TW201832245A - 觸媒式再結合器及過濾器之設備 - Google Patents
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Abstract
一種觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，較佳地用於置放在一核子反應爐(6)的一圍阻體(4)中，該設備包含：一自然對流流動導管(8)，在該流動導管內配置有數個觸媒元件(18)，用於再結合流經該流動導管(8)之一氣流中所含有的氫及氧。
該觸媒式再結合器及過濾器設備(2)即使在相當長的操作期間也能針對氣流提供可靠的氫還原及碘過濾。
根據本發明，該觸媒式再結合器及過濾器設備(2)包含數個吸附器元件(24)，具有碘吸附表面(60)及位於它們之間的巨觀流動通道(28)，其中該氣流充滿該等碘吸附表面(60)。
Description
本發明係有關一種觸媒式再結合器及過濾器設備，較佳地用於置放在核子反應爐的圍阻體中。
JP H 1194992 A揭示一種觸媒式再結合器及過濾器設備，用於置放在核子反應爐的圍阻體中，其包含自然對流流動導管，在該流動導管內配置有數個觸媒元件，用於再結合流經該流動導管之氣流中所含有的氫及氧。觸媒元件的上游有一個碘過濾器，氣流充滿該碘過濾器。在碘過濾器的更上游，可能有顆粒過濾器及濕氣分離器，以防止碘過濾器堵塞。此配置的主要目的是保護觸媒劑。在此情況下的基本目的不是要減少圍阻體大氣內的放射源項。
此種裝置具有相對較高的壓降，且因此具有限制或防止對流的固有趨勢。如果儘管存在顆粒過濾器及濕氣分離器，但碘過濾器在操作期間會被聚集氣流中所含有的顆粒及液滴部分地或者甚至完全地所堵塞，此趨勢甚至更強。
因此，本發明的目的之一在於提供一種觸媒式再結合器及過濾器設備，避免了上述問題，並且即使在核子反應爐之圍阻體內的相當長時間的操作期間，也能針對氣流提供可靠的氫還原及碘過濾。此處主要之總體目的係在於減少圍阻體空氣內的放射源項。
此目的藉由具有如請求項1之特徵的觸媒式再結合器及過濾器設備來實現。
因此，本發明提供一種觸媒式再結合器及過濾器設備，較佳地用於置放在一核子反應爐的一圍阻體中，該設備包含一自然對流流動導管，在該流動導管內配置有數個觸媒元件，用於再結合流經該流動導管的一氣流中所含有的氫及氧，或者一氧化碳及氧，其中該觸媒式再結合器及過濾器設備包含數個吸附器元件，具有碘吸附表面及在它們之間的巨觀流動通道，且其中該氣流充滿該等碘吸附表面。
發明人等已經發現到，在先前技術中使用之具有微孔且被氣體流流過的碘過濾器，產生相對較高的過濾效率，但也產生高的壓降及低的流率。與此相反地，所要求保護的本發明提出吸附器元件，具有反應性表面區域並且在它們之間具有巨觀流動通道。因此，反應性表面區域被氣流充滿(flow over)[而不是流經(not throw)]，產生相對較低的過濾效率，但也產生低的壓降及大的流率。從長遠期間來看，例如在5到20小時的過程中，圍阻體內部的特定氣體部分通過多次，這些元件將比先前技術之解決方案更有效。與此相反地，氣流的 充滿時間，亦即吸附器元件的駐留持續時間典型在0.03~2.0秒的範圍內。
在尤其有利的實施例中，觸媒元件下游的碘吸附器元件的配置允許氣體流在通過吸附器元件之前被過熱，此對於避免損害以沸石為主的吸附劑或類似的吸附劑是重要的。在此情況下，不需要單獨的濕氣分離器。除此之外，在吸附器元件的氣體流之溫度越高，則吸附越好。
總之，本發明除此以外提供了以下優點：
˙即使在氫濃度較低的情況下也能毫不遲延地啟動，並在之後連續地操作。
˙持續且有效地支持圍阻體內的自然對流/空氣循環。
˙圍阻體內放射性成分的有效減壓及保留。
˙各自的過濾式圍阻體通風系統(FCVS)可以用更小的組件以更簡單且更經濟之方式來實現。
˙可以改裝到現有的工廠。
這些及與本發明相關的其他優點以及結構及功能性細節，將在隨後的詳細敘述中變得更加明顯。
2‧‧‧觸煤式再結合器及過濾器設備
4‧‧‧圍阻體
6‧‧‧核子反應爐
8‧‧‧流動導管
10‧‧‧殼體
12‧‧‧入口
14‧‧‧出口
16‧‧‧流動方向
18‧‧‧觸媒元件
20‧‧‧觸媒區域
22‧‧‧流動通道
24‧‧‧吸附器元件
26‧‧‧過濾區域
28‧‧‧流動通道
30‧‧‧吸附器元件
32‧‧‧流動通道
34‧‧‧抽屜
36‧‧‧支撐元件
38‧‧‧流動導管
40‧‧‧入口
42‧‧‧出口
44‧‧‧靜電式氣溶膠過濾器
46‧‧‧放電電極
48‧‧‧收集電極
50‧‧‧流動通道
52‧‧‧高電壓源
54‧‧‧補集袋
56‧‧‧熱電式發電機
60‧‧‧碘吸附表面
62‧‧‧濕氣分離器
70‧‧‧通風槽
72‧‧‧覆蓋元件
74‧‧‧致動器
D‧‧‧細節
現在將參考附圖來討論本發明之例示性實施例。
第1圖提供觸媒式再結合器及過濾器設備的第一變型例之示意圖；第2圖係顯示第二變型例； 第3圖係顯示第三變型例；以及第4圖係顯示第3圖中所示之實施例的增強。
在所有附圖中，相同的技術元件被指定為相同的元件符號。
第1圖係顯示觸媒式再結合器及過濾器設備2的局部剖面立體圖，較佳地用於置放在核子反應爐6(在此處僅示意性地顯示)的圍阻體4中，或是在核子反應爐或核工廠的另一位置。觸媒式再結合器及過濾器設備2包含由殼體10所限制的流動導管8。流動導管8實質上垂直地對準，並且具有在底部的入口12及在頂部的出口14。該配置使得流經流動導管8的氣流或氣體流具有基本沿著垂直方向的流動方向，如箭頭16所示。
核電廠4通常包含稱為圍阻體4的安全殼體，圍阻體壁係包圍核子組件並且相對於外部環境而被密封。尤其是在嚴重事故期間，核電廠的圍阻體4內的圍阻體大氣可能含有氫及/或一氧化碳，且因此流經流動導管8的氣流可能含有氫及/或一氧化碳，其與氧結合可能形成易燃混合物，以及空氣承載的放射能，除了氣溶膠以外，係包含、元素碘(I2)及碘化合物。藉由觸媒式再結合器及過濾器設備2將這些成分從氣流中去除，且因此將這些成分從圍阻體大氣中去除。
在流動導管8的下部，存在數個、較佳係複數個觸媒元件18，該等觸媒元件係配置在流動導管8內部的觸媒區域20內，用於無焰地再結合流經流動導管8 之氣流中所含有的氫及氧，以產生水(蒸氣)，或是供選擇地用於再結合一氧化碳及氧以產生二氧化碳。此種裝置也被稱為被動式自觸媒再結合器(PAR)。觸媒元件18可以包含例如包含由觸媒活性材料或面製成面的數個片材、板、刀片(blade)或其他物件，其中片材、板或刀片較佳係彼此平行地配置且在它們之間具有垂直地對準的流動通道22。流動通道22配置成相對於壓降及速度降對流經流動導管8之氣流僅具有小的影響。
如果圍繞觸媒元件18的大氣含有氫(或是一氧化碳)及氧，則這兩種氣體組成分的無焰再結合係由觸媒元件18引發。由於觸媒過程的放熱性質，觸媒元件18及流動導管8內部之氣體被加熱，導致流經流動導管8的自然對流(所謂的煙囪效應)。通常，此導致圍阻體大氣的旋轉，其中一些部分並且最終整個封閉容積以循環的方式多次通過流動導管8。只要觸媒式再結合器及過濾器設備2的入口12周圍的空氣含有足夠量的氫及氧以進行再結合，就維持自然對流。
通常，在入口12進入流動導管8的大氣含有水蒸汽或蒸汽。除此之外，蒸汽係由觸媒反應本身釋放。藉由觸媒元件18及位於它們之間的流動通道22之適當設計，可以實現相對較高的溫度，且因此實現離開觸媒區域20之蒸汽部分的過熱。
較佳地在觸媒元件18的下游(亦即在上方)存在數個、較佳係複數個碘吸附器元件24，配置在流動導管8內，它們一起形成碘過濾區域26。每個吸附器元件 24包含數個碘吸附表面60，氣流充滿該吸附表面。類似於觸媒元件18，吸附器元件24可以例如包含由吸附劑材料或面製成，或包含吸附劑材料或面的數個片、板、刀片或其他物件，其中片、板或刀片較佳係彼此平行地配置，且在它們之間具有垂直地對準的流動通道28。在替代實施例中，流動通道28可具有不同的幾何形狀。然而，在任一情況下的總體設計目標是流動通道28配置成相對於壓降及速度降對流經流動導管8之氣流僅具有小的影響。
因此，吸附器元件24之間的流動通道28具有巨觀尺寸，它們中之每一者較佳地包含在500達至5000mm2範圍內的流動橫截面。因此，吸附器元件24的碘吸附表面60被流動導管8內的氣流充滿，且未被像是習知過濾器中的微細孔流過。
主要地，在吸附器元件24的吸附表面60，藉由物理及/或化學吸附而將氣流中所含有的元素碘(I2)或有機碘化合物，如甲基碘(CH3I)去除/沉積。用於此任務的適合吸附劑可以基於例如銀沸石(AgX)及/或硝酸銀(AgNO3)或以MOF為主的材料。MOFs(金屬有機框架)是由金屬離子或分子集團組成的化合物，其配位成有機配位基以形成一維、二維或三維結構。它們是配位聚合物的一個子類別，其特點是通常它們是多孔的。吸附劑較佳係設置在適合的支撐材料或基板上，例如藉由為本業技藝之人士所知之適合的表面處理方法來製造。
在上述實施例中，觸媒元件18可達成數個目 的：
˙它們作為流經流動導管8之氣流的完全被動式「泵」，啟動並且保持自然對流。
˙從圍阻體大氣中去除易燃的氫濃度。
˙它們加熱氣流使得反應性且因此在更下游的過濾區域26中之吸附過程的效率增加。
˙它們確保在氣流內之液流成分的過熱，藉此防止或排除過濾區域26中的冷凝，並且保持吸附器元件24不受潮濕或濕氣。
為了有效地過熱，離開觸媒區域20的氣流之溫度較佳藉由系統設計而被設定為飽和蒸氣溫度以上>40℃達至600℃的值。此意謂著吸附器元件24必須特別耐高溫以應對氣流的高溫。適合的吸附劑材料是例如銀沸石。
為了避免>600℃(在一些情況下甚至>500℃)的溫度，且因此避免對吸附器元件24的損壞，如第4圖中示意性地顯示，在流動導管8的殼體10中可以有通風槽70，位於吸附器元件24的上游及觸媒元件18的下游之區段。較佳地，通風槽70以被動致動之覆蓋元件72覆蓋，尤其是可樞轉的或可滑動的覆蓋物，使得通風槽70在處於流動導管8內之較低溫度(例如，<600℃)下關閉，在較高溫度(例如>600℃)下打開。因此，在較低的溫度下，通風槽70被關閉，但是在較高溫度下，冷的環境空氣經由通風槽70從外部被吸入流動導管8，藉此與流動導管8內的熱氣體流混合並且將它冷卻到臨界溫度 以下。覆蓋元件72的被動致動例如可以藉由雙金屬致動器或形狀記憶材料致動器或藉由基於容器內的流體之溫度相依膨脹的致動器，例如活塞來實現。此種致動器74或觸發器的切換溫度較佳地適應在流動導管8內的吸附器元件24的可允許最大操作溫度。
在附圖中未顯示之針對吸附器元件24的耐溫度要求較低的替代實施例中，具有吸附器元件24的過濾區域26可以配置在具有觸媒元件18的觸媒區域20的上游。供選擇地，觸媒元件18及吸附器元件24可以在同一區域或區段內混合。甚至可以有兩級觸媒式再結合器，其具有第一觸媒區域及更下游的第二觸媒區域，其中具有吸附器元件的碘過濾區域配置在第一觸媒區域及第二觸媒區域之間。在任一情況下，任何這些元件之間的流動通道較佳設計用於低壓降，其中氣體流充滿如上所述觸媒表面及/或吸附表面。
觸媒式再結合器及過濾器設備2的一些較佳的設計參數係如下述：該裝置應該在0.5達至12.0巴(相對於外部大氣壓力)的圍阻體大氣壓力下，在30達至250℃的範圍內的圍阻體大氣溫度下工作，且氫(或一氧化碳)濃度為1達至15體積百分率之範圍。該設計較佳使得觸媒區域20的入口之流速在0.2達至2.0m/s的範圍內。過濾區域26的垂直長度/高度較佳在0.08達至0.8m的範圍內，其中放射性顆粒在吸附劑材料上的停留時間較佳在0.03達至2.0秒之範圍。
在第1圖所示的實施例中，在碘過濾區域26 的碘吸附器元件30下游之流動導管8內安裝有第二組吸附器元件30。第二組吸附器元件30主要係構造成用於保持氣流中所含有的惰性氣體，且因此也稱為惰性氣體吸附器元件。像碘吸附器元件24一樣，它們可以被實現為分子篩。在一個替代實施例中，用於惰性氣體保持的吸附器元件30可以位於吸附器元件24的上游用於碘留存，但是較佳地仍然位於觸媒式再結合器的觸媒元件18的下游。在吸附器元件30之間存在流動通道32，其幾何形狀及尺寸類似於吸附器元件之間的流動通道28的幾何形狀及尺寸。
在入口12之後且在觸媒元件18之前，可以存在入口側濕氣分離器62。
觸媒元件18或其子集合的整體較佳地安裝在抽屜式的支撐框架或抽屜34中，其可以在當需要時滑入至流動導管8的殼體10以及從流動導管8的殼體10去除。對於碘吸附器元件24，同樣如此，以及如果存在的話，惰性氣體吸附器元件30及其他過濾器或再結合器單元，也同樣如此。
在第2圖所示的另一個實施例中，在流動導管8內不存在碘吸附器元件24。取而代之的是，板狀吸附器元件24借助於支撐元件36固定在殼體10的外面，較佳在側邊緣，吸附器元件24與殼體10的外表面平行地對準。較佳地，吸附器元件24安裝在觸媒區域20之稍微上方，觸媒區域20由殼體10內部之數個觸媒元件18實現的。每個吸附器元件24包含朝向殼體10之外表 面的碘吸附表面60。在吸附器元件24及殼體10之間存在間隙，因此實現了具有位於底部的入口40及位於頂部的出口42的二次流動導管38。在操作期間，如上所述，周圍空氣借助於上述已說明之煙囪效應經由入口12被吸入到(主)流動導管8中。一些對流氣流被轉移並且經由入口40通過二次流動導管38，藉此將碘及碘化合物轉移並且結合到吸附器元件24的吸附劑材料上。
總而言之，觸媒式再結合器及過濾器設備2的根本目的不是為了實現一次通過氣流的儘可能最高的碘過濾速率，而是具有碘過濾及相對低的壓降之合理平衡，以便儘可能保持仍有自然對流。因此，從長遠期間來看，(封閉)圍阻體大氣多次通過觸媒式再結合器及過濾設備2，可以實現非常高的總過濾量。原則上，過濾操作僅受吸附器板24的吸附劑材料之容量以及作為驅動「燃料」的圍阻體大氣中氫及氧的可用性之限制。
在一較佳實施例中，一靜電式氣溶膠過濾器44配置在流動導管8內側，較佳在觸媒元件18的上游。此在第3圖中示意性地顯示。為了簡化起見，第1圖及第2圖的吸附器元件24此處沒有顯示，而是僅示意性地顯示。如第3圖所示的附加特徵可以與第1圖或第2圖的實施例結合。
靜電式氣溶膠分離器44包含數個線狀放電電極46及數個線狀收集電極48，該等電極藉由隔離器彼此電隔離並且較佳地在流動導管8內垂直地且彼此平行地排齊。放電電極46及收集電極48藉由用於在它們 之間的氣流的流動通道50在空間上隔開。
在操作期間，放電電極46為負電極，並且發射電子經由氣流朝向正電極之收集電極48而移動，其中電子被收集並重新注入各自的電路。高電壓源52/發電機提供所需的操作電壓。
在操作期間，在氣流中所含有的氣溶膠顆粒，藉由聚集/捕獲發射電子或是藉由聚集帶負電荷的離子而捕獲這些電子，因而帶負電，且接著被輸送到收集電極48，其中它們收集並聚集在表面上。如放大細節D中所示，在收集電極48的所謂捕集袋54或捕集器防止所收集的氣溶膠顆粒重新夾帶到氣流中。一旦聚集的氣溶膠化合物已經達到一定的尺寸且因此達到一定的重量，當它們從收集電極48釋放時，它們藉由與氣流的流動方向相反的重力落下到地面。此釋放可以由具有平坦的、電互斥表面或具有所謂蓮花效應之塗層的收集電極48來支持，以及藉由振動來支持。在收集電極48的暫時電荷逆轉也可以支持抖落聚集物，其接著落下到地面，在地面它們可以被適合的容器(此處未顯示)收集。
在一個較佳實施例中，靜電式氣溶膠過濾器44由熱電式發電機56供電，較佳者係熱耦接至觸媒元件18及/或熱氣流作為熱源。以此方式，由觸媒元件18產生的廢熱被轉換成有效的電能，並且用於針對像是靜電式氣溶膠過濾器44等電器供電。
Claims (12)
- 一種觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，較佳用於置放在一核子反應爐(6)的一圍阻體(4)中，該設備包含一自然對流流動導管(8)，在該流動導管內配置有數個觸媒元件(18)，用於再結合流經該流動導管(8)的一氣流中所含有的氫及氧，或者一氧化碳及氧，其中該觸媒式再結合器及過濾器設備(2)包含數個吸附器元件(24)，具有碘吸附表面(60)及在它們之間的巨觀流動通道(28)，其中該氣流充滿該等碘吸附表面(60)，且其中該等吸附器元件(24)係配置在該等觸媒元件(18)之下游。
- 如請求項1之觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，其中該等流動通道(28)係沿著該流動導管(8)的縱向方向對準，每個流動通道具有至少500mm 2，尤其是至少1500mm 2之尺寸的一橫截面。
- 如請求項1或2之觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，其中該等吸附器元件(24)係配置在該流動導管之內部。
- 如請求項1至3中任一項之觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，其中該流動導管(8)被一殼體(10)包圍，且其中在該等吸附器元件(24)及該等觸媒元件(18)之間的一截面，具有配置在該殼體中的數個通風槽(70)，便於環境空氣流入至該流動導管(8)。
- 如請求項4之觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，其中該各自的通風槽被與一溫度相依之被動致動器(74)耦接的一可動式蓋元件(72)所覆蓋，使得該通風槽(70) 處在該流動導管(8)中之一預定臨界溫度及超過該預定臨界溫度時打開。
- 如請求項5之觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，其中該致動器(74)的切換溫度適於該等吸附器元件(24)的允許最大操作溫度。
- 如請求項1或2之觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，其中該等吸附器元件(24)係配置在該流動導管(8)之外部，實現二次流動導管(38)。
- 如請求項1至7中任一項之觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，其中該等碘吸附表面(60)係由銀沸石及/或塗佈有銀的金屬，尤其是塗佈有銀的銅線，及/或以基於MOF的材料所製成。
- 如請求項1至8中任一項之觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，其中一靜電式氣溶膠過濾器(44)係配置在該流動導管(8)之內部，較佳係在該等觸媒元件(18)之上游。
- 如請求項9之觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，其中該靜電式氣溶膠過濾器(44)係由一熱電式發電機(56)來供電。
- 如請求項10之觸媒式再結合器及過濾器設備(2)，其中該熱電式發電機(56)係熱耦接至該等觸媒元件(18)及/或該氣流。
- 一種核電廠，包含一圍阻體(4)及置放在該圍阻體(4)內如請求項1至11中任一項之觸媒式再結合器及過濾器設備(2)。
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