JP4074200B2 - 気体の触媒酸化法と再結合装置及びシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体の触媒酸化法並びにこれを実行するための再結合装置及びこの種の再結合装置を有するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの工業設備において、誤動作や故障の際に、例えば水素、トリチウム又は炭化水素化合物等の可燃性気体の放出が起こり得る。この種可燃性気体の濃度が物質固有の閾値を越えると、工業設備の稼動の安全性を危険に曝す燃焼反応が起こる。特に核工学設備では、故障又は事故状況で、例えば炉心の加熱によりジルコニウムの酸化が起こり、炉心を囲む安全容器、即ち格納容器内に水素ガスと一酸化炭素の放出が起り得る。その際、冷却材喪失事故により大量の水素が放出される。その結果、原子炉格納容器内に爆発性の気体混合物が発生する。その際、対抗措置がなければ、格納容器雰囲気中の水素の濃縮は、万一の発火時に比較的大量の水素の燃焼により、安全容器の信頼性を損ねることにもなり得る。その際格納容器雰囲気は、場合によってはエアロゾル状又はガス状の活性物質で著しく汚染されることになる。
【０００３】
この種爆発性の混合物の生成は、例えば軽水炉の出力運転時に考えられる。或いはまた沸騰水炉（ＳＷＲ）設備の場合も、連続的な放射線分解ガスの生成が炉心範囲内に起こる。更に原子炉設備を冷却材中の水素過剰状態で運転した際の、例えば加圧水炉（ＤＷＲ）の炉心範囲の放射性分解生成物を十分に回避すべく、循環中の貴ガスの活性物質を低減するため冷却材を脱気する際、高度に濃縮された水素混合物の放出が格納容器の雰囲気内に起る。同様に、高濃縮された、特に水素又はトリチウムの反応ガスは、核工学設備において、例えば増殖炉からナトリウムを廃棄するような他のプロセス中に、ナトリウムが水及び／又は二酸化炭素と選択的に反応することにより生ずる。
【０００４】
爆発性のガス混合物が、かかる過程で核工学設備の格納容器内に生ずるのを防ぐため、種々の装置や方法が示されている。例えば触媒再結合器、触媒及び／又は電気的に作動する点火装置又はここに挙げた２つの装置の組合せ並びにこの格納容器の永続的又は補足的な不活性化法がこれに属する。ＳＷＲ設備では、この種システムは、処理を要する気体の濃縮が主に復水器の範囲で起こるので、タービンの復水器の範囲の恒常的な吸引濾過と関連して使用される。
【０００５】
触媒により格納容器の雰囲気から、その酸化を調整して水素除去を行うべく触媒再結合装置を使用する際、特に水素と酸素の、早期の無炎再結合を行う必要がある。その場合、有毒な水素の燃焼に基因して起こる著しい圧力の増大は確実に回避せねばならない。再結合反応、即ち酸化反応により通常放出される熱についても、その基準値を確実に保持するため、触媒による再結合装置は、通常専ら比較的僅かに含まれる可燃性気体の置換に、発火限度より明らかに下方、即ち例えば含まれる水素の分量を最大限で４容量％に設計している。従って、比較的大量の可燃性ガスの放出が予想される事故に対する設計では、相応して大きく寸法付け、従ってまた費用をかけて製造した再結合装置を準備している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明は、比較的大量の気体を確実に処理する場合にも、必要な費用を極めて低く抑え、気体を触媒酸化する方法を提供することを課題とする。更にこの方法の実施に特に適した再結合装置並びにこのような再結合装置を有するシステムを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この方法に関する課題は、本発明により、被処理気体を含むガス流を循環過程で、反応帯域と、この帯域と流入側及び排出側で連絡している還流帯域とを通すことで解決される。
【０００８】
その際本発明は、必要な費用、特に所要の構成部品数とそれらの寸法に関し、比較的大量の被処理気体に信頼のおける処理を行う際、この比較的大量の被処理気体を含むガス流の供給に必要なシステムを構成して、その費用を極めて低減できるという考え方から出発する。可燃性の気体、即ち水素の効果的でかつ確実な酸化を妨げずに、特にこのガス流が、これ迄通常基本的に水素に許容されてきた約４容量％の上限の代わりに、例えば２０容量％又はそれ以上、場合によってはほぼ１００容量％迄の水素を含み得るようにすべきである。その際、効果的な酸化、即ち再結合を阻止する影響は、特に固有の触媒を構成する結晶又は結晶子に構造上の変化を来す、例えば７００℃以上の比較的高い反応温度を生じる高濃度の水素により起こる。水素濃度が比較的高い場合にも、反応温度に信頼できる限度を保証すべく、酸化すべき気体を含むガス流を、何回も可燃性の気体の酸化、即ち再結合が生ずる空間範囲、即ち反応帯域に通し、稀釈する形で行う。そのため、被処理気体を含むガス流を、循環中に反応帯域が循環流路を形成すべく流入及び排出側で還流帯域と接続してシステム内に通す。
【０００９】
特に、この気体の触媒酸化時の、高度の運転上の安全性にとり、それに使用されるシステムが、信頼できる運転の維持を外部から影響させる措置、特に外部からエネルギーを供給せずに可能にする受動的システムとして形成するとよい。そのためには、被処理気体を含むガス流を反応帯域内で上向き方向に通すと有利であり、この上向き流は酸化反応時に放出される熱により対流して補助又は保持される。その際酸化反応時に放出される熱を適切に利用し、反応帯域内の煙突作用による気体の循環の保持が可能になる。この気体の流動を更に補助すべく、別の有利な実施形態では、ガス噴射ポンプ装置、即ち噴射器を使用する。
【００１０】
還流帯域内では、ガス流を下向き方向に通し、この下向きに流れるガス流を局所的に冷却することで補助するとよい。その際、この冷却は、所望の温度水準に適切に調整し、必要に応じ熱による循環作用を達成すべく、ヒータと組合せて使用可能な面冷却器で行ってもよい。しかし、このガス流の局所的冷却をスプレー冷却により行うと特に好ましい。その場合、ガス流の還流範囲でのスプレー冷却を、特に反応帯域内で対流により補助された上向き流と組合せ、ガス流の回流、即ち循環を補助し、その際ガス流が付加的に反応帯域から流出し、その結果一部処理されたガス流との均一化が起こる。加えて、スプレー冷却時に使用する冷却材の選択次第で、例えばＮａＯＨ及び／又はＮａ₂Ｓ₂Ｎ₃によるコンディショニングで、ガス流中にエアロゾル又はヨウ素を維持することが可能となる。
【００１１】
比較的高分量、例えば２０容量％又はそれ以上の可燃性ガス又は水素を含むガス流を処理する場合の、特に高い運転安全性に関しては、ガス流を不活性化雰囲気中で処理すると有利である。そのため、反応帯域内及び／又は還流帯域内を５０％以上の蒸気分圧に調整するとよい。即ち、特に水蒸気は比較的強力な阻止作用を有するので、水素／酸素の混合物の燃焼を不可能にするには５０〜５５容量％の水蒸気で十分である。その際、水蒸気分圧の調整は、反応帯域及び／又は還流帯域の下方にあり、元来冷却材としてスプレーノズルに供給される貯水槽の水を調整して冷却することで行うのが好ましい。
【００１２】
更に、特に高度の運転安全性は、ガス流を反応帯域に最初に供給する前に、場合によっては爆発性のガス混合物の生成を確実に回避することで達成される。それには、ガス流を反応帯域内に入れる前に、まず蒸気と混合して５０％以上の蒸気含有量に調整するとよい。それとは別に、又は付加的に最初に反応帯域に入れる前のガス流中の酸化すべき気体、特に酸化すべき水素を６容量％以上、有利には１０容量％以上、好適には５０容量％以上に調整するとよい。
【００１３】
気体を触媒酸化する再結合装置に関する課題は、共通の容器内に、反応帯域と還流帯域を、被処理気体を含むガス流を循環させて通すことができるように、流入側と排出側で互いに連絡するように配置することで解決される。
【００１４】
この再結合装置は、被処理気体が、何回も貫流しながら反応帯域を通ることを可能にし、被処理気体の分量を増加して分解することを可能にする。未処理のガス流を供給する場合、まず、既に循環しているガス流と混和し、それにより新たに供給したガス流が入る際に、まず既に含まれている可燃性気体の希薄化を起こし、それと同時に反応温度も約５００〜８００℃以下の温度に確実に制限する。従って比較的多量の可燃性気体を含む場合も、その気体が自然発火し、或いは爆発性のガス混合物を生成するのを回避しつつ、この気体を確実に分解することができる。更に、反応帯域及び還流帯域を共通の容器内に配置すると、この再結合装置を小形化し、分散して装入可能に形成できる。従ってこのような再結合装置の、特に比較的多量の可燃性気体の放出が予想される局所的空間範囲での、目的に適った使用が可能になる。
【００１５】
外部からエネルギーを供給せずに、再結合装置内でのガス流の循環を受動的に保持するには、再結合装置内の煙突作用による対流効果を利用すればよい。そのため、反応帯域を容器内に対流で貫流可能な煙突の形で配置する。
【００１６】
再結合装置の反応帯域内に、被処理気体の酸化、即ち再結合を開始させ、かつ補助する、一定数の触媒要素を配置するとよい。その際、可燃性気体として水素を処理するなら、触媒要素を、特に白金又はパラジウムを基材として形成する。その際、これら触媒要素は、各々薄め塗膜表面を持つ触媒板として形成する。この種触媒要素は、例えば一定数の金属製の支持薄板を含み、その活性表面を平滑な表面に比べ、例えば１０００倍に拡大する、各々セラミックス製の多孔性に粗孔のあいた、所謂薄め塗膜を備えている。この薄め塗膜の場合、種々の深さに触媒活性な貴金属が微結晶状に細かく分散して配置される。その際、一方ではこの気体処理時の高い変換率を、また他方では反応帯域の貫流を、ごく僅かな圧力損で可能にすべく、これら触媒板を、反応帯域の伸張面に互いにほぼ並列に、かつ互いに約０．５〜２ｃｍの間隔をあけて配置するとよい。
【００１７】
再結合装置内のガス流の循環と、特殊な方法で対流により維持される循環を補助すべく、還流帯域内に冷却材を強く噴射可能な一定数のスプレーノズルを配置するとよい。かくして実現する還流範囲のスプレー冷却は、一方ではこれに基づく温度降下でガス流の還流を助け、他方ではこれと関連する渦流効果で反応帯域から流出するガス流の均一化に資する。加えて冷却材を適切に選択すると、特にＮａＯＨ及び／又はＮａ₂Ｓ₂Ｎ₃を含む冷却材を使用すると、還流帯域内でガス流のエアロゾル及び／ 又はヨウ素によるコンディショニングが可能になる。
【００１８】
更に、再結合装置内でのガス流循環の特別な補助のため、ガス流の再結合装置内への供給を、反応帯域内のガス流を所定の流動方向に向けて噴射する形で行うとよい。そのため、この反応帯域の流入側に、再結合装置に供給すべきガス流を強く噴射する、ガス噴射ポンプ装置を接続する。その際「噴射器」とも云われるこのガス噴射ポンプ装置は、ガスの流動側で狭まる流動断面を持つ外側部分を有する。この部分は、ガス流中の気体を加速し、かつ周囲の空気を吸引する。この装置を、特に効果的な気体の浄化が可能な、液体を吸引するベンチュリ管ノズルの形に形成してもよい。
【００１９】
再結合装置から流出するガス流中の被処理気体の残留濃度を小さく保持するため、特にその容器内に排出側で排ガスシステムと接続した触媒後浄化段を組込むと有利である。この触媒後浄化段により、処理済みガス流が排ガスシステムに流入する前に、更に適切な後処理が可能となり、その結果、例えば処理済みガス流中の水素分の、０．１容量％以下の残留値を達成できる。
【００２０】
この後浄化段は、例えば完全にセラミックス製の、球状やペレット状の堆積床触媒として、又はセラミックス製板上に施した触媒として形成してもよい。
【００２１】
排出されるガス流の、特に有利な後処理を可能にすべく、この後浄化段が、互いに約０．２〜１ｃｍの特に僅かな間隔で配置された一定数の触媒板を含むと有利である。更に排出ガス流の特に効果的な後処理のため、この後浄化段を冷却ユニットを経て排ガスシステムに接続するとよい。その際冷却ユニットを、特に排出側の後浄化段の後方に接続する冷却蛇管として形成すると望ましい。再結合装置の還流範囲内でスプレーノズルを用いる場合、この種冷却蛇管は、スプレーノズルから出ていく冷却材を二次側に強く当てることができる利点を持つ。
【００２２】
別の有利な実施形態では、この再結合装置の後浄化段を、電気的に又は周囲を囲む触媒により加熱可能とする。従って反応帯域と組合せて、作動温度を高めて再結合装置を運転することが可能になり、従って高い反応率を達成できる。
【００２３】
例えば２０容量％又はそれ以上の、被処理気体の比較的多いガス流を処理するときも、特に信頼できる再結合装置の運転は、再結合装置に流れるガス流を予め不活性化しておくことで可能になる。それには再結合装置を、再結合装置のガスの流れる側の手前に接続した蒸気噴射ユニットを備えた気体触媒酸化システム内に装入するとよい。その際、蒸気噴射ユニットを経て再結合装置に流れるガス流に蒸気を噴射することで、蒸気含有量を５０容量％又はそれ以上に調整できる。このように前処理したガス流中では、発火性のガス混合物の生成は、可燃性気体が比較的多いの場合でさえも確実に排除され、従ってこのガス流を比較的高温の反応帯域内に直接供給する場合も、発火の危険を確実に回避できる。
【００２４】
これとは別に又は付加的に、有利な１実施形態では、気体を触媒酸化するシステム内で、再結合装置の後方に活性炭減速区間を設ける。かかるシステムは、ガス処理と活性維持の組合せを可能し、それにより、特に比較的重大な事故後の、比較的強く汚染された格納容器雰囲気での核工学設備の使用を確実に、かつ高効率で可能にする。その際、活性炭減速区間内への先行する不活性ガスの供給を例えば窒素タンクから行え、その結果十分に無酸素の吸収動作が可能となり、従ってまた著しい後崩壊熱が発生するときも、活性炭の発火を確実に回避できる。
【００２５】
本発明により達成される利点は、特にガス流を循環させて通すことで、被処理気体を何回も反応帯域に貫流させ、従ってまた触媒酸化、即ち再結合を複数の連続した工程で行える点にある。この循環中に、なお全体として未処理のガス流を供給する場合、まず少なくとも一部既に処理済みのガス流中に入れることで稀釈が行われる。それにより全体として被処理気体の高い分解率が達成でき、比較的高濃度のガス流を噴射する場合にも、可燃性気体の自然発火を確実に回避できる。こうしてガス流の処理は、例えば２０容量％又はそれ以上の高い分量の可燃性気体を含む場合にも、保持すべき限界値を越えて反応温度を上昇させることなく、触媒システムの確実な運転が可能になる。
【００２６】
対流で保持又は補助される流れを経て、特に還流範囲内のガス流の冷却と組合せて、また注入噴射器やガス噴射ポンプ装置で補助して、反応帯域内の煙突効果を利用することで、外部からのエネルギーの供給を特に行わずに、受動的な実施形態の形で可燃性気体分の比較的高度な分解率をもたらす、ガス流の強い循環を達成できる。それに使用する再結合装置の寸法が適切なら、例えば５倍のプロセスガス容量流に相当する内部貫流率を形成でき、従ってまた再結合装置内の可燃性気体分を例えば５分の１にする著しい低減が可能になる。適切な寸法の場合、特に再結合装置内に全体として存在するガスの集中的な内部循環は、ごく少ない秒数内、例えば５秒以下で可能になる。
【００２７】
共通の容器内の反応帯域、還流帯域又は冷却帯域と不活性化帯域を組合せ、更に循環流の受動的形成と保持を行うことで、比較的大量の可燃性気体の処理に必要な装置の費用も極めて低く抑えられる。その際、特に再結合装置内でガス流を循環させることで比較的小さく寸法を定め、従ってまた材料費が比較的少なくても、その容量を特に高く保持できる。その際公知の設備と比べて、装置又は部品の寸法を、半分から５分の１に小型化できる。このようなコンパクトな構造方式は、特に再結合装置が処理を必要とする高分量の気体を含むガス流を処理できるので、未処理のガス流を、再結合装置にキャリアガスによりごく僅かに稀釈するか、むしろ全く稀釈せずに通すことによっても可能となる。
【００２８】
例えば連続的に出力運転されるＳＷＲの場合、再結合装置と、タービンの復水器に取付けた真空装置、有利には中間凝縮器を持つ蒸気噴射器又は稀釈蒸気供給器を有する水循環ポンプシステムとの組合せは、濃縮直後に、稀釈蒸気を約５分の１に低減することを可能にする。この運転法では、こうしてかなりの蒸気の節約、従ってまた原子炉設備の全体に特に高い効率を達成でき、その上、構成部品の寸法の小型化、即ち特にコンパクトな構造方式も可能になる。従って反応装置内での内部循環により、稀釈とそれに次ぐ反応温度を制限した酸化が起こる。
【００２９】
ＤＷＲ（加圧水炉）設備の冷却材を脱気する場合、本方法により高濃縮された流入気体は、促進の目的では水素を必要に応じ若干は希薄化させるが、著しく濃縮して直接再結合装置内に導入する。この適用事例では、内部循環路内の水素の酸化を、不活性ガスの追加なしに、酸素の供給に引続き行える。更に、この際ごく僅かに希薄化された貴ガスを、それに次ぐ活性炭装置内に導入でき、その際ガス流の残留が僅かなため、活性炭減速区間を比較的小さめに設定できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に基づき以下に詳述する。その場合図中、同じ部分には同じ符号を付けてある。
【００３１】
図１の再結合装置１は、可燃性気体（本実施例では水素）を触媒酸化する（再結合するとも云う）ためのものである。その際、この再結合装置１は、高い運転上の安全性の下に、比較的分量の多い、例えば２０容量％又はそれ以上の処理すべき水素を含むガス流Ｇの確実な処理も可能なように構成されている。
【００３２】
これを可能にすべく、この再結合装置１は、ガス流Ｇを循環させてその内部に通すよう構成している。そのため、再結合装置１は容器２を有し、その中に反応帯域４も、この帯域４と流入側及び排出側で互いに連絡する還流帯域６も配置してある。本実施例では、再結合装置１は、その長手軸に沿って、ほぼ軸対称に形成しているが、他の適した形状を選択することもできる。
【００３３】
本実施例では、容器２の主たる範囲を円筒状に形成している。容器２内に、反応帯域４を側方で制限し、その伸長した形で煙突を形成する円筒８を中心に配置している。その際還流帯域６は、本実施例では容器２の円筒状の範囲及び円筒８により制限された環状空間１０により形成している。円筒８により側方を制限された反応帯域４は、ガス流から見て、その流入側でも、流出側でも、ガス流Ｇの回流、即ち循環が反応帯域４及び還流帯域６により可能になるよう、相応する溢流範囲を経て還流帯域６を形成する環状空間１０と連絡している。
【００３４】
円筒８で制限され、煙突状に形成された反応帯域４内に、一定数の触媒要素１２を配置している。これら触媒要素１２は、各々水素と酸素の水への再結合反応を補助すべく形成され、夫々主に白金又はパラジウムを基材とする触媒活性表面を持つ。触媒要素１２は、各々触媒板として形成され、それらは比較的触媒活性の高い内部表面を設けるため、薄め塗膜として形成されている。各触媒板の支持板は、例えばセラミックスや金属等の材料から適宜に選択可能である。
【００３５】
再結合装置１は、ガス流Ｇを循環させて通すため設けられ、その際循環は、受動的システムの形で、円筒８内の煙突作用により対流で補助又は保持される。このガス流Ｇは、反応帯域４の範囲内で上向きの方向に、また還流帯域６の範囲内で下向き方向に流れる。その際、水素の触媒酸化時の放熱反応により触媒要素１２に発生する熱は、循環を補助又は保持するために使用される。
【００３６】
この対流により補助又は保持される気体が適切に流動できるようにすべく、触媒要素１２を、それらの全体で、流動抵抗は比較的低いにも係らず、触媒活性表面は比較的大きく形成している。そのため、本実施例では触媒板として形成した触媒要素１２を各々２段に、それら板面を互いにほぼ並列して、相互間に約１ｃｍ、即ち０．５〜２ｃｍの間隔をあけて配置し、循環するガス流Ｇに比較的僅かな圧力損しか生じないよう、触媒要素１２により、各２つの積層体を形成する。本実施例では触媒要素１２の２つの積層体を、ガス流Ｇの円筒８内での流動方向から見て相前後して配置している。その際触媒要素１２は、各々触媒の高さが煙突の高さ、即ち円筒８の高さの少なくとも５％になるようにする。
【００３７】
必要に応じ、対流により保持される反応帯域４内の上向き流の補助と、触媒の最初の乾燥及び温度調節とのため、反応帯域４にはガス流側に、即ちその下方空間範囲内に加熱装置１３を接続している。この加熱装置は特に装置の冷温の作動状態で、即ち例えば始動中に、対流により運ばれる上向き流の搬送のため及び／又は触媒反応を開始するために使用できる。
【００３８】
再結合装置１内でのガス流Ｇの回流、即ち循環を更に補助すべく、環状空間１０内に形成した還流帯域６内を通るガス流Ｇの冷却を行う。その際、この冷却は還流帯域６内に配置された表面冷却装置で行える。しかしこの実施例では、環状空間１０内に、従ってまた還流帯域６内に導管１６を経て冷却材Ｋを強く噴射する一定数のスプレーノズル１４を配置している。本実施例では、搬送ポンプ１８を接続した導管１６は、入口側で再結合装置１の底面範囲内に配置した貯水槽２０と接続している。該貯水槽２０内に、再結合装置１の運転時、導管１６を経てスプレーノズル１４の冷却材Ｋとして使用可能な貯留水Ｗが集まる。
【００３９】
冷却材Ｋの適切な運転パラメータの調整のため、貯水槽２０に加熱装置２１と温度調節装置２２を設置してある。更に導管１６内に、必要に応じてバイパス管２３を経て回流可能な熱交換器２４が接続しており、それにより冷却材Ｋの再冷却が可能である。付加的にスプレーノズル１４を通る冷却材Ｋは、還流帯域６内のガス流Ｇのコンディショニングのために利用してもよい。その際、例えばＮａＯＨ及び／又はＮａ₂Ｓ₂Ｎ₃の導管１６内への供給を行ってもよい。 そのときは供給導管１６に、図１に示さない供給管を接続する。
【００４０】
再結合装置１内のガス流Ｇの回流、即ち循環を一層有利にすべく、未処理のガス流Ｇの反応帯域４内への供給は、比較的高圧下に、かつ反応帯域４内の所望の流動方向に、即ち上向き方向に行う。そのため容器２内のガス流Ｇの供給管２６は、反応帯域４の入口側に適切に配置された噴射器２８に通じる。その際ガス噴射ポンプ装置として設けた噴射器２８は、ガス流側に並列して接続され、適切に配向されたスプレーノズル２９を含み、適切に選択された断面の縮小化により、ガス流Ｇの適当に高い排出速度を反応帯域４内に設定する。
【００４１】
再結合装置１から流出する処理済みガス流Ｇ’内になお含まれている、例えば０．１容量％以下の可燃性気体分の濃度を、特に僅かな残留限度値に保持するため、容器２内に触媒後浄化段３０が組込まれている。この後浄化段３０は、本実施例では反応帯域４内に配置され、隔壁の適切な配置により制限されている。この空間的配置により、受動的システムの形での後浄化段３０の加熱は、反応帯域４及びこの帯域内に放射される反応熱により行われる。こうして触媒環境にとって有利な比較的高い温度水準に後浄化段３０内を調整でき、それにより特に高度の反応率、即ち効率が生じる。後浄化段３０内には、同様に各々触媒板として形成された一定数の触媒要素３２が配置されており、それらもやはり、薄め塗膜の形で白金又はパラジウムを基材として形成された、触媒活性の比較的大きい内部表面を有する。しかし触媒要素３２は、触媒要素１２に比べ互いに比較的間隔を狭く配置されており、その平均間隔は約０．５ｃｍである。
【００４２】
排出側、即ち出口側で、後浄化段３０は冷却ユニット３４を経て排ガスシステム３６に接続している。本ユニット３４は、空間的に環状空間１０内のスプレーノズル１４の１つの近傍に、これらスプレーノズル１４から流出する冷却材Ｋにより冷却ユニット３４の効果的な冷却を保証すべく配置された冷却蛇管である。
【００４３】
再結合装置１の運転時、処理、即ち酸化すべき気体を含むガス流Ｇは、反応帯域４の流入側、即ち下端に流れる。そこからガス流Ｇは反応帯域４内に配置された触媒要素１２を経て流れる。触媒活性物質、特に白金やパラジウムと接触することで、触媒要素１２の表面で少なくとも部分的にガス流Ｇ内に含まれている処理、即ち酸化すべき気体、この実施例では水素の置換が起こる。その際この水素は、使用できる酸素と水の形成下に酸化される。この反応時に発生する熱は、触媒要素１２の範囲内に局所的加熱を起こす。この加熱の故に、反応帯域４を限定する円筒８の煙突形の構成により、特別に、反応帯域４内の上向き流の補助又は保持に利用される対流性の上向きガス流が生ずる。
【００４４】
そのため、反応帯域４の排出側の端部から流出するガス混合物Ｇは、円筒８を囲む還流帯域６を形成する環状空間１０内に流入し、ここを下向きに貫流する。還流帯域６内に入る際、ガス流Ｇにスプレーノズル１４により冷却材Ｋが噴射され、こうして一方では冷却され、他方では適切な冷却材Ｋの選択をした場合、必要に応じコンディショニングされる。この範囲内のガス流Ｇの冷却は、元来下向きのガス流を付加的に保持する作用をする。還流帯域６の下方範囲では、ガス流Ｇは再び反応帯域４の流入範囲に流入し、その結果ほぼ閉じた循環が起こる。
【００４５】
この循環、即ち回流により、ガス流Ｇは何回も触媒要素１２を経て流れ、こうして、場合によっては例えば酸素等の反応ガスを配量して添加しつつ、ガス流Ｇに含まれる可燃性気体の連続した分解、即ち連続した処理が可能となり、その際反応温度は、流入するガス流の稀釈により、触媒活性成分の作用に問題とならない、例えば約４００〜８００℃の温度に制限される。更に供給管２６を経て完全には処理されていないガス流Ｇがノズルにより噴射される。反応帯域４の入口範囲内で、還流範囲６から戻って来るガス流Ｇと混和される。この混和により新たに流入するガス流Ｇに含まれる可燃性気体分の希薄化が直ちに行われ、例えば２０容量％又はそれ以上の比較的高分量の水素でさえ、反応帯域４内の反応温度を制限したままに維持できる。その際、未処理のガス流Ｇを噴射器２８により供給すると、再結合装置１内の回流、即ち循環の維持に付加的に寄与できる。
【００４６】
ガス流の推進圧力が比較的高い場合、反応帯域４の貫流が水平方向にも起こり得るが、その場合はこのガスの循環は、噴射機２８により保持する。
【００４７】
この供給管２６を経て処理がなお不十分なガス流Ｇの供給を行うのと同様に、既に気体を処理済みの、再結合装置１からのガス流Ｇは排出される。そのため、反応帯域４内に流入し、再結合装置１内で既に循環中のガス流Ｇの一部を、流入開口３８を経て後浄化段３０内に導入する。その際既に循環中のガス流Ｇは、被処理気体又は水素の比較的分量の少ない残分を含むものであり、従ってこのガス流Ｇ’の排除分の場合、０．１％以下の水素残留濃度に調整することを目的とした、確実な後処理が可能となる。そのためガス流Ｇのこの分流を後洗浄段３０内に配置した触媒要素３２を経て適切に後処理し、その結果この時点迄なお残留する水素の確実で、十分な置換を保証する。後浄化段３０から流出するガス流Ｇ’を、引続き冷却ユニット３４を経て通し、適切な排ガス温度の調整を行う。引続きこの処理したガス流Ｇ’を排ガスシステム３６に送り込み、必要に応じ更にこの排ガスの後脱水を、例えば冷却器、特に冷水クーラで行ってもよい。
【００４８】
再結合装置１のこの動作時に、水素と酸素の反応によりプロセス水が生じる。更にまた、スプレーノズル１４により注入された冷却材Ｋは、図１に示すように水滴を作る。これら水滴並びに生成したプロセス水は、再結合装置１の底部に集まり、そこで貯水槽２０内に貯留水Ｗを作る。貯水槽中の貯留水Ｗは、特に高い運転上の安全性を保証すべく、必要に応じ調整された冷却又は加熱により、容器の内部空間に５０％以上の蒸気分圧を設定する。こうして何れの場合にも、容器２内の雰囲気は十分な不活性状態に維持され、従って不所望なガス流Ｇ中の気体の自発発火は確実に回避される。可燃性気体分を含むガス流Ｇの、場合により発生する、それ自体としては許容し得ない不適切に高い添加の場合でさえも、このようにして爆発性のガス混合物の生成を確実に排除できる。所望の蒸気分圧の調整に必要な貯留水Ｗの温度調節は、一方では貯水槽を直接加熱又は冷却し、他方では導管１６内の貯留水流を適切に冷却することで、導管１６内の熱交換器２４の適切な操作及び／又は熱交換器２４のバイパス管２２を経ての適切な部分的還流によっても行える。冷却材Ｋ又は貯留水Ｗの供給時の調整及び操作は、特に自由にプログラム可能な制御により行われ、こうして、場合によっては重要な装置及び操作パラメータを、得られた検出値を関数として用いて設定できる。
【００４９】
必要に応じ確実な再結合反応を維持するため、反応相手として酸を供給してもよい。この供給はガス濃度の実際に得られた測定値に応じ、同様に自由にプログラミング可能な制御を経て行う。反応ガス又は酸素の供給量の調整は、例えば気体排出時の反応温度と、水素及び／又は酸素濃度とに応じて行う。圧力負荷を軽減した動作時、酸素の排出濃度の調整により４容量％以下の酸素濃度が保証でき、従って後方に接続した活性炭減速区間の確実な作動が後崩壊熱の著しい場合にも、活性炭中の酸化反応を回避できる。
【００５０】
この再結合装置１は、例えば２０容量％又はそれ以上の比較的多くの被処理気体を含むガス流Ｇの処理に対するその基本的適性により、核工学設備内に装入するのに極めて適している。特にこの装置の装入は、その比較的コンパクトな構造様式のため、また反応帯域４、ガス流Ｇの冷却並びに必要に応じて唯１つの容器２内で用意できる不活性化の複合した組合せのため、特に処理を要する比較的高分量の気体の放出が懸念される、必要に応じた部位に極めて適正に行うことができる。再結合装置１の装入可能性における柔軟性並びにその性能と適応性は、必要に応じ流動圧力及び流動温度を操作することで更に高めることができる。
【００５１】
処理の必要な気体の容積が多い場合、特にコンパクトなこの構造様式は、図２に示す如く、再結合装置１が気体を触媒酸化するシステム５０内に、蒸気噴射ユニット５２と好適に組合わされる。その際このシステム５０は、図２の実施例ではごく簡略化して示すタービン復水器５４に連絡する。この復水器５４は、出口側で供給管２６を経て再結合装置１と連通している。供給管２６内の蒸気噴射ユニット５２は、再結合装置１の手前に接続している。この蒸気噴射ユニット５２は、供給する蒸気Ｄを噴射するため、供給管２６内に直列接続された２つの蒸気噴射器５６を含む。２つの蒸気噴射器５６間には、本実施例では、必要に応じ温度調節を可能にする中間冷却器５８を接続している。
【００５２】
システム５０内で再結合装置１は、出口側で乾燥機６０を経て排ガスの煙突６２に接続しており、この２つは、排ガスシステム３６に属する。蒸気噴射ユニット５２は必要に応じ水循環ポンプ系統６４を経て回流できる。
【００５３】
システム５０における配置は、再結合装置１に流入するガス流Ｇの予めの不活性化を、既に供給管２６内で可能とする。その際蒸気Ｄの供給は、必要に応じ蒸気噴射ユニット５２を経て、再結合装置１内に流入するガス流Ｇが既に５０％以上の蒸気含有量を保持するように行うことができ、それによりガス流Ｇの蒸気は不活性化される。従ってこのシステム５０は、全体として流入するガス流Ｇ中の極めて高い水素濃度でも、運転の安全性を損なうことなくこのガス流に噴射することができる。従ってシステム５０によるこの構造様式では、期待通りに、場合によっては生じる水素分を確実に分解するのに、従来のシステムに比べて装置及び部品を２分の１から５分の１に著しく小型化できる。特に蒸気噴射ユニット５２の更なる小型化は、再結合装置１をタービン復水器５４の出口の、更にその減圧範囲に直接配置することで達成できる。
【００５４】
図３の実施例では、再結合装置１は、特に高負荷される炉心格納容器の雰囲気の確実な気体処理と活性の維持を、比較的重大な事故後でも可能な気体を触媒酸化するシステム７０の構成要素である。そのため、本システム７０は、図３の実施例では、原子力発電所設備の安全容器２、即ち炉心格納容器に接続している。この場合安全容器７２は、格納容器の遮断弁及び制御弁を経て、流入管２６と直接再結合装置１内に連通している。必要に応じこの流入管２６に、更に他の気体源からの処理を要する気体を通すための分岐管７４を接続してもよい。
【００５５】
安全容器７２内での特に重大な事故の場合、例えば２０〜５０％の特に著しく高い水素濃度が生じる。このように著しく負荷されたガス流Ｇを、特にこれが、不活性化の運転方式で準備されている場合、再結合装置１の運転上の安全性を制限することなく通すことができる。この場合、再結合装置１内に何回も循環して通されるガス流に含まれる水素の酸化は、必要に応じ供給管７６を経て反応相手としての酸素を通すことで実現する。冷却材Ｋの適切な選択で、この場合も同様に、再結合装置１内に回流するガス流Ｇのコンディショニングは、冷却液中のヨウ素又はエアロゾル成分の支援下に行われる。
【００５６】
出口側でシステム７０内の再結合装置１は、活性炭減速区間７８を経て排ガス煙突８０と接続している。必要に応じ予め貯蔵タンク８２に溜められた窒素により、予備不活性化の可能な活性炭減速区間内で、場合によってはなお存在する貴ガスの活性の更なる支援も行われる。
【００５７】
更にシステム７０内の再結合装置１は、出口側で接続管８４から活性炭減速区間７８に分岐した、弁８５で遮断可能な、駆動ポンプ８８が接続している再循環装置８６を経て、再度格納容器７２に連絡している。こうして格納容器７２、再結合装置１及び再循環装置８６の閉循環回路が、格納容器７２からの雰囲気を経て、必要に応じ循環して通ずる。従ってこの構造により、必要に応じ格納容器７２からの雰囲気の処理は、排ガスの環境への放出を行うことなく可能であり、こうして装入事例に応じ格納容器７２からのガス分の前処理を行うこともできる。
【００５８】
勿論図２と３のシステム５０と７０の主な部品の組合せも考えられる。従って例えばシステム５０は、活性炭減速区間７８及び／又は循環導管８６も同様に適切に設置できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による気体を触媒酸化するための再循環装置の内部図。
【図２】 図１の再結合装置で気体を触媒酸化するシステムの配置図。
【図３】 図１の再結合装置で気体を触媒酸化する別のシステムの配置図。
【符号の説明】
１ 再結合装置
２ 容器
４ 反応帯域
６ 還流帯域
８ 円筒
１０ 環状空間
１２、３２ 触媒要素
１３、２１ 加熱装置
１４、２９ スプレーノズル
１６ 導管
１８ 搬送ポンプ
２０ 貯水槽
２２ 温度測定装置
２３ バイパス管
２４ 熱交換器
２６、７６ 供給管
２８ 噴射器
３０ 後浄化段
３４ 冷却ユニット
３６ 排ガスシステム
３８ 流入開口
５０、７０ システム
５２ 蒸気噴射ユニット
５４ タービン復水器
５６ 蒸気注入器
５８ 中間冷却器
６０ 乾燥器
６２、８０ 排ガス用煙突
６４ 水循環ポンプシステム
７２ 安全容器
７４ 分岐管
７８ 活性炭減速区間
８２ 貯蔵タンク
８４ 接続管
８５ 弁
８６ 再循環装置
８８ 駆動ポンプ
Ｄ 蒸気
Ｇ、Ｇ’ガス流
Ｋ 冷却材
Ｗ 貯留水

Claims (14)

1. ２０容量％以上の水素を含んだガス流（Ｇ）を導入して循環させ、その循環過程で、触媒要素（１２）を有する反応帯域（４）と、その流入側及び排出側で連絡している還流帯域（６）に通し、この際ガス流（Ｇ）を還流帯域（６）内で下向き方向に通し、この下向き流を、ガス流（Ｇ）の局所的スプレー冷却による対流性のガス流により補助し、還流帯域（６）から反応領域（４）に流入するガス流（Ｇ）の一部を、前記反応帯域（４）の触媒要素（３２）が配置された触媒後浄化段（３０）内に導入して、上記循環過程から排出することを特徴とするガス流の触媒酸化法。
2. 反応帯域（４）内でガス流（Ｇ）を上向き方向に通し、その際この上向き流を、酸化反応時に放出される熱による対流性のガス流により補助又は保持することを特徴とする請求項１記載のガス流の触媒酸化法。
3. ガス流（Ｇ）の流動を噴射器（２８）により補助することを特徴とする請求項１又は２記載のガス流の触媒酸化法。
4. 反応帯域（４）内及び／又は還流帯域（６）内を５０％以上の蒸気分圧に調整することを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のガス流の触媒酸化法。
5. 前記蒸気分圧を、反応帯域（４）及び／又は還流帯域（６）の下方にある貯留水（Ｗ）の冷却により調整することを特徴とする請求項４記載のガス流の触媒酸化法。
6. ガス流（Ｇ）を、反応帯域（４）内に最初に入れる前に、５０容量％以上の蒸気含有量に調整するようにして蒸気（Ｄ）と混和することを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載のガス流の触媒酸化法。
7. ガス流（Ｇ）を、反応帯域（４）内に最初に入れる前に、このガス流（Ｇ）に含まれる酸化すべき気体の濃度を６容量％以上に調整することを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載のガス流の触媒酸化法。
8. ２０容量％以上の水素を含んだ気体を触媒酸化する再結合装置（１）であって、ガス流（Ｇ）を導入する噴射器（２８）と、共通の容器（２）と、該共通の容器（２）内に、該導入されたガス流（Ｇ）を循環させて通すべく、流入側及び流出側で互に連絡している、触媒要素（１２）を有する反応帯域（４）と還流帯域（６）が配置され、この際還流帯域（６）内に、冷却材（Ｋ）を強く当てることのできるスプレーノズル（１４）が配置され、還流帯域（４）から反応帯域（６）に流入するガス流の一部を導入する触媒要素（３２）が配置された触媒後浄化手段（３０）が反応帯域内に配置され、触媒後浄化段（３０）で処理された前記ガス流を上記共通の容器（２）外に排出する排ガスシステム（３６）とからなることを特徴とする気体を触媒酸化する再結合装置（１）。
9. 反応帯域（４）が対流性に貫流可能な煙突構造に形成されたことを特徴とする請求項８記載の気体を触媒酸化する再結合装置（１）。
10. 触媒後浄化段（３０）が、後続の冷却ユニット（３４）を経て排ガスシステム（３６）と接続されたことを特徴とする請求項８又は９記載の気体を触媒酸化する再結合装置（１）。
11. 触媒後浄化段（３０）内に、互いに０．２〜１ｃｍの間隔をおいて触媒板が配置されたことを特徴とする請求項８乃至１０記載の気体を触媒酸化する再結合装置（１）。
12. 触媒後浄化段（３０）が対流で貫流可能な煙突として形成されたことを特徴とする請求項８乃至１１の１つに記載の気体を触媒酸化する再結合装置（１）。
13. 再結合装置（１）の手前に蒸気噴射ユニット（５２）が接続されたことを特徴とする請求項８乃至１２の１つに記載の再結合装置（１）により気体を触媒酸化するシステム（５０）。
14. 活性炭減速区間（７８）が再結合装置（１）の後方に接続されたことを特徴とする請求項８乃至１３の１つに記載の再結合装置（１）により気体を触媒酸化するシステム（７０）。

Images