CH636020A5 - Filter system for purifying a gas or air stream - Google Patents

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CH636020A5
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Manfred Ohlmeyer
Juergen Wilhelm
Juergen Furrer
Rolf Kaempffer
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Kernforschungsz Karlsruhe
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Description

Die Erfindung betrifft eine Filteranlage zum Reinigen eines Gas- oder Luftstromes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a filter system for cleaning a gas or air stream according to the preamble of claim 1.

Aktiv-Kohlefilter zum Abscheiden von Jod in Kernkraftwerken zeigen ein starkes Absinken der Abscheideleistung nach relativ kurzen Betriebszeiten. Die Ursache liegt vorwiegend in einer Vergiftung durch Lösungsmittel. Bisher liegt noch keine befriedigende Lösung dieses Problems vor. Die Jod-Sorbtionsmaterialien, z.B. Aktiv-Kohle oder ähnliche Substanzen, müssen innerhalb kurzer Zeit erneuert werden. Dadurch entsteht ein hoher Aufwand an Material- und Prüfkosten; ausserdem kann der Zeitpunkt zum Wechseln des Sorbtionsmaterials nicht genügend vorhergesagt werden, so dass bei Störfallfiltern ein erhebliches Sicherheitsproblem besteht. Erste Versuche zielten dahin, eine Aufheizung vor der gesamten Filtereinrichtung vorzunehmen. Da die vergiftenden Lösungsmittel jedoch sowohl in schwer- als auch leichtflüchtiger Form anfallen, wird bei dieser Gesamt-Auf-heizung kein Erfolg erzielt, da nur die leichtflüchtigen Lösungsmittel ausgetrieben werden, die schwerflüchtigen jedoch weiterwandern und die eigentlich für die Radio-Jod-Abscheidung freizuhaltende bzw. vorgesehene letzte Filterstufe bzw. letzte Filterschicht vergiften. Active carbon filters for separating iodine in nuclear power plants show a sharp drop in the separation performance after relatively short operating times. The cause is mainly poisoning by solvents. So far, there has been no satisfactory solution to this problem. The iodine sorbent materials, e.g. Activated carbon or similar substances have to be replaced within a short time. This creates a high expenditure on material and testing costs; moreover, the time for changing the sorbent material cannot be predicted sufficiently, so that there is a considerable safety problem with fault filters. The first attempts were to heat up the entire filter device. However, since the poisoning solvents occur in both low and high volatility forms, this overall heating is unsuccessful, since only the high volatility solvents are expelled, but the low volatility solvents continue to migrate and those which are actually to be kept free for radio-iodine separation or poison the intended last filter stage or last filter layer.

Ausgehend von diesem Stande der Technik hat nun die Erfindung zur Aufgabe, die Einsatzzeit von Jodfiltern bzw. Based on this state of the art, the object of the invention is to determine the period of use of iodine filters or

Filteranlagen der eingangs beschriebenen Art in Kernkraftwerken zu erhöhen. Die Sicherung eines ausreichenden Abscheidegrades gegenüber radioaktivem Jod und Jodverbin-dungen über längere Betriebszeiten ist von grosser Wichtig-5 keit. To increase filter systems of the type described in the beginning in nuclear power plants. Ensuring a sufficient degree of separation against radioactive iodine and iodine compounds over longer operating times is of great importance.

Diese Aufgabe wird bei einer Filteranlage der eingangs beschriebenen Art gemäss dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausbildungen der erfmdungsgemässen Filteranlage sind in den Paten-lo tansprüchen 2 bis 4 angegeben. This object is achieved in a filter system of the type described in the opening paragraph according to the characterizing part of patent claim 1. Particularly advantageous designs of the filter system according to the invention are specified in claims 2 to 4.

Durch die erste Stufe eines zweistufigen Filters werden die schwerflüchtigen Filter-Schadstoffe mittels Absorption an Aktiv-Kohle zurückgehalten, die leichtflüchtigen Filter-Schadstoffe, die innerhalb weniger Tage bzw. Wochen 15 durchschlagen, werden auf diese Weise vorteilhaft aus der zweiten Stufe des Filters durch periodisches Ausheizen entfernt. Die schwerflüchtigen Anteile werden durch Wechseln des Sorptionsmaterials, das dann in grösseren Abständen erfolgen kann, entfernt. Through the first stage of a two-stage filter, the low-volatility filter pollutants are retained by means of absorption on activated carbon, the highly volatile filter-pollutants that break through within a few days or weeks 15 become advantageous in this way from the second stage of the filter by periodic Bakeout removed. The non-volatile components are removed by changing the sorption material, which can then be carried out at longer intervals.

20 Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine Filteranlage mit beispielsweise vier Filterkammern und einfacher Umlenkung des Luftstromes, stellvertretend für alle mehrstufigen Filteranlagen, zeigt. 20 Further details of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing, which schematically shows a filter system with, for example, four filter chambers and a simple deflection of the air flow, representative of all multi-stage filter systems.

25 Die Filteranlage mit einfacher Umlenkung besteht aus den Filterkammern 1 zur Aufnahme des Filtermaterials 2 in Form eines Filterbettes, den daran nichtangeflanschten Zu-bzw. Abströmkammern 3 und 4 bzw. 30 und 40 und den Umlenkkammern 5. Die Kammern 3,4 bzw. 30,40 und 5 30 sind mittels der Öffnungen 8, 9 und 10 mit dem Innenraum der Filterkammer 1 verbunden. Die Zuströmkammer 3 mit der zugehörigen Öflnung 8 liegt dabei unter der Abströmkammer 4 mit der zugehörigen Öffnung 9, so dass der Rohlufteintritt unten und der Reinluftaustritt oben an der 35 Filterkammer 1 erfolgt. Die Filterkammer 1 wird aus einem senkrecht stehenden und im wesentlichen allseits geschlossenen Blechgehäuse gebildet, welches an seiner Oberseite einen Einfüllstützen 6 und an seiner Unterseite den Entleerungsstutzen 7 für das Filtermaterial 2 aufweist. Als 40 Filtermaterial 2 wird vorzugsweise Aktiv-Kohle verwendet, die auch imprägniert sein kann und die über den Einfüllstutzen 6 in die Filterkammer I geschüttet und nach einer gewissen Standzeit mittels des Entleerungsstutzens 7 wieder abgelassen und durch neues Filtermaterial ersetzt wird. An 45 die Stutzen 6 und 7 sind Zugabe- und Abzugsvorrichtungen für das Filtermaterial anschliessbar, die einen automatischen oder chargenweisen Betrieb ermöglichen. In die Wand der Filterkammer 1 sind mehrere Öffnungen 8,9,10 eingebracht, mittels derer ein Luft- bzw. Gasstrom 11 in beson-50 derer Weise durch das Filtermaterial 2 bzw. das Filterbett geführt wird. Anstelle der einen Öffnung 10 können auch zwei übereinanderliegende kleinere Öffnungen vorgesehen werden, die von aussen durch einen Rohrkrümmer mit 180° oder dergleichen verbunden werden. Durch die der 55 Zuströmkammer 3 mit den Luftanschlüssen 32 zugeordnete untere Eintrittsöffnung 8 durchdringt der z.B. durch radioaktive Schadstoffe, wie Jod 131, kontaminierte Gas- bzw. Staubluftstrom 11 das Filtermaterial 2 und belädt dieses von der Anströmseite her mit den Schadstoffen durch Ab-60 Scheidung in der Kohle. Nach der erstmaligen Durchströmung wird der Luftstrom 11, dessen Schadstoffgehalt durch die Anzahl der strichpunktierten Linien dargestellt ist, durch den unteren Teil der Öffnung 10 geführt und in der Umlenkkammer 5 um 180° nach oben umgelenkt und über 6S der ersten Durchströmungsstelle erneut in entgegengesetzter Richtung über den oberen Teil der Öffnung 10 durch das Filtermaterial 2 geführt, wodurch die restlichen Schadstoffe im oberen Teil des Filterbettes 2 zurückgehalten werden. 25 The filter system with a simple deflection consists of the filter chambers 1 for receiving the filter material 2 in the form of a filter bed, the inflow or outflow flanges not flanged onto it. Outflow chambers 3 and 4 or 30 and 40 and the deflection chambers 5. The chambers 3, 4, 30, 40 and 5 30 are connected to the interior of the filter chamber 1 by means of the openings 8, 9 and 10. The inflow chamber 3 with the associated opening 8 is located below the outflow chamber 4 with the associated opening 9, so that the raw air enters at the bottom and the clean air exits at the top of the filter chamber 1. The filter chamber 1 is formed from a vertically standing sheet metal housing which is essentially closed on all sides and has a filler neck 6 on its upper side and the emptying neck 7 for the filter material 2 on its underside. Activated carbon is preferably used as the 40 filter material 2, which can also be impregnated and which is poured into the filter chamber I via the filler neck 6 and, after a certain idle time, discharged again by means of the emptying nozzle 7 and replaced by new filter material. At 45 the nozzles 6 and 7, addition and withdrawal devices for the filter material can be connected, which enable automatic or batch operation. In the wall of the filter chamber 1, a plurality of openings 8, 9, 10 are made, by means of which an air or gas stream 11 is guided in a special way through the filter material 2 or the filter bed. Instead of the one opening 10, two smaller openings lying one above the other can also be provided, which are connected from the outside by a pipe bend at 180 ° or the like. Through the lower inlet opening 8 associated with the 55 inflow chamber 3 with the air connections 32, the e.g. contaminated gas or dust air stream 11 by radioactive pollutants, such as iodine 131, and loads the filter material 2 from the upstream side with the pollutants by separation in the coal. After the first flow, the air flow 11, the pollutant content of which is represented by the number of dash-dotted lines, is guided through the lower part of the opening 10 and deflected upwards by 180 ° in the deflection chamber 5 and again via 6S to the first flow point in the opposite direction the upper part of the opening 10 through the filter material 2, whereby the remaining pollutants are retained in the upper part of the filter bed 2.

3 3rd

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Der saubere Luftstrom tritt durch die obere Öffnung 9 in die Abströmkammer 4 und wird als Reinluft an den Anschluss 31 abgeführt. The clean air flow passes through the upper opening 9 into the outflow chamber 4 and is discharged as clean air to the connection 31.

In die Umlenkkammer 5 ist nun eine Heizung in Form einer Heizspirale 33 oder eines Wärmetauschers eingebaut, deren Zu- und Ableitungen 34 und 35 nach aussen aus der Umlenkkammer 5 geführt sind. Diese Heizung kann z.B. mit Abwärme zum Reaktor oder anderen Lüftungskomponenten betrieben werden. Mit Hilfe der Heizung 33 wird nun der Luftstrom 11 nach der ersten bzw. vor der zweiten Durchströmung des Filtermaterials 2, oder anders ausgedrückt zwischen den beiden Filterstufen, erhitzt. Damit wird das Filtermaterial an der Stelle der zweiten Durchströmung bzw. in der zweiten Filterstufe aufgeheizt, um eine Desorption im Filter zu erreichen. Versuche haben gezeigt, dass mit einem Desorptionszyklus dieser Art die leichtflüchtigen Filterschadstoffe entfernt und die ursprünglichen Abscheidegrade der Jod-Sorptionsfilter wieder erreicht wurden. A heater in the form of a heating coil 33 or a heat exchanger is now installed in the deflection chamber 5, the feed and discharge lines 34 and 35 of which are guided outwards from the deflection chamber 5. This heater can e.g. be operated with waste heat to the reactor or other ventilation components. With the help of the heater 33, the air flow 11 is now heated after the first or before the second flow through the filter material 2, or in other words between the two filter stages. The filter material is thus heated at the point of the second flow or in the second filter stage in order to achieve desorption in the filter. Experiments have shown that a desorption cycle of this type removes the volatile filter pollutants and that the original degrees of separation of the iodine sorption filters have been reached again.

Die Ausheizung der Filterstufen A, B, C und D bzw. der oberen Teile oder Endstufen des Filtermaterials 2 kann auf einfache Weise mittels der Abluftklappen 36,37 und 38 in den Abluftstutzen 31 sowie der Zuluftklappen 39,41 und 42 in den Zuluftstutzen 32 erfolgen. Da die Filterkammern 1 jeweils paarweise A und B sowie C und D mittels der Umlenkkammern 5, in welchen die Heizung 33 sitzt, zusammengeschaltet sind, d.h. A und B sowie C und D haben je eine gemeinsame Umlenkkammer 5, kann die Ausheizung in beliebiger Reihenfolge oder Zusammenschaltung erfolgen. Der Vorteil besteht darin, dass ein Heizkörper 33 für zwei Filterkammern A und B bzw. C und D verwendet werden kann. Dadurch wird die Installation verbilligt. Sollen beispielsweise die Kammern A und C ausgeheizt werden, so sind die Klappen 36,38,39 und 42 geöffnet, die Klappen 37 und 41 geschlossen. Werden B und C ausgeheizt, dann sind die Klappen 37 und 41 geöffnet, die restlichen aber geschlossen. Jede andere Kombination ist ebenfalls möglich. Bei der angegebenen Ausheizung kann jede Heizung 33 mit 50% Leistung betrieben werden. The filter stages A, B, C and D or the upper parts or final stages of the filter material 2 can be easily heated by means of the exhaust air flaps 36, 37 and 38 in the exhaust air connection 31 and the supply air flaps 39, 41 and 42 in the supply air connection 32 . Since the filter chambers 1 are connected in pairs A and B as well as C and D by means of the deflection chambers 5 in which the heater 33 is seated, i.e. A and B as well as C and D each have a common deflection chamber 5, the heating can take place in any order or interconnection. The advantage is that a heating element 33 can be used for two filter chambers A and B or C and D. This will make the installation cheaper. For example, if chambers A and C are to be baked out, flaps 36, 38, 39 and 42 are open, and flaps 37 and 41 are closed. If B and C are heated, flaps 37 and 41 are open, but the rest are closed. Any other combination is also possible. With the specified bakeout, each heater 33 can be operated with 50% output.

Sollen zwei nebeneinanderliegende Kammern ausgeheizt werden, so beträgt die Heizleistung pro Heizung dann 100%. 5 Die Durchtrittsöffnungen 8, 9 und 10 für den Luftstrom 11 in der Filterkammer 1 sind durch Gitter, Lochbleche oder Siebe 12,13 und 14 abgedeckt, deren Maschenweite kleiner als die Korngrösse des Filtermaterials 2 ist. If two adjacent chambers are to be baked out, the heating output per heater is 100%. 5 The passage openings 8, 9 and 10 for the air flow 11 in the filter chamber 1 are covered by grids, perforated plates or sieves 12, 13 and 14, the mesh size of which is smaller than the grain size of the filter material 2.

Die Oberkante der Öffnung 8 und die Unterkante der io Öffnung 9 liegen mindestens um die Filterbettdicke auseinander, so dass auch die Teilluftmenge, die den direkten Weg durch das Filtermaterial unter Umgehung der Umlenkkammer 5 nimmt, mindestens dieselbe Verweilzeit im Filtermaterial hat wie der Hauptluftstrom. Dadurch wird eine Beein-i5 trächtigung der Gesamtabscheideleistung der Filteranlage durch Leckluftströmung ohne zusätzliche Abdichtungsmass-nahmen ausgeschlossen. Die Zu- und Abströmkammern 3 und 4 sowie die Umlenkkammer 5 mit der Heizung 33 bestehen aus je einem dichten Blechgehäuse, welches jeweils 20 durch Flansche 15 mit umlaufender Dichtung 16 auf die entsprechenden Öffnungen 8, 9 und 10 gasdicht aufgeschraubt sind. The upper edge of the opening 8 and the lower edge of the opening 9 are at least apart by the filter bed thickness, so that the amount of partial air that takes the direct route through the filter material bypassing the deflection chamber 5 also has at least the same dwell time in the filter material as the main air flow. In this way, an impairment of the total separation capacity of the filter system by leakage air flow without additional sealing measures is excluded. The inflow and outflow chambers 3 and 4 as well as the deflection chamber 5 with the heater 33 each consist of a sealed sheet metal housing, which are screwed together in a gas-tight manner by flanges 15 with a circumferential seal 16 onto the corresponding openings 8, 9 and 10.

Durch Ausheizen gemäss der Erfindung können nun typisch leichtflüchtige Lösungsmittelbestandteile, wie Toluol, 25 Xylol oder Äthylacetat, aus Aktiv-Kohlefiltern, in deren zweiter Stufe sie abgeschieden wurden, ausgetrieben werden. By heating according to the invention, typically volatile solvent components, such as toluene, 25 xylene or ethyl acetate, can now be expelled from activated carbon filters, in the second stage of which they were separated off.

Dadurch wird die Einsatzzeit der Jodfilter in Kernkraftwerken oder Wiederaufarbeitungsanlagen erhöht, wodurch ein ausreichender Abscheidegrad auch über längere Betriebs-30 Zeiten sichergestellt ist. Die beschriebene Heizeinrichtung kann auch ebenso gut für mehr als zweistufige Filteranlagen eingesetzt werden. Bei einer mehrfachen Durchströmung des Filterbettes durch drei oder mehrfache Umlenkung ist die Heizung bei einer Anlage, die mit den Umlenkkammern 35 paarweise zusammengeschaltet ist, vorteilhafterweise in der ersten Umlenkkammer nach der ersten Filterungsstufe einzubauen. This increases the operating time of the iodine filter in nuclear power plants or reprocessing plants, which ensures a sufficient degree of separation even over long periods of operation. The heating device described can also be used just as well for more than two-stage filter systems. If there is a multiple flow through the filter bed through three or multiple deflections, the heating in a system which is connected in pairs with the deflection chambers 35 is advantageously to be installed in the first deflection chamber after the first filtering stage.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims (4)

636 020636 020 1. Filteranlage zum Reinigen eines Gas- oder Luftstromes, insbesondere für radioaktive Stoffe enthaltende Abluft, mittels schütt- oder rieselfähigem Kontaktmaterial als Wanderbett, wobei die Abluft mindestens ein senkrecht stehendes, in einer durchströmbaren Filterkammer befindliches Wanderbett durchströmt und an der Filterkammer fest angeflanschte Kammern zum Zuströmen, Abströmen und Umlenken des zu reinigenden Gas- oder Luftstromes vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kammer (5) jeweils nach der Durchströmung durch eine erste Filterstufe und vor der Durchströmung durch eine zweite Filterstufe eine Heizvorrichtung (33) zum Aufheizen des Gas- oder Luftstromes (11) und damit des Filtermaterials der zweiten Filterstufe vorgesehen ist. 1.Filter system for cleaning a gas or air stream, in particular for exhaust air containing radioactive substances, by means of pourable or free-flowing contact material as a moving bed, the exhaust air flowing through at least one vertically standing moving bed located in a filter chamber through which flow can flow and chambers which are firmly flanged to the filter chamber Inflow, outflow and deflection of the gas or air stream to be cleaned are present, characterized in that a heating device (33) for heating the gas in a chamber (5) after the flow through a first filter stage and before the flow through a second filter stage - Or air flow (11) and thus the filter material of the second filter stage is provided. 2. Filteranlage nach Anspruch 1, mit mindestens zwei Wanderbetten, dadurch gekennzeichnet, dass die zugehörigen Filterkammern (1) jeweils mit einer gemeinsamen Umlenkkammer (5) aneinandergeflanscht sind, welche auf mindestens zwei übereinanderliegende Öffnungen (10) auf der einen Seite jeder Filterkammer (1) aufgesetzt ist, wobei Zu-und Abströmkammera (3,4) jeweils auf zwei Öffnungen (12, 13) auf der anderen Seite der Filterkammer (1) aufgesetzt sind und die Heizvorrichtung (33) in der gemeinsamen Umlenkkammer (5) angebracht ist. 2. Filter system according to claim 1, with at least two moving beds, characterized in that the associated filter chambers (1) are flanged to each other with a common deflection chamber (5) which on at least two superimposed openings (10) on one side of each filter chamber (1 ) is placed, the inflow and outflow chambers (3, 4) each being placed on two openings (12, 13) on the other side of the filter chamber (1) and the heating device (33) being fitted in the common deflection chamber (5). 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Filteranlage nach Anspruch 2, mit vier oder mehr geradzahligen Wanderbetten in je einer Filterkammer, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die zwei innersten Filterkammern (B und C) zusätzlich mit ihren Zu- bzw. Abströmöffnungen (12,13) jeweils in einer gemeinsamen Zu-bzw. Abströmkammer (30,40) münden, wobei jede Zu- bzw. Abströmkammer (3,4 bzw. 30,40) an ihrem Anschluss ein Absperrorgan (31, 32), z.B. eine Klappe, aufweist. 3. Filter system according to claim 2, with four or more even moving beds in each filter chamber, characterized in that at least the two innermost filter chambers (B and C) additionally with their inflow and outflow openings (12, 13) each in a common access -respectively. Outflow chamber (30.40) open, each inflow and outflow chamber (3.4 or 30.40) at its connection a shut-off device (31, 32), e.g. has a flap. 4. Filteranlage nach Anspruch 3, zum Einsetzen in eine Reaktoranlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (33) aus einem Wärmeaustauscher besteht, der mit Abwärme des Reaktors betreibbar ist. 4. Filter system according to claim 3, for use in a reactor system, characterized in that the heating device (33) consists of a heat exchanger which can be operated with waste heat from the reactor.
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