CN105568254B - 一种用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备。所述设备包括：石墨多孔气体入口及中路气体管道，所述中路气体管道的一端设置于所述反应器内，用于将待裂解的气体通入所述反应器中；主体内循环水套，用于冷却所述中路气体管道，其中，所述中路气体管道穿插通过所述主体内循环水套。本发明实施例通过充分冷却中路气体管道，使得待裂解气体的温度低于裂解温度，从而基本消除了中路气体管道管壁的沉积产物，也减少了待裂解气体入口处的沉积产物，能够适应高温条件下流化床化学气相沉积反应器的长期和稳定的运行。
Description
技术领域
本发明涉及气体入口设计领域，具体地，涉及一种用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备。
背景技术
我国球床式高温气冷堆所使用的陶瓷型燃料元件，结构为球形包覆颗粒(TRISO)，且弥散在燃料区的石墨基体中。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，直径约为0.92mm，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。这种具有四层复合结构的核燃料颗粒是在流化床中采用化学气相沉积的方法包覆制备得到的。其中，最为关键的一层为碳化硅层，具有阻止裂变产物释放的重要作用，该碳化硅层主要由甲基三氯硅烷(MTS)在1600摄氏度的高温条件下裂解生成。保证该裂解-沉积工艺的稳定运行是TRISO型包覆颗粒制备成功的关键。
流化床化学气相沉积包覆过程的特点是颗粒流化和气体裂解沉积在高温条件下同时进行，目前的气体入口系统是将待裂解气体直接通过单孔道通入反应器，缺点比较明显，具体包括：
(1)在包覆颗粒表面沉积的同时，气体入口处的沉积也不可避免，在沉积反应的过程中，待裂解气体在气体入口处不断沉积，气体入口的管道内径不断减少，包覆颗粒流化状态难以稳定维持，导致沉积过程不是一个稳定连续的过程，从而造成沉积层的性质在沉积过程中前后不均一；严重的时候，沉积产物甚至会将气体入口完全堵死，导致气体无法进入，沉积反应中断，导致沉积厚度无法满足工艺设计指标，从而产品作废；
(2)即使一次完整的沉积反应完成，制备出了密度和厚度均符合设计要求的碳化硅层。反应结束后，大量沉积产物附着在气体入口，沉积产物很难完全去除，直接影响下一次沉积反应的过程；
(3)如果无法完全去除气体入口处的沉积产物，在下一次沉积反应时需要更换新的管道。具体地，需要将气体入口系统的单孔金属管道拆除，更换非常困难，且代价较高。
为保证流化床化学气相沉积工艺的稳定运行，具体需要：
(1)在流化-裂解-沉积反应过程中最大限度的减少气体入口处的沉积产物；
(2)在一次沉积反应结束后，下一次沉积反应之前，需要很容易地去除掉气体入口处的沉积产物；
(3)如果气体入口处的沉积产物完全去除时孔口有损伤，需要以较少的代价且较容易更换气体入口。
因此，特别需要一种适应于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备。所述设备通过充分冷却中路气体管道，使得待裂解气体的温度低于裂解温度，从而基本消除了中路气体管道管壁的沉积产物，也减少了待裂解气体入口处的沉积产物，能够适应高温条件下流化床化学气相沉积反应器的长期和稳定的运行。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备。所述设备包括：中路气体管道，所述中路气体管道的一端设置于所述反应器内，用于将待裂解的气体通入所述反应器中；主体内循环水套，用于冷却所述中路气体管道，其中，所述中路气体管道穿插通过所述主体内循环水套。
可选地，所述主体内循环水套呈圆筒状，且所述主体内循环水套内设置有水流隔板，使得冷水由所述主体内循环水套的内侧流进，经所述主体内循环水套的顶端由所述主体内循环水套的外侧流出。
可选地，所述主体内循环水套与所述中路气体管道之间设置有间隔，以形成环路气体冷却通道。
可选地，所述中路气体管道包括中路气体主管和金属短管，所述中路气体主管和所述金属短管之间采用螺纹连接在一起，且所述金属短管的一端设置于所述反应器内。
可选地，所述中路气体主管由不锈钢制成。
可选地，所述金属短管由金属钼或金属钨制成。
可选地，所述中路气体主管与所述金属短管的螺纹连接处低于所述主体内循环水套的顶端。
可选地，所述设备还包括：石墨隔热套，与所述反应器和所述主体内循环水套连接，用于隔离所述反应器和所述主体内循环水套周围的热源。
可选地，所述设备还包括：多孔石墨气体分配器，设置于所述反应器的底部，用于使得所述环路气体冷却通道和所述中路气体管道与所述反应器连通。
可选地，所述多孔石墨气体分配器设置有多个均匀分布的环路孔道及中心孔道，所述环路孔道与所述环路气体冷却通道连通，所述中心孔道与所述中路气体管道连通，且所述环路孔道与通过挤压插入所述多孔石墨气体分配器的中路气体管道的外侧壁面圆相切或相交。
通过上述技术方案，充分冷却中路气体管道，使得待裂解气体的温度低于裂解温度，从而基本消除了中路气体管道管壁的沉积产物，也减少了待裂解气体入口处的沉积产物，能够适应高温条件下流化床化学气相沉积反应器的长期和稳定的运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例的气体入口设备的剖面示意图；
图2是本发明一实施例的气体入口设备的多孔石墨气体分配器的剖面示意图；
图3是图2沿上端A-A’处的剖面示意图；
图4是图2沿下端B-B’处的剖面示意图；
图5是本发明另一实施例的气体入口设备的多孔石墨气体分配器的剖面示意图；
图6是图5沿上端A-A’处的剖面示意图；
图7是图5沿下端B-B’处的剖面示意图。
附图标记说明
1主体内循环水套 2水流隔板 3环路气体冷却通道
4中路气体主管 5石墨隔热套 6多孔石墨气体分配器
7喷动流化床 8金属短管 9中心孔道 10环路孔道
11凸起 12螺纹连接处
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明一实施例的气体入口设备的剖面示意图。如图1所示，本发明一实施例的气体入口设备包括：中路气体管道，所述中路气体管道的一端设置于所述反应器内，用于将待裂解的气体通入所述反应器中；主体内循环水套1，用于冷却所述中路气体管道，其中，所述中路气体管道穿插通过所述主体内循环水套1。具体地，所述反应器为喷动流化床7。本实施例通过充分冷却中路气体管道，使得待裂解气体的温度低于裂解温度，从而基本消除了中路气体管道管壁的沉积产物，也减少了待裂解气体入口处的沉积产物，能够适应高温条件下流化床化学气相沉积反应器的长期和稳定的运行。
其中，所述主体内循环水套1的横截面为环形，更为具体地，主体内循环水套1呈圆筒状，而且所述主体内循环水套1内设置有水流隔板2，使得冷水由所述主体内循环水套1的内侧流进，经所述主体内循环水套1的顶端由所述主体内循环水套1的外侧流出，如图1所示。这样的结构设计使得主体内循环水套1具有两层水冷，即内侧水冷和外侧水冷，从而保证了所述中路气体管道的整体冷却效果。
在具体的实施方式中，所述中路气体管道包括中路气体主管4和金属短管8，所述中路气体主管4和所述金属短管8之间采用螺纹连接在一起，且所述金属短管8的一端设置于所述反应器内。具体地，所述中路气体管道分为两段，即中路气体主管4和金属短管8，且所述中路气体管道4的内径和所述金属短管8的内径相同，而不会在所述中路气体主管4和所述金属短管8的螺纹连接处12的内壁形成凹凸处。优选地，所述中路气体主管4由不锈钢制成，易于加工。优选地，所述金属短管8由金属钼或金属钨制成。藉此，所述金属短管能够长期在喷动流化床内的较高温度下使用不会变形。
优选地，所述中路气体主管4与所述金属短管8的螺纹连接处12低于所述主体内循环水套1的顶端。藉此，能够确保中路气体主管被充分冷却，从而减少了中路气体主管管壁的沉积产物。
优选地，所述设备还包括：石墨隔热套5，与所述反应器和所述主体内循环水套1连接，用于隔离所述反应器和所述主体内循环水套周围的热源。具体地，所述石墨隔热套5的两端设置有螺纹，所述石墨隔热套5通过螺纹与所述喷动流化床7和所述主体内循环水套1连接，从而喷动流化床7、石墨隔热套5以及主体内循环水套1能够形成连接结实且不漏气的整体。此外，石墨隔热套5具有耐高温的特性，能够隔离所述喷动流化床7和所述主体内循环水套1周围的热源，保证了所述中路气体管道的整体冷却效果。
优选地，所述主体内循环水套1与所述中路气体管道之间设置有间隔，以形成环路气体冷却通道3。具体地，所述环路气体冷却通道3可用于将辅助气体通入所述喷动流化床7。藉此，不仅能够进一步冷却中路气体管道，而且还能够流化喷动流化床中的核燃料颗粒。
优选地，所述设备还包括：多孔石墨气体分配器6，设置于所述反应器的底部，用于使得所述环路气体冷却通道和所述中路气体管道与所述反应器连通。具体地，所述喷动流化床7的底部设置有孔道和凸起11，使得所述多孔石墨气体分配器6能够恰好放入并卡住。更为具体地，所述多孔石墨气体分配器6与所述喷动流化床7通过挤压直接紧密接触并被卡住。挤压的力量来源于所述喷动流化床7和所述石墨隔热套5之间的螺纹连接。多孔石墨气体分配器6的孔口的沉积产物容易打磨去除，且所述多孔石墨气体分配器6更换容易，非常经济。此外，多孔石墨气体分配器6具有耐高温的特性，适应于喷动流化床7的高温条件。
在具体的应用中，所述多孔石墨气体分配器6设置有多个均匀分布的环路孔道10及中心孔道9，所述环路孔道10与所述环路气体冷却通道3连通，所述中心孔道9与所述中路气体管道连通。其中，所述环路孔道10与所述环路气体冷却通道3连通，能够使得由所述环路气体冷却通道3通入的辅助气体通过多孔石墨气体分配器6，从而冷却所述多孔石墨气体分配器6。
图2是本发明一实施例的气体入口设备的多孔石墨气体分配器的剖面示意图。图3是图2沿上端A-A’处的剖面示意图。图4是图2沿下端B-B’处的剖面示意图。如图2、图3以及图4所示，所述多孔石墨气体分配器6设置有8个均匀分布的环路孔道10和1个中心孔道9，其中，8个环路孔道的出口能够构成一个圆形，8个环路孔道与所述环路气体冷却通道3连通，所述多孔石墨气体分配器6的中心孔道9的内径与金属短管8的内径相同，金属短管8通过挤压插入所述多孔石墨气体分配器6。此外，所述环路孔道10与通过挤压插入所述多孔石墨气体分配器6的金属短管8的外侧壁面圆相切。藉此，能够保证由所述环路气体冷却通道3通入的辅助气体与金属短管直接接触，从而保证金属短管的冷却效果。
图5是本发明另一实施例的气体入口设备的多孔石墨气体分配器的剖面示意图。图6是图5沿上端A-A’处的剖面示意图。图7是图5沿下端B-B’处的剖面示意图。如图5、图6以及图7所示，所述多孔石墨气体分配器6设置有8个均匀分布的环路孔道10和1个中心孔道9，其中，8个环路孔道的出口能够构成一个圆形，8个环路孔道与所述环路气体冷却通道3连通，所述多孔石墨气体分配器6的中心孔道9的内径与金属短管8的内径相同，金属短管8通过挤压插入所述多孔石墨气体分配器6。此外，所述环路孔道10与通过挤压插入所述多孔石墨气体分配器6的金属短管8的外侧壁面圆相交。藉此，能够保证由所述环路气体冷却通道3通入的辅助气体与金属短管直接接触，从而保证金属短管的冷却效果。
通过上述实施例，使得中路气体主管和金属短管得以充分冷却，中路气体管道的管壁沉积产物基本消除，同时多孔石墨气体分配器入口处的待裂解气体的沉积产物大大降低，并且清理和更换容易，非常经济，能够适应高温条件下流化床化学气相沉积反应器长期和稳定运行的需要。
在具体的应用过程中，通过以下操作步骤来操作本发明实施例提供的气体入口设备，从而使得喷动流化床的核燃料颗粒的表面通过沉积形成符合设计要求的碳化硅层：
1、检查多孔石墨气体分配器、金属短管是否有沉积产物，如有，则去除、清理或者更换成新的元件；
2、将金属短管安装到中路气体主管上；
3、安装石墨隔热套，确认石墨隔热套与主体内循环水套连接结实不漏气；
4、将多孔石墨气体分配器安装在金属短管上，确保中路气体管道通畅；
5、将喷动流化床从正上方缓慢螺旋拧入，与石墨隔热套连接结实，同时将喷动流化床、多孔石墨气体分配器、金属短管三者挤压结实；
6、检查连接情况，中路气体管道是否通畅等；
7、将气体入口设备安装至高温加热炉中，在主体内循环水套中通入冷却水，在环路气体冷却通道通入辅助气体，加温，到设定温度后从中路气体管道通入待裂解气体，开始沉积过程；
8、待核燃料颗粒沉积结束，将中路气体管道中的待裂解气体切换成辅助气体，降温，冷却，直至室温，取出核燃料颗粒，拆卸气体入口设备；
9、从正上方依次拆卸喷动流化床、多孔石墨气体分配器、石墨隔热套、金属短管，检查沉积状况，清理，等待下一次沉积实验。
为了更明确本发明实施例提供的气体入口设备最终达到的效果，将本发明实施例提供的气体入口设备用于1600摄氏度条件下甲基三氯硅烷气体裂解制备碳化硅层的沉积实验，共进行了2小时，实验过程平稳，中路气体管道稳定供给待裂解气体，无堵塞现象发生。实验结束后，拆除本发明实施例提供的气体入口设备发现金属短管完好，沉积层基本不存在，稍加清理即可重复使用，多孔石墨气体分配器的入口处有少许沉积产物，可很容易的打磨去除，从而可以重复利用。其他部件均完好，可重复利用。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (8)
1.一种用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备，其特征在于，所述设备包括：
中路气体管道，所述中路气体管道的一端设置于所述反应器内，用于将待裂解的气体通入所述反应器中；所述中路气体管道包括中路气体主管、金属短管和石墨气体分配器，所述中路气体主管和所述金属短管之间采用螺纹连接在一起，且所述金属短管的一端设置于所述反应器内；所述金属短管和多孔石墨分配器通过两端压力压紧在一起；
主体内循环水套，用于冷却所述中路气体管道，
其中，所述中路气体管道穿插通过所述主体内循环水套；
石墨隔热套，与所述反应器和所述主体内循环水套连接，用于隔离所述反应器和所述主体内循环水套周围的热源。
2.根据权利要求1所述的用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备，其特征在于，所述主体内循环水套呈圆筒状，且所述主体内循环水套内设置有水流隔板，使得冷水由所述主体内循环水套的内侧流进，经所述主体内循环水套的顶端由所述主体内循环水套的外侧流出。
3.根据权利要求1所述的用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备，其特征在于，所述主体内循环水套与所述中路气体管道之间设置有间隔，以形成环路气体冷却通道。
4.根据权利要求1所述的用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备，其特征在于，所述中路气体主管由不锈钢制成。
5.根据权利要求1所述的用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备，其特征在于，所述金属短管由金属钼或金属钨制成。
6.根据权利要求1所述的用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备，其特征在于，所述中路气体主管与所述金属短管的螺纹连接处低于所述主体内循环水套的顶端。
7.根据权利要求3所述的用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备，其特征在于，所述多孔石墨气体分配器设置于所述反应器的底部，用于使得所述环路气体冷却通道和所述中路气体管道与所述反应器连通。
8.根据权利要求7所述的用于流化床化学气相沉积反应器的气体入口设备，其特征在于，所述多孔石墨气体分配器设置有多个均匀分布的环路孔道及中心孔道，所述环路孔道与所述环路气体冷却通道连通，所述中心孔道与所述中路气体管道连通，且所述环路孔道与通过挤压插入所述多孔石墨气体分配器的中路气体管道的外侧壁面圆相切或相交。
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