JP2018525625A

JP2018525625A - 被覆粒子を大規模に連続製造するシステム

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Publication number: JP2018525625A
Application number: JP2018503543A
Authority: JP
Inventors: 兵劉; 友林邵; 馬林劉; 栄正劉; 鈞国朱; 亜平唐; 作▲い▼ 張
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2018-09-06
Also published as: MY187147A; EP3327729A4; CA2993261A1; WO2017012323A1; KR20180048621A; RU2681305C1; CA2993261C; EP3327729B1; CN105139897A; ZA201801127B; PL3327729T3; SA518390786B1; CN105139897B; HUE056311T2; US20180374589A1; BR112018001333B1; KR102086750B1; BR112018001333A2; EP3327729A1

Abstract

本発明は、被覆粒子を大規模に連続製造するシステムであって、順に接続された被覆炉（１）、冷却炉（２）、固形副生成物処理装置（３）、及びガス副生成物処理装置（４）を含み、被覆炉（１）は粒子を被覆することに用いられ、冷却炉（２）は被覆された後の粒子を冷却することに用いられ、固形副生成物処理装置（３）は、被覆炉が粒子を被覆する過程で生成した固形副生成物を処理することに用いられ、ガス副生成物処理装置（４）は、被覆炉が粒子を被覆する過程で生成したガス副生成物を処理することに用いられる。被覆粒子を連続製造するシステムは、従来技術における、バッチ生産、即ち単一のバッチ製造に対して、２つのバッチの間に一定の時間間隔を有しており、いずれも昇温過程と降温過程とを有しており、規模が小さく、研究室での研究レベルから完全に抜け出せておらず、本当の工業的連続製造を達成できないという問題を解決した。
【選択図】図１

Description

本発明は、被覆粒子製造装置に関し、具体的には、被覆粒子を大規模に連続製造するシステムに関するものである。

中国では、ペブルベッド型高温ガス冷却炉に使用されるセラミック燃料素子は、燃料領域のグラファイトマトリックスに３重等方性（ＴＲＩＳＯ型）被覆粒子が分散している構造である。高温ガス冷却炉原子力発電所の固有の安全性の最初の保証は、使用される核燃料がＴＲＩＳＯ型被覆粒子であることであり、ＴＲＩＳＯ型被覆粒子は核燃料炉心、低密度熱分解炭素層、内側高密度熱分解炭素層、炭化ケイ素層、及び外側高密度熱分解炭素層からなる。被覆燃料粒子は高温ガス冷却炉の球形燃料素子の重要な組成部分である。被覆燃料粒子は核分裂生成物の放出を効果的に止めて、高温ガス冷却炉の優れた安全性を保証することができる。本出願は被覆燃料粒子の大規模連続製造に関するものであり、関連する分野は核燃料製造と高温ガス冷却炉の分野である。

現在、被覆燃料粒子の製造分野に開示された特許は、主にバッチ生産の被覆設備と補助システムに関するものであり、例えば中国特許（２０１１１０１４８９０７．９，２０１３１０３１４７６５．８）が挙げられる。いずれも、バッチ生産、即ち単一のバッチ製造に対して、２つのバッチの間に一定の時間間隔を有しており、いずれも昇温過程と降温過程とを有しており、規模が小さく、研究室での研究レベルから完全に抜け出せておらず、本当の工業的連続製造を達成することはできていないとともに、被覆粒子の収量と原子サイクルの経済的特性、即ち被覆燃料粒子の経済性を考慮されてもいない。

本発明が解決しようとする課題は、従来の技術がバッチ生産、即ち単一のバッチ製造に対して、２つのバッチの間に一定の時間間隔を有しており、いずれも昇温過程と降温過程とを有しており、規模が小さく、研究室での研究レベルから完全に抜け出せておらず、本当の工業的連続製造に到達できないという問題である。

その目的のために、本発明は、順に接続された被覆炉、冷却炉、固形副生成物処理装置、及びガス副生成物処理装置を含み、
前記被覆炉は粒子を被覆することに用いられ、
前記冷却炉は被覆された後の粒子を冷却することに用いられ、
前記固形副生成物処理装置は、前記被覆炉が粒子を被覆する過程で生成した固形副生成物を処理することに用いられ、
前記ガス副生成物処理装置は、前記被覆炉が粒子を被覆する過程で生成したガス副生成物を処理することに用いられる、被覆粒子を大規模に連続製造するシステムを提供する。

前記被覆炉は、ノズル、流動チューブ、及び加熱炉を含み、
前記ノズルが前記流動チューブの流動床と接続され、前記流動床がマルチテーパー流動床であることが好ましい。

前記固形副生成物処理装置は、順に接続されたサイクロン、第１のフィルター、及び第２のフィルターを含み、
前記第１のフィルターは、前記サイクロンによって得られた固形副生成物を粗濾過して中間副生成物を得ることに用いられ、
前記第２のフィルターは、前記第１のフィルターによって得られた中間副生成物を精濾過することに用いられることが好ましい。

前記ガス副生成物処理装置は、ガス副生成物一時貯蔵設備、ガス副生成物分離設備、及びガス副生成物貯蔵設備を含み、
前記ガス副生成物一時貯蔵設備は、固形副生成物処理装置の中のガス副生成物を一時貯蔵することに用いられ、
前記ガス副生成物分離設備は、前記ガス副生成物一時貯蔵設備の中に一時貯蔵されているガス副生成物を分離して、少なくとも水素ガスＨ_２及びアルゴンガスＡｒを得ることに用いられ、
前記ガス副生成物貯蔵設備は、前記ガス副生成物分離設備によって得られたＨ_２を貯蔵することに用いられることが好ましい。

前記ノズルは、ミドルホール、複数の１段ループホール、及び複数の２段ループホールを含み、
前記複数の１段ループホールが前記ミドルホールの周囲に均等に分布し、
前記複数の２段ループホールが前記ミドルホールの周囲に均等に分布し、
前記複数の１段ループホールが前記ミドルホールと前記複数の２段ループホールとの間に位置することが好ましい。

前記流動床内にガス分散器が設けられ、
前記ガス分散器は、センターホール、複数の１段リングストレートホール、及び複数の２段リング斜め穴を含み、
前記センターホールと前記ノズルのミドルホールが同一の軸線に位置し、
前記複数の１段リングストレートホールが前記センターホールの周囲に均等に分布し、
前記複数の２段リング斜め穴が前記センターホールの周囲に均等に分布し、
前記複数の１段リングストレートホールが前記センターホールと前記複数の２段リング斜め穴との間に位置することが好ましい。

前記ミドルホールの軸線とノズル軸線が同一の平面に位置し、即ち勾配がないことが好ましい。

１段ループホールとノズル軸線が同一の平面に位置し、即ち、勾配がなく、あるいは勾配が０であることが好ましい。

本発明の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムは、従来技術における、バッチ生産、即ち単一のバッチ製造に対して、２つのバッチの間に一定の時間間隔を有しており、いずれも昇温過程と降温過程とを有しており、規模が小さく、研究室での研究レベルから完全に抜け出せておらず、本当の工業的連続製造に到達できないという問題を解決した。

本発明の一実施形態に係る被覆粒子を大規模に連続製造するシステムの構造概略図である。同実施形態に開示されている被覆炉及び冷却炉の接続概略図である。同実施形態に開示されている大径被覆炉の構造概略図である。同実施形態に開示されている大径流動チューブのベースのＡ−Ａの断面図である。同実施形態に開示されている固形副生成物処理装置の構造図である。同実施形態に開示されているガス副生成物処理装置の構造図である。

本発明の目的、技術方案、及び利点をより明確にするために、以下、本発明の添付図面を参照しながら、本発明の実施形態の技術方案を明確に記載する。言うまでもなく、記載する実施形態は本発明の一部の実施形態であり、全ての実施形態ではない。本発明の実施形態に基づいて、当業者が創造的な作業を要しない前提で得られた全ての他の実施形態は、本発明の保護範囲に属するものである。

図１は本実施形態に係る被覆粒子を大規模に連続製造するシステムの構造概略図であり、当該システムは、順に接続された被覆炉１、冷却炉２、固形副生成物処理装置３、及びガス副生成物処理装置４を含む。

被覆炉１は粒子を被覆することに用いられ、被覆方法は流動床化学気相成長方法を採用する。冷却炉２は被覆された後の粒子を冷却することに用いられ、固形副生成物処理装置３は、被覆炉が粒子を被覆する過程で生成した固形副生成物を処理することに用いられ、ガス副生成物処理装置４は、被覆炉が粒子を被覆する過程で生成したガス副生成物を処理することに用いられる。

本実施形態では、被覆炉１に被覆しようとする粒子の投入口５が設けられ、冷却炉２に被覆された粒子の吐出口６が設けられている。

本実施形態の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムは、ガス配送装置７をさらに含む。ガス配送装置７の入力端はガス副生成物処理装置４と接続され、ガス配送装置７の出力端は被覆炉１と接続される。

一つの具体的な例では、上述の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムの被覆炉１は、ノズル、流動チューブ、及び加熱炉を含み、ノズルが流動チューブの流動床と接続され、流動床がマルチテーパー流動床である。

一つの具体的な例では、固形副生成物処理装置は、順に接続されたサイクロン、第１のフィルター、及び第２のフィルターを含み、第１のフィルターは、サイクロンによって得られた固形副生成物を粗濾過して中間副生成物を得ることに用いられ、第２のフィルターは、第１のフィルターによって得られた中間副生成物を精濾過することに用いられる。

一つの具体的な例では、ガス副生成物処理装置は、ガス副生成物一時貯蔵設備、ガス副生成物分離設備、及びガス副生成物貯蔵設備を含み、ガス副生成物一時貯蔵設備は、固形副生成物処理装置の中のガス副生成物を一時貯蔵することに用いられ、ガス副生成物分離設備は、ガス副生成物一時貯蔵設備の中に一時貯蔵されているガス副生成物を分離して、少なくとも水素ガスＨ_２及びアルゴンガスＡｒを得ることに用いられ、ガス副生成物貯蔵設備は、ガス副生成物分離設備によって得られたＨ_２を貯蔵することに用いられる。

一つの具体的な例では、ノズルは、ミドルホール、複数の１段ループホール、及び複数の２段ループホールを含み、複数の１段ループホールがミドルホールの周囲に均等に分布し、複数の２段ループホールがミドルホールの周囲に均等に分布し、複数の１段ループホールがミドルホールと複数の２段ループホールとの間に位置する。

一つの具体的な例では、流動床内にガス分散器が設けられ、ガス分散器は、センターホール、複数の１段リングストレートホール、及び複数の２段リング斜め穴を含み、センターホールとノズルのミドルホールが同一の軸線に位置し、複数の１段リングストレートホールが前記センターホールの周囲に均等に分布し、複数の２段リング斜め穴が前記センターホールの周囲に均等に分布し、複数の１段リングストレートホールが前記センターホールと複数の２段リング斜め穴との間に位置する。

一つの具体的な例では、ミドルホールの軸線とノズル軸線とが同一の平面に位置し、即ち勾配がない。

一つの具体的な例では、１段ループホールとノズル軸線とが同一の平面に位置し、即ち、勾配がなく、あるいは勾配が０である。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムの中の被覆炉は、大径流動チューブ、分級ノズル、多リング斜め穴型ガス分散器、及び流動床底面のマルチテーパー設計を採用しており、核燃料粒子を連続的に被覆することに用いられる。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムの大径流動チューブは、粒子流動領域であり、直径が１６０ｍｍ〜２８０ｍｍである。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムの分級ノズルは、ミドルループ多段設計であり、ミドルが単孔であり、ループが４〜８個の孔であり、ミドルの単孔の周囲に均等に分布することを特徴とする。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムの多リング斜め穴型ガス分散器は、センターホールとリング状斜め穴を有する設計であり、センターホールと上記ノズルのミドルホールとが同一の軸線に位置し、リング状斜め穴が周期的に回転分布する。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムの底面マルチテーパーは、流動床の底部に複数の角度のスロープが設けられて接続されるという設計であり、粒子の凝集を低減すること及び粒子の循環速度を増加させることに寄与する。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムの冷却炉は、単孔噴流床であり、内径が１６０〜２５０ｍｍであり、耐高温材で製造され、セラミック材が好ましい。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムのガス副生成物処理装置４は、アルゴンガス及び水素ガスの分離装置を意味し、排気ガス一時貯蔵タンク、ガス冷凍分離室、及び貯蔵室を含む。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムのガス分離装置は、温度スイング吸着と冷凍分離の２つの主要部分を含む。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムの固形副生成物処理装置３は、オンラインサイクロン集塵、オンライン粗濾過、オンライン精濾過の３段濾過装置、及び副生成物オンライン貯蔵・変換施設である。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムの副生成物オンライン貯蔵・変換施設は、２段ゲートバルブの容器遮断設計であり、気固分離操作を停止せずにオンラインで貯蔵容器を変換することができる。

流動ガスとは、アルゴンガス又は水素ガスを意味する。

流動ガス流量及び反応ガス流量は、それぞれ２００〜４００Ｌ／ｍｉｎと４００〜８００Ｌ／ｍｉｎである。

被覆温度は１２００〜１６００℃である。

流動／反応ガスの比は１：１〜１０：１である。

液体蒸気温度は３５〜５５℃である。

液体蒸気によって運ばれるガス流量は１０〜２０Ｌ／ｍｉｎである。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムは以下の機能を有する。

１）直径拡大、分級ノズル、多リング斜め穴型ガス分散器／底面マルチテーパー設計を主な特徴とする垂直被覆炉の被覆機能。

２）ホット粒子輸送、ホット気固効率的分離、輸送圧力バランス装置、被覆炉−冷却炉連動操作を主な特徴とするホット排出機能。

ホット排出システムの本体は、効率的サイクロン、パイプライン及びバルブであり、その全体が冷却炉内に位置し、不活性ガス保護雰囲気内に位置する。ホット排出システムの圧力バランスは真空タンク及び２段バルブによって実現される。

ホット排出中間過程のプロセス制御パラメータが吐出温度、吐出真空度、及び冷却炉ガス速度を含む。吐出温度が６００〜１０００℃であり、吐出真空度が−８９Ｋｐａ以下であり、冷却炉の冷却ガス流量が１００〜４００Ｌ／ｍｉｎである。

３）流動ガス、反応ガス、ガス副生成物の多段オンライン分離、循環を主な特徴とするガス再循環機能。

４）固形副生成物の３段濾過、オンラインリサイクル再利用を主な特徴とする副生成物オンライン処理機能。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムはプロセスパラメータとして以下を含む。

１）被覆過程プロセスパラメータ：即ち一回の供給量が６〜１０ｋｇＵＯ_２のプロセスパラメータであり、具体的には、流動／反応ガス流量、被覆温度、流動／反応ガスの比、及び液体携帯ガス流量である。

本実施形態は例を挙げて説明するためのものに過ぎず、被覆過程プロセスパラメータの具体的な内容を限定するものではない。

２）連続化工業生産昇降温及びホット排出中間過程のプロセス制御パラメータ。

本発明の有益な効果は、被覆燃料粒子の大規模連続製造の過程について、本当の被覆粒子生産の連続化、制御の自動化、及び生産の経済的最適化を実現することができ、手動操作による誤差を避けて、事故の可能性と設備の故障率を低減することができることであり、明らかな経済的価値と社会的利益がある。

図２は実施形態に開示されている被覆炉と冷却炉の接続概略図であり、その中、被覆炉１の中のホット取り出し管１−２が取り出し調整弁１−３に接続され、取り出し調整弁１−３が冷却炉２中のサイクロン１−４に接続され、サイクロン１−４が真空調整弁１−５に接続され、真空調整弁１−５が真空発生室１−６に接続され、冷却炉２の空気出口１−７が冷却炉２のガスクーラー１−８に接続され、ガスクーラー１−８が冷却炉２の空気入口１−９に接続され、冷却炉２の粒子吐出口が１−１０である。

図３は実施形態に開示されている大径被覆炉の構造概略図であり、当該大径被覆炉が大径流動チューブ１−１−１、ノズル１−１−２を含み、その中、大径流動チューブ１−１−１のベース１−１−３がダブルテーパ設計であり、ノズル１−１−２がミドルループ設計である。

図４は実施形態に開示されている大径流動チューブのベースのＡ−Ａの断面図であり、その中、ベース１−１−３に通気するセンターホール１−１−４、ストレートホール１−１−５、斜め穴１−１−６が設けられ、本実施例では、センターホール１−１−４の周囲に４つのストレートホール１−１−５が設けられ、４つのストレートホール１−１−５の周辺に４つの斜め穴１−１−６が設けられ、本実施例では、ストレートホールと斜め穴の個数は例を挙げて説明するためのものに過ぎず、本実施例はストレートホールと斜め穴の個数を限定しない。

本実施形態では、ガスが矢印１−１−７で示す方向から被覆炉に入り、矢印１−１−８で示す方向から被覆炉から離れ、被覆炉加熱管及びケースが１−１−９であり、被覆炉の粒子フィード口が１−１−１０である。

図５は実施形態に開示されている固形副生成物処理装置の構造図であり、当該固形副生成物処理装置は、被覆炉が粒子を被覆する過程で生成した固形副生成物に対して第１回の分離を行うことに用いられる１段サイクロン２−１と、第１回の分離を行った固形副生成物に対して第２回の分離を行うことに用いられる２段袋型集塵機２−２と、第２回の分離を行った固形副生成物を精濾過することに用いられる３段精濾過器２−３と、第１のゲートバルブ２−４、第１の高速コネクタ２−５及び第１の廃棄物タンク２−６と、第２のゲートバルブ２−７、第２の高速コネクタ２−８及び第２の廃棄物タンク２−９とを含む。

図６は実施形態に開示されているガス副生成物処理装置の構造図であり、当該ガス副生成物処理装置は、排気ガス高圧一時貯蔵器３−１、ガス分離室３−２を含み、その中、ガス分離室３−２が圧力スイング吸着装置３−３と極低温分離装置３−４を含み、当該ガス副生成物処理装置は、水素ガスＨ_２２段貯蔵・再分散装置３−５、アルゴンガスＡｒ再循環システム３−６をさらに含む。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムは、被覆しようとする粒子を被覆炉に入れて、被覆ガスと流動ガスを導入しながら、ガス副生成物、及び固形副生成物を収集するステップ、被覆を完了した後、流動ガスをそのまま保持し、適切な温度（当該適切な温度を事前に設定してもよい）に降温し、吐出管を挿入して、冷却炉内の流動ガス速度を設定し、吐出真空度を調整し、吐出バルブを開き、粒子が全部吸出されるまで、粒子を冷却炉に吸入するステップ、及び、さらに被覆しようとする粒子を再度に被覆炉に入れて、次の被覆を行うステップによって、粒子被覆を完了する。

上記の被覆粒子を大規模に連続製造するシステムは、粒子被覆を完了した後、粒子被覆効果をより明確にするために、被覆粒子を被覆された核燃料粒子の実際の被覆過程に用いる。

被覆炉の流動ガス流量を４００Ｌ／ｍｉｎ、被覆ガス流量を２００Ｌ／ｍｉｎ、ロードされた粒子量を１０ｋｇ、冷却ガス流量を９０Ｌ／ｍｉｎ、吐出真空度を−９０ｋｐａ、吐出温度を９５０℃にし、被覆が終了した後、吐出バルブと真空バルブを調整し、被覆・冷却過程全体を完了する。被覆パラメータが設計要件を満たすことにより、粒子のスクイズ、破砕現象は発見されなかった。

本発明は、被覆燃料粒子の大規模連続製造の過程について、本当の被覆粒子生産の連続化、制御の自動化、及び生産の経済的最適化を実現することができ、手動操作による誤差を避けて、事故の可能性と設備の故障率を低減することができ、明らかな経済的価値と社会的利益があり、強い産業上の利用可能性を持つ。

図面を参照しながら本発明の実施態様を説明したが、当業者は、本発明の趣旨と範囲から逸脱しない限りにおいては様々な変更や変形を行うことができ、これらの変更や変形は、いずれも添付の請求の範囲に限定された範囲に含まれる。

Claims

順に接続された被覆炉、冷却炉、固形副生成物処理装置、及びガス副生成物処理装置を含み
前記被覆炉は粒子を被覆することに用いられ、
前記冷却炉は被覆された後の粒子を冷却することに用いられ、
前記固形副生成物処理装置は、前記被覆炉が粒子を被覆する過程で生成した固形副生成物を処理することに用いられ、
前記ガス副生成物処理装置は、前記被覆炉が粒子を被覆する過程で生成したガス副生成物を処理することに用いられる
ことを特徴とする被覆粒子を大規模に連続製造するシステム。
前記被覆炉は、ノズル、流動チューブ、及び加熱炉を含み、
前記ノズルが前記流動チューブの流動床と接続され、前記流動床がマルチテーパー流動床であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
前記固形副生成物処理装置は、順に接続されたサイクロン、第１のフィルター、及び第２のフィルターを含み、
前記第１のフィルターは、前記サイクロンによって得られた固形副生成物を粗濾過して中間副生成物を得ることに用いられ、
前記第２のフィルターは、前記第１のフィルターによって得られた中間副生成物を精濾過することに用いられることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
前記ガス副生成物処理装置は、ガス副生成物一時貯蔵設備、ガス副生成物分離設備、及びガス副生成物貯蔵設備を含み、
前記ガス副生成物一時貯蔵設備は、固形副生成物処理装置の中のガス副生成物を一時貯蔵することに用いられ、
前記ガス副生成物分離設備は、前記ガス副生成物一時貯蔵設備の中に一時貯蔵されているガス副生成物を分離して、少なくとも水素ガスＨ_２及びアルゴンガスＡｒを得ることに用いられ、
前記ガス副生成物貯蔵設備は、前記ガス副生成物分離設備によって得られたＨ_２を貯蔵することに用いられることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
前記ノズルは、ミドルホール、複数の１段ループホール、及び複数の２段ループホールを含み、
前記複数の１段ループホールが前記ミドルホールの周囲に均等に分布し、
前記複数の２段ループホールが前記ミドルホールの周囲に均等に分布し、
前記複数の１段ループホールが前記ミドルホールと前記複数の２段ループホールとの間に位置することを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
前記流動床内にガス分散器が設けられ、
前記ガス分散器は、センターホール、複数の１段リングストレートホール、及び複数の２段リング斜め穴を含み、
前記センターホールと前記ノズルのミドルホールが同一の軸線に位置し、
前記複数の１段リングストレートホールが前記センターホールの周囲に均等に分布し、
前記複数の２段リング斜め穴が前記センターホールの周囲に均等に分布し、
前記複数の１段リングストレートホールが前記センターホールと前記複数の２段リング斜め穴との間に位置することを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
前記ミドルホールの軸線と前記ノズルの軸線とが同一の平面に位置し、即ち勾配がないことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
前記１段ループホールと前記ノズルの軸線とが同一の平面に位置し、即ち、勾配がなく、あるいは勾配が０であることを特徴とする請求項５に記載のシステム。