WO1991001559A1 - Improved device for eliminating combustible gaseous mixtures - Google Patents
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Definitions
- Supplementary device for the removal of flammable gas mixtures.
- the invention relates to a supplementary device for the disposal of combustible gas mixtures.
- the explosive mixture is led through pipes into a reaction chamber and there e.g. recombined thermally or catalytically.
- a free volume of approx. 70000m of the SB of a German light water reactor the flow-through method proves to be unsuitable because of the extremely long time required; this includes the Swiss patent specification 514 217, which describes the formation of a combustion chamber in a line through which the exhaust gas flows through porous blocking elements.
- catalytic recombiners contact catalysts
- Catalytic processes react very sensitively to traces of catalyst poisons. If catalytic surfaces act as a recombiner, they heat up to temperatures> ignition temperature of the explosive H2-02 mixture // loc. cit. Siemens, May 1988 // and trigger a de-flagration or detonation in the self-service area.
- a first porous blocking element, an ignition source and a second porous blocking element in a line carrying exhaust gas (including H2 and 02) in order to burn H2.
- the porous barrier elements arranged transversely to the line oppose the flow of the combustible gas mixture with considerable flow resistance, which is overcome by a corresponding pressure difference.
- the combustible gas mixture is continuously burned in the combustion chamber formed between the first and second porous blocking member after a single ignition, since the first porous blocking member acts like a gas burner, the combustion chamber being chosen closely enough to avoid damage caused by an explosion ignition of the flammable gases can arise; because a quick release of pressure through the porous barrier elements is not possible due to the nature of pores.
- the invention has for its object in a larger
- heat-resistant diaphragms and / or deflecting surfaces oriented obliquely to the direction of explosion are installed in the interior of the partial volumes, and reflectors are attached,
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Abstract
An improved device for eliminating combustible gaseous mixtures permits explosive, externally controllable combustion of the gaseous mixture, over the entire concentration range in which an explosion can occur, in partial volumes of the gas chamber separated by grids. Without the improved device, in certain concentration ranges continuous combustion in flame form occurs on inner grid surfaces as long as combustible gaseous mixture is present. Influencing this continuous combustion from the outside would be relatively expensive. It is easier to influence the expansion of the explosion wave front in partial volumes by means of incorporated elements and/or closed walls so that only explosive combustion occurs in partial volumes each of which promotes fresh combustion in partial volumes. This allows the combustion to be controlled from the outside.
Description
Ergänzte Vorrichtung zur Beseitigung von brennbaren Gasgemischen. Supplementary device for the removal of flammable gas mixtures.
B E S C H R E I B U N_GDESCRIPTION
Die Erfindung betrifft eine ergänzte Vorrichtung zur Beseiti¬ gung von brennbaren Gasgemischen.The invention relates to a supplementary device for the disposal of combustible gas mixtures.
Bei manchen Prozessen beispielsweise chemischer Art ist die Bildung brennbarer Gasgemische unvermeidbar. Explosionen brennbarer Gasgemische können erhebliche Schäden an den diese Gasgemische enthaltenden Anlagen hervorrufen. Als Anwendungsbeispiel zur Beschreibung der Erfindung dient die Beseitigung eines Wassersto f-Luftgemisches nach einem Kernschmelzunf ll in einem Kernkraftwerk (KKW) . Bei einem Kernschmelzen wird im Sicherheitsbehälter (SB) des KKW in kurzer Zeit Wasserstoff in großen Mengen durch Metall- Wasser-Reaktionen frei, der umgehend aus dem Gasraum des SB entfernt werden muß, damit keine unkontrollierten Reaktionen des Wasserstoffs (H2) mit dem Sauerstoff (02) der SB-Luft ge- zündet werden; ansonsten wäre in einem solchen Fall bei einer H2-02-Deflagration oder -Detonation, ein frühzeitiges" SB-Ver- sagen nicht auszuschließen.In some chemical processes, for example, the formation of flammable gas mixtures is unavoidable. Explosions of flammable gas mixtures can cause considerable damage to the systems containing these gas mixtures. The removal of a hydrogen-air mixture after a nuclear meltdown in a nuclear power plant (NPP) serves as an application example for describing the invention. In the event of a meltdown, large amounts of hydrogen are released in the safety tank (SB) of the NPP by metal-water reactions, which must be removed immediately from the gas space of the SB so that no uncontrolled reactions of the hydrogen (H2) with the oxygen ( 02) the SB air is ignited; otherwise, in such a case with an H2-02 deflagration or detonation, an early " SB failure could not be excluded.
Es ist vorgeschlagen worden, zur Beseitigung eines solchen brennbaren Wasserstoff-Luftgemisches offene Zündquellen ein- zusetzen. Es werden mit Batterien betriebene Funkenstrecken oder katalytische Zünder angeboten //Siemens: WasserstoffZün¬ der, Bestellnr. A 19100-U822-A107 Mai 1988//, die in einer zündfähigen Wasserstoff-Luftmischung im Sicherheitsbeh lter
eines Kernkraftwerks z.B. bei einem Kernschmelzunfall eine Deflagration oder Detonation auslösen.It has been proposed to use open ignition sources to eliminate such a flammable hydrogen-air mixture. Spark gaps powered by batteries or catalytic igniters are available // Siemens: Hydrogen igniter, order no. A 19100-U822-A107 May 1988 // which is in an ignitable hydrogen-air mixture in the containment a nuclear power plant, for example, trigger deflagration or detonation in the event of a meltdown.
Seit langem sind weitere Verfahren zur Rekombination von H2 und 02 bekannt z.B. :Other methods of recombining H2 and 02 have long been known, e.g. :
— Durchflußverfahren- flow method
Das explosible Gemisch wird durch Rohrleitungen in eine Reaktionskammer geführt und dort z.B. thermisch oder ka- talytisch rekombiniert. Bei einem freien Volumen von ca. 70000m des SB eines deutschen Leichtwasserreaktors er¬ weist sich das Durchflußverfahren wegen des extrem langen Zeitbedarfs als ungeeignet; hierzu zählt die schweizeri— sehe Patentschrift 514 217, die die Bildung einer Brenn¬ kammer in einer vom Abgas durchflossenen Leitung durch poröse Sperrorgane beschreibt.The explosive mixture is led through pipes into a reaction chamber and there e.g. recombined thermally or catalytically. With a free volume of approx. 70000m of the SB of a German light water reactor, the flow-through method proves to be unsuitable because of the extremely long time required; this includes the Swiss patent specification 514 217, which describes the formation of a combustion chamber in a line through which the exhaust gas flows through porous blocking elements.
— redundante, lokale Rekombϊnationsverfahren- redundant, local recombination methods
Es sind vorrangig katalytische Rekombinatoren (Kontaktka- talysatoren) vorgeschlagen worden. Katalytische Prozesse reagieren sehr empfindlich auf Spuren von Katalysatorgif¬ ten. Falls katalytische Oberflächen als Rekombinator wir¬ ken, erhitzen sie sich bei genügendem H2-02-Angebot auf Temperaturen > Zündtemperatur des explosiblen H2-02-Gemi— sches//loc. cit. Siemens, Mai 1988// und lösen eine De¬ flagration oder Detonation im SB aus.Primarily, catalytic recombiners (contact catalysts) have been proposed. Catalytic processes react very sensitively to traces of catalyst poisons. If catalytic surfaces act as a recombiner, they heat up to temperatures> ignition temperature of the explosive H2-02 mixture // loc. cit. Siemens, May 1988 // and trigger a de-flagration or detonation in the self-service area.
Es ist weiter bekannt, daß in einem Behälter vorhandene brennbare Gasgemische unterhalb der Detonationsgrenze defla- grieren, wenn die Zündung an einem Ort im Behälter erfolgt. Es ist ferner bekannt, daß aber durch nahezu gleichzeitige Zündung eines brennbaren Gasgemisches ebenfallls unterhalb der Detonationsgrenze an verschiedenen Orten eines Behälters mittels einer Art Explosionsjet bereits detonationsähnliche Auswirkungen erreicht werden, die bei einer lokalen Zündung an nur einer Stelle im Behälter unter sonst gleichen Randbe¬ dingungen nicht auftreten. Bereits ohne detonationsartige Auswirkungen kann eine Wasserstoffdeflagration im SB eines KKW aufgrund der damit verbundenen Freisetzung an Wärmeener-
gie zum Aufbau eines Drucks > 10 bar führen, der den Versa- gensdruck des SB von 9.5 bar überschreitet.It is also known that combustible gas mixtures present in a container deflate below the detonation limit if the ignition takes place at one location in the container. It is also known that, by means of a kind of explosion jet, detonation-like effects can also be achieved by virtually simultaneous ignition of a combustible gas mixture below the detonation limit at different locations in a container, which effects with local ignition at only one location in the container under otherwise the same boundary conditions do not occur. Even without detonation-like effects, hydrogen deflagration in the self-service of a NPP can result in the release of heat lead to a build-up of a pressure> 10 bar that exceeds the failure pressure of the SB of 9.5 bar.
Die Frage, ob Detonationen - ggf. lokal begrenzt - bei schwe¬ ren Kernkra twerksunfällen, wie z.B. Kernschmelzunf llen, im SB in Kauf genommen werden sollten, wenn der SB die letzte, intakte Barriere gegenüber der Umwelt darstellt, ist bisher nicht mit Großraumexperimenten in einem sinnvollen Volumen¬ verhältnis zum SB sondern nur anhand von Computerrechnungen für simulierte Unfallabläufe geprüft worden. Alle derartigen Computercodes erfordern die Festlegung bestimmter Randbedin¬ gungen, die die gravierenden Unfälle, gegen die die Kern- kraftwerke nicht ausgelegt werden vollständig erfassen und beschreiben müssen. Hier bleibt die Frage, ob und inwieweit potentielle Kernschmelzunf lle evtl. von den vorgedachten Er¬ eignisablaufvorstellungen der Anwender solcher Simulations¬ codes abweichen knnen.The question of whether detonations - possibly localized - in the case of severe nuclear power accidents, such as Meltdowns, which should be accepted in the self-service if the self-service represents the last, intact barrier to the environment, have so far not been tested with large-scale experiments in a reasonable volume ratio to the self-service but only on the basis of computer calculations for simulated accident processes. All such computer codes require the definition of certain boundary conditions which must fully record and describe the serious accidents against which the nuclear power plants are not designed. Here the question remains whether and to what extent potential meltdowns may possibly deviate from the pre-conceived event sequence ideas of the users of such simulation codes.
Es ist für die Wasserstoffbeseitigung in einem Siedewasser¬ reaktor vorgeschlagen worden, in einer Abgas (u.a. H2 und 02) führenden Leitung ein erstes poröses Sperrorgan, eine Zünd¬ quelle und ein zweites poröses Sperrorgan anzuordnen, um H2 zu verbrennen. Die quer zur Leitung angeordneten porösen Sperrorgane setzen dem Durch luß des brennbaren Gasgemisches erheblichen Ström¬ ungswiderstand entgegen, der durch entsprechenden Druckunter¬ schied überwunden wird. Das brennbare Gasgemisch wird in der zwischen erstem und zweitem porösen Sperrorgan gebildeten Brennkammer nach einmaliger Zündung kontinuierlich verbrannt, da das erste poröse Sperrorgan wie ein Gasbrenner wirkt, wo¬ bei die Brennkammmer eng genug gewählt ist, um Schaden zu vermeiden, der durch eine Explosionszündung der brennbaren Gase entstehen kann; denn eine schnelle Druckentlastung durch die porösen Sperrorgane ist wegen der Beschaffenheit von Po- ren nicht möglich.For the removal of hydrogen in a boiling water reactor, it has been proposed to arrange a first porous blocking element, an ignition source and a second porous blocking element in a line carrying exhaust gas (including H2 and 02) in order to burn H2. The porous barrier elements arranged transversely to the line oppose the flow of the combustible gas mixture with considerable flow resistance, which is overcome by a corresponding pressure difference. The combustible gas mixture is continuously burned in the combustion chamber formed between the first and second porous blocking member after a single ignition, since the first porous blocking member acts like a gas burner, the combustion chamber being chosen closely enough to avoid damage caused by an explosion ignition of the flammable gases can arise; because a quick release of pressure through the porous barrier elements is not possible due to the nature of pores.
Es ist weiterhin vorgeschlagen worden, den Wasserstoff in vom übrigen Gasraum durch Metallnetze abgegrenzten Teilvolumina zu verbrennen//0S DE 3820 187 AI : "Beseitigung von Wasserstoff
95 aus einer Nachunf llatmosphäre eines Kernkraftwerks"//. Bei experimentellen Untersuchungen wurde festgestellt, daß der Wasserstoff im Konzentrationsbereich zwischen 6 und 12 Vol°≤ in Luft nicht explosionsartig verbrennt sondern sich eine kontinuierliche H2-Verbrennung in Flammenform an derIt has also been proposed to burn the hydrogen in partial volumes delimited from the rest of the gas space by metal networks // 0S DE 3820 187 AI: "Removal of hydrogen 95 from an after-atmosphere of a nuclear power plant "//. In experimental investigations it was found that the hydrogen in the concentration range between 6 and 12 vol ° in does not burn explosively in air but continuous H2 combustion in flame form at the
100 inneren Gitteroberfläche einstellt, die nicht selbstständig erlischt. Dieser Effekt verhindert eine externe Steuerung der Verbrennung, die z.B. für eine Beherrschung der Wasserstoff¬ verbrennung im SB erforderlich ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem größeren100 inner grid surface that does not go out automatically. This effect prevents external control of the combustion, e.g. is required for mastering hydrogen combustion in the self-service area. The invention has for its object in a larger
105 Gasraum eine kontrollierte, explosionssichere, kurzfristige Beseitigung eines brennbaren Gasgemisches zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das brennbare Gas¬ gemisch in zahlreichen Teilvolumina verbrannt wird, die -wie bekannt- durch Gitter vom übrigen Gasraum abgegrenzt sind,105 gas space to enable controlled, explosion-proof, short-term removal of a flammable gas mixture. This object is achieved in that the combustible gas mixture is burned in numerous partial volumes which, as is known, are delimited from the rest of the gas space by grids,
110 und mehrere ergänzende Maßnahmen ergriffen werden, die im Folgenden aufgeführt sind:110 and several additional measures are taken, which are listed below:
Teilweise werden Anteile der abgrenzenden Gitterflächen durch geschlossene Wandung ersetzt, abgedeckt und/oder eingehüllt, wobei die geschlossene Oberfläche des Teilvolumens einenPortions of the delimiting lattice surfaces are replaced, covered and / or encased by closed walls, the closed surface of the partial volume being one
115 Oberflächenanteil von 1 % bis 80 % der Gesamtoberfläche des Tei 1volumens ausmacht .115 surface area from 1% to 80% of the total surface of the part volume.
Darüberhinaus werden im Inneren der Teilvolumina wärmebestän¬ dige Blenden und/oder schräg zur Explosionsrichtung ausge¬ richtete Ablenkflächen eingebaut und Reflektoren angebracht,In addition, heat-resistant diaphragms and / or deflecting surfaces oriented obliquely to the direction of explosion are installed in the interior of the partial volumes, and reflectors are attached,
120 die die Ausbreitung der Explosionswellenfront ablenken. An¬ stelle der kontinuierlichen Verbrennung in Flammenform er¬ folgt dann eine explosionsartige, selbstverlöschende Ver¬ brennung, wenn Ablenkung und Reflektion der Explosionswellen¬ front derart durchgeführt werden, daß im Bereich der inneren120 that deflect the spread of the explosion wave front. Instead of continuous combustion in the form of a flame, an explosion-like, self-extinguishing combustion takes place if the explosion wave front is deflected and reflected in such a way that in the area of the inner one
125 Gitteroberflächen aufgrund von Interferenzen eine Verstär¬ kung der Explosionswellen auftritt.An increase in the explosion waves occurs due to interference on 125 grating surfaces.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, Explosionswellenf onten ' aus verschiedenen Raumwinkeln auf einen Bereich der inneren Gitteroberfläche zu bündeln. Dabei haben sich aus der OptikAdvantageous has proven to Explosionswellenf new accounts' from different spatial angles to a portion of the inner grid surface to bundle. They have optics
130 bekannte konkave und/oder konvexe Formgebungen der Reflekto¬ ren als geeignet erwiesen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Oberflä¬ chen der Einbauten partiell mit einem regelmäßigen, nicht ebenen Strukturmuster zu versehen. Beispeilhaft ist ein 135 Strukturmuster aufgeführt, das von flachen Linsen bekannt ist, bei denen eine Ablenkung der Lichtwellen mit Hilfe ei¬ ner Gitteranordnung erzielt wird. Die mit dieser Erfindung verbundenen Vorteile sind:130 known concave and / or convex shapes of the reflectors have been found to be suitable. Furthermore, it has proven to be advantageous to partially provide the surfaces of the internals with a regular, non-planar structural pattern. As an example, a 135 structural pattern is shown which is known from flat lenses in which the light waves are deflected with the aid of a grating arrangement. The advantages associated with this invention are:
- nach jeder explosionsartigen Verbrennung im Teilvolumen 140 ist eine erneute, extern steuerbare Zündung erforderlich, so daß eine kontrollierte Gasverbrennung ermöglicht wird;- After each explosion-like combustion in partial volume 140, a new, externally controllable ignition is necessary so that a controlled gas combustion is made possible;
- eine überhitzung der Gitteroberfläche aufgrund der extern nicht beeinflußbaren Gasverbrennung in fl mmenar iger Form kann verhindert werden, wenn entsprechende, beispielsweise- Overheating of the grid surface due to the gas combustion in flame form, which cannot be influenced externally, can be prevented if appropriate, for example
145 in OS DE 3820 187 AI beschriebene Maßnahmen ergriffen wer¬ den.
145 measures described in OS DE 3820 187 AI are taken.
Claims
1. Vorrichtung zur Beseitigung von brennbaren Gasgemischen in einem Gasraum, in dem ein Teilvolumen des Gasraumes durch ein Gitter abgetrennt wird und in dem Teilvolumen eine Ver¬ brennung durchgeführt wird, d a d u r c h g e k e n n— z e i c h n e t, daß die gegen den übrigen Gasraum abgrenz¬ ende Oberfläche des Teilvolumens in bestimmten Bereichen anstelle des Gitters und/oder- innerhalb des Gitters und/oder außerhalb des Gitters eine geschlossene Oberfläche aufweist.1. Device for eliminating flammable gas mixtures in a gas space in which a partial volume of the gas space is separated by a grid and combustion is carried out in the partial volume, characterized in that the surface of the partial volume delimiting the other gas space has a closed surface in certain areas instead of the grid and / or inside the grid and / or outside the grid.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n- z e i c h n e t, daß die geschlossene Oberfläche aus wärmebe¬ ständigem Material besteht.2. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n- z e i c h n e t that the closed surface consists of heat-resistant material.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e- k e n n z e i c h n e t, daß das wärmebeständige Material eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.3. Device according to claim 1 and 2, d a d u r c h g e- k e n n z e i c h n e t that the heat-resistant material has a good thermal conductivity.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die ge¬ schlossene Oberfläche des Teilvolumens einen Oberflächen¬ anteil von 1 % bis 80 % der Gesamtoberfläche des Teilvolumens ausmacht.4. Device according to at least one of claims 1 to 3, that the closed surface of the partial volume makes up a surface portion of 1% to 80% of the total surface of the partial volume.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß wärme¬ beständige Einbauten im Teilvolumen die Explosionsausbreitung im Te lvolumen beeinflussen.5. The device according to at least one of claims 1 to 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that heat-resistant internals in the partial volume influence the explosion spread in the partial volume.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß innerhalb des ' Teilvolumens und/oder auf der Oberfläche des Teilvolumens angebrachte, wärmebeständige Reflektoren die Explosionsaus¬ breitung im Teilvolumen beeinflussen. 6. The device according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that within the 'partial volume and / or attached to the surface of the partial volume, heat-resistant reflectors influence the Explosionsaus¬ spread in the partial volume.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die wärmebe¬ ständigen Einbauten und/oder Reflektoren aus Material mit geringer Korrosionsneigung bestehen.7. The device according to at least one of claims 1 to 6 that the heat-resistant internals and / or reflectors consist of material with a low tendency to corrode.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die wärmebe- ständigen Einbauten und/oder Reflektoren ganz oder teilweise aus Metall und oder Keramikmaterial und/oder Kunststoffen bestehen.8. The device according to at least one of claims 1 to 7, that the heat-resistant internals and / or reflectors consist entirely or partially of metal and or ceramic material and / or plastics.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die warmebe- ständigen Einbauten und/oder Reflektoren ganz oder teilweise aus Edelstahl bestehen.9. The device according to at least one of claims 1 to 8, that the heat-resistant internals and / or reflectors consist entirely or partially of stainless steel.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die wärmebe¬ ständigen Einbauten und/oder Reflektoren konkave und/oder konvexe Formgebung aufweisen.10. The device according to at least one of claims 1 to 9, that the heat-resistant internals and / or reflectors have a concave and / or convex shape.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Oberflächen der wärmebeständigen Einbauten und/oder Reflektoren ganz oder teilweise ein regelmäßiges nicht ebenes Strukturmuster aufweisen. 11. The device as claimed in at least one of claims 1 to 1, that the surfaces of the heat-resistant internals and / or reflectors have a regular or non-planar structural pattern in whole or in part.
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| Nobrega | Investigation of catalyst deactivation in passive autocatalytic recombiners |
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| Date | Code | Title | Description |
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| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AU CA FI JP US |
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| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB IT LU NL SE |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: CA |