JP2006501989A - ガス流の処理方法並びにガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

本発明はガス流（Ｇ）を、それに含まれる不純物を酸化すべく触媒吸収モジュール（６）を経て導くようにしたガス流（Ｇ）の処理方法に関する。本発明の課題は、比較的簡単な設備でガス流の確実な浄化を可能にすることにある。このためガス流（Ｇ）を第１浄化段階でそれに含まれる不純物を酸化すべく第１触媒吸収モジュール（６）を経て導き、ガス流（Ｇ）に分子酸素又は原子酸素を混入し、混入した酸素で転換されたガス流（Ｇ）を第２浄化段階で酸化触媒コンバータ（８）を経て導く。該コンバータ（８）から流出するガス流（Ｇ）を、第３浄化段階で余剰酸素を還元すべく第２触媒吸収モジュール（６）を経て導く。

Description

本発明は、ガス流内に含まれる不純物を酸化すべく、ガス流を触媒吸収モジュールを経て導くガス流の処理方法と、この方法を実施するのに適したガス浄化装置に関する。

原子核工業設備、特に原子力発電所を運転する際、設備の一次回路範囲内の、例えば原子炉圧力容器内における黒鉛構造物、燃料集合体又は他の構成要素のような主要な構成要素における応力腐食割れをできるだけ防止することが通常の設計目標とされている。即ちそれらの構成要素における応力腐食割れの十分な防止によって耐久期間又は連続運転時間を延長し、原子核工業設備の一次回路範囲における応力腐食割れの除去に伴って予想されるかなり高価な保守点検費を低減できる。このため原子核工業設備、特に高温ガス炉の一次回路で、作動媒体又は冷却媒体としてヘリウムの利用が考えられる。即ちヘリウムは化学的に不活性であり、例えば上述の構成要素に対する冷却ガスとしてヘリウムを利用した際、冷却ガスによってそれら構成要素に腐食現象が生ずることを考える必要がない。

しかし、原子核工業設備、特に高温ガス炉の運転中、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、分子水素（Ｈ₂）、メタン（ＣＨ₄）、分子酸素（Ｏ₂）、トリチウム、水（Ｈ₂Ｏ）および／又はダスト粒子等の不純物が、一次冷却材ヤ冷却ガスとして利用されるヘリウム内に到達する。それらの不純物は上述の構成要素に不所望の腐食現象を起こす。その作用を低減し、特に所定の許容限界以下に保つべく、冷却ガス流におけるそのような不純物の濃度をガス浄化装置又はガス浄化装置を利用して制限するようにしている。

そのようなガス浄化装置の運転中、通常、ヘリウム冷却回路から約５０〜３００ｋｇ／時の部分流を取り出し、まずダストフィルタを経て導く。続いて、浄化すべきガス流を約２５０℃に加熱し、所謂触媒吸収モジュールに導く。該モジュールは、一方で所定の転換過程を触媒支援すべく、他方でその過程時に必要な酸素を一時的に貯えるバッファの如く使う。一般に触媒活性吸収成分としてＣｕ・ＣｕＯ混合物を有する触媒吸収モジュールにおいて、適当に選定された上述の運転温度で、浄化すべきガス流内に不純物として含まれる水素および一酸化炭素の酸化が行われ、各々水（Ｈ₂Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ₂）に転換される。そのために必要な酸素は触媒活性吸収材料のＣｕＯ成分から取り出され、従ってその転換の結果、ＣｕＯ成分の消費の下でＣｕ成分の連続的な豊化が起る。続いて、分子水素と一酸化炭素が除かれた浄化すべきガス流が通常の様式で冷却され、該ガス流内に含まれる水分と二酸化炭素成分が分子篩で分離される。続いて、通常の様式で所謂低温吸収が行われ、主にメタン、分子酸素および核分裂生成物が、浄化すべきガス流から吸収にて除去される。不純物の除去の後、浄化済みのガス流はヘリウム・冷却回路に戻される。

しかしそのようなガス浄化装置は、特に必要な構成要素の数と敷設費に伴い非常に経費がかかる。更に上述の様式での触媒吸収モジュールの利用のために、触媒吸収モジュールにおけるＣｕＯ成分が「消耗」された後、即ちＣｕＯ成分がＣｕにほぼ完全に転換された後、酸素の供給による再生が必要であり、その間当該モジュールはガス流の浄化に利用できない。従ってこのガス浄化装置の場合、通常、２つ又はそれ以上の同一の部分配管系が並列接続され、これは設備費を一層高める。

本発明の課題は、比較的簡単な設備でガス流の確実な浄化が可能な、冒頭に述べた形式のガス流の処理方法と、該方法の実施に特に適したガス浄化装置を提供することにある。

この方法についての課題は本発明に基づき、ガス流を第１浄化段階でそれに含まれる不純物を酸化するために第１触媒吸収モジュールを経て導き、ガス流に分子酸素又は原子酸素を混入し、その混入した酸素で転換されたガス流を第２浄化段階で酸化触媒コンバータを経て導き、該触媒コンバータから流出するガス流を第３浄化段階で余剰酸素を還元すべく第２触媒吸収モジュールを経て導くことで解決される。

本発明は、触媒吸収モジュールを用いてガス流を確実に浄化するための設備費と運転費も、必要な構成要素の総数を少なくすることで特に低減できるという考えから出発する。従ってこのガス浄化法は、利用する構成要素の冗長性の十分な回避に資する。その結果、このガス流の処理法は、同一作用をする並列接続された部分配管系の数を特に少なくし又はガス浄化装置をガス流の案内に関してできるだけ単線的に形成すべく、各触媒吸収モジュールを連続運転可能とする。これはガス流側が直列接続された２つの触媒吸収モジュールを利用することで達成でき、その一方のモジュールは、ガス流を通常の様式で処理する際にガス流内に含まれる不純物を酸化すべく利用されて還元され、他方のモジュールは酸素を還元すべく利用されて酸化される。

かかる形態で一方の触媒吸収モジュールが完全に「消費」された際、即ち各成分が完全に酸化又は還元された際、触媒吸収モジュールのガス流側での接続の単純な逆転により、ガス浄化装置の継続運転が可能となる。一方で酸化し、他方で還元するために触媒吸収モジュールを組み合わせて利用することを可能にすべく、ガス流は触媒吸収モジュール間で元来必要な酸化触媒コンバータにおけるもう１つの浄化段階を受ける。そのために必要な追加酸素は、酸化触媒コンバータの前の適当な個所でガス流に混入され、その余剰酸素はガス流側で後続する第２の触媒吸収モジュールでその酸化、従って再生に用いられる。

第１と第２の各触媒吸収モジュールで、触媒吸収材料として夫々Ｃｕ・ＣｕＯ混合物を用いるとよい。ガス流内に含まれる不純物を酸化すべく利用されるガス流側に見て第１の触媒吸収モジュールで、酸化に必要な酸素を放出しつつ、吸収材料におけるＣｕＯ成分のＣｕ成分への転換が起る。それに対しガス流内に存在する余剰酸素を吸収によって除去するガス流側に見て第２の触媒吸収モジュールで、吸収材料におけるＣｕ成分のＣｕＯ成分への転換が起る。従って、ガス流を処理する運転時間の経過と共に、ガス流側に見て第１の触媒吸収モジュールでそこに保有された触媒吸収材料のＣｕ成分が次第に豊化され、ＣｕＯ成分が次第に希薄化される。これに反してガス流側に見て第２の触媒吸収モジュールで、逆にそこに保有された触媒吸収材料のＣｕ成分が次第に希薄化され、ＣｕＯ成分が次第に豊化される。一方の触媒吸収モジュールの「消耗」、即ちそれに保有された触媒吸収材料のＣｕ又はＣｕＯへの完全転換が検出されると、ガス流案内に関して触媒吸収モジュールの切換が行われ、そのためＣｕＯが豊化された触媒吸収モジュールが第１触媒吸収モジュールとして、ガス流内に含まれる不純物を酸化すべく利用され、Ｃｕが豊化された触媒吸収モジュールが第２触媒吸収モジュールとして余剰酸素を還元すべく利用される。

その場合、酸素の混入は、ガス流側に見て第２の触媒吸収モジュールで常に十分な余剰酸素がそこに保有された触媒吸収材料の酸化のために用いられるように行なうとよい。そのために、ガス流の第１触媒吸収モジュールへの流入前に、ガス流内に含まれる不純物の分量に対する特性値を求め、この特性値を基にガス流への酸素の混合率を設定する。その際第１触媒吸収モジュール並びに第２触媒吸収モジュールの的確な活用を保証すべく、酸素の混合率はガス流内に含まれる総不純物に対し酸素不足が生じ、従って不純物の酸化の少なくとも一部が第１触媒吸収モジュールで起り、酸化触媒コンバータ内で生ずる他の不純物の転換に関し余剰酸素が生じ、この結果第２触媒吸収モジュールにおいて余剰酸素がそこに保有された触媒吸収材料の再生に使われるように設定するとよい。

酸化触媒コンバータは、主にメタンやトリチウム等の不純物を処理すべく採用される。その際の特に大きな転換率、従ってガス流内のかかる不純物の特に念入りな浄化を保証すべく、酸化触媒コンバータに流入する際のガス流を約４００〜４５０℃の温度に設定し、もって十分に用意された酸素で上述の不純物の水と二酸化炭素への特に十分な転換を行なう。特に有利な実施態様では、酸化触媒コンバータへの流入前にガス流を酸化触媒コンバータから流出するガス流との伝熱式熱交換にて加熱することで、特に資源に優しく従って経済的な運転様式が得られる。その場合、酸化触媒コンバータから流出するガス流になお存在する熱を、少なくとも部分的に酸化触媒コンバータに流入するガス流の加熱のために用いる。尤もガス流を最終的に所望の入口温度にすべく、例えば電気式補助加熱装置のような補助加熱装置も必要となる。

特に第１触媒吸収モジュール用の触媒活性吸収材料としてＣｕ・ＣｕＯ混合物を利用する際、該混合物はガス流内に含まれる水素と一酸化炭素を酸化するために使われる。Ｃｕの触媒特性を的確に活用して水又は二酸化炭素の形に酸化する際、特に良好な反応率と反応度を保証すべく、第１触媒吸収モジュールに流入する際のガス流を約２５０℃の温度に設定するとよい。他の有利な実施態様では、ガス流を第１触媒吸収モジュールへの流入前に、第２触媒吸収モジュールから流出するガス流との伝熱式熱交換にて加熱することで、特に資源に優しく、従って経済的な運転様式が得られる。従ってこの有利な実施態様では、第２触媒吸収モジュールから流出し、従ってガス浄化装置から流出する総ガス流になお含まれる熱を、ガス浄化装置に流入するガス流の少なくとも部分的な加熱に利用できる。

特に有利な実施態様では、本発明に基づく方法は原子力発電設備の運転中にヘリウム冷却ガス流の部分流を処理するために採用される。この部分流から、それに含まれる主に一酸化炭素、分子水素、メタン、分子酸素、トリチウム、水および／又は二酸化炭素等の不純物が除去される。分子水素および一酸化炭素の水ないし二酸化炭素への転換は主に第１触媒吸収要素で起る。そして十分な量の酸素を適時に混入し、酸化触媒コンバータでメタンおよび／又はトリチウムの二酸化炭素および／又は水への転換を同様に行なう。その際になおガス流内に存在する余剰酸素は、続いて第２触媒吸収モジュールの豊化に利用し、その際再びガス流から除去する。続いてガス流内になお存在する水分と二酸化炭素成分の分離を通常の方式で行い、これを場合によってはダスト粒子又は活性希ガスの分離で補足する。この結果浄化したヘリウムガス部分流を続いて本来のヘリウム冷却回路に戻す。

本発明に基づく方法はこの用途において、比較的少ない構成要素でガス流の連続処理を可能にすべく特に有利に利用される。即ちガス流の処理時にガス流の流れ方向に見て第１の触媒吸収モジュールが還元され、ガス流の流れ方向に見て第２の触媒吸収モジュールが酸化されるので、第１触媒吸収モジュールにおいてＣｕＯからＣｕへの連続的な転換、第２触媒吸収モジュールにおいてＣｕからＣｕＯへの連続的な転換が各々起る。

一方の触媒吸収モジュールが完全に「消耗」され、即ちＣｕ成分ないしＣｕＯ成分が完全に他の混合成分に転換されたことが確認されるや否や、ガス流の流れ経路における触媒吸収モジュールの接続順序の切換又は転換が行われる。従ってその切換後に、今までガス流から酸素を除去するために利用されていた第２触媒吸収モジュールが、新たに接続された第１触媒吸収モジュールとして再利用され、この触媒吸収モジュールに着床した酸素は再びガス流内に含まれる相応した不純物を処理する際にその不純物に放出される。今までガス流内における水素又は一酸化炭素を酸化するために利用されていた第１触媒吸収モジュールは、切換後に新たに接続された第２触媒吸収モジュールとして利用され、ガス流から余剰酸素を吸収することによって、触媒活性吸収材料のＣｕＯ成分が再生される。

適時に且つ必要に応じた切換の開始のため、第２触媒吸収モジュールから流出するガス流に恐らく含まれる酸素の分量に対する特性値を求めるとよい。この特性値が所定の限界値を超過すると、第２触媒吸収モジュールにおけるＣｕ成分の完全転換を推測し、これに応じ、ガス流の流れ経路における第１、第２の触媒吸収モジュールの位置を交換する。

ガス浄化装置についての上述の課題は、ガス流に関して直列接続された少なくとも２つの触媒吸収モジュールを備え、その両触媒吸収モジュール間にガス流側に酸化触媒コンバータが接続されていることによって解決される。

酸化触媒コンバータでの不純物の転換を特に大きく助長すべく、酸化触媒コンバータのガス流側に分子酸素又は原子酸素の供給装置が前置接続するとよい。特に有利な実施態様では、ガス流への酸素の供給又は混入を必要に合わせて従ってガス流内に含まれる不純物に関係して行なうことができる。これを可能にすべく、供給装置に付設した操作量発信器の入力端を、ガス流側に見て第１の触媒吸収モジュールに前置接続したガス流内に含まれる不純物の分量に対するセンサに接続するとよい。

ガス浄化装置は、原子核工業設備のヘリウム一次冷却回路からの部分流を処理する際に採用すべく装備される。ヘリウムガス流から分子水素や一酸化炭素等の代表的不純物を除去する際、Ｃｕ・ＣｕＯ混合物の一方では触媒特性が、他方では酸素貯蔵能力が特に有効である。従ってガス浄化装置の触媒吸収モジュールが触媒吸収材料としてＣｕ・ＣｕＯ混合物を含むとよい。

酸化触媒コンバータでの特に適当な運転温度のような特に良好で必要に合った運転パラメータの設定を可能にすべく、酸化触媒コンバータのガス流側に再熱装置を前置接続するとよい。この再熱装置を酸化触媒コンバータから流出するガス流から熱を回収すべく設計することで、特に資源に優しく従って経済的に運転できる。そのために再熱装置は伝熱式熱交換器を有し、該熱交換器の一次側は酸化触媒コンバータに付設されたガス流の出口管に、二次側は酸化触媒コンバータに付設されたガス流の入口管に各々接続される。

酸化触媒コンバータへの所望のガス流入口温度を必要に応じて柔軟な運転様式で設定可能にすべく、有利な実施態様では、伝熱式熱交換器に加熱要素、特に電熱器を付加する。類似の様式で、ガス浄化装置をガス流側に見て第１の触媒吸収モジュールにおける特に良好な運転温度の設定が可能なように設計している。そのために第１触媒吸収モジュールに加熱装置を前置接続している。この加熱装置、ガス浄化装置から流出するガス流から熱を回収すべく設計することにで、特に資源に優しく従って経済的に運転できる。そのため、更に有利な実施態様では、加熱装置に伝熱式熱交換器を設け、該熱交換器の一次側を第２触媒吸収モジュールに付設したガス排出管に接続し、二次側を第１触媒吸収モジュールに付設したガス供給管に接続している。

特に有利な実施態様では、ガス浄化装置を連続運転可能に設計し、運転中、ガス流側に見て第１の触媒吸収モジュールを還元し、ガス流側に見て第２の触媒吸収モジュールを酸化する。これら反応時に、各活性材料の完全転換後も連続運転を可能にすべく、ガス浄化装置を、ガス流の流れ経路における触媒吸収モジュールの接続に関する触媒吸収モジュールの、必要に応じて切換可能に設計するとよい。そのため、触媒吸収モジュールにガス流の流れ案内に対する共通の切換装置が付設するとよい。

特に有利な実施態様では、ガス浄化装置の構成要素、即ち特に触媒吸収モジュールおよび酸化触媒コンバータを、また場合によっては熱交換器付きの加熱装置および／又は酸素供給装置を、共通の圧力容器の中に統合した形で配置することで、ガス浄化装置を特に小形化できる。上述の全構成要素は、系統全体に対する圧力保持を保証する共通の圧力案内囲壁により包囲する。

この高圧囲壁内に配置した個々の構成要素は、個々の構成要素の構造に関し、圧力保持の要求が課せられないため、比較的薄肉に形成し、機械的負荷に関し小さく形成できる。これは、一方で材料を節約して経済的な構造を可能にし、他方で熱的に負荷される質量を小さくして個々の構成要素の非常に迅速な加熱および冷却を可能にし、かつその都度必要とされる反応温度を浄化すべきガス流に迅速且つ柔軟に適合することができる。活動構成要素の薄肉化は、各反応領域における比較的高い温度の迅速且つ確実な形成を可能にし、またこれによって、個々の反応時に短時間で比較的高い転換率に達する。

共通の圧力伝達囲壁内への伝熱式熱交換器の組入れも、流出するガス流が例えば分子篩等の後続の浄化構成要素に流入する前に効果的に冷却することを可能にし、同時に流入するガス流の効果的な加熱を保証する。同様に酸化触媒コンバータに前置した伝熱式熱交換器は、酸化触媒コンバータから流出するガス流の効果的な冷却を可能にし、この結果酸化触媒コンバータに後置接続された第２触媒吸収モジュールの過熱を確実に防止する。

このガス浄化装置は、原子核工業設備のヘリウム冷却ガス回路に接続できる。

本発明による利点は、特に第１触媒吸収モジュールと第２触媒吸収モジュールとの間に酸化触媒コンバータを直列接続することで、各ガス流内の種々の不純物を的確に処理可能となる点にある。それもガス流の処理時にガス流側に見て第１の触媒吸収モジュールを酸化目的で利用し、この結果酸素担持成分が次第に消耗するが、同時にガス流側に見て第２の触媒吸収モジュールを逆の運転様式でガス流から余剰酸素を除去するために利用し、その際酸素担持成分を再生できる。

従って、触媒吸収モジュールの通常運転と触媒吸収モジュールの再生が同時に一回の作業過程で実現する。ガス流側に見て第１の触媒吸収モジュールでの酸素担持成分の「消耗」後も、ガス浄化装置は顕著な運転休止時間なしに継続して利用できる。即ちガス流の流れ経路内の触媒吸収モジュールの位置の単純な切換で、今まで再生した吸収モジュールをガス流側に見て第１の触媒吸収モジュールとしてガス流内の不純物の酸化に用い、その際同時に、「消耗した」触媒吸収モジュールを再生する。この結果可能なガス浄化装置の連続運転で、各吸収モジュールの再生のための運転休止時間が要らず、該装置の冗長性又は多重配管系が要らず、又は少なくとも部分的に減少する。共通の圧力案内囲壁への活動構成要素の組入れにより、特に小形で、経済的な構造が得られ、熱的に負荷される構造部品からの圧力保持の切り離しに基づき、特に単純で迅速な運転制御が可能となる。

以下図を参照し本発明の実施例を詳細に説明する。なお各図において同一部分には同一符号を付している。

図１にガス浄化装置１の配管回路を示す。この浄化装置１はガス流Ｇ、即ち原子核工業設備（図示せず）のヘリウム一次冷却回路からの部分流を処理するために利用される。そのため、ガス浄化装置１はガス供給管２とガス排出管４を経て原子核工業設備のヘリウム一次冷却回路（図示せず）に接続されている。

ガス浄化装置１は、ガス流のヘリウム内に含まれる、例えば水素、一酸化炭素、メタン又はトリチウム等の不純物を的確に除去するために利用される。水素と一酸化炭素の除去は、酸化による水又は二酸化炭素への転換によって行われ、水と二酸化炭素は夫々ガス排出管４に接続された分子篩（図示せず）で分離され捕捉される。

水素と一酸化炭素を水や二酸化炭素に転換すべく、ガス浄化装置は多数の触媒吸収モジュール６を備える。各触媒吸収モジュール６に各々触媒吸収材料としてＣｕ・ＣｕＯ混合物を保持している。この触媒吸収材料を利用する際、一方で水素を水、一酸化炭素を二酸化炭素に所望通り転換する働きを支援する触媒としての特性を活用する。また他方でこの触媒吸収材料の、酸素を一時的に貯える特性も活用し、酸素は必要に応じ、即ち所望の転換反応時に、水素又は一酸化炭素を酸化するためにガス流の中に放出する。従ってこの運転モード、即ち水素又は一酸化炭素を酸化するために運転する触媒吸収モジュール６において、触媒吸収材料におけるＣｕＯ成分の分解を、Ｃｕ成分を富化しながら行う。

メタン又はトリチウムを二酸化炭素および／又は水に転換すべく、ガス浄化装置１は酸化触媒コンバータ８も備える。該コンバータ８は触媒活性要素として適当に組織化した特に白金および／又はパラジウムから成る貴金属ハニカム体を備える。このコンバータ８の入口側に、入口管１０を経てガス流Ｇが供給される。酸化触媒コンバータ８は出口側がガス流Ｇの出口管１２に接続されている。酸化触媒コンバータ８内で不純物メタンやトリチウムを除去すべく所望の転換反応を可能にするため、酸化触媒コンバータ８に入口管１０においてガス流側に酸素供給装置１３が前置接続されている。この実施例では分子酸素を供給するが、他の適宜の酸素キャリヤも利用できる。

ガス浄化装置は多重の冗長性を防ぎ、必要な構成要素の総数を少なくすべく、連続運転可能に形成できる。連続運転は、ガス流Ｇの上述の不純物を酸化するために利用する触媒吸収モジュール６でＣｕＯ成分が完全に又はほぼ完全に消耗した場合にも実行される。この場合でも、触媒吸収モジュール６の中間時点での再生処理を不要としガス浄化装置１の継続運転を可能にすべく、ガス浄化装置１は複数（本実施例では２つ）の同形の触媒吸収モジュール６を備える。該モジュール６をガス流側が入口管１０と出口管１２を経て直列接続し、両モジュール６間にガス流側で酸化触媒コンバータ８を接続する。両モジュール６と酸化触媒コンバータ８とのガス流側での相互接続のため、両モジュール６に共通の切換装置１４を付設する。該装置１４は触媒吸収モジュール６の片側端に配置された第１切換ユニット１６と、触媒吸収モジュール６の反対側端に配置された第２切換ユニット１８と備える。該切換ユニット１６、１８を二重矢印２０で示すように連動的に接続し、もって触媒吸収モジュール６を通る流れ経路の適当な同期切換を可能とする。

切換装置１４は、ガス流側位置、即ち第１触媒吸収モジュール６と酸化触媒コンバータ８と第２触媒吸収モジュール６との直列回路における順序を、両触媒吸収モジュール６の位置を相互に交換可能に形成している。図１に示す如く、第１切換位置を図１に下側モジュールとして示す触媒吸収モジュール６は、入口側でガス供給管２に接続され、出口側で入口管１０を経て酸化触媒コンバータ８に接続されている。それに対しこの切換位置で、図で上側に示す触媒吸収モジュール６は、入口側が出口管１２を経て酸化触媒コンバータ８に、出口側が排出管４に接続されている。従って図１に示す切換位置で、第１触媒吸収モジュール６としての下側触媒吸収モジュール６と酸化触媒コンバータ８と第２触媒吸収モジュール６としての上側触媒吸収モジュール６とのガス流側直列回路が存在する。

しかしこの直列回路の切換装置１４による切り換え後、図１に破線で示す切換ユニット１６、１８における切換要素で表した切換位置がとられる。この第２切換位置で、上側に示されガス流側に見て第１の触媒吸収モジュール６としての触媒吸収モジュール６は入口管１０を経て酸化触媒コンバータ８に前置接続され、それに対しこの第２切換位置において、第２触媒吸収モジュール６としての下側触媒吸収モジュール６は出口管１２を経て酸化触媒コンバータ８に後置接続されている。

各切換位置で第１触媒吸収モジュール６としてガス流側が酸化触媒コンバータ８に前置接続された触媒吸収モジュール６は、ガス流Ｇ内に含まれる水素や一酸化炭素の酸化のために使われる。各触媒吸収モジュール６のＣｕＯ成分がガス流Ｇに酸化のための酸素を与える。この反応にとって特に良好なガス流Ｇの反応温度を非常に安価な運転費で資源に優しく可能にすべく、供給管２に伝熱式熱交換器２２を接続している。該熱交換器２２は一次側又は加熱側が排出管４に接続されている。従ってこの熱交換器２２により、ガス浄化装置１から流出するガス流Ｇの熱をガス浄化装置１に流入するガス流Ｇに伝達でき、流入ガス流Ｇの特に資源に優しい加熱が保証される。特に良好な運転パラメータの設定、特に所望の転換反応にとって良好な約２５０℃の運転温度の設定を可能にすべく、伝熱式熱交換器２２に追加して電熱器２４を設けている。この電熱器２４は伝熱式熱交換器２２と共にガス浄化装置１の加熱装置を形成する。電熱器２４の加熱出力は中央制御装置２８で制御される。この制御装置２８は（矢印３０で示す如く）ガス流Ｇ内の適当な位置で求めた多数の運転パラメータを基に電熱器２４に対し適当な操作量を与える。

ガス流Ｇ内の不純物水素又は一酸化炭素をガス流側に見て第１の触媒吸収モジュール６で分解した後、ガス流Ｇを酸化触媒コンバータ８に継続して導く。この実施例では、ガス流内に含まれるメタンやトリチウムを分解する。これを可能にすべく、供給装置１３を経て適当に選択した量の酸素をガス流Ｇに混入する。酸素供給率はガス流Ｇ内に含まれる不純物の分量に対するセンサ３２で求めた特性値を基に中央制御装置２８で設定する。

酸化触媒コンバータ８でのガス流Ｇからの上記不純物の確実な除去を保証すべく、ガス流Ｇを、酸化触媒コンバータ８に流入する際のガス流Ｇに対し特に適した温度レベルの設定する。そのため酸化触媒コンバータ８のガス流側に、再熱装置３４を前置接続する。該装置３４は、一次側が出口管１２、二次側が入口管１０に各々接続された伝熱式熱交換器３６を有する。従ってこの熱交換器３６によって、熱を回収する形で資源に優しく、酸化触媒コンバータ８から流出するガス流Ｇの熱を酸化触媒コンバータ８に流入するガス流Ｇに伝達できる。酸化触媒コンバータ８での反応に特に良好な約４００〜４５０℃のガス流入口温度に最終設定すべく、伝熱式熱交換器３６に電熱器３８を付属させている。該電熱器３８の加熱出力は、同様に中央制御装置２８で制御する。

酸化触媒コンバータ８内で進行する上述の不純物の酸化反応を一層助長すべく、ガス流Ｇが酸化触媒コンバータ８に流入する前に、供給装置１３を経て供給される酸素とガス流Ｇとの特に緊密な混合を行なう。そのため、酸化触媒コンバータ８に適当な混合器４０、例えば静的混合器を前置接続する。

上述の不純物を、酸化触媒コンバータ８から供給した酸素との反応により酸化した後でも、酸化触媒コンバータ８から流出するガス流Ｇはなお余剰酸素を含んでいる。この余剰酸素を分離すべく、ガス流Ｇを排出前にガス流側に見て第２の触媒吸収モジュール６を経て導く。その際、ガス流Ｇ内に含まれる余剰酸素は、そこに保持された触媒吸収材料に付着する。特にガス流側に見て第２の触媒吸収モジュール６に保持された触媒吸収材料のＣｕＯ成分が酸素の付着に伴い増大し、この触媒吸収材料のＣｕ成分が減少する。従ってこの触媒吸収モジュール６のＣｕＯ成分は、余剰酸素の付着により、ガス浄化装置１の正常運転中に既に再生され、この結果十分な運転時間経過後、この触媒吸収モジュール６は改めてガス流側に見て第１の触媒吸収モジュール６としての利用に供される。

特に小形で、場所をとらず材料を節約した構成とすべく、ガス浄化装置１の主要な構成要素を、図２に縦断面図、図３に横断面図で示す如く、構造ユニット４２の形で一体に組み立てる。ユニット４２は、特に上述の構成要素に対し共通の略円筒形をなす耐圧外側ハウジング４４を備える。該ハウジング４４は全圧力負荷を受けるべく設計され、その結果中に配置される構成要素は機械的負荷を受けない故、比較的薄肉にできる。外側ハウジング４４の中央範囲に酸化触媒コンバータ８が配置され、そのすぐ上に混合器４０が置かれる。また混合器４０の上側に酸素供給装置１３が環状噴射ユニットの形で配置される。

この実施例では、酸化触媒コンバータ８の下側に電熱器３８と、その周りに位置する伝熱式熱交換器３６を設けている。該熱交換器３６は、管束形熱交換器として形成するとよい。加熱器３８の加熱出力は調整可能である。これら構成要素に付属する加熱棒の精確な配列は勿論変更でき、必要に応じて選択できる。伝熱式熱交換器３６と酸化触媒コンバータ８の構造ユニット４２の中央範囲への配置は、非常に小さな熱損失を保証し、このため僅かな加熱出力でも特に良好な転換率が得られる。

この実施例では、外側ハウジング４４の外側範囲よりも内部に両触媒吸収要素６を配置している。内部に配置したＣｕ・ＣｕＯ反応床の寸法に関し、反応床高さｄと反応床長Ｌとの比率をＬ／ｄ≒４．８に保っている。熱膨張を補償すべく補償器（図示せず）も設けている。適当な運転制御のため、触媒吸収要素６に温度センサ４６と、ガス流Ｇ内に含まれる不純物の解析を可能にすべく適当な配置でサンプル抽出要素４８とを設けている。解析に利用するセンサは不純物の解析に適しており、特にそれはガスクロマトグラフ、質量スペクトルメータおよび／又は熱解析法又は熱伝導法で作動するセンサである。

ガス浄化装置１を一体構造ユニット４２として形成することで、熱的に負荷される構成要素を圧力的に負荷される構成要素から構造的に切り離し得る。この切り離しに伴い、一方で外側ハウジングを市販の材料を利用して僅かな材料消耗で特に高いクリープ強度を確保して形成し、他方で熱的に負荷される構成要素を比較的薄肉に形成できる。

ガス浄化装置１の運転は、特に切換装置１４の各切換位置に関係してガス流側に見て第２の触媒吸収要素６を、余剰酸素の供給により将来の利用に備えて再生すべく実施する。その結果、供給装置１３への酸素供給は、ガス流Ｇの酸化触媒コンバータ８の貫流後もなお十分な余剰酸素が、後置接続された各触媒吸収モジュール６への付着に役立つように設定されている。

酸素供給は、特にガス流Ｇで検出されたメタン不純物に関し、酸化触媒コンバータ８で酸素余剰が生じ、このため余剰酸素が後置接続された触媒吸収モジュール６に継続的に導かれるように行われる。しかし他方では、酸素の供給率はガス流Ｇで検出した全不純物に関し酸素不足が生ずるよう設定している。この結果ガス流側に見て第１の触媒吸収モジュール６での水素と一酸化炭素の酸化時、触媒吸収材料から分離した酸素の量を、続いてガス流側に見て第２の触媒吸収モジュール６に再び付着する酸素の量より多くなし得る。このためガス流側に見て第１の触媒吸収モジュール６のＣｕＯ混合物での還元反応が、ガス流側に見て第２の触媒吸収モジュール６のＣｕＯ混合物での酸化反応より速く進む。従って、ガス流側に見て第１の触媒吸収モジュール６での酸素の「消耗」が（例えば水素又は一酸化炭素の突破を下に）検出されたとき、検出された総不純物に関し、供給装置１３での酸素供給率に対し酸素余剰が設定され、このため酸化触媒コンバータ８での残存不純物の確実な分解を保証できる。続いて、ガス流側に見て第２の触媒吸収モジュール６における酸素の十分大きな付着量が検出されるや否や、触媒吸収モジュール６と酸化触媒コンバータ８との接続の直列順序における上述の転換が行われる。

ガス浄化装置の配管回路の概略図。 図１におけるガス浄化装置の縦断面図。 図１および図２におけるガス浄化装置の横断面図。

符号の説明

１ ガス浄化装置、２ ガス供給管、４ ガス排出管、６ 触媒吸収モジュール、８ 酸化触媒コンバータ、１０ 入口管、１２ 出口管、１３ 酸素供給装置、１４ 切換装置、１６、１８ 切換ユニット、２２ 伝熱式熱交換器、２４、３８ 電熱器、２６ 加熱装置、２８ 中央制御装置、３２ センサ、３４ 再熱装置、３６ 熱交換器、４０ 混合器、４２ 構造ユニット、４４ 外側ハウジング、４６ 温度センサ、４８ サンプル抽出要素

Claims (20)

1. ガス流（Ｇ）を、第１浄化段階でガス内に含まれる不純物を酸化すべく第１触媒吸収モジュール（６）を経て導き、該ガス流（Ｇ）に分子酸素又は原子酸素を混入し、混入した酸素で転換されたガス流（Ｇ）を第２浄化段階で酸化触媒コンバータ（８）を経て導き、酸化触媒コンバータ（８）から流出するガス流（Ｇ）を第３浄化段階で余剰酸素を還元すべく第２触媒吸収モジュール（６）を経て導くことを特徴とするガス流の処理方法。
2. 第１および第２の各触媒吸収モジュール（６）で、夫々触媒吸収材料としてＣｕ・ＣｕＯ混合物を利用することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ガス流（Ｇ）が第１触媒吸収モジュール（６）に流入する前に、ガス流（Ｇ）内を含まれる不純物の分量に対する特性値を求め、この特性値をもとにガス流（Ｇ）への酸素の混合率を設定することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 酸化触媒コンバータ（８）に流入する際のガス流（Ｇ）を４００〜４５０℃の温度に設定することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
5. ガス流（Ｇ）を、酸化触媒コンバータ（８）への流入前に、酸化触媒コンバータ（８）から流出するガス流（Ｇ）との伝熱式熱交換により加熱することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
6. 第１触媒吸収モジュール（６）に流入する際のガス流（Ｇ）を約２５０℃の温度に設定することを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
7. ガス流（Ｇ）を、第１触媒吸収モジュール（６）への流入前に、第２触媒吸収モジュール（６）から流出するガス流（Ｇ）との伝熱式熱交換により加熱することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
8. ヘリウム冷却ガス流の部分流を請求項１から７の１つに記載の方法で処理することを特徴とする原子力発電設備の運転方法。
9. 第２触媒吸収モジュール（６）から流出するガス流（Ｇ）に含まれる酸素の分量に対する特性値を求め、該特性値が所定の限界値を超過した際、ガス流（Ｇ）の流れ経路内の第１および第２の触媒吸収モジュール（６）の位置を交換することを特徴とする請求項８記載の方法。
10. ガス流（Ｇ）に関し直列接続した少なくとも２つの触媒吸収モジュール（６）を備え、該モジュール（６）間にガス流側に酸化触媒コンバータ（８）が接続されたことを特徴とするガス浄化装置。
11. 酸化触媒コンバータ（８）に、ガス流側において分子酸素又は原子酸素の供給装置（１３）が前置接続されたことを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 供給装置（１３）に付設された操作量発信器の入力端が、ガス流側に見て第１の触媒吸収モジュール（６）に前置接続されたガス流（Ｇ）内を含まれる不純物の分量に対するセンサ（３２）に接続されたことを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. 各触媒吸収モジュール（６）が、夫々触媒吸収材料としてＣｕ・ＣｕＯ混合物を備えることを特徴とする請求項１０から１２の１つに記載の装置。
14. 酸化触媒コンバータ（８）にガス流側に再熱装置（３４）が前置接続されたことを特徴とする請求項１０から１３の１つに記載の装置。
15. 再熱装置（３４）が伝熱式熱交換器（３６）を有し、該熱交換器（３６）の一次側が、酸化触媒コンバータ（８）に付設されたガス流（Ｇ）の出口管（１２）に接続され、二次側が、酸化触媒コンバータ（８）に付設されたガス流（Ｇ）の入口管（１０）に接続されたことを特徴とする請求項１４記載の装置（１）。
16. ガス流れ方向に見て第１の触媒吸収モジュール（６）に加熱装置（２６）が前置接続されたことを特徴とする請求項１１から１５の１つに記載の装置。
17. 加熱装置（２６）が伝熱式熱交換器（２２）を有し、該熱交換器（２２）の一次側が第２触媒吸収モジュール（６）に付設されたガス排出管（４）に接続され、二次側が第１触媒吸収モジュール（６）に付設されたガス供給管（２）に接続されたことを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. 触媒吸収モジュール（６）にガス流（Ｇ）の流れ案内に対する共通の切換装置（１４）が付設されたことを特徴とする請求項１０から１７の１つに記載の装置。
19. 触媒吸収モジュール（６）と酸化触媒コンバータ（８）が共通の外側ハウジング（圧力容器４４）内に配置されたことを特徴とする請求項１０から１８の１つに記載の装置。
20. 原子核工業設備のヘリウム冷却ガス回路に接続されていることを特徴とする請求項１０から１９の１つに記載のガス浄化装置。

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