CN104143367A - 移动式放射性惰性气体净化器 - Google Patents

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CN104143367A CN201310193742.6A CN201310193742A CN104143367A CN 104143367 A CN104143367 A CN 104143367A CN 201310193742 A CN201310193742 A CN 201310193742A CN 104143367 A CN104143367 A CN 104143367A
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Abstract

公开一种移动式放射性惰性气体净化器，具体而言是一种规模小、便于移动，利用作为制冷循环和吸收剂的分子筛完成两次除湿，利用吸附剂和冷阱在冷却状态下能够有效清除二氧化碳和惰性气体(氩(Ar)、氪气(Kr)、氡(Rn)、氙(Xe)等)的移动式放射性惰性气体净化器。本发明与原有已开发设备相比，可在高温潮湿的吸入空气进气情况下也能连续除湿，明显减少吸收剂用量从而减低放射性废弃物生成量，具有可有效清除阻止去除净化惰性气体的二氧化碳功效。

Description

移动式放射性惰性气体净化器
技术领域
本发明涉及一种移动式放射性惰性气体净化器，具体而言是一种规模小、便于移动，利用作为制冷循环和吸收剂的分子筛完成两次除湿，利用吸附剂和冷阱在冷却状态下有效清除二氧化碳和惰性气体(氩(Ar)、氪气(Kr)、氡(Rn)、氙(Xe)等)的移动式放射性惰性气体净化器。
背景技术
一般而言，核电站为了安全运作核反应堆，通过提高可靠性加大利用率并持续功率运行，通常都会定期实施大修。大修期间通过更换核反应堆内装填的已达到设计燃烧度末期的燃料组件来改善功率和效率，同时对各种仪器进行各项检查和试验。
大修期间需要维修工人直接进入放射性危险设施内操作，暴露在放射线辐射的风险很大。尤其是，核反应堆的排放气体中含有氩(Ar)、氪气(Kr)、氡(Rn)、氙(Xe)等放射性惰性气体。如果用于核反应堆的燃料被覆等发生缺陷，势必会产生大量高放惰性气体，为了防止维修工人体内辐射及体外辐射，需要有效去除净化放射性惰性气体。
核电站为了净化此类污染空气，通常都会运行放射性空气净化设备(小容量净化设备)。但是，所述小容量净化设备在污染空气散布在整个核反应堆安全壳情况下效果显著，但在持续去除安全壳内部安装的蒸汽发生器或加压器等水房内存在的高放污染源方面，几乎看不到多少功效。
且，核电站过去使用的惰性放射性气体净化设备属于固定用大型设备(又称：Gas Decay System，安装需约60坪面积)，并采用延时(约45天)引起放射性衰减功效的处理方法。但是，处理容量(2.5CFM)小并固定式的使用，且因其使用期限在经常中才被使用的特殊性，在发生燃料缺陷或大修期间加压器(PZR)、提升蒸汽发生器(S/G)及核反应堆容器顶盖(RX Head)时，其去除惰性气体方面效果甚微。
因此在燃料缺陷及大修期间发生在主要设备(加压器、蒸气发生器及提升核反应堆容器顶盖等)的高放惰性气体放射线污染中，为了提前防止及减低工人暴露方案及工序处以要素，急需开发适合核电站维修操作工序的便于移动、实时处理较大容量(相对原GRS可处理30倍容量)的移动式放射性惰性气体净化器。
为了解决上述传统的问题，开发了一种体积小、便于移动及安装且可去除惰性气体，尤其是去除放射性惰性气体的设备。
图1是根据传统技术显示惰性气体净化器结构的斜视图，该装置是于2011年5月25日公告的注册专利第1036972号“移动式放射性惰性气体净化器”。
但是，这样开发的原有装置应用于现场结果，发现如果吸入空气中含有大量湿气情况下，原除湿器无法予以处理(可处理但需要大量吸收剂)的问题。
且，原有除湿用汽水分离器及氧化物气体分离器属于六面体结构，在去除相关物质后，其吸收剂及吸附剂达到使用寿命后，从本装置分离保管途中，六面体分离器体积膨胀、变形，产生了气体及液体泄漏的问题。
且，原有氧化物气体分离器使用的吸附剂对主要去除对象之二氧化碳的去除效率较低。
还有，原有装置应用于现场结果，发现使用除湿用吸收剂以及去除氧化物气体用吸附剂后，产生了吸入处理中的空气温度上升从而导致已冷却惰性气体分离器的内部温度上升，导致惰性气体去除率减低的问题。
发明内容
(技术问题)
本发明用于解决上述以往的问题，本发明的目的在于提供一种可有效去除惰性气体，尤其是核电站较多产生的氩、氪气、氡、氙等放射性惰性气体的装置，将原有开发装置现场应用中发现问题之一的使用吸收剂的除湿器变更为可连续去除的除湿器的移动式放射性惰性气体净化器。
且，本发明目的在于，提供一种将原有二氧化碳去除功效甚微的吸附剂更换为专门清除二氧化碳的吸附剂，原有吸附分离器构造物也变更为可承受压力及气体泄漏的构造物的移动式放射性惰性气体净化器。
且，本发明目的在于，提供一种可阻止经由吸收剂及吸附剂的空气温度上升导致已冷却惰性气体分离器内部温度上升问题的移动式放射性惰性气体净化器。
且，本发明目的在于，提供一种可在核反应堆安全壳内部蒸气发生器或加压器等狭小空间也能方便使用的小规模、可移动安装的移动式放射性惰性气体净化器。
(技术方案)
为达到如上目的，提供的一种低温冷却空气中净化去除放射性惰性气体的设备，包括：利用循环制冷剂的制冷循环对流入的外界空气进行冷却的同时，去除凝结湿气的第1除湿器1100；从经过所述第1除湿器1100的空气中去除湿气和二氧化碳，并在由液态氮冷却状态下通过物理吸附方式去除所述惰性气体的主机1200；对外排放经由所述主机1200空气的送风装置1300。
所述第1除湿器1100，包括：表面安装散热板、内置制冷剂经过的制冷剂管1122，并随着所述制冷剂的蒸发吸收外界空气热量的蒸发器1120；制冷剂经过安装在所述蒸发器1120上的所述制冷剂管1122后，对其进行液态冷凝的冷凝器1150；对经过所述冷凝器1150的液态制冷剂进行压缩后，供应给所述蒸发器1120的压缩机1140；其中，凝结在所述散热板表面的湿气通过下端排放口排出。
所述主机1200包括：使经由所述第1除湿器1100流入的空气，与内部填充的分子筛接触并流动，从而清除所述空气中含有的湿气和氧化物气体的第2除湿器1210；使经由所述第2除湿器1210的空气，与内部填充的吸附剂接触并流动，从而清除所述空气中含有的二氧化碳的二氧化碳分离器1220；用于存储液态氮的冷却槽1230；沉浸在所述液态氮状态下用于冷却所述二氧化碳分离器1220所排出空气的空冷器1240；使经由所述空冷器1240的空气流动同时，与内部填充的吸附剂进行接触，从而依次去除所述惰性气体，再将已去除所述惰性气体的空气排向所述送风装置1300的第1冷阱1250及第2冷阱1260。
所述第1冷阱1250及所述第2冷阱1260，沉浸在所述冷却槽1230内部液态氮状态下温度可保持在-110℃以下。
所述填充在第2除湿器1210的分子筛，具有【Na2O·Al2O32SiO2·nH2O】的化学组成。
所述填充在二氧化碳分离器1220的吸附剂，采用碱石灰(soda lime)。
(发明效果)
根据上述构成，本发明与原有开发设备相比，具有可在高温潮湿的吸入空气进气情况下也能连续除湿，明显减少吸收剂用量从而减低放射性废弃物生成量，能够有效清除阻止净化惰性气体的二氧化碳的功效。
且，通过空冷器冷却吸入空气，具有可增强放射性惰性气体分离器去除效率的功效。
且，与原有设备相比，体积小、便于移动及安装，可在核反应堆安全壳内部蒸气发生器或加压器等狭小空间也能方便使用，各个处理装置具有方便接合及拆离，可单独密闭的功效。
且，使用后密封的各个处理装置可以保管于相对放射性惰性气体半衰减期更长时间，具有可有效去除放射性物质的功效。
附图说明
图1是显示根据传统技术的惰性气体净化器结构的斜视图。
图2是显示根据本发明实施例的净化器结构的模块图。
图3是显示第1除湿器外界结构的斜视图。
图4是显示第1除湿器内部结构的斜视图。
图5是显示主机外界结构的斜视图。
图6是显示第2除湿器结构的斜视图。
图7是显示第2除湿器内部结构的斜视图。
图8是显示空冷器结构的斜视图。
图9是显示第1冷阱内部结构的斜视图。
<附图主要部分的符号说明>
1000：净化器       1100：第1除湿器
1102：控制面板     1104：罩
1106：轮子         1110：第1除湿器进气口
1120：蒸发器       1130：第1除湿器排气口
1140：压缩机       1150：冷凝器
1200：主机         1202：盖子
1204：主机进气口   1206：主机排气口
1208：轮子         1210：第2除湿器
1211：筒体         1212：进气口阀门
1213：排气口阀门   1214：温度传感器
1215：围油栅       1216：筛网
1217：吸湿分子筛   1220：二氧化碳分离器
1230：冷却槽       1240：空气空冷器
1241：空冷器进气口 1242：空冷器排气口
1243：接管         1250：第1冷阱
1251：冷阱进气口   1252：冷阱排气口
1253：折流板       1254：温度传感器
1255：压力传感器   1260：第2冷阱
1270：液态氮罐     1300：送风装置
具体实施方式
下面参照附图，说明具体实现本发明目的的“移动式放射性惰性气体净化器”以下简称“净化器”）。
图2是显示根据本发明实施例的净化器结构的模块图。
本发明提供的净化器1000由吸入受污的外界空气并连续去除过量湿气的第1除湿器1100、经第1除湿器1100处理的空气中予以去除微量湿气和二氧化碳、惰性气体的主机1200、已去除惰性气体的空气排向核反应堆设施内部的送风装置1300组成。
第1除湿器1100利用制冷循环冷却及凝结外界空气中含有湿气并排出，主机1200二次去除第1除湿器1100中未能完全去除的湿气。同时在主机1200中吸附剂吸附去除二氧化碳，被液态氮冷却状态下去除惰性气体。
下面根据各个装置说明内部组成要素和各阶段运行过程。
图3是显示第1除湿器外界结构的斜视图。图4是显示第1除湿器内部结构的斜视图。
第1除湿器1100在组成外观的外壳内部内置各个装置，外壳内形成有外界污染空气流入的第1除湿器进气口1110和排出一次除湿空气的第1除湿器排气口1130。第1除湿器进气口1110和第1除湿器排气口1130最好连接风管(duct)或皱纹管等，以便使空气流向下一装置。同时外壳保持密闭状态，防止气体外泄。
第1除湿器1100在配备进气口1110和排气口1130的独立外壳内部，包含胡蒸发器1120和压缩机1140、冷凝器1150以及所需电气、电子装置。
第1除湿器1100除湿过程如下。蒸发器1120内部安装有已冷却制冷剂可通过的较长流路制冷剂管1122，制冷剂管1122表面有薄且宽的散热板。制冷剂通过制冷剂管1122同时吸收外界热量膨胀及蒸发，由此蒸发器1120散热板被冷却。外界空气接触已冷却蒸发器1120的散热板表面后，冷却空气的湿气凝结聚集，并因重力自然通过外壳下端排水口排出。通过蒸发器1120的制冷剂，温度上升而蒸发，蒸发的制冷剂通过冷凝管1152排出并在结构与蒸发器1120相同的冷凝器1150中被冷却后冷凝成为液态。同时液态制冷剂通过压缩机1140压缩后再次供应给蒸发器1120。
通过这一系列过程蒸发-冷凝-压缩连续去除吸入外界空气中含有的大量湿气。进气口1110和排气口1130处可安装温度传感器(未图示)和湿度传感器(未图示)。由温度传感器和湿度传感器测量的外界空气温度和湿度可通过另外控制用电脑进行确认。
通过第1除湿器进气口1110流入的外界空气，经过蒸发器1120同时除湿，再经第1除湿器排气口1130排出并进入主机1200。
蒸发器1120表面为了减少热量出入安装保护外壳(未图示)，保护外壳内部安装隔热材料加大保温或保冷功效。
第1除湿器1100前面安装配备电源形状等的控制面板1102和可使外界空气流入的网眼状罩1104。且，底部安装轮子1106、侧面安装把手(未图示)以便用户移动。同时还可安装用于显示蒸发器1120和冷凝器1150等温度的温度计(未图示)。
第1除湿器1100中除湿的空气通过接管移送到主机1200。
图5是显示主机外界结构的斜视图，图6是显示第2除湿器结构的斜视图，图7是显示第2除湿器内部结构的斜视图，图8是显示空冷器结构的斜视图，图9是显示第1冷阱内部结构的斜视图。
组成主机1200外部的外壳中安装盖子1202，可放进和取出装置，一侧面和另一侧面安装主机进气口1204和主机排气口1206。主机进气口1204与第1除湿器排气口1130连接，主机排气口1206则与送风装置1300连接。，同时外壳底部安装有轮子1208，可方便移动及安装主机1200。
主机1200内部安装有去除流入空气中湿气和氧化物气体的第2除湿器1210、去除经第2除湿器1210处理空气中含有的二氧化碳的二氧化碳分离器1220、用于存储液态氮并对各种装置冷却至超低温的冷却槽1230、利用液态氮越低温冷却二氧化碳分离器1220中已处理空气的空冷器1240、利用活性碳的物理吸附一次去除经空冷器1240已冷却空气中含有的惰性气体的第1冷阱1250、再次超低温冷却经第1冷阱1250处理空气并完全去除净化惰性气体的第2冷阱1260。
第2除湿器1210将去除净化经第1除湿器1100处理空气中残留的湿气和氧化物气体，由形成进气口和排气口的长圆筒状筒体1211组成。圆筒状构造物有利于承受流动空气的高压。筒体1211前后进气口和排气口各自安装进气口阀门1212和排气口阀门1213，可选择性开闭进气口和排气口，可调整流动空气的量。
筒体1211内部安装有从外界贯通的温度传感器1214，测量流动在筒体1211内部的空气温度。另外还可安装湿度传感器(未图示)，温度和湿度可通过另外控制用电脑中进行确认。
筒体1211内部为吸附去除湿气和氧化物气体，密实填充分子筛(molecular sieve4A)。
本发明使用的吸湿用分子筛化学成分为【Na2O·Al2O32SiO2·nH2O】，根据粒子大小可能会略有差异，但可有效去除H2S、H2O、CO2、SO2、C2H4、C2H6等。作为替代剂还可使用氧化铝吸附剂、硅胶、沸石等。
第2除湿器1210内部安装有筛网1216组成的多个围油栅1215，用以限制分子筛1217移动以免产生空洞，使流入进气管的空气中湿气及氧化气体充分经过分子筛1217被去除净化。如图7所示，三个乃至五个左右围油栅1215在筒体1211内部按照一定间距并排安装。如果没有围油栅1215，即使在第2除湿器1210内部装满分子筛1217也会在使用中产生空洞。从而会出现流入进气管的空气经过第2除湿器1210上端没有填充分子筛1217的空白空洞的现象，对除湿及去除及氧化物气体产生坏的影响。
第2除湿器1210中将去除第1除湿器1100未能完全去除的微量湿气和比如一氧化碳及二氧化氮的氮氧化物等氧化物气体。
经过第2除湿器1210的空气流入二氧化碳分离器1220。本发明附图中没有另外图示，但二氧化碳分离器1220的内外结构与第2除湿器1210结构相同。即，圆筒状筒体和双侧阀门、内部围油栅等组成相同。只有筒体内部填充物质并非去除湿气或氧化物气体的分子筛，而是二氧化碳吸附剂碱石灰(soda lime)。碱石灰是烧碱和石灰的混合物，与二氧化碳产生中和反应同时产生热量。
二氧化碳分离器1220中配备用以测量二氧化碳浓度的传感器，内部二氧化碳浓度可通过另外控制用电脑中进行确认。
安装在二氧化碳分离器1220内部的围油栅同样如前所述，呈筛网状既限制吸附剂移动又促使空气流动，以便空气更多与吸附剂产生接触。
经过二氧化碳分离器1220已充分去除二氧化碳的空气，再经空冷器1240和第1冷阱1250、第2冷阱1260同时排放惰性气体。空冷器1240和第1冷阱1250、第2冷阱1260以另外盛在冷却槽1230的状态工作，冷却槽1230是内部可存储-196℃左右液态氮的保温隔热箱，上端固定有空冷器1240和第1冷阱1250、第2冷阱1260。同时这类装置设计成为全部或部分浸在液态氮中。
空冷器1240配备经二氧化碳分离器1220处理空气流入的空冷器进气口1241和排出已处理空气的空冷器排气口1242，内部为空无一物的空间组成。空冷器进气口1241和空冷器排气口1242互相并排布置。
空冷器1240采用可充分承受压力的STS304类不锈钢材质圆筒状管。同时安装有连接空冷器进气口1241和空冷器排气口1242的相对口径较小的接管1243。接管1243负责把流入空冷器进气口1241的空气移送到空冷器排气口1242。
空冷器1240主机大部分浸在存储于冷却槽1230内部的液态氮中，保持超低温冷却状态。空冷器1240对经过二氧化碳分离器1220被加热的空气起到快速冷却的作用。
经过空冷器1240的空气再经第1冷阱1250和第2冷阱1260的同时，实现低温冷却的物理吸附，由此去除净化氩、氪气、氡、氙等放射性惰性气体。
传统的惰性气体净化器采用电冷却方式冷阱，空气温度只冷却至-90℃左右。但实际现场使用中因高温吸入空气和吸附剂发热、电机或泵体运行中产生的热量等，导致了冷阱温度上升，继而出现了惰性气体去除效率下降现象。本发明利用液态氮使冷阱1250，1260冷却至-110℃以下超低温状态，低温状态下顺利实现物理吸附，以便有效去除惰性气体。
第1冷阱1250和第2冷阱1260与空冷器1240相同，设计为主机大部分沉浸在液态氮内。因第1冷阱1250和第2冷阱1260因内外结构全部相同，下面只讲述第1冷阱1250相关内容。
第1冷阱1250在主机上端使冷阱进气口1251和冷阱排气口1252相互面对面形成。通过冷阱进气口1251流入的空气在主机内部完成惰性气体去除作用后，通过冷阱排气口1252排出。
第1冷阱1250内部与冷阱进气口1251连接，流入主机内部的空气经过多个折流板1253后由下方管道移向冷阱排气口1252。同时第1冷阱1250内部填充吸附剂活性碳。
折流板1253在第1冷阱1250内部按照一定间距隔开并排安装。大致呈圆形的折流板1253的各个中心布置在一条直线上。同时折流板1253的一部分钻有孔洞1253a。折流板1253孔洞1253a相对圆形的整个面积而言，拥有相对较小比例面积，相互邻近折流板1253的孔洞1253a交错布置。即，从上方流下来的空气经过第一个折流板1253孔洞1253a后，因下一个孔洞1253a位于中心相反侧，需要迂回通过。在下方则再次迂回经过。通过这类过程，空气在第1冷阱1250内部将拥有最大、最长流动距离，空气在这一过程最大限度与吸附剂产生接触，从而提高了惰性气体去除效率。
冷阱进气口1251和冷阱排气口1252中各自安装有阀门，可方便开启和关闭第1冷阱1250。且第1冷阱1250安装有温度传感器1254和压力传感器1255，可实时查看内部空气的温度和压力、吸附剂温度。
如前所述，第1冷阱1250温度最好保持在-110℃以下。-110℃指大体上与氙气体的液态温度相近的温度。
通常在核反应堆等产生的放射性惰性气体温度达到15～90℃左右高温，因此很难快速冷却至超低温。于是利用空冷器1240通过二氧化碳分离器1220时一次冷却被加热的空气后供应给第1冷阱1250，第1冷阱1250且用液态氮进行冷却，以此提高冷却及吸附效率。
第2冷阱1260结构和功能与第1冷阱1250结构及功能完全相同，这里省略重复说明。
冷却槽1230连接液态氮罐1270，冷却槽1230内部液态氮量减少情况下，控制用电脑指令液态氮罐1270内液态氮供应至冷却槽1230，调整并保持一定水平以上的冷却作用。
本发明针对主机1200内部空气流动按照第2除湿器1210、二氧化碳分离器1220、空冷器1240、第1冷阱1250、第2冷阱1260顺序进行讲述，但根据情况其部分顺序可能出现变更。
且，第2除湿器1210、二氧化碳分离器1220、空冷器1240、第1冷阱1250、第2冷阱1260以及各种接管材质最好采用STS304类不锈钢，最好使用水压10㎏/cm2以上耐压检查合格产品。
第2冷阱1260的排气口通过接管等连接在送风装置1300进气口。送风装置1300使外界空气流入净化器1000内部或向外界排出。在连接主机1200和送风装置1300的接管内部配备流量计可以查看空气流量，并由此可以手动控制送风装置1300运行状态。且，送风装置1300位置并无特别限制，还可另外使用移动式送风装置。
本发明中使用的各个装置可轻易接合及拆离，方便安装。同时第2除湿器1210和二氧化碳分离器1220、第1冷阱1250、第2冷阱1260均安装有个别阀门，具有按照各个装置单独密闭的结构。因此在净化核反应堆等高放危险设施空气后，关闭所有阀门按照各个装置予以密封，保管期限大于放射性惰性气体半衰减期以上，可完全去除放射性物质的量。
以上，参照附图具体说明了本发明可实现的实施例，但所述本发明的技术构成，在不超出本发明技术思想或必备特征范畴内可以实现多种变形。因此本发明范围不应局限在说明书实施例，应被解释为权利要求范围以及从其等效概念导出的所有变更或变形形态均包含在本发明范围内。

Claims (6)

1.一种移动式放射性惰性气体净化器，低温冷却空气中净化去除放射
性惰性气体，其特征在于，
包括：利用循环制冷剂的制冷循环对流入的外界空气进行冷却的同时，去除凝结湿气的第1除湿器(1100)；
从经过所述第1除湿器(1100)的空气中去除湿气和二氧化碳，并在通过液态氮冷却状态下，通过物理吸附方式去除所述惰性气体的主机(1200)；
向外部排放经由所述主机(1200)的空气的送风装置(1300)。
2.根据权利要求1所述的移动式放射性惰性气体净化器，其特征在于，
所述第1除湿器(1100)，
包括：表面安装散热板、内置供制冷剂经过的制冷剂管(1122)，并随着所述制冷剂的蒸发吸收外界空气热量的蒸发器(1120)；
制冷剂经过安装在所述蒸发器(1120)上的所述制冷剂管(1122)后，对其进行液态冷凝的冷凝器(1150)；
对经过所述冷凝器(1150)的液态制冷剂进行压缩后，供应给所述蒸发器(1120)的压缩机(1140)；
其中，凝结在所述散热板表面的湿气通过下端排放口排出。
3.根据权利要求1所述的移动式放射性惰性气体净化器，其特征在于，
所述主机(1200)，
包括：使经由所述第1除湿器(1100)流入的空气，与内部填充的分子筛接触并流动，从而清除所述空气中含有的湿气和氧化物气体的第2除湿器(1210)；
使经由所述第2除湿器(1210)的空气，与填充于内部的吸附剂接触并流动，从而清除所述空气中含有的二氧化碳的二氧化碳分离器(1220)；
用于存储液态氮的冷却槽(1230)；
在沉浸在所述液态氮状态下，冷却所述二氧化碳分离器(1220)所排出空气的空冷器(1240)；
使经由所述空冷器(1240)的空气流动同时，与内部填充的吸附剂进行接触，从而依次去除所述惰性气体，再将已去除所述惰性气体的空气排向所述送风装置(1300)的第1冷阱(1250)及第2冷阱(1260)。
4.根据权利要求3所述的移动式放射性惰性气体净化器，其特征在于，第1冷阱(1250)及所述第2冷阱(1260)，沉浸在所述冷却槽(1230)内部的液态氮的状态下温度可保持在-110℃以下。
5.根据权利要求3所述的移动式放射性惰性气体净化器，其特征在于，填充在所述第2除湿器(1210)的分子筛，具有【Na2O·Al2O32SiO2·nH2O】的化学组成。
6.根据权利要求3所述的移动式放射性惰性气体净化器，其特征在于，填充在所述二氧化碳分离器(1220)的吸附剂，采用碱石灰(soda lime)。
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