CN102760503B - 一种气体分布装置及颗粒包覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体分布装置，包括：依次向上连接的进气通道、气体喷嘴、二次气体分布室、多孔气体分布器、气体导流底座。该种气体分布装置可以均匀稳定的给颗粒材料床供给气体，从而使颗粒材料床中的颗粒均匀与气体接触，进而实现颗粒材料在颗粒材料床中被均匀地进行多层包覆。

Description

一种气体分布装置及颗粒包覆方法

技术领域

本发明涉及一种用于制备包覆颗粒的气体分布装置，具体而言，本发明涉及制备高温气冷反应堆包覆燃料颗粒的气体分布装置及颗粒包覆方法。

背景技术

现高温气冷堆核电站的固有安全性的第一道保证就是所使用的核燃料为TRISO型包覆颗粒，其由核燃料核芯、疏松热解碳层、内致密热解碳层、碳化硅层和外致密热解碳层组成。上述包覆层在设计温度下可以很好地阻止裂变产物逸出燃料颗粒，是保证核电站安全的第一道屏障。因此，如何制备完美的包覆颗粒是建设高温气冷堆核电站的首要任务，也是核能应用领域中的重大问题和关键技术之一。这种具有四层复合结构的核燃料颗粒是在颗粒材料床中采用化学气相沉积的方法制备得到的，因此颗粒材料床内的颗粒运动规律、气体分配流动以及颗粒和气体的接触形式是决定核燃料包覆颗粒质量的关键因素。由于核能的安全性级别要求较高，要求不同批次颗粒的性能和包覆层的厚度均匀一致，这就要求颗粒能够在颗粒材料床中均匀流化起来，使得颗粒与气体的接触方式和时间均匀一致，不允许颗粒以聚团形式或死区存在。因此一种特殊设计的气体分布系统在本发明中得以提出并实践。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种用于制备包覆颗粒的气体分布装置，可以均匀稳定地给颗粒材料床供给气体，颗粒能够在颗粒材料床中均匀流化起来，使得颗粒与气体的接触方式和时间均匀一致，不允许颗粒以聚团形式或死区存在，保障不同批次颗粒的性能和包覆层的厚度均匀一致，改善现有技术中存在的缺陷。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种气体分布装置，所述气体分布装置包括：依次向上连接的进气通道、气体喷嘴、二次气体分布室、多孔气体分布器、气体导流底座及圆柱结构的颗粒材料床；

所述气体喷嘴为圆盘结构，包括，位于所述气体喷嘴圆盘结构圆心的一个中心通孔和以气体喷嘴圆盘结构圆心为圆心的至少一个圆上均匀分布的多个通孔；

所述二次气体分布室为圆柱空腔；

所述多孔气体分布器为圆盘结构，包括，位于所述多孔气体分布器圆盘结构圆心的一个中心通孔和以所述多孔气体分布器圆盘结构圆心为圆心的至少一个圆上均匀分布的多个通孔；

所述气体导流底座位于所述颗粒材料床的底部，用于流化气体或包覆气体沿所述气体导流底座流动。

进一步地，所述气体喷嘴、二次气体分布室、多孔气体分布器的中心轴与所述颗粒材料床的中心轴同轴。

进一步地，所述多孔气体分布器包括以圆盘结构中心为圆心的两个圆上分布的多个通孔，分别为多孔分布器外环孔和多孔分布器内环孔；

所述多孔分布器外环孔的中心轴延长线与颗粒材料床的交点在所述颗粒材料床内颗粒材料静止时的高度处。

进一步地，所述多孔分布器外环孔的中心轴和多孔分布器内环孔的中心轴与所述颗粒材料床的中心轴交于所述多孔分布器下方的同一点。

进一步地，所述多孔气体分布器内环孔与所述多孔气体分布器圆盘结构的底面相交的圆的圆心所在的圆与所述气体喷嘴中心通孔的大小相等。

进一步地，所述气体喷嘴包括以气体喷嘴圆盘结构中心为圆心的一个圆上分布的多个通孔，为气体喷嘴外环孔；

所述多孔气体分布器外环孔与所述多孔气体分布器圆盘结构的底面相交的圆的圆心所在的圆与所述气体喷嘴外环孔的圆心所在的圆大小相等。

进一步地，进气通道包括与所述气体喷嘴中心通孔对应的中路通道和与所述气体喷嘴外环孔相对应的环路通道，所述中路通道为单管，所述环路通道远端为单圆环管，在连接所气体喷嘴外环孔处为与所述气体喷嘴外环孔对应的均匀等角分布的多路通道，所述进气通道的中路通道和所述环路通道在气源进行分别供气。

进一步地，二次分布器的高度为所述多孔分布器圆盘结构底面到所述多孔分布器外环孔的中心轴与所述颗粒材料床的中心轴的交点的距离。

进一步地，所述多孔气体分布器的底面为球面，所述该球面的剖面角度范围为50至60度。

进一步地，所述气体导流底座包括第一倾斜底座和第二倾斜底座；

所述第二倾斜底座与所述多孔气体分布器相连，所述第二倾斜底座的水平夹角在25-30度之间；

所述第一倾斜底座与所述第二倾斜底座相连，所述第一倾斜底座水平夹角在40-45度之间。

进一步地，所述多孔气体分布器底面与所述第二倾斜底座的延长线相切。

进一步地，所述气体分布装置的气体喷嘴的材质为不锈钢，其余部件的材质为石墨材料。

本发明还提供一种使用本发明气体分布装置进行颗粒包覆的方法，包括步骤：

步骤一：在所述进气通道的所述中路通道和所述环路通道通入流化气体；

步骤二：在所述进气通道的所述中路通道和所述环路通道通入流化气体；同时，在所述进气通道的所述中路通道通入包覆气体。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的气体分布装置可以均匀稳定的给颗粒材料床供给气体，从而使颗粒材料床中的颗粒均匀与气体接触，进而燃料颗粒在颗粒材料床中被均匀的进行多层包覆。

附图说明

图1是本发明实施例的气体分布装置的结构示意图；

图2是图1的A-A截面示意图；

图3是图1的B-B截面示意图；

其中，1：第一倾斜底座；2：第二倾斜底座；3：多孔气体分布器；4：二次气体分布室；5：气体喷嘴；6：颗粒材料床；7：气体导流底座；8：进气通道；9：多孔气体分布器外环孔；10：多孔气体分布器内环孔；11：多孔气体分布器中心孔；12：气体喷嘴外环孔；13：气体喷嘴中心孔；14：多孔气体分布器外环孔圆环；15：多孔气体分布器内环孔圆环；16：气体喷嘴外环孔圆环；17：环路通道；18：中路通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

结合图1至3，如图1所示，本发明中的气体分布装置包括：依次向上连接的进气通道8、气体喷嘴5、二次气体分布室4、多孔气体分布器3、气体导流底座7及圆柱结构的颗粒材料床6。被通入的流化气体或包覆气体由进气通道8依次通过气体喷嘴5、二次气体分布室4、多孔气体分布器3、气体导流底座7达到所述颗粒材料床6内，对颗粒材料床6中的颗粒材料进行相应的流化或包覆。气体通过气体喷嘴5、二次气体分布室4、多孔气体分布器3及气体导流底座7，可以使得通入的气体均匀的进入颗粒材料床6中的颗粒材料，对颗粒材料进行流化或包覆。

图2为图1的A-A截面示意图，即气体喷嘴5的截面图，如图2所示，气体喷嘴5为圆盘结构，包括，位于气体喷嘴5圆盘结构圆心的一个中心通孔13和以气体喷嘴圆盘结构圆心为圆心的至少一个圆上均匀分布的多个通孔，如图2中所示的分布在圆环16上的8个通孔12。

如图1所示，二次气体分布室4为圆柱空腔；气体在经过气体喷嘴5后进入到二次气体分布室4中，可以得到一定的缓冲。

气体在经过二次气体分布室4后进入多孔气体分布器3。如图3所示，图3为图1的B-B截面示意图，即多孔气体分布器3的截面示意图，其为圆盘结构，包括，位于多孔气体分布器圆盘结构圆心的一个中心通孔11和以所述多孔气体分布器圆盘结构圆心为圆心的至少一个圆上均匀分布的多个通孔；在本实施例中，多孔气体分布器3包括中心通孔11，均匀分布在圆环14上的四个通孔9及均匀分布在圆环15上的四个通孔10。采取这种对称的结构，可以使通入颗粒材料床6中的气体更均匀。如图1所示，位于所述颗粒材料床6的底部的气体导流底座7，用于流化气体或包覆气体沿所述气体导流底座7流动。增加导流底座7可以使气体通入颗粒材料床6时，没有死角。气体喷嘴5、二次气体分布室4、多孔气体分布器3的中心轴与颗粒材料床6的中心轴同轴。

如图3中所示，多孔气体分布器3包括以圆盘结构中心为圆心的两个圆，内圆15及外圆14上分布的多个通孔，分别为多孔分布器外环孔9和多孔分布器内环孔10；本实施例中内环孔和外环孔的个数均为4个，内环孔10与外环孔9的中心轴与颗粒材料床6的中心轴是成一定角度的，所以与多孔分布器3在上表面相交的圆在图3中为椭圆。所述多孔分布器外环孔的中心轴延长线与颗粒材料床6的交点在所述颗粒材料床6内颗粒材料静止时的高度处。这样可以使得当流化气体或包覆气体经多孔分布器进入时颗粒材料床6时，保证颗粒材料床6内所有的颗粒材料可以被流化气体或包覆气体流化或包覆，不会存在颗粒材料死区的存在。多孔分布器外环孔9的中心轴和多孔分布器内环孔10的中心轴与颗粒材料床6的中心轴交于多孔分布器3下方的同一点。

多孔气体分布器内环孔10与多孔气体分布器圆盘结构的底面相交的圆的圆心所在的圆与所述气体喷嘴5中心通孔13的大小相等。也可以理解为气体喷嘴中心通孔13位于多空气体分布器内环孔10的正下方，从气体喷嘴中心通孔13流出的气体大部分流入多孔气体分布器内环孔10及多孔气体分布器中心通孔11。

如图2中所示，气体喷嘴5包括以气体喷嘴圆盘结构中心为圆心的一个圆16上分布的多个通孔，为气体喷嘴外环孔12；图2中本实施例中气体喷嘴外环孔12的个数为8个。多孔气体分布器外环孔9与多孔气体分布器圆盘结构的底面相交的圆的圆心所在的圆与气体喷嘴外环孔12的圆心所在的圆大小相等。也可以理解为气体喷嘴外环孔12流出的气体大部分流入多孔气体分布器外环孔9。

如图1所示，进气通道8包括与气体喷嘴中心通孔13对应的中路通道18和与气体喷嘴外环孔12相对应的环路通道17，中路通道18为单管，环路通道17远端为单圆环管，在连接所气体喷嘴外环孔处为与气体喷嘴外环孔12对应的均匀等角分布的多路通道，也就是对每个气体喷嘴外环孔12进行供气。进气通道8的中路通道18和环路通道17在气源进行分别供气。采用这种分别供气可选的方案比较多，例如对中路通道18和环路通道17通入同种气体，通入不同气体，可以根据实际的需求进行调整。当进气通道8的中路通道18和环路通道17在气源供同种气体时，可以实现对颗粒材料床6中的颗粒材料的流化；所述颗粒材料流化起来后，在中路通道18中通入包覆气体，可实现对颗粒材料床6中的颗粒材料的包覆。

如图1所示，二次分布器4的高度为多孔分布器圆盘结构底面到多孔分布器外环孔9的中心轴与颗粒材料床6的中心轴的交点的距离。多孔气体分布器的底面为球面，该球面的剖面角度范围为50至60度。采用球面的底面可以使得通过的气体更均匀。气体导流底座7包括第一倾斜底座1和第二倾斜底座2；第二倾斜底座2与多孔气体分布器3相连，第二倾斜底座2的水平夹角在25-30度之间；第一倾斜底座1与第二倾斜底座2相连，第一倾斜底座1水平夹角在40-45度之间。

多孔气体分布器3的底面与第二倾斜底座2的延长线相切。设置成相切的光滑表面可以使气体的流动更均匀。

气体分布装置的气体喷嘴5材质为不锈钢，其余部件材质为石墨材料。由于本设备在进行气体流化或包覆的过程，温度很高，选用石墨材料，可以实现耐高温。由于气体喷嘴5处于设备的初始端，温度不是非常高，选用不锈钢就可以实现，且与进气通道更容易配合、成本低、易加工。

本发明还提供一种使用本发明气体分布装置进行颗粒包覆的方法，包括步骤：

步骤一：在所述进气通道的所述中路通道和所述环路通道通入流化气体；流化气体经过气体喷嘴5的气体喷嘴外环孔12及气体喷嘴中心通孔13进入二次气体分布室4，然后大部分通过多孔气体分布器3的多孔分布器外环孔9和多孔分布器内环孔10及多孔气体分布器中心孔11，进入到颗粒材料床6中，使得和颗粒流化悬浮起来。先通入流化气体，使得颗粒材料床6中的颗粒均匀流化起来，使得颗粒与气体的接触方式和时间均匀一致。

步骤二：在所述进气通道的所述中路通道18和所述环路通道17通入流化气体；同时，在所述进气通道的所述中路通道18通入包覆气体。在颗粒充分流化的基础上通入包覆气体，再进行包覆。包覆气体通过中路通道18进入气体喷嘴中心通孔13后进入二次气体分布室4，然后大部分的包覆气体经过多孔气体分布器中心通孔11及多孔气体分布器内环孔10进入到颗粒材料床6中，从而在均匀悬浮的颗粒表面进行包覆，如一层化学反应产物，可以使裂解碳或其他裂解产物。

由以上实施例可以看出，本发明实施例提供的气体分布装置可以均匀稳定的给颗粒材料床6供给气体，从而使颗粒材料床6中的颗粒均匀与气体接触，进而燃料颗粒在颗粒材料床6中被均匀的进行多层包覆。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种气体分布装置，其特征在于，所述气体分布装置包括：依次向上连接的进气通道、气体喷嘴、二次气体分布室、多孔气体分布器、气体导流底座及圆柱结构的颗粒材料床； 

所述气体喷嘴为圆盘结构，包括，位于所述气体喷嘴圆盘结构圆心的一个中心通孔和以气体喷嘴圆盘结构圆心为圆心的至少一个圆上均匀分布的多个通孔； 

所述二次气体分布室为圆柱空腔； 

所述多孔气体分布器为圆盘结构，包括，位于所述多孔气体分布器圆盘结构圆心的一个中心通孔和以所述多孔气体分布器圆盘结构圆心为圆心的至少一个圆上均匀分布的多个通孔； 

所述气体导流底座位于所述颗粒材料床的底部，用于流化气体或包覆气体沿所述气体导流底座流动； 

所述气体喷嘴、二次气体分布室、多孔气体分布器的中心轴与所述颗粒材料床的中心轴同轴； 

所述多孔气体分布器包括以圆盘结构中心为圆心的两个圆上分布的多个通孔，分别为多孔分布器外环孔和多孔分布器内环孔； 

所述多孔分布器外环孔的中心轴延长线与颗粒材料床的交点在所述颗粒材料床内颗粒材料静止时的高度处； 

所述气体喷嘴包括以气体喷嘴圆盘结构中心为圆心的一个圆上分布的多个通孔，为气体喷嘴外环孔； 

所述多孔气体分布器外环孔与所述多孔气体分布器圆盘结构的底面相交的圆的圆心所在的圆与所述气体喷嘴外环孔的圆心所在的圆大小相等； 

进气通道包括与所述气体喷嘴中心通孔对应的中路通道和与所述气体喷嘴外环孔相对应的环路通道，所述中路通道为单管，所述环路通道远端为单圆环管，在连接所述气体喷嘴外环孔处为与所述气 体喷嘴外环孔对应的均匀等角分布的多路通道，所述进气通道的中路通道和所述环路通道在气源进行分别供气。 

2.根据权利要求1所述的气体分布装置，其特征在于，所述多孔分布器外环孔的中心轴和多孔分布器内环孔的中心轴与所述颗粒材料床的中心轴交于所述多孔分布器下方的同一点。 

3.根据权利要求1所述的气体分布装置，其特征在于，所述多孔气体分布器内环孔与所述多孔气体分布器圆盘结构的底面相交的圆的圆心所在的圆与所述气体喷嘴中心通孔的大小相等。 

4.根据权利要求1所述的气体分布装置，其特征在于，二次气体分布室的高度为所述多孔分布器圆盘结构底面到所述多孔分布器外环孔的中心轴与所述颗粒材料床的中心轴的交点的距离。 

5.根据权利要求1所述的气体分布装置，其特征在于，所述多孔气体分布器的底面为球面，所述该球面的剖面角度范围为50至60度。 

6.根据权利要求1所述的气体分布装置，其特征在于，所述气体导流底座包括第一倾斜底座和第二倾斜底座； 

所述第二倾斜底座与所述多孔气体分布器相连，所述第二倾斜底座的水平夹角在25-30度之间； 

所述第一倾斜底座与所述第二倾斜底座相连，所述第一倾斜底座水平夹角在40-45度之间。 

7.根据权利要求6所述的气体分布装置，其特征在于，所述多孔气体分布器底面与所述第二倾斜底座的延长线相切。 

8.根据权利要求1所述的气体分布装置，其特征在于，所述气体分布装置的气体喷嘴的材质为不锈钢，其余部件的材质为石墨材料。 

9.一种利用权利要求1提供的装置进行颗粒包覆的方法，其特征在于，包括步骤： 

步骤一：在所述进气通道的所述中路通道和所述环路通道通入流化气体； 

步骤二：在所述进气通道的所述中路通道和所述环路通道通入流化气体；同时，在所述进气通道的所述中路通道通入包覆气体。