用于减少在一个工程设备子系统 内流动的水流中的氧气含量 的方法和处理系统 本发明涉及一种处理系统和方法，用于减少在一个工程设备子系统内流动的水流中的氧气含量。
在许多工程设备中，例如在化工生产企业或者在核发电厂或燃烧矿物燃料的发电厂内，都要设置有水在其中流动的子系统。这样一些子系统例如可以是一个冷却循环或者是一个用于工作介质的循环回路。
在子系统内流动的水流中的高的氧浓度会导致子系统的构件或管道发生锈蚀。为了可靠地避免子系统或整个工程设备受到损害，可能需要按要求减小在子系统内流动的水流中的氧气含量。尤其当出于运行或设计方面的原因向水中持续充入氧气时，就会产生这样的要求。
例如对于一个核技术设备的中间冷却循环，需要为中间冷却循环内流动的水流设置一个补偿容器。在其内腔中，水流按照一种敞开的方式与周围的大气接触。由此引起连续向中间冷却循环充入氧气，这可能会导致在其中流动的水流中地氧气浓度例如可达8ppm(parts per million)。但为了防止产生锈蚀，也需要在氧气连续充入的情况下将中间冷却循环内流动的水流中的氧气含量保持在低于20ppb(parts per billion)。
为此，在核技术设备的这样一种中间冷却循环中，通常按照需要向流动的水中充入肼(N2H4)。肼与水流中所含氧气反应生成氮气(N2)和水(H2O)，水中的氧含量由此显著下降。但在这种持续有氧气充入的设备中，却或多或少需要保持输入肼。这会导致水的电导率持续增高，从而导致水化学的持续变化。出于运行方面的原因，当预定的电导率极限值被超过时，或者当超过一个预定的pH值时，就需要将工程设备子系统内的水全部更换掉。但在这种复杂的工程设备中，要将水全部更换掉是十分的麻烦，而且还会导致所不期望发生的设备长时间的停止运转。
为了将水中的氧气含量调节到较低值，也可选择按照需要使水真空除气。但这样一种方案所需的部件却会导致高成本。
因此，本发明的目的在于提供一种处理系统，用于减少在一个工程设备子系统内流动的水流中的氧气含量。该处理系统的结构成本和技术成本都特别低，而且能按照需要可靠地将水中的氧气含量保持在低于一预定极限值。此外，要提供一种特别可靠且实施成本很低的方法，用于减少在一个工程设备子系统内流动的水流中的氧气含量。
本发明有关处理系统方面的目的是这样来实现的，即，在一个电解单元的为将水分解成氢气和氧气而与子系统相连接的阳极和阴极之后，在氢气侧连接有一个氢气-氧气-再化合用催化剂，它连接在子系统之内。
本发明的出发点在于，通过使氧气进行一次反应后其产物不会对水化学造成不利影响，就能以特别低的成本可靠地将水中的氧气含量调节到很低。为此，使氧气与氢气再化合，而其形成的最终产物仅仅是水。将氢气作为氧气的反应对象来供入，在此按照需要通过电解单元来实现。为了保证将所供入的氢气全部转化反应，在该电解单元之后连接有氢气-氧气-再化合用催化剂。
所设电解单元相宜地用于将子系统内流动的水流中的一部分分解，其入口侧为此同样与子系统连接。水从子系统流往电解单元的阳极和阴极。此处的阳极和阴极也可理解为是多个阳极和阴极。尤其为了弥补水的体积流损失，可另外将来自一个单独的储水器的水供入所述电解单元中。在所述储水器中，水例如可以消电离状态(Deionat)存储。
氢气-氧气再化合用催化剂在特别有利的设计中包括一些作为催化活性成分的涂有钯层的聚合球，这样一种聚合球例如在拜耳公司的产品说明书“催化去除溶于水中的氧气O2”(第OC/I 20377号，于1995年10月出版)中有记载。
所述电解单元相宜地包括一些膜式电解槽。这样一种膜式电解槽的工作原理正好和一种燃料电池的工作原理相反(这种燃料电池例如已记载在由K.Straβer发表在VDI报告第912号(1992)，第125页以下的论文“用于电动牵引的燃料电池”中)。为此，向一个设在一阳极和一阴极之间的薄膜输送水。通过在阳极与阴极之间施加一个供电电压，水被电解成氢气和氧气。这样一种膜式电解槽的出色之处在于其特别紧凑的结构，一个带有一些膜式电解槽的电解单元由此可安设在特别狭窄的空间内。因此，这样一种电解单元可特别灵活地，并能满足子系统的特殊要求地连接在子系统中。
在另外一个有利的设计结构中，一个用于氧气的排放系统连接在电解单元上。这样，分解部分水所产生的氧气就能以特别简单的方式被排出或输出用作它用。
比较有利的是，电解单元连接在一个其输入口及输出口均与子系统连通的分支管道中。此时，由分支管道输送的部分水流以及进而向电解单元输送有待分解的水就能特别灵活地与有待生成的氢气量相匹配。在子系统内循环的主水流也不会受到显著的影响。尤其是基于电解部分水流时的高效率，在通过分支管道引入的部分水流和在子系统内流动的主水流之间的分流比例就可以选择得较小。为了将在一个核技术设备的一个中间冷却循环内流动的水流的氧气含量从大约8ppm减小到小于约10ppb，在中间冷却循环内流动的例如每小时约300升的水流中通过分支管道仅仅分出一个每小时约10升的分流。
为了在这种布置中，使生成的氢气在主水流中有特别均匀的分布，进而在随后的催化性再化合中有特别高的效率，在另一有利的设计中，分支管道的出口通过一个静态混合器通入子系统中。
为了按需求地、因而特别精确地生成用于减小氧气含量的氢气，所述电解单元相宜地配备有一个调节值发送器(Stellwertgeber)。该发送器的输入口与一个用于测量水中氧气含量的测量用探针相连接。该测量用探针可连接在子系统中或分支管道中。调节值发送器比较有利地作用于一个给电解单元提供电压的电源上。这样，借助于水中的氧气含量实际值，尤其能按照需求地产生氢气。
为了可靠地检测催化再化合的有效性，进而检测氧气含量的减小，比较有利地是在子系统中，在氢气-氧气再化合催化剂之后连接另一个测量用探针，以用于测量水中的氧气含量。
本发明关于方法方面的目的是这样来实现的，即，将来自子系统的水电解成氢气和氧气，由此形成的氢气被用于与水中所含氧气进行再化合。尤其要对来自子系统的一分水流进行分解。来自子系统的水在此既要输送给电解单元的阳极，还要输送给阴极。
为了按照需求地、因而特别灵活地减小氧气含量，比较有利地是借助于表征水中氧气含量的测量值对来自子系统的分水流的电解过程进行控制。
为此，水W自子系统2中被分出，流经一个电解单元4，随后连同分解水所产生的氢气被反馈回子系统2中，在此，在电解单元4中产生为子系统4的水W中所含氧气再化合所需的氢气量，该子系统的水中的氧气含量由测量值表示。
本发明的优点主要在于，通过向水中充入氢气并通过随后催化再化合，能保证可靠地减小水中的氧气含量。在此，即便在长期运行时也能可靠地避免水化学发生改变。通过按照需求在电解单元中生成氢气，利用简单的手段就可保证氢气输入子系统中，而无需为此采取昂贵的措施来预先存储氢气，连接在子系统中的部件的锈蚀因而通过特别简单的手段就能可靠地被避免。在此，尤其不再需要对子系统内流动的水进行全部更换。
下面借助一附图对本发明的实施例予以详细说明，附图中示出一个用于在一个工程设备子系统内流动的水流的处理系统。
图示处理系统1用于减小在一个工程设备的一个局部示出的子系统2内流动的水流W中的氧气含量。在该实施例中，子系统2是一个核技术设备的一个中间冷却循环。但子系统2也可以是一个工程设备中的任意另一个子系统。在此，出于不同的原因，例如为了防止锈蚀或为了保持预定的氧气极限值，需要或期望减小氧气含量。
所述处理系统1包括一个电解单元4，它连接在一个由子系统2的管道系统6分叉出的分支管道8中。通过分支管道8，在子系统2中流动的水流W中的一支分流T可输入所述电解单元4中。此外，电解单元4中也可输入来自于一个未进一步示出的储水容器的例如作为去电离水(Deionat)的水流。电解单元4用于电解一部分支流T，将水W分解成氢气H2和氧气O2。电解单元4的出口连接到分支管道8中，这样电解获得的氢气H2可连同在电解单元4中未分解的残余水R被一同输送到子系统2中。
在电解单元4的输入口前面，在分支管道8中还连接有一个未详细示出的过滤系统。通过这样一种过滤系统，可有效杜绝将对于电解单元4的功能有害的沉碴或污染物输入电解单元4中。
分支管道8的出口通过一个静态混合器10通入子系统2中。沿水流W的流动方向看过去，在静态混合器10的后面有一个氢气-氧气再化合催化剂12连接在该子系统2中。换句话说：氢气-氧气再化合催化剂12通过分支管道8以及静态混合器10连接在电解单元4的氢气侧之后。
电解单元4包括一些膜式电解槽20，在图示实施例中示出两个膜式电解槽20。但也可选择仅仅设置一个膜式电解槽20或更多的膜式电解槽20。在每个膜式电解槽20中，在一个阳极24和一个阴极26之间设置一个由聚合物电解质构成的薄膜22。为了有特别高的防蚀性，阳极24和阴极26优选由铂和/或铱等贵重金属制成。但也可采用其它材料。
为了将水W输入多个膜式电解槽20中，分支管道8分叉出相应数量的引水管27。其中的每根引水管分别通入有关膜式电解槽20的一个水管系统28中。
阳极24和阴极26通过一个电路系统29与一个电压源30相连。电压源30为了控制电解单元4中的氢气和氧气产量与一个用于电解单元4的调节值发送器32相连。该发送器的输入口与一个连接到子系统2中用于确定水W中氧气含量的测量用探针34相连。
为了将氢气H2输入子系统2中，每个膜式电解槽20的输出口与一根氢气管道36相连接。各氢气管道36在合适的地点汇总并共同构成分支管道8的输出部段。
在电解单元4的氧气输出侧连接有一个用于氧气O2的排放系统40。该排放系统40包括一根可用一个阀装置42截止的氧气管44，该氧气管44通入一个脱水器46中。在脱水器46中沉积下来的水W′可输入一个水池中，从而能够被再利用。在脱水器46中与水W′分离的氧气O2通过一根排气管48可输入一个未进一步示出的排气系统中。
连接在电解单元4氢气侧之后的氢气-氧气-再化合用催化剂12包括一个催化剂管50。例如在采用处理系统1用于一个核技术设备的一个中间冷却循环时，该催化剂管的高度约为2m，直径约为0.4m。在催化剂管50的下部52设有催化剂体54，在本实施例中它由掺杂有钯的聚合球制成。氢气-氧气再化合用催化剂12为此连接在一个排气采样阀56以及一个溢流阀58上。
为了将在分支管道8内流动的支流T和流过管道6的水W的主流H之间的分流比例调节到一个预定值，在分支管道8分叉出的引水管27中连接有阀60、62以及流量测量装置64、66，在管道6中则连接有另一个阀68。视系统的要求可这样选择分流比例，即，当管道6内流动的主流H约为300l/h时，分支管道8内流动的支流仅仅约为10l/h。
沿水流W的流动方向看过去，在氢气-氧气-再化合用催化剂12之后，在子系统2之内连接有另一个用于测算水W中氧气含量的测量用探针59。
在技术设备的子系统2工作时，通过测量用探针34监测在子系统2内流动的水流W中的氧气含量。一旦氧气含量超过一个可预定的极限值、例如2ppm时，就激活所述用于减小水W中氧气含量的处理系统1。为此，通过分支管道8将分支T水流W输入电解单元4。通过用电压源30施加一个电压，输入电解单元4中的部分水流W被电解成氢气H2和氧气O2。电解率取决于输入电解单元4中的电流(Strom)，调节值发送器32又根据由测量用探针34测得的水W中氧气含量测量值对电解单元4进行调节。通过适当地选择参数，可以实现将水W定量地分解成氢气H2和氧气O2，在可预定的公差极限内，所需的氢气H2量被提供给与水W中所不期望出现的O2再化合。
分解部分水W所产生的氢气H2与未分解的残余水R通过分支管道8输入子系统2中。这种输入在静态混合器10中进行。从而可保证所生成的氢气H2特别均匀地分布在水W的主流H中。供入氢气H2的水W然后流入氢气-氧气再化合催化剂12中。在那儿，由催化剂体54引发，氢气H2与水W中运输的所不期望出现的氧气O2进行催化再化合。氢气H2与氧气O2反应生成水，不会有任何其它反应产物生成，水W也不会被污染。
借助于其它测量用探针59对由氢气-氧气-再化合用催化剂12流出的水W中可能残余的氧气进行探测。由其它测量用探针59提供的氧气含量测量值在此可被用于制导调节值发送器32。
在电解单元4运行时同时产生的氧气O2通过排放系统40首先与附带的水W′分离，然而再输送给排气系统。
通过按照需求生成氢气H2，并随后使氢气H2与水W中带有的所不期望出现的氧气O2再化合生成水。以特别简单的方式可靠地减少了水W中的氧气含量。水W中原有的氧气含量尤其可以简便而可靠的方式从例如约8ppm减小到例如小于约10ppb。利用该处理系统1，能够简便、可靠地避免子系统2中产生锈蚀。而不必有规律地过一段时间就全部更换在子系统2内流动的水W。