CN112349440A - 一种液态金属净化装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液态金属净化装置及其使用方法，包括储藏罐、管道二、净化管道、管道三、储杂罐、膨胀罐、净化罐和熔化罐；储藏罐的侧壁的底部通过管道二与净化管道的下端相连，储藏罐的侧壁的上部通过管道三与净化管道的侧壁的上部连接，净化管道的上端设有膨胀罐；净化管道内设有吹气管道；净化罐的底部通过管道六与储藏罐连接，管道一通过管道七与净化罐的侧壁的上部连接；净化罐的侧壁的上部通过管道八与熔化罐的底部连接。本发明所述的液态金属净化装置，不仅可以有效的去除尺寸大于滤芯孔隙尺寸的氧化物杂质，同时可以去除尺寸小于滤芯孔隙尺寸的的氧化物杂质，且对液态金属在无泵驱动的情况下，实现离线循环净化，不影响主回路的运行。
Description
技术领域
本发明属于液态金属技术领域，尤其是涉及一种液态金属净化装置及其使用方法。
背景技术
液态金属因其熔点低、沸点高、热导率、安全性高成为新一代核反应堆冷却剂的首选，如加速器驱动次临界系统(ADS)选用铅铋共晶体(LBE)作为反应堆冷却剂，铅基堆中选用铅作为冷却剂等。在使用液态金属作为冷却剂的反应堆中，所面临的一个重要问题是液态金属冷却剂(铅、LBE等)相对于水等介质，其对结构材料的腐蚀严重，腐蚀的主要机理有氧化腐蚀、冲刷腐蚀、溶解腐蚀等，为了减轻结构材料的腐蚀，目前主要采用控制氧含量的办法，保证液态金属不会被氧化的前提下，氧化结构材料，使结构材料表面生成氧化膜，以降低结构材料的腐蚀速率，延长结构材料的使用寿命，减少杂质的生成。控制氧含量的方式主要阻止的是溶解腐蚀的发生，且使得液态金属冷却剂中的杂质主要是以氧化物的形式存在。除了腐蚀产生的杂质以外，检修、装卸料和原料中也会有氧化物杂质的引入，且有些回路中，比如热工回路，运行时间短，不适宜使用控氧系统，氧一般是过饱和的状态，其中液态金属会被氧化形成氧化杂质，这些杂质在回路中积累到一定程度，容易堵塞换热器流道和回路管道，改变液态金属的热导率等，且会影响回路的测试参数。
目前净化的主要方法是冷阱和过滤器，过滤器主要靠滤网拦截大尺寸的氧化物，冷阱除了具有过滤器的拦截过滤杂质的功能以外，还具有冷却功能，可以将溶解腐蚀的杂质过饱和析出，在控氧和氧过饱和条件下，因为杂质主要为氧化物，所以冷阱只相当于过滤器，过滤器净化的主要方式是拦截过滤，其捕捉的杂质尺寸受限于滤芯孔隙尺寸，当杂质足够多时，滤芯表面可能会形成滤饼，滤饼可以拦截尺寸小于滤芯孔隙尺寸的杂质，但此时滤芯网孔堵塞、压损将大大增加，且流速极低，过滤时间无限增加，在回路中，一旦形成滤饼，将会对滤芯进行更换，所以对于液态金属回路而言，过滤器主要功能是拦截尺寸小于滤芯孔隙尺寸的杂质。目前过滤器一般位于主回路中，其压损大，影响主回路的设计参数和建造成本。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种液态金属净化装置，过滤净化和吹气净化相结合，不仅可以有效的去除尺寸大于滤芯孔隙尺寸的氧化物杂质，同时可以去除尺寸小于滤芯孔隙尺寸的氧化物杂质，且对液态金属在无泵驱动的情况下，实现离线循环净化，不影响主回路的运行，降低主回路部件的设计参数，同时降低回路建造成本。本发明还提供了所述液态金属净化装置的使用方法。
本发明采用的技术方案是：
一种液态金属净化装置，包括储藏罐、管道二、净化管道、管道三、储杂罐、膨胀罐、净化罐和熔化罐；
所述储藏罐的顶部设有真空管路和液位计一，管道一的一端伸入到所述储藏罐的底部，另一端穿过所述储藏罐的顶部与主回路连接；所述管道一上设置阀门一；所述储藏罐的顶部还通过气路一与高压气瓶一连接；所述气路一上设有气体阀门一；
所述储藏罐的侧壁的底部通过所述管道二与所述净化管道的下端相连，所述储藏罐的侧壁的上部通过所述管道三与所述净化管道的侧壁的上部连接，所述净化管道的上端设有所述膨胀罐；所述管道二上设有阀门二，所述管道三上设有阀门三和流量计；
所述膨胀罐的上端采用膨胀罐法兰密封，所述膨胀罐法兰上设有气体自动平衡阀和液位计二；所述净化管道内设有吹气管道，所述吹气管道的一端伸入到所述净化管道的底部，另一端穿过所述膨胀罐法兰通过气路二连接高压气瓶二；
净化装置外部，除所述气路一、所述气路二、所述高压气瓶一和所述高压气瓶二外，均设有加热系统，所述加热系统外包裹有保温层。
本发明所述的液态金属净化装置，其中，所述净化罐的底部通过管道六与所述储藏罐的顶部连接，所述管道一的位于所述阀门一和主回路之间的管道通过管道七与所述净化罐的侧壁的上部连接；所述净化罐的侧壁的上部通过管道八与所述熔化罐的底部连接；所述管道六上设有阀门五；所述管道六和所述管道七之间设有压差计，所述管道七上设置阀门六；所述管道八上设有阀门七。
本发明所述的液态金属净化装置，其中，所述净化管道的位于所述管道三和所述膨胀罐之间的管道与管道四的一端连接，所述管道四的另一端与管道五的上端连接，所述管道五的下端通过储杂罐法兰与所述储杂罐连接，所述管道四上设有阀门四。
本发明所述的液态金属净化装置，其中，所述吹气管道与所述膨胀罐法兰接触处固定连接，所述吹气管道的位于所述膨胀罐法兰和所述气路二之间的管道上设有气体阀门二；所述吹气管道的远离所述膨胀罐的一端通过两个卡箍与气路二连接，两个所述卡箍之间设有波纹管。
本发明所述的液态金属净化装置，其中，所述储藏罐的侧壁的上部和下部分别设有热电偶一和热电偶二；所述净化管道的侧壁的下部设有热电偶三，所述净化管道的位于所述管道三和所述膨胀罐之间的管道上设有热电偶四；所述净化罐的侧壁设有热电偶五；所述净化罐的侧壁设有热电偶六。
本发明所述的液态金属净化装置，其中，所述管道四从左到右由上向下倾斜1～80°。
本发明所述的液态金属净化装置，其中，所述管道四从左到右由上向下倾斜8～30°。
本发明所述的液态金属净化装置，其中，所述储藏罐的高径比为2～10。
本发明所述的液态金属净化装置，其中，所述液态金属为铅铋合金。
本发明还提供了所述液态金属净化装置的使用方法，该使用方法包括以下步骤：
(a)关闭阀门七、阀门六、阀门一，关闭自动平衡阀，气体阀门二、气体阀门一，打开阀门五、阀门三、阀门二和阀门四，打开真空管路，抽气；
(b)然后关闭所述真空管路，关闭所述阀门四，打开所述气体阀门一，充入惰性气体；
(c)接通电源，所述加热丝对整个净化装置进行预热，并控制温度在高于液态金属熔点20-50℃范围内；
(d)关闭所述阀门一、所述阀门三、所述阀门二，打开所述阀门七或者所述阀门六，打开所述阀门五，液态金属冷却剂由所述熔化罐或者所述主回路进入净化罐，经过滤净化后流入储藏罐，到达液面一，关闭所述阀门五，打开所述阀门三和所述阀门二，液态金属冷却剂经由所述管道二和所述管道四进入所述净化管道，所述储藏罐、所述管道二、所述净化管道和所述管道四形成一个回路，打开所述气体阀门二，打开所述自动平衡阀，根据所述流量计流速，调节所述高压气瓶二压力，运行一定时间后，关闭所述气体阀门二，停止吹气净化；
(e)打开所述气体阀门一，调节液面二，使其位于所述管道四与所述净化管道连接处以上，关闭所述气体阀门一，关闭所述阀门三和所述阀门二，打开所述阀门四，使吹气净化出来的杂质流入到所述储杂罐中，然后关闭所述阀门四，至此完成一次过滤加吹气净化；如主回路准备运行，则打开加热系统，加热所述储藏罐、所述管道四、所述管道二和所述净化管道内的液态金属至熔点以上50℃，打开所述阀门一，关所述阀门六和所述阀门五，打开所述气阀一，调节所述高压气瓶一的输出气压，将所述储藏罐中的液态金属冷却剂压入到主回路中。
本发明有益效果：
1.依据液态金属中氧化物杂质相对于液态金属本身密度小，杂质上浮，采用过滤净化和吹气净化相结合的方式进行净化，过滤净化主要去除尺寸大于滤芯孔隙尺寸的氧化物杂质，吹气净化主要去除尺寸小于滤芯孔隙尺寸的氧化物杂质，克服了过滤净化和冷阱净化时，当杂质尺寸小于滤芯孔隙尺寸时，净化效果不佳的缺点，提升了净化效果。
2.净化装置位于主回路的熔化和储藏系统，主要采用离线净化的方式，在装料或者主回路停止运行时进行净化，净化时间充裕，不影响主回路运行参数，降低了主回路的建造和运行成本。
3.吹气净化的惰性气体不仅可以净化液态金属中的氧化物杂质，而且可以作为液态金属循环净化的驱动力，起到泵的作用，使得液态金属在储藏罐、管道二、管道三和净化管道组成的回路中循环，不断的将储藏罐中的液态金属从管道二引出进行净化，净化后通过管道三回流到储藏罐，提升了净化效率，降低了净化成本。
4.储杂罐可以将吹气净化的杂质去除掉，以避免再次进入液态金属冷却剂中，且储杂罐管道向下倾斜1～80°，优选8～30°，使得杂质容易进入到储杂罐中。储杂罐与除杂管道五为法兰连接，当杂质储满时，易于更换。
5.净化管道的吹气管道焊接于膨胀罐法兰盘上，且其与储气罐气路采用卡箍和波纹管连接，便于吹气管道堵塞时更换。
6.膨胀罐上设置自动平衡阀，以保证膨胀罐内的气压保持稳定，提升操作效率。
附图说明
图1为本发明所述的液态金属净化装置的结构示意图。
图中，1-储藏罐、10-真空管路、11-液位计一、12-热电偶一、13-热电偶二、14-管道一、15-阀门一、16-液面一、17-气路一、18-高压气瓶一、19-气体阀门一、2-管道二、21-阀门二、3-净化管道、31-热电偶三、32-热电偶四、33-液面二、4-管道三、41-阀门三、42-流量计、5-储杂罐、51-储杂罐法兰、52-管道四、53-管道五、54-阀门四、6-膨胀罐、61-膨胀罐法兰、62-自动平衡阀、63-液位计二、64-吹气管道、65-气路二、66-高压气瓶二、67-气体阀门二、68-卡箍、69-波纹管、7-净化罐、71-热电偶五、72-管道六、73-阀门五、74-管道七、75-压差计、76-阀门六、8-熔化罐、81-热电偶六、82-管道八、83-阀门七、9-主回路。
下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
如图1所示，一种液态金属净化装置，包括储藏罐1、管道一14、管道二2、净化管道3、管道三4、储杂罐5、膨胀罐6、净化罐7和熔化罐8；
储藏罐1的顶部设有真空管路10和液位计一11，储藏罐1的侧壁的上部和下部分别设有热电偶一12和热电偶二13；管道一14的一端伸入到储藏罐1的底部，另一端穿过储藏罐1的顶部与主回路9连接；管道一14上设置阀门一15；储藏罐1的顶部还通过气路一17与高压气瓶一18连接，气路一17上设有气体阀门一19；储藏罐1的高径比为2～10；
储藏罐1的侧壁的底部通过管道二2与净化管道3的下端相连，储藏罐1的侧壁的上部通过管道三4与净化管道3的侧壁的上部连接，净化管道3的上端设有膨胀罐6；管道二2上设有阀门二21，管道三4上设有阀门三41和流量计42；净化管道3的侧壁的下部设有热电偶三31，净化管道3的位于管道三4和膨胀罐6之间的管道上设有热电偶四32；
膨胀罐6的上端采用膨胀罐法兰61密封，膨胀罐法兰61上设有气体自动平衡阀62和液位计二63；净化管道3内设有吹气管道64，吹气管道64的一端伸入到净化管道3的底部，另一端穿过膨胀罐法兰61通过气路二65连接高压气瓶二66，吹气管道64与膨胀罐法兰61接触处采用焊接固定连接，吹气管道64的位于膨胀罐法兰61和气路二65之间的管道上设有气体阀门二67；吹气管道64的远离膨胀罐6的一端通过两个卡箍68与气路二65连接，两个卡箍68之间设有波纹管69，卡箍68和波纹管69的设置便于吹气管道64的拆卸和连接。
净化管道3的位于管道三4和膨胀罐6之间的管道与管道四52的一端连接，管道四52的另一端与管道五54的上端连接，管道五54的下端通过储杂罐法兰51与储杂罐5连接，管道四52上设有阀门四54，管道四52从左到右由上向下倾斜1～80°，优选8～30°；储杂罐法兰51与管道五54垂直连接。
净化罐7的底部通过管道六72与储藏罐1的顶部连接，管道六72上设有阀门五73，管道一14的位于阀门一15和主回路9之间的管道通过管道七74与净化罐7的侧壁的上部连接，净化罐7的侧壁设有热电偶五71，管道六72和管道七74之间设有压差计75，管道七74上设置阀门六76，压差计75设置在净化罐7的进口和出口处之间，用于减少阀门五73和阀门六76的压力影响；
净化罐7的侧壁的上部通过管道八82与熔化罐8的底部连接，管道八82上设有阀门七83，净化罐7的侧壁设有热电偶六81；
净化装置外部，除气路一17、气路二65、高压气瓶一18和高压气瓶二66外，均设有加热系统，加热系统为加热丝，所述加热系统外包裹有保温层。
所述液态金属为铅铋合金。高压气瓶一18和高压气瓶二66内装有惰性气体。
本实施例所述的新型液态金属净化装置的使用方法如下：
(a)关闭阀门七83、阀门六76、阀门一15，关闭自动平衡阀62，气体阀门二67、气体阀门一19，打开阀门五73、阀门三41、阀门二21和阀门四54，打开真空管路10，抽气；
(b)然后关闭真空管路10，关闭阀门四54，打开气体阀门一19，充入惰性气体；
(c)接通电源，所述加热丝对整个净化装置进行预热，并控制温度在高于液态金属熔点20-50℃范围内；
(d)关闭阀门一15、阀门三41、阀门二21，打开阀门七83或者阀门六76，打开阀门五73，液态金属冷却剂由熔化罐8或者主回路9进入净化罐7，经过滤净化后流入储藏罐1，到达液面一16，关闭阀门五73，打开阀门三41和阀门二21，液态金属冷却剂经由管道二2和管道四4进入净化管道3，储藏罐1、管道二2、净化管道3和管道四4形成一个回路，打开气体阀门二67，打开自动平衡阀62，根据流量计42流速，调节高压气瓶二66压力，运行一定时间后，关闭气体阀门二67，停止吹气净化；
(e)打开气体阀门一19，调节液面二33，使其位于管道四52与净化管道3连接处以上，关闭气体阀门一19，关闭阀门三41和阀门二21，打开阀门四54，使吹气净化出来的杂质流入到储杂罐5中，然后关闭阀门四54，至此完成一次过滤加吹气净化；如主回路准备运行，则打开加热系统，加热储藏罐1、管道四4、管道二2和净化管道3内的液态金属至熔点以上50℃，打开阀门一15，关阀门六76和阀门五73，打开气阀一19，调节高压气瓶一18的输出气压，将储藏罐1中的液态金属冷却剂压入到主回路9中。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种液态金属净化装置，其特征在于：包括储藏罐(1)、管道二(2)、净化管道(3)、管道三(4)、储杂罐(5)、膨胀罐(6)、净化罐(7)和熔化罐(8)；
所述储藏罐(1)的顶部设有真空管路(10)和液位计一(11)，管道一(14)的一端伸入到所述储藏罐(1)的底部，另一端穿过所述储藏罐(1)的顶部与主回路(9)连接；所述管道一(14)上设置阀门一(15)；所述储藏罐(1)的顶部还通过气路一(17)与高压气瓶一(18)连接；所述气路一(17)上设有气体阀门一(19)；
所述储藏罐(1)的侧壁的底部通过所述管道二(2)与所述净化管道(3)的下端相连，所述储藏罐(1)的侧壁的上部通过所述管道三(4)与所述净化管道(3)的侧壁的上部连接，所述净化管道(3)的上端设有所述膨胀罐(6)；所述管道二(2)上设有阀门二(21)，所述管道三(4)上设有阀门三(41)和流量计(42)；
所述膨胀罐(6)的上端采用膨胀罐法兰(61)密封，所述膨胀罐法兰(61)上设有气体自动平衡阀(62)和液位计二(63)；所述净化管道(3)内设有吹气管道(64)，所述吹气管道(64)的一端伸入到所述净化管道(3)的底部，另一端穿过所述膨胀罐法兰(61)通过气路二(65)连接高压气瓶二(66)；
净化装置外部，除所述气路一(17)、所述气路二(65)、所述高压气瓶一(18)和所述高压气瓶二(66)外，均设有加热系统，所述加热系统外包裹有保温层。
2.根据权利要求1所述的液态金属净化装置，其特征在于：所述净化罐(7)的底部通过管道六(72)与所述储藏罐(1)的顶部连接，所述管道一(14)的位于所述阀门一(15)和主回路(9)之间的管道通过管道七(74)与所述净化罐(7)的侧壁的上部连接；所述净化罐(7)的侧壁的上部通过管道八(82)与所述熔化罐(8)的底部连接；所述管道六(72)上设有阀门五(73)；所述管道六(72)和所述管道七(74)之间设有压差计(75)，所述管道七(74)上设置阀门六(76)；所述管道八(82)上设有阀门七(83)。
3.根据权利要求1所述的液态金属净化装置，其特征在于：所述净化管道(3)的位于所述管道三(4)和所述膨胀罐(6)之间的管道与管道四(52)的一端连接，所述管道四(52)的另一端与管道五(54)的上端连接，所述管道五(54)的下端通过储杂罐法兰(51)与所述储杂罐(5)连接，所述管道四(52)上设有阀门四(54)。
4.根据权利要求1所述的液态金属净化装置，其特征在于：所述吹气管道(64)与所述膨胀罐法兰(61)接触处固定连接，所述吹气管道(64)的位于所述膨胀罐法兰(61)和所述气路二(65)之间的管道上设有气体阀门二(67)；所述吹气管道(64)的远离所述膨胀罐(6)的一端通过两个卡箍(68)与气路二(65)连接，两个所述卡箍(68)之间设有波纹管(69)。
5.根据权利要求1所述的液态金属净化装置，其特征在于：所述储藏罐(1)的侧壁的上部和下部分别设有热电偶一(12)和热电偶二(13)；所述净化管道(3)的侧壁的下部设有热电偶三(31)，所述净化管道(3)的位于所述管道三(4)和所述膨胀罐(6)之间的管道上设有热电偶四(32)；所述净化罐(7)的侧壁设有热电偶五(71)；所述净化罐(7)的侧壁设有热电偶六(81)。
6.根据权利要求1所述的液态金属净化装置，其特征在于：所述管道四(52)从左到右由上向下倾斜1～80°。
7.根据权利要求1所述的液态金属净化装置，其特征在于：所述管道四(52)从左到右由上向下倾斜8～30°。
8.根据权利要求1所述的液态金属净化装置，其特征在于：所述储藏罐(1)的高径比为2～10。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的液态金属净化装置，其特征在于：所述液态金属为铅铋合金。
10.权利要求4-9任意一项所述的液态金属净化装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)关闭阀门七(83)、阀门六(76)、阀门一(15)，关闭自动平衡阀(62)，气体阀门二(67)、气体阀门一(19)，打开阀门五(73)、阀门三(41)、阀门二(21)和阀门四(54)，打开真空管路(10)，抽气；
(b)然后关闭所述真空管路(10)，关闭所述阀门四(54)，打开所述气体阀门一(19)，充入惰性气体；
(c)接通电源，所述加热丝对整个净化装置进行预热，并控制温度在高于液态金属熔点20-50℃范围内；
(d)关闭所述阀门一(15)、所述阀门三(41)、所述阀门二(21)，打开所述阀门七(83)或者所述阀门六(76)，打开所述阀门五(73)，液态金属冷却剂由所述熔化罐(8)或者所述主回路(9)进入净化罐(7)，经过滤净化后流入储藏罐(1)，到达液面一(16)，关闭所述阀门五(73)，打开所述阀门三(41)和所述阀门二(21)，液态金属冷却剂经由所述管道二(2)和所述管道四(4)进入所述净化管道(3)，所述储藏罐(1)、所述管道二(2)、所述净化管道(3)和所述管道四(4)形成一个回路，打开所述气体阀门二(67)，打开所述自动平衡阀(62)，根据所述流量计(42)流速，调节所述高压气瓶二(66)压力，运行一定时间后，关闭所述气体阀门二(67)，停止吹气净化；
(e)打开所述气体阀门一(19)，调节液面二(33)，使其位于所述管道四(52)与所述净化管道(3)连接处以上，关闭所述气体阀门一(19)，关闭所述阀门三(41)和所述阀门二(21)，打开所述阀门四(54)，使吹气净化出来的杂质流入到所述储杂罐(5)中，然后关闭所述阀门四(54)，至此完成一次过滤加吹气净化；如主回路准备运行，则打开加热系统，加热所述储藏罐(1)、所述管道四(4)、所述管道二(2)和所述净化管道(3)内的液态金属至熔点以上50℃，打开所述阀门一(15)，关所述阀门六(76)和所述阀门五(73)，打开所述气阀一(19)，调节所述高压气瓶一(18)的输出气压，将所述储藏罐(1)中的液态金属冷却剂压入到主回路(9)中。
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