CN114229810A - 高温气冷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温气冷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统及方法，其中氦气纯化系统，包括：依次用管道连通的缓冲罐、过滤器、压力变送器和回收压缩机；所述回收压缩机的出口管道分两路，一路依次连通回流阀、压力变送器和回收压缩机之间的管道，另一路依次连通除油器、除氧器、冷却器、吸附器和干燥单元。本发明所述的高温气冷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，整个系统可实现长期、循环提供氧量低于1×10‑6，纯度为99.99％的氦气。
Description
技术领域
本发明属于高温气冷堆技术领域，尤其涉及一种高温气冷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统及方法。
背景技术
为研究高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化性能，需模拟高温气冷堆的实际工况，使用大量纯度为99.99％的氦气，其含氧量低于1×10-6，该装置满足高温堆冷却剂气氛杂质含量要求，具备气体循环净化功能，实现长周期热老化研究。因此，研发一种高温气冷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统及方法十分必要。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，除油器可以吸附处理残余少量油污；除氧器可在钯催化剂作用下，使氦气中的大部分氧气与氢气反应生成水；吸附器可以去除ppm级氧气、氢气、二氧化碳等气体；整个系统可实现长期、循环提供氧量低于1×10-6，纯度为99.99％的氦气。
本发明的第二个目的在于提出一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化方法。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，包括：依次用管道连通的缓冲罐、过滤器、压力变送器和回收压缩机；所述回收压缩机的出口管道分两路，一路依次连通回流阀、压力变送器和回收压缩机之间的管道，另一路依次连通除油器、除氧器、冷却器、吸附器和干燥单元。
本发明实施例的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，除油器可以吸附处理残余少量油污；除氧器可在钯催化剂作用下，使氦气中的大部分氧气与氢气反应生成水；吸附器可以去除ppm级氧气、氢气、二氧化碳等气体；整个装置可实现长期、循环提供氧量低于1×10-6，纯度为99.99％的氦气。
另外，根据本发明上述实施例提出的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统还包括氧气检测单元；所述氧气检测单元安装在干燥单元的出口管道上。
在本发明的一个实施例中，所述氧气检测单元为微量氧分析仪。
在本发明的一个实施例中，所述干燥单元包括至少两个干燥器，所有干燥器的入口均与吸附器的出口连通。
在本发明的一个实施例中，干燥器内装有分子筛。
在本发明的一个实施例中，所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统还包括真空泵；所述真空泵连通干燥单元的出口。
在本发明的一个实施例中，所述真空泵和干燥单元的连通管道上安装有氧气检测单元；所述氧气检测单元为微量氧分析仪。
在本发明的一个实施例中，所述过滤器为袋式除尘器或电除尘器。
在本发明的一个实施例中，所述冷却器为列管式冷却器、板式冷却器、风冷式冷却器中的一种。
在本发明的一个实施例中，所述吸附器为固定床吸附器或移动床吸附器。
在本发明的一个实施例中，所述吸附器内装有银系催化剂。
在本发明的一个实施例中，所述除氧器内设有钯催化剂。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化方法，该方法利用如上所述的氦气纯化系统进行氦气纯化，包括以下步骤：采用过滤器去除粉尘的步骤；压力变送器控制回收压缩机工作，通过开启或关闭回流阀控制回收压力的步骤；经除油器吸附处理氦气中的油污的步骤；在除氧器中，氦气中的氧气与通入的氢气在钯催化剂作用下反应生成水的步骤；经冷却器去除水分的步骤；经吸附器去除ppm级杂质气体的步骤；经干燥单元对纯化后的氦气进行干燥的步骤；利用氧气检测单元检测纯化后氦气中氧含量的步骤。
本发明实施例的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化方法与上述高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统相对于现有技术的优势基本相同，在此不再赘述。
在本发明的一个实施例中，高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化方法还包括在吸附器和干燥单元饱和后，对吸附器和干燥单元进行再生的步骤。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统的简单结构示意图(也即根据本发明一个实施例的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化方法的流程简图)。
附图标记：
1-缓冲罐；2-过滤器；3-压力变送器；4-回收压缩机；5-回流阀；6-除油器；7-除氧器；8-冷却器；9-吸附器；10-干燥单元；11-真空泵；12-氧气检测单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图来描述本发明实施例的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统、高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化方法。
图1是根据本发明一个实施例的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统的简单结构示意图。
如图1所示，本发明实施例的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，包括：依次用管道连通的缓冲罐1、过滤器2、压力变送器3和回收压缩机4；回收压缩机4的出口管道分两路，一路依次连通回流阀5、压力变送器3和回收压缩机4之间的管道，另一路依次连通除油器6、除氧器7、冷却器8、吸附器9和干燥单元10。
可以理解的是，缓冲罐的入口需要连通含杂质待纯化的氦气流，缓冲罐的出口连通过滤器的入口，过滤器的出口连通回收压缩机的入口，过滤器和回收压缩机之间的管道上安装压力变送器；回收压缩机的出口分两路，一路连通除油器的入口，另一路连通压力变送器与回收压缩机之间的管道；除油器的出口连通除氧器的入口，除氧器的出口连通冷却器的入口，冷却器的出口连通吸附器的入口，吸附器的出口连通干燥单元的入口。
在本发明的一个实施例中，为了测量纯化后氦气中的氧气含量，高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统还包括氧气检测单元12；氧气检测单元12安装在干燥单元11的出口管道上。氧气检测单元12可以是微量氧分析仪等其他可以测量微量氧含量的仪器。
在本发明的一个实施例中，干燥单元10包括至少两个干燥器，所有干燥器的入口均与吸附器9的出口连通，这样可以方便多个干燥器交换使用，当其中一个干燥器吸收饱和后，切换至另外一个干燥器或其他干燥器对氦气进行干燥吸附。较佳的，为了节约成本，干燥器的数量可以选择两个，它们的入口管道通过第一三通阀连通吸附器9的出口管道。
在本发明的一个实施例中，干燥器内装有分子筛，可以物理吸附氦气中的水分。
在本发明的一个实施例中，为了再生干燥单元和吸附器，将干燥器分子筛中的水分真空解析带离分子筛，并将吸附器内杂质气体进行解析，高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，还包括真空泵11；真空泵11连通干燥单元10的出口。具体来说，如果干燥单元10包括两个干燥器，则两个干燥器的出口管道通过第二三通阀与真空泵11的入口连通。当氦气吸附器和干燥器饱和后，按照设定的时间自动转换，转换前，压力平衡后，排放杂质气体，启动真空泵，干燥器升温，使水分迅速从分子筛溢出，通过真空泵真空解析带离分子筛。真空度越高，解析还原再生的效果越好，吸附的杂质气体解析的越干净。
在本发明的一个实施例中，设置了真空泵后，可以将氧气检测单元12安装在真空泵11和干燥单元10之间的连通管道上。这里，氧气检测单元12同样可以选择微量氧分析仪，但不限于微量氧分析仪。
在本发明的一个实施例中，过滤器2为袋式除尘器或电除尘器。
在本发明的一个实施例中，压力变送器3可以采用市售的多种压力变送器，比如KEWILL电容式压力变送器等。
在本发明的一个实施例中，回收压缩机4采用屏蔽式增压泵。
在本发明的一个实施例中，回流阀5可以采用安全回流阀等。
在本发明的一个实施例中，冷却器8为列管式冷却器、板式冷却器、风冷式冷却器中的一种。
在本发明的一个实施例中，吸附器9为固定床吸附器或移动床吸附器。
在本发明的一个实施例中，吸附器9内装有银系催化剂。选用的是201型银系催化剂，201催化剂是一种氧化还原形气体净化剂，其氧化态可以除去稀有气体，氮气、烃类气体中的杂质氢，还原态可以除去含氢及非氢气体中的杂质氧，脱氢效果可低于0.3ppm，脱氧效果可低于1ppm。201型银系催化剂在除O2和除H2过程中，同时可除去气体中的CO2、H2O、CO及硫化物，酸性气体等杂质，故201型银系催化剂是一种多用途的气体净化剂。本发明实施例中，201型银系催化剂可以采用大连化物所生产的201型银系催化剂或者上海沸石分子筛有限公司生产的AgX分子筛等。
在本发明的一个实施例中，除氧器7内设有钯催化剂。钯催化剂不需要活化，除氧器内装钯触媒，利用它的催化特性，加氢去除原料气中的氧和氢气，生成的水气(容器内温度超过100℃)随大量的氦气离开钯触媒表面进入干燥器。在钯催化剂的作用下，加氢去除原料气中的氧和氢气，反应原理如下：
在本发明的一个实施例中，钯催化剂可以选择市售的Pd/C催化剂、Pd/γ-Al2O3催化剂等。
需要说明的是，装置整体要防止回流及污染气体，因此缓冲罐等所有部件材质都要求耐腐蚀、耐热、抗氧化，比如可以都选用316不锈钢材质。
本发明实施例的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统的纯化氦气的原理如下：
系统中的氦气流经缓冲罐1暂存，由回收压缩机4回收增压后，经除油器6吸附处理残余少量油污，进入除氧器7在钯催化剂作用下，使氦气中的大部分氧气与氢气反应生成水，再经冷却器8除去冷凝水后进入装有银系催化剂的吸附器9，吸附ppm级氧气、氢气、二氧化碳等气体，之后通过干燥单元10脱水，真空加热解析，循环再转换。利用氧气检测单元12检测纯化后的氦气中的氧含量。整个过程中，开启回收压缩机4，在压力变送器3控制下工作，当回收压力低于最低设定值5kpa时，为保证系统压力的稳定，此时，开启回流阀5，对压力进行调整；当系统压力回升到设定的工作压力后，回流阀5关闭。
本发明实施例所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化方法，利用如上实施例的氦气纯化系统进行氦气纯化，包括以下步骤：采用过滤器2去除粉尘的步骤；压力变送器3控制回收压缩机4工作，通过开启或关闭回流阀5控制回收压力的步骤；经除油器6吸附处理氦气中的油污的步骤；在除氧器6中，氦气中的氧气与通入的氢气在钯催化剂作用下反应生成水的步骤；经冷却器8去除水分的步骤；经吸附器9去除ppm级杂质气体的步骤；经干燥单元10对纯化后的氦气进行干燥的步骤；利用氧气检测单元12检测纯化后氦气中氧含量的步骤。
和/或，还包括在吸附器9和干燥单元10饱和后，对吸附器9和干燥单元10进行再生的步骤。
更具体，如图1所示，以干燥单元包括两个干燥器的情形为例，本发明实施例所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化方法包括以下步骤：
(1)将系统中的氦气流经缓冲罐1暂存，再经过滤器2去除粉尘等杂质。
(2)经除尘的氦气流进入氦气回收增加系统，具体的：开启回收压缩机4，在压力变送器3控制下工作，当回收压力低于最低设定值5kpa时，为保证系统压力的稳定，此时，开启回流阀5，对压力进行调整；当系统压力回升到设定的工作压力后，回流阀5关闭。
(3)从回收压缩机4出来的氦气经除油器吸附处理氦气中残余的少量油污。
(4)经除油处理的氦气进入除氧器7中，通入氢气，在钯催化剂的作用下，氦气中大部分的氧气与氢气反应生成水。
(5)经除氧器7纯化的氦气进入冷却器8，经冷却器实现气水分离，并去除水分。
(6)经冷却的纯化氦气在进入吸附器9，在吸附器中经银系催化剂吸附ppm级氧气、氢气、二氧化碳等气体，对氦气进步一步纯化。
(7)经吸附器9纯化的氦气进入干燥单元，对纯化后的氦气进行干燥并利用氧气检测单元12检测纯化后的氦气中的氧含量，通过压力变送器3实时监控系统压力。
整个过程中，采用复式流程，干燥单元中干燥器中的分子筛，物理吸附氦气中的水分。两个干燥器在现有程序控制下交换使用，当其中一个干燥器吸收饱和后，切换至另外一个干燥器对氦气进行干燥吸附。干燥器和吸附器的再生流程为：当氦气吸附器和干燥器饱和后，按照设定的时间自动转换，转换前，压力平衡后，排放杂质气体，启动真空泵，干燥器升温，使水分迅速从分子筛溢出，通过真空泵真空解析带离分子筛。真空度越高，解析还原再生的效果越好，吸附的杂质气体解析的越干净。之后经冷却器冷却至常温。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，其特征在于，包括：依次用管道连通的缓冲罐(1)、过滤器(2)、压力变送器(3)和回收压缩机(4)；所述回收压缩机(4)的出口管道分两路，一路依次连通回流阀(5)、压力变送器(3)和回收压缩机(4)之间的管道，另一路依次连通除油器(6)、除氧器(7)、冷却器(8)、吸附器(9)和干燥单元(10)。
2.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，其特征在于，还包括氧气检测单元(12)；所述氧气检测单元(12)安装在干燥单元(11)的出口管道上；所述氧气检测单元(12)为微量氧分析仪。
3.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，其特征在于，所述干燥单元(10)包括至少两个干燥器，所有干燥器的入口均与吸附器(9)的出口连通；干燥器内装有分子筛。
4.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，其特征在于，还包括真空泵(11)；所述真空泵(11)连通干燥单元(10)的出口。
5.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，其特征在于，所述真空泵(11)和干燥单元(10)的连通管道上安装有氧气检测单元(12)；所述氧气检测单元(12)为微量氧分析仪。
6.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，其特征在于，所述过滤器(2)为袋式除尘器或电除尘器，所述冷却器(8)为列管式冷却器、板式冷却器、风冷式冷却器中的一种。
7.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，其特征在于，所述吸附器(9)为固定床吸附器或移动床吸附器。
8.根据权利要求1或7所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，其特征在于，所述吸附器(9)内装有银系催化剂。
9.根据权利要求1所述的高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化系统，其特征在于，所述除氧器(7)内设有钯催化剂。
10.一种高温气冷堆陶瓷堆内构件热老化试验用氦气纯化方法，其特征在于：利用如权利要求1至9任意一项所述的氦气纯化系统进行氦气纯化，包括以下步骤：采用过滤器(2)去除粉尘的步骤；压力变送器(3)控制回收压缩机(4)工作，通过开启或关闭回流阀(5)控制回收压力的步骤；经除油器(6)吸附处理氦气中的油污的步骤；在除氧器(6)中，氦气中的氧气与通入的氢气在钯催化剂作用下反应生成水的步骤；经冷却器(8)去除水分的步骤；经吸附器(9)去除ppm级杂质气体的步骤；经干燥单元(10)对纯化后的氦气进行干燥的步骤；利用氧气检测单元(12)检测纯化后氦气中氧含量的步骤；
优选的，所述氦气纯化方法还包括在吸附器(9)和干燥单元(10)饱和后，对吸附器(9)和干燥单元(10)进行再生的步骤。
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