CN111939717A - 一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，包括真空泵、手套箱、循环泵、缓冲罐、检测装置、除杂床、吸气柱；手套箱内为惰性气氛，其与真空泵连接；循环泵进口与手套箱出口连通，用于强制手套箱内的惰性气体在系统内进行循环；缓冲罐进口与循环泵出口连通，用于缓冲循环泵出口气体压力，减少系统内压力波动；检测装置与缓冲罐出口连通，用于监测系统内的真空度以及气体的水、氧含量；除杂床用于将检测水、氧含量后的惰性气体中的氧气和水去除；吸气柱用于将去除氧气和水后的惰性气体中的氢同位素吸附。本发明可以在惰性气氛下高效工作，并以气态的形式回收氢同位素，不仅提高了氢同位素的回收效率和回收效果，而且减少了处理流程。

Description

一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统
技术领域
本发明涉及热核聚变领域，具体涉及的是一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统。
背景技术
目前，聚变堆主要包含托卡马克综合大厅(Tokamak Complex，TC，包括托卡马克装置及所在建筑，氚工厂及所在建筑)和热室大厅(HOT CELL，HC)两部分。其中氚工厂包括真空室废气处理系统、氢同位素分离系统、氢同位素存储和输运系统、水去氚化系统等，用于提取并处理内循环系统及外循环系统中的氚。氚安全包容系统的主要功能是为氚处理设施及其所在房间提供除氚功能，采用有效手段进行氚回收，并减小正常运行及事故状态下氚的环境排放量，确保公众安全。
按ICRP的一般要求和分类标准，氚设施应该配备三重包容措施，其中：工艺管道和容器构成自然的初级包容；密封的手套箱或双包套夹层构成二级包容，其内部充注惰性保护气氛或真空以回收从初级包容泄漏出的氚。
在氚工厂中，手套箱气氛均为惰性气氛，为了保证手套箱内氚浓度始终控制在合适的范围，发展适合惰性气氛且便于回收氢同位素的回收系统尤为重要。
发明内容
本发明旨在提供一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，可以有效去除手套箱惰性气氛中的氢同位素气体，实现对惰性气氛中氢同位素气体的高效吸收，减少气态中氢同位素的总量，最终达到手套箱内氢同位素浓度始终控制在合适范围的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，包括真空泵、手套箱、循环泵、缓冲罐、检测装置、除杂床、吸气柱；
所述手套箱内的气氛为惰性气氛，其进口与真空泵连接；
所述循环泵进口与手套箱出口连通，用于强制手套箱内的惰性气体在系统内进行循环；
所述换成罐进口与循环泵出口连通，用于缓冲循环泵出口气体压力，减少系统内压力波动；
所述检测装置与换成罐出口连通，用于监测系统内的真空度以及气体的水、氧含量；
所述除杂床用于将检测水、氧含量后的惰性气体中的样气和水去除；
所述吸气柱用于将去除氧气和水后的惰性气体中的氢同位素吸附。
具体地，所述除杂床内填充有颗粒状的ZrMnFe或者Zr2Fe，粒度为50～150目。
具体地，所述吸气柱内填充有颗粒状的Zr2Fe，粒度为50～150目。
进一步地，所述除杂床和吸气柱内的填料均采用层状填充的方式填充。
再进一步地，所述除杂床和吸气柱各自的进出口均安装有过滤板，并且吸气柱的进出口还安装有翅片。
具体地，所述检测装置包括用于检测系统内真空度的真空规，用于检测气体中的水含量的露点仪，以及用于检测气体中的氧气含量的氧传感器。
进一步地，所述检测装置还包括用于检测系统内压力情况的压力传感器和用于测量气体电离辐射的电离室。
优选地，所述除杂床设有两个，且并排布置；所述吸气柱也设有两个，且并排布置。
再进一步地，本发明还包括同时与两个吸气柱连接、且内部填充有U或ZrCo材料的储氢床。
更进一步地，所述手套箱与循环泵之间还设有过滤器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明设计了除杂床，采用填料(颗粒状的ZrMnFe或者Zr2Fe)的设计，当手套箱内水氧含量超标时，可以通过除杂床进行水氧的去除。本发明单次经过除杂床效率可达99％以上，通过多次气体循环，可以维持手套箱内1vppm的水、氧含量。同时，本发明设计了两套除杂床，一用一备，不仅更换方便，而且可以根据手套箱内实际的惰性气氛，选择填充不同的材料(ZrMnFe或者Zr2Fe)，有效增强了系统去除水、氧的可靠性。
(2)本发明采用金属吸气剂(吸气柱内填充颗粒状的Zr2Fe)的方式，不仅吸气柱工作效率极高(单次去除效率可达99％)，且可以重复使用，并且填料价格较低，使用成本低廉。同时，本发明设计了两套吸气柱，可以交替使用，再结合除杂床的使用，可以很好地达到系统连续不停机运行的目的，大幅提高了整个系统的工作稳定性和工作效率。
(3)本发明还设置了储氢床，储氢床内部填充有U或ZrCo材料，可用于回收和储存吸气柱活化时释放的氢同位素气体，其不仅回收率高、储存效果好，而且在需要使用气态氢同位素时，只需对储氢床进行加热即可释放其储存的氢同位素气体。
(4)本发明设计了一套完整的可供工程使用的惰性气体手套箱氢同位素去除系统及流程，可以直接去除并收集惰性气氛中气态的氢同位素气体。本发明所设计的系统，在使用过程中可以避免水、尤其是氚化水的产生，直接以气态的形式回收氢同位素，省略了后续使用氢同位素气体时需要除水以及氚化水还原的处理工序；大幅简化了整个惰性气氛手套箱内氢同位素去除的工艺流程。
附图说明
图1为本发明的结构简图。
图2为本发明-实施例中的一种吸气柱的结构示意图。
图3为图2所示的吸气柱的流场分布示意图。
图4为图2所示的吸气柱的温度场分布示意图。
图5为图2所示的吸气柱在工作5h后，不同温度下吸气柱的吸附线位置情况示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-真空泵，2-手套箱，3-过滤器，4-循环泵，5-缓冲罐，6-流量计，7-压力传感器，8-露点仪，9-氧传感器，10-除杂床，11-储氢床，12-吸气柱，13-冷凝器，14-电离室，15-热电偶，16-过滤板，17-加热棒。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
本发明提供了一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，可以在惰性气氛下高效工作，同时能以气态的形式回收氢同位素，提高了回收效率，减少了处理流程。如图1所示，本发明结构上主要由真空泵1、手套箱2、循环泵4、缓冲罐5、检测装置、除杂床10、吸气柱12组成。
所述的手套箱2内的气氛为惰性气氛，其进口与真空泵1连接。本实施例中，手套箱2气氛为氮气或氩气。
所述的循环泵1进口与手套箱2出口连通，且手套箱2与循环泵4之间还设有过滤器3。循环泵用于强制手套箱内的惰性气体在系统内进行循环。所述的缓冲罐5进口与循环泵4出口连通。当循环泵1工作时，可能导致手套箱2内的压力变化，而设置的缓冲罐5则可以实现循环泵4出口气体压力的缓冲，减少系统内压力波动。同时，手套箱2配备有自动补气装置，可根据实际需要随时进行补气，进一步确保手套箱内压力稳定。
所述的除杂床10用于将检测水、氧含量后的惰性气体中的氧气和水去除；所述的吸气柱12则用于将去除氧气和水后的惰性气体中的氢同位素吸附。本实施例中，所述除杂床10内填充有颗粒状的ZrMnFe(适用于氩气气氛的手套箱)或者Zr2Fe(适用于氮气气氛的手套箱)，粒度为50～150目。所述的吸气柱12内填充有颗粒状的Zr2Fe，粒度为50～150目。另外，除杂床10和吸气柱12在进行填料时，需要注意填充方式，本发明采用了层状填充，可以减少填装时压实和加热后的烧结。
除杂床10和吸气柱12均为本发明系统工作的重要部件和核心部件。在正常工作状态下，手套箱包容的系统不断向手套箱内释放氢同位素气体，同时，由于手套箱自身的泄漏(漏率约为0.1vol％/day)，空气中的部分水和氧气会进入到手套箱中与金属吸气剂发生不可逆的反应，对吸气柱的寿命、吸气效率和吸气容量都有很大影响；并且氧气也会增加手套内氚化水的产生，对包容系统产生不利影响。因此需要通过除杂床及时去除手套箱内的水和氧。本实施例单次经过除杂床效率为99％，通过多次气体循环，可以维持手套箱内1vppm的水、氧含量。并且，在本实施例中，除杂床工作在250℃温度下时并不会吸附氢同位素气体，使得氢同位素气体都在后级的吸气柱中进行吸附。
此外，本实施例中的除杂床10设有两个，且并排布置，便于交替使用，保证水氧去除效果。
而吸气柱12的原理是利用金属吸气剂颗粒可以吸附氢同位素气体而不会与惰性气氛发生反应的特性，当气体通过吸气柱时，氢同位素气体被吸气柱中的金属吸气剂吸收，即可实现氢同位素气体的去除。吸气柱12的工作温度范围为200℃～250℃，需要根据实际的应用场景进行温度的选择，以保证吸气柱良好的工作效率。
吸气柱在进行一段时间的吸附后，其对氢同位素的吸附能力会降低，在到达一定限值后会失去对氢同位素的吸附能力，此时可以通过加热的方式(可以采用吸气柱内置加热棒加热的方式)将其吸附的氢同位素释放并进行收集。活化完毕的吸气柱将重新获得对氢同位素的吸附能力。本实施例中，吸气柱12也设有两个，且并排布置，一用一备，相互交替活化。需要说明的是，吸气柱在活化时需特别注意温度的控制，如果吸气柱出口温度超过550℃，则填充材料会迅速发生歧化，导致吸氢量减少且无法重复利用。
同时，本发明还设置了储氢床11，吸气柱释放的气体将进入储氢床进行存储。所述的储氢床11内填充有U或者ZrCo材料，在常温下具有很低的吸附平衡压力，可以用于收集吸气柱中释放的气体。后续需要使用气态氢同位素时，只需对储氢床进行加热即可释放其储存的氢同位素气体。本实施例中，单个储氢床的氢同位素储存量不大于17mol。
另外，除杂床10和吸气柱12都需要在各自的进出口加装过滤板16，防止粉尘进入造成阀门或泵的损坏。同时，吸气柱的进出口在活化和放气时由于温度较高，需在阀门前的管道上安装翅片进行散热或使用耐高温阀门。而且，根据对气体处理的具体要求，还可在除杂床10的出口和吸气柱12的进口之间设置氢气注入口，增加氢同位素气体的分压以及氘或氚的吸附量，从而通过不同量的氢气注入，实现不同浓度的氚浓度控制。
图2所示的是本发明设计的一种吸气柱的结构示意图，其针对的流量为20m3/h，吸气柱采用
Figure BDA0002593945970000051
无缝钢管进行制造。上下采用CF35法兰进行密封，便于拆装和填料(所填材料为Zr2Fe)。利用数值模拟软件对设计进行校核计算，分别校核了吸气柱的流场分布(如图3所示)，以及温度场分布(如图4所示)。根据不同温度下的Zr2Fe的PCT曲线，对吸附线进行了校核计算。图5展示了在工作5h后，不同温度下吸气柱的吸附线位置情况。计算结果表明，针对20m3/h的处理工况，在入口氢浓度为500ppm时，吸气柱在温度均匀性以及吸气效率上都能有很好的保证。
所述的检测装置与缓冲罐5出口连通，用于实时监控系统的工作情况，在本实施例中，检测装置具体监测系统内的真空度、气体的水和氧含量、压力情况以及气体电离辐射测量，具体为：该检测装置主要由若干真空规、压力传感器7、露点仪8、氧传感器9、电离室14构成。真空规用于在准备阶段控制系统内的真空度，避免系统内真空过低导致对除杂床10和吸气柱12的毒化。氧传感器9用于检测手套箱2内的氧气浓度，由于氧气对除杂床10和吸气柱12都有很强的毒化作用，因而需要实时对系统内的氧含量进行检测，避免由于手套箱泄漏或破裂而导致的氧含量的快速上升。露点仪8主要用于检测系统内的水含量，同样是为了避免大量水汽进入对除杂床10和吸气柱12的毒化。压力传感器7主要是为了检测系统内的压力分布，电离室14主要用于气体电离辐射测量。在除杂床10和吸气柱12的前后段都设置有压力传感器，其目的是监控在长时间工作中除杂床10和吸气柱12的气阻变化情况，防止由于长时间高温加热而导致床体烧结，从而影响到系统的稳定工作。当气阻快速上升时，需要更换除杂床10或吸气柱12。
此外，在本发明系统中还设置有一些功能部件，例如流量计6、冷凝器13、热电偶15以及一些阀门和热电偶。
下面详细介绍本发明的工作流程。
首先，将所有阀门打开，并开启真空泵进行系统内的抽真空，直至其达到预定的真空度后关闭真空泵，然后向手套箱内充注惰性保护气氛。
当初级包容泄漏出的氢同位素气体进入手套箱内后，关闭阀门V4，并开启循环泵，将手套箱内的气体先泵入至缓冲罐内，然后经过流量计阀门V3后到达检测装置支路，通过检测装置支路检查气体中的水氧量以及压力等。检测后的气体通过阀门V5、V6进入到除杂床中(如果不需检测水氧含量和压力，则不关闭阀门4，气体便直接通过阀门V5、V6进入到除杂床中)。V7为除杂床的出口阀门，在不需要进行氢同位素气体吸附时，气体经过V7后，直接通过支路到达阀门V10，并经由冷凝器冷却降温后，经由阀门V11、V14回到手套箱。
在需要进行氢同位素气体吸附时，气体通过阀门V8进入到吸气柱中。气体吸附完成后通过阀门V9离开吸气柱。吸气柱在进行一段时间的吸附后，需要对其进行活化，此时关闭阀门V8和V10，打开储氢床进口处的阀门，并对吸气柱进行加热，使其吸附的氢同位素释放并收集在储氢床中。
在需要进行后端气体组份测量时，可关闭阀门V11。检测完毕后开启阀门V11，气体通过阀门V11、V14回到手套箱，完成一次氢同位素的净化循环。根据所需检测的气体种类，也可以使气体经阀门V12支路进入电离室进行检测，最后通过阀门V13、V14回到手套箱中，完成一次氢同位素的净化循环。
本发明设计合理、应用方便，工艺流程简单、效率高，并且整体系统可根据处理量进行缩小或放大设计，适用不同的应用场景。因此，本发明适合推广应用。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，其特征在于，包括真空泵(1)、手套箱(2)、循环泵(4)、缓冲罐(5)、检测装置、除杂床(10)、吸气柱(12)；
所述手套箱(2)内的气氛为惰性气氛，其进口与真空泵(1)连接；
所述循环泵(1)进口与手套箱(2)出口连通，用于强制手套箱内的惰性气体在系统内进行循环；
所述换成罐(5)进口与循环泵(4)出口连通，用于缓冲循环泵出口气体压力，减少系统内压力波动；
所述检测装置与换成罐(5)出口连通，用于监测系统内的真空度以及气体的水、氧含量；
所述除杂床(10)用于将检测水、氧含量后的惰性气体中的样气和水去除；
所述吸气柱(12)用于将去除氧气和水后的惰性气体中的氢同位素吸附。
2.根据权利要求1所述的一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，其特征在于，所述除杂床(10)内填充有颗粒状的ZrMnFe或者Zr2Fe，粒度为50～150目。
3.根据权利要求2所述的一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，其特征在于，所述吸气柱(12)内填充有颗粒状的Zr2Fe，粒度为50～150目。
4.根据权利要求3所述的一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，其特征在于，所述除杂床(10)和吸气柱(12)内的填料均采用层状填充的方式填充。
5.根据权利要求4所述的一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，其特征在于，所述除杂床(10)和吸气柱(12)各自的进出口均安装有过滤板(16)，并且吸气柱(12)的进出口还安装有翅片。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，其特征在于，所述检测装置包括用于检测系统内真空度的真空规，用于检测气体中的水含量的露点仪(8)，以及用于检测气体中的氧气含量的氧传感器(9)。
7.根据权利要求6所述的一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，其特征在于，所述检测装置还包括用于检测系统内压力情况的压力传感器(7)和用于测量气体电离辐射的电离室(14)。
8.根据权利要求7所述的一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，其特征在于，所述除杂床(10)设有两个，且并排布置；所述吸气柱(12)也设有两个，且并排布置。
9.根据权利要求8所述的一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，其特征在于，还包括同时与两个吸气柱连接、且内部填充有U或ZrCo材料的储氢床(11)。
10.根据权利要求1～5任一项或7～9任一项所述的一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统，其特征在于，所述手套箱(2)与循环泵(4)之间还设有过滤器(3)。
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