 수평 방향으로 배출된다. 하우징(4)의 배출 개구(28) 위에는 하우징 지붕(30)이 제공된다. 이 경우에는 하우징 지붕(30)이 장치(1, 1')를 위한 방수 제한부로서 이용됨으로써, 스프레이 장치의 작동 중에도 장치(1, 1') 상부에서 액체 방울이 장치(1, 1') 내부로 직접 유입되는 것이 피해진다. 그럼으로써, 상기 방식의 스프레이 장치를 사용하는 경우에도 촉매제 입자가 촉매제 장치(2)로부터 떠내려가는 것이 확실하게 피해진다.
하우징(4)은 도 2에 따른 실시예에서 절연 케이스(32)를 포함한다. 실시예에서 절연 케이스(32)는 이중 케이스 방식으로 공기 갭으로서 형성된다. 대안적으로는, 2개의 케이스층 사이에 배치된 온도 및 광선에 안정적인 절연물도 제공될 수 있다. 방사에 의해 이루어지는 하우징(4) 내부 영역으로부터 하우징 외부 영역으로의 열전달을 감소시키기 위해 절연 케이스(32) 내부면의 표면은 미러 효과가 형성되도록 연마된다. 그럼으로써 광선이 절연 케이스(32)를 통해 배출되는 것이 확실하게 피해진다. 절연 케이스(32)의 상기 형성예에 의해서 특별히 500℃ 이상의 온도 범위에서 관련된 열전달이 방사에 의해서 대폭 중단된다. 상기 방식의 절연 케이스(32)가 제공된 장치(1')의 하우징의 외부 온도는 설계시의 작동중에 500℃ 보다 훨씬 더 작다. 따라서, 높은 하우징 외부 온도로 인한 하우징(4)을 감싸는 가스 혼합물의 점화가 확실하게 피해진다.

Claims (21)

  1. 작동중에 가스 혼합물이 자유 대류 방식으로 관류할 수 있는 하우징(4)내에 배치된 촉매제 장치(2)가 불꽃 유지 장치(8)에 할당되도록 구성된, 수소를 가스 혼합물내에 재결합시키기 위한 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 불꽃 유지 장치(8)가 촉매제 장치(2) 앞에 접속되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 촉매제 장치(2) 앞에 침전물 트랩(14)이 접속되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 침전물 트랩(14)이 불꽃 유지 장치(8)내에 통합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 침전물 트랩(14)이 하우징(4)내로 유입되는 가스 혼합물에 의해서 냉각될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징(4)이 가스 혼합물용 배출 개구(28) 상부에 배치된 하우징 지붕(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불꽃 유지 장치(8)가 가스 혼합물의 유입을 위해 제공된 다수의 유입 개구(12)를 포함하며, 상기 개구의 평균 크기는 0.1mm 이상인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 유입 개구(12)의 평균 크기는 각각 적어도 0.2mm, 바람직하게는 최대 2mm인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매제 장치(2) 및 불꽃 유지 장치(8)에 의해 제한된 부피가 불꽃의 길이를 최대 0.3m까지 제한하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매제 장치(2)에 대한 불꽃 유지 장치(8)의 평균 간격이 최대 0.3m인 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매제 장치(2) 뒤에 굵은 입자 트랩(20)이 접속되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 굵은 입자 트랩(20)은 평균 갭 폭이 적어도 0.1mm, 바람직하게는 적어도 0.2mm 내지 최대 1mm인 다수의 관통 개구(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징(4)이 절연 케이스(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 주변 대기를 촉매제 장치(2)로부터 배출되는 가스 혼합물에 혼합하기 위한 혼합 구간(24)이 촉매제 장치(2) 뒤에 접속되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매제 장치(2) 뒤에 스태틱 믹서(17)가 접속되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매제 장치(2)가 촉매 방식으로 작용하는 재료로서 백금 및/또는 팔라듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매제 장치(2)가 거의 플레이트 형태의 다수의 촉매제 바디(3)를 포함하며, 인접한 2개의 촉매제 바디(3)는 각각 서로에 대해 적어도 0.8cm 내지 최대 3cm의 평균 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 각각의 촉매제 바디(3)의 양측면이 반응면을 형성하면서 촉매제 재료로 코팅되며, 가스 혼합물은 각각의 촉매제 바디(3)의 전면 반응면을 통해서 뿐만 아니라 후면 반응면을 통해서도 리드될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 17항 또는 제 18항에 있어서, 상기 촉매제 바디(3)가 우수한 열전달 능력을 갖는 공통 지지부내에서, 특히 삽입부내에서 지지되는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 1항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매제 장치(2)가 가스 혼합물내에서 가이드되는 수소 함량만을 산화하도록, 바람직하게는 가스 혼합물내에서 가이드되는 50% 미만의 수소 함량을 산화하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 1항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징의 길이는 가스 혼합물의 유동 방향으로 적어도 0.4m, 바람직하게는 1m 내지 최대 2m인 것을 특징으로 하는 장치.
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