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Dokumentenidentifikation DE19951664A1 23.05.2001
Titel Vorrichtung zur Beseitigung von Wasserstoff aus Gasgemischen in durchströmten Rohrleitungen
Anmelder Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 Jülich, DE
Erfinder Bröckerhoff, Peter, Dr., 52428 Jülich, DE;
Reinecke, Ernst-Arndt, 52064 Aachen, DE
Vertreter Wagner, M., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 52068 Aachen
DE-Anmeldedatum 26.10.1999
DE-Aktenzeichen 19951664
Offenlegungstag 23.05.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.05.2001
IPC-Hauptklasse B01D 53/86
IPC-Nebenklasse G21C 9/06   
Zusammenfassung Es ist eine Vorrichtung offenbart, mit der auf katalytischer Basis Wasserstoff aus Gasgemischen in durchströmten Rohrleitungen beseitigt werden kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, die auf katalytischer Basis arbeiten und mit denen Wasserstoff aus Gasgemischen zum Zwecke der Sicherheit entfernt werden kann.

In verschiedenen Anlagen der Energie- und Verfahrenstechnik besteht nach dem Eintreten von Störfällen die Gefahr des Austritts von Wasserstoff. Dabei kann, wenn Sauerstoff vorhanden ist, ein brennbares Gasgemisch entstehen, das entweder turbulent deflagrieren oder detonieren kann. Bei der Detonation kann die erzeugte Druckwelle die Komponenten einer Anlage oder die Anlage selbst beschädigen.

Große Wasserstoffmengen können bei schweren Störfällen, z. B. in mit leichtem Wasser gekühlten Kernreaktoren (LWR) mit nichtinertisierten Containments, auftreten. Der Wasserstoff entsteht in diesen Reaktoren bei einem Ausfall relevanter Sicherheitseinrichtungen und der nachfolgenden Überhitzung des Reaktorkerns durch Reaktion des Wasserdampfs mit den Hüllen der Brennelemente. Dabei können bei einem großen LWR in wenigen Stunden etwa bis zu 20.000 mN3 Wasserstoff in den Sicherheitsbehälter oder das Containment freigesetzt werden.

Als weitere Beispiele seien Störfälle in Anlagen genannt, in denen Wasserstoff hergestellt und verarbeitet wird. In künftigen wärme- und stromerzeugenden und mit Wasserstoff betriebenen Systemen, z. B. katalytischen Brenner oder Brennstoffzellen für den stationären und mobilen Bereich, können ebenfalls Störfälle auftreten. In diesen Systemen ist ebenso wie auch beim Betrieb von Batterien oder bei der Erzeugung von Reinstwasser auf elektrolytischem Weg im Normalbetrieb mit der Entstehung und Freisetzung kleiner Wasserstoffmengen zu rechnen. Auch dies macht also effektive Maßnahmen zur Beseitigung von Wasserstoff erforderlich.

Es ist somit erforderlich, sowohl kleine (Normalbetrieb) als auch große Wasserstoffmengen (Störfall) nach guter Durchmischung mit Luft oder nach Luftzufuhr in einem weiten Konzentrationsbereich kontrolliert umzusetzen und die dabei entstehende Reaktionswärme soweit abzuführen, daß im vorliegenden Gemisch die jeweilige Zündtemperatur nicht erreicht wird.

Mit dem Wasserstoffproblem in nichtinertisierten Atmosphären hat man sich in der Reaktortechnik, vor allem bei den Druckwasserreaktoren, beschäftigt. Dabei geht es neben der Entfernung auch um Entstehung, Verteilung und Verbrennung bis hin zur Detonation.

Für diesen Anwendungsfall wurden sowohl thermische als auch katalytische Rekombinatoren entwickelt, die den Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft in Wasserdampf umwandeln. Bevorzugt werden katalytische Systeme, die passiv, d. h. ohne Ansteuerung und ohne Zufuhr von Strom, also ohne Beheizung und Zwangsdurchströmung, arbeiten, da sonst die Verfügbarkeit in Frage gestellt sein könnte. Zur Zeit gibt es in Deutschland zwei Konzepte, die in umfangreichen Tests ihre Brauchbarkeit unter Beweis gestellt haben. Als Substrate werden sowohl metallische Folien als auch hochporöses Granulat verwendet, auf die Platin bzw. Palladium als Katalysator aufgebracht ist. Mehrere Folien und Granulatpakete - das Granulat wird von Drahtnetzen zu Paketen zusammengehalten - sind vertikal und parallel zueinander in Blechgehäusen angeordnet. Das Wasserstoff/Luft-Gemisch tritt unten in das Gehäuse ein. An den katalytisch beschichteten Oberflächen setzt die Reaktion ein. Das Gemisch bzw. die Reaktionsprodukte überströmen die Oberflächen infolge des entstehenden thermischen Auftriebs. Ein Gebläse ist nicht vorhanden bzw. nicht erforderlich. Nach Auskunft der Reaktorindustrie gilt es als gesichert, daß mit einer Anzahl von 40 bis 100 katalytischen Rekombinatoren dem Wasserstoffproblem im Fall milder Unfälle begegnet werden kann.

Die maximalen Abbauraten bzw. thermischen Leistungen sind aufgrund der Überströmung der Oberflächen und niedrigen Wärmeabfuhr infolge Konvektion begrenzt. Außerdem ist die Möglichkeit zur Wärmespeicherung gering. Zu große Wasserstoffmengen können zu einer Überhitzung der beschichteten Substrate führen, so daß die Zündgrenze erreicht oder überschritten wird und es infolgedessen zu homogenen Gasphasenreaktionen mit Deflagration bzw. Detonation kommen kann.

Trotz der großen freien Oberfläche des Rekombinators, der poröses Granulat als Substrat verwendet, ist die Wirksamkeit deutlich geringer als die des anderen Systems, für das ebene Folien benutzt werden. Das Brenngas/Luftgemisch erreicht bei der Überströmung der beschichteten Substrate nicht alle katalytischen Zentren. Die Reaktion findet lediglich an der Oberfläche statt. Außerdem ist die Strömung laminar, d. h. der Queraustausch ist nur gering. Nicht alle Moleküle gelangen an die wirksamen Oberflächen. Dies gilt auch für die Konstruktion, die Platten oder Folien verwendet. In beiden Systemen ist die Reaktion unvollständig.

Die Abfuhr der Reaktionswärme aus den Systemen ist grundsätzlich problematisch. Sie erfolgt fast ausschließlich infolge Konvektion von den festen Oberflächen an die vorbeiströmenden Gase sowie Wärmestrahlung an die benachbarten Strukturen. Aufgrund der geringen Bauhöhen ist der Auftrieb innerhalb des Rekombinators gering. Die Strömung ist laminar, der Wärme- bzw. Stoffübergangskoeffizient infolgedessen klein. Als Nachteil ist auch die zusätzliche Aufheizung der Umgebung anzusehen.

Über die Entfernung von Wasserstoff bei konventioneller Anwendung ist bisher wenig bekannt. In Räumen, in denen Batterien u. a. zur Notstromversorgung aufgestellt sind, entsteht aufgrund der Ausgasung kontinuierlich Wasserstoff in geringen Mengen. Aus Sicherheitsgründen muß dieser Wasserstoff beseitigt werden. Eine Möglichkeit besteht in einer ständigen Belüftung der Anlage mit Absaugung und Luftzufuhr. Wenn jedoch die Auflage besteht, Wasserstoff nicht nach außen abzugeben, muß er vor Ort, also in der Nähe der Quelle, entfernt werden. Dafür verwendet man ebenfalls ein System aus katalytisch beschichteten Platten, wie oben beschrieben. Die Geräte sind in eine Lüftungsleitung eingeflanscht. Ein Gebläse saugt das aus Luft und Wasserstoff bestehende Gemisch durch die Vorrichtungen, in denen es an den beschichteten Oberflächen zur katalytischen Reaktion kommt. Wie in kerntechnischen Anlagen werden trotz Zwangsdurchströmung auch hier die Umsatzraten gering sein, d. h. der anfallende Wasserstoff wird nicht vollständig abgebaut.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, in Weiterbildung des Standes der Technik unter Vermeidung der aus diesem bekannten Nachteile ein System zu schaffen, mit dem sowohl kleine als auch große Wasserstoffmengen nach guter Durchmischung mit Luft oder nach Luftzufuhr in einem weiten Konzentrationsbereich kontrolliert und mit hohem Umsatz umgesetzt werden und die dabei entstehende Reaktionswärme soweit abgeführt wird, daß im vorliegenden Gemisch die jeweilige Zündtemperatur nicht erreicht wird.

Dies Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dabei wird u. a. auf umfangreiche Untersuchungen zur katalytischen Verbrennung zurückgegriffen. Bei diesen Untersuchungen wurden vorgemischte Brennstoff/Luftgemische in radialer Richtung durch einen zylindrischen Faserkörper geführt, deren äußere Oberflächen mit katalytisch wirkenden Materialien beschichtet waren. Als Brennstoffe dienten Methanol und Erdgas sowie Mischungen aus Methanol und Wasserstoff bzw. Erdgas und Wasserstoff. Die Leistung der entwickelten Brenner war, bezogen auf die wirksame Oberfläche, deutlich höher als die überströmter Systeme. Außerdem waren die gemessenen Emissionswerte wesentlich niedriger.

Weiterhin haben theoretische und experimentelle Arbeiten zur Verbesserung bestehender Systeme für nukleare Anwendungen gezeigt, daß die Reaktion innerhalb der Rekombinatoren diffusionskontrolliert verläuft. Das bedeutet, daß der Antransport der Reaktanden an die katalytisch wirkenden Oberflächen sowie der Abtransport der Reaktionsprodukte von den Oberflächen von entscheidender Bedeutung für die Geschwindigkeit des Rekombinationsprozesses sind. Hieraus ergibt sich der Schluß, daß die Auslegung einer Vorrichtung zum Wasserstoffabbau vornehmlich im Hinblick auf die Optimierung der Transportvorgänge und der Wärmeabfuhr vorzunehmen ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungsfiguren näher erläutert, die Folgendes zeigen:

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Abbau von Wasserstoff;

Fig. 2 zeigt eine in ein Rohrleitungssystem eingeflanschte Vorrichtung;

Fig. 3 zeigte eine erste Ausführungsform der Vorrichtung; und

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Abbau von Wasserstoff. Das wasserstoffreiche Gemisch 1 strömt in ein z. B. aus Blechen gefertigtes Gehäuse 2. Dieses Gehäuse weist unten und oben Durchlässe 2a bzw. 2b für ungehinderte Zu- bzw. Abströmung auf. Im linken Teil der Fig. 1 sind katalytisch beschichtete Platten 5a angeordnet, über die das Gemisch strömt. Dabei wird der Wasserstoff je nach Effektivität der Platten abgereichert bzw. abgebaut 4. Das Gemisch verläßt die Vorrichtung durch die obere Öffnung 7. Der rechte Teil der Fig. 1 zeigt horizontal angeordnete poröse Substrate, z. B. Netze 5b, die ebenfalls katalytisch beschichtet sind und an denen der Wasserstoff abgereichert bzw. abgebaut wird 4. Aufgrund der Queranströmung der Drähte wird es zu einem erhöhten Antransport der Reaktionsteilnehmer Sauerstoff und Wasserstoff und folglich auch zu erhöhten Umsatzraten kommen. Die dargestellte Vorrichtung arbeitet ohne Energiezufuhr von außen, d. h. sie ist passiv. Wenn die gezeigte Vorrichtung in ein Leitungssystem eingeflanscht und zwangsdurchströmt wird, kann auf die Durchlässe 2a und 2b verzichtet werden. Außerdem sind dann andere Anordnungen der Vorrichtung, z. B. horizontal, denkbar.

In Fig. 2 ist eine in ein Rohrleitungssystem eingeflanschte Vorrichtung dargestellt. Vor- und Nachlaufstrecken sind mit 2 und 6 bezeichnet. Das die katalytisch wirkenden und durchströmten Elemente 5 enthaltende Hauptstück 9 ist mittels Dichtungen 13 gegenüber den zuvor genannten Teilen abgedichtet. Nicht dargestellt ist ein Gebläse, das für die Zwangsdurchströmung sorgt. Die katalytisch wirkenden Substrate sind in gewissen Abständen zueinander angeordnet. Ihre Geometrie, ihr Abstand voneinander und ihre Anzahl sind abhängig von der zu erwartenden Wasserstoffkonzentration im Gemisch und der im Abgas 7 zulässigen Konzentration. Zur Vermeidung von Entzündungen an den Substraten - dies ist bei Wasserstoffkonzentrationen innerhalb der Zündgrenzen und infolge schlechter Wärmeabfuhr oder geringer Wärmespeicherfähigkeit möglich - ist das die Substrate enthaltende Rohrstück mit einem Kühlmantel 3 umgeben. Dieser kann von flüssigen oder gasförmigen Medien zwecks Wärmeaufnahme durchflossen werden. Zweckmäßigerweise tritt das Kühlmedium an der Stelle höherer Gemischtemperatur in den Ringspalt ein 10 und an der Stelle niedrigerer Temperatur aus dem Spalt aus 12. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr können bei der Durchströmung 11 Hindernisse zur Durchmischung eingebaut werden. Diese Kühleinrichtung bietet außerdem den Vorteil der Kühlung der Dichtungen, die infolge Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung an die Grenze ihrer Einsatztemperatur kommen können. Alternativ zu dieser Lösung ist ein nachgeschalteter Wärmeaustauscher 8 dargestellt, in dem ein Teil der Reaktionswärme abgeführt werden kann und somit zur Kühlung der Substrate beiträgt.

Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Auf die in vorstehender Figur besprochenen Kühlmaßnahmen wurde verzichtet. Der Durchmesser des die katalytischen Elemente aufnehmenden Rohrstücks 3 ist größer gewählt als der Durchmesser der beiden vor- bzw. nachgeschalteten Elemente 2 bzw. 6, da es Abstandhalter 8 aufnehmen soll. Diese dienen der Halterung der katalytischen Elemente 5. Die Länge dieser Abstandhalter läßt sich über die Länge der Vorrichtung flexibel gestalten und somit den Erfordernissen anpassen. Ihr Innendurchmesser kann so gewählt werden, daß er dem Durchmesser der Teile 2 und 6 entspricht und es infolgedessen in den Flanschbereichen nicht zu einem Stoß und damit höheren Druckverlusten kommt. Anstelle der rohrförmigen Abstandhalter sind auch andere Formen denkbar, die nicht den gesamten Umfang ausfüllen. In diesem Fall könnten die Rohrdurchmesser aller verwendeten Teile gleich gewählt werden. Zur Steuerung der katalytischen Reaktion können die Substrate nur teilweise beschichtet werden 5. Der unbeschichtete Bereich 5a dient dann der Aufnahme eines Teils der Reaktionswärme.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 4. Das katalytisch wirkende Element, dargestellt ist ein Netz, wird hier in den Nuten eines Klammerflansches mit den Teilen 2 und 2a gehalten. Je nach Bedarf lassen sich auf diese Weise mehrere Flansche hintereinanderschalten.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Beseitigung von Wasserstoff aus Gasgemischen mittels katalytischer Umsetzung, gekennzeichnet durch mindestens ein in eine zwangsdurchströmte Rohrleitung einzusetzendes Substrat mit Katalysator-Beschichtung.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat als Netz, Streckmetall od. dgl. ausgebildet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Substrate parallel zur Strömungsrichtung angeordnet sind.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Substrate quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl mehrere Substrate parallel als auch quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch in Strömungsrichtung in bezug auf Geometrie, Porosität und Beschichtung unterschiedliche Substrate.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Abfuhr der Reaktionswärme bzw. zum Kühlen der Substrate vorgesehen sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Abfuhr der Reaktionswärme einen die durchströmte Rohrleitung an der Außenseite umschließenden Kühlring mit Flüssigkeitskühlung, Gaskühlung od. dgl. umfaßt.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit, das Kühlgas od. dgl. im Gegenstrom zur Strömungsrichtung des Gasgemisches strömt.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Abfuhr der Reaktionswärme einen nachgeschalteten Wärmetauscher umfaßt.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Befestigung der Substrate in der Rohrleitung mittels Klammerflanschen.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch an der Innenseite angeordnete, die Substrate beabstandet zur Wandung tragende Halterungen.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese als in die Rohrleitung einzusetzendes, mittels Flanschen zu befestigendes Rohrstück ausgebildet ist.






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