JP4239077B2 - 高温耐食性セラミックス製コンパクト熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、原子力産業、航空宇宙、一般産業分野、民生用として幅広く利用が可能である熱交換部がセラミックスブロックから構成される熱交換器に関するものであり、特に、水を水素と酸素に分解する核熱化学ISプロセスで使用される硫酸蒸発器用高温耐食性セラミックス製コンパクト熱交換器である。

従来、１０００℃×６ＭＰａ以上の高温高圧条件下での濃硫酸溶液の蒸発、ヨウ化水素溶液の蒸発分解の行える耐食材料ならびに、そのための熱交換器は、存在しない。また、過去各セラミックスメーカーが高温熱交換器としてセラミックスブロックの熱交換器の試作を試みたが、ブロック自身の強度が不十分なためいずれもその大型化に失敗していた。

本発明は、溶液ならびにガス化した強酸やハロゲンの１０００℃×６ＭＰａ以上の高温高圧条件環境下において数１０〜１００ＭＷの大容量の熱交換に耐え、かつコンパクト化の可能な熱交換器を提供するものである。

本発明は、濃硫酸、ヨウ化水素等の強酸又はハロゲンに強いセラミックス素材を用いることにより、熱交換媒部の円形流入チャンネルを直交に多数対置したブロックエレメントを接合積層化することにより耐食性はもとより高温強度に優れ、コンパクト化された熱交換器である。

本発明は、 １０００℃近い高温高圧下で耐熱耐圧性及び耐食性の優れたコンパクトな熱交換器として例えば、高温ガス炉の中間熱交換器等にも利用できる。

本発明は、９５０℃の核熱を利用し水原料から大量の水素と酸素を製造できる核熱化学ＩＳプロセスの実用化を行うために必須な熱交換器である。図１に核熱化学ＩＳプロセスプラントの概念を示す。使用条件から最も厳しいのは図中硫酸蒸発器やヨウ化水素分解器である。

図１は、核熱化学ＩＳプロセスの概念を示す図であり、高温ガス炉から供給される８５０℃の高温熱エネルギーを水を原料に主に硫酸分解再生サイクルとヨウ化水素分解合成サイクルを組みあわせることにより、水素と酸素に分解する反応を示している。

即ち、ブンゼン反応器に供給されたＨ₂Ｏが、高温高圧においてＨ₂ＳＯ₄とＨＩとの存在下で分解される。反応後のＨ₂ＳＯ₄、ＨＩ含有液が酸分離器に供給され，Ｈ₂ＳＯ₄とＨＩとの２層に分離される。ＨＩ含有溶液が精製器を経て蒸留塔に供給され、発生したＨＩ蒸気がＨＩ分解器で分解され、得られたＨ₂が凝縮器から取り出される。蒸留塔の蒸留残液及び凝縮器の凝縮液が反応器に戻される。

又、Ｈ₂ＳＯ₄含有溶液が反応器から精製器を経て濃縮塔に供給され、濃縮されたＨ₂ＳＯ₄溶液がＨ₂ＳＯ₄蒸発器で蒸発処理され、その蒸気がＨ₂ＳＯ₄分解器でＳＯ₂，Ｈ₂Ｏ，
Ｏ₂に分解され、これらが凝縮器を経て反応器に戻される。

図２は、濃硫酸蒸発器実機の設計概念を示す。その蒸発器の炉底部から上椀部に向かって濃硫酸溶液を供給し、一方、６８９℃のヘリウムガスを蒸発器上椀部横方向から導入し、蒸発器内のセラミックスブロック内の直交するチャンネルにそれぞれ導き、この部分で熱交換を行い、濃硫酸を完全にガス化できる。

図３は、セラミックスブロック形状及び試作したブロック本体を示す。このブロックは、図２の硫酸蒸発器の中央部に設けられた十字型多孔セクションプレートの４面に沿って積重ねられて保持され、硫酸がブロックに開けられた６又は９個の貫通孔チャンネルを通して上方向に流される。高温のヘリウムガスがブロックの側面から設けられた４個の貫通孔チャンネルを通して横方向に流され、ブロックを介して硫酸を加熱する。この両者の貫通孔は、結合しないようにブロックに形成されている。

図４は、複数のセラミックスブロックを積層して形成された１基分のピラー（柱）の製作方法を示しており、金属製真空容器にピラー１基分のブロックを真空封入し、外側から加熱することによりブロックを上下にろう材シートで結合して1基分のピラーを形成する。

図５は、セラミックスブロックを接合により積層してピラー構造とし、これをセクションプレートの４面に束ねることにより熱交換部を構成したものを示している。
図６は、セラミックスピラーを最終的に束ねかつ、ヘリウム流路を確保するためのセクションプレート及びパーティションプレートの組み立て方を示している。

図７は、セクションプレート及びパーティションプレートの組み立て、その中央に４個のセラミックスブロックを挿入固定したものを示している。
図８及び図９は、組み立てた熱交換部の上下にセラミックス製流量板を取り付け、それを強化リングにより固定することを示している。

図１０は、熱交換部の各構成要素をタイロッドで締め付けることを示している。
図１１は、タイロッドで締付けられた熱交換部の側面に内筒を取り付けることを示している。

図１２は、熱交換器部を収納するための圧力容器を図に示すように別途組み立てることを示している。
図１３は、図１２で組立てられた圧力容器内に熱交換器部を取り付けることを示している。

図１４は、耐震構造を圧力容器と熱交換器部に取り付けることを示している。
図１５は、耐震構造により圧力容器に取付けられた熱交換器部に上鏡とヘリウム入口ベローズを取り付けることを示している。

図１６及び図１７は、圧力容器に上部蓋とメカニカルシールを取り付けて硫酸熱交換器を完成することを示している。

（ア）セラミックス製コンパクト濃硫酸蒸発器の概念設計及び要素試作
２００ＭＷの高温ガス炉に接続できる核熱化学ＩＳプラント実機用濃硫酸蒸発器の設計仕様を表１に示す。また、図２に濃硫酸蒸発器の設計概念を示す。

［膿硫酸蒸発器の組み立て方］
（ｉ） 図３に示すヘリウムチャンネルと濃硫酸溶液ガスチャンネルが直交したセラミックスブロックを製作する。

（ｉｉ） セラミックスブロックピラーの製作は、図４に示すように金属製真空容器にピラー１基分を真空封入し、外側から加熱することにより行う。
（ｉｉｉ） 図５に示すようにセラミックスブロックを接合により積層しピラー構造としたものを束ね熱交換部を構成する。

（ｉｖ） 一方、上記セラミックスピラーを最終的に束ねかつ、ヘリウム流路を確保するためのセクションプレート及びパーティションプレートの組み立て方を図６に示す。
（ｖ） 完成したセクションプレート及びパーティションプレート構造体にセラミックス熱交換部を図７のように取り付ける。

（ｖｉ） 図８及び９のように組み立てた熱交換部の上下にセラミックス製流量板を取り付け、強化リングにより取り付ける。
（ｖｉｉ） 熱交換部をタイロッドで図１０のように締め付ける。

（ｖｉｉｉ） さらに、図１１に示すように内筒に取り付ける。
（ｉｘ） 一方、熱交換器部を収納するための圧力容器を図１２に示すように別途組み立てる。

（ｘ） この圧力容器内に図１３のように熱交換器部を取り付ける。
（ｘｉ） さらに、図１４に示す耐震構造を圧力容器と熱交換器部に取り付ける。
（ｘｉｉ） 図１５のように上鏡とヘリウム入口ベローズを取り付ける。

（ｘｉｉｉ） 最終的に図１６及び図１７に示すような上部蓋とメカニカルシールを取り付けて完成。
（イ）濃硫酸腐食試験
表２に示す各種セラミックス及び各種耐熱合金を濃硫酸とともにガラス封入したガラスアンプルより２ＭＰａ×４６０℃×１００時間及び１０００時間の高温高圧腐食試験を図１８に示すオートクレーブにより実施した。表３、表４及び図１９に腐食試験結果を示す。これらの結果を表５にまとめた。その結果、炭化ケイ素及び窒化ケイ素に十分な耐食性があることが分かった。

核熱化学ＩＳプロセスの概念を示す図である。 濃硫酸蒸発器実機の設計概念を示す図である。 セラミックスブロック形状及び試作したブロック本体を示す図である。 セラミックスピラーの製作方法を示す図である。 セラミックスブロックを接合により積層し、ピラー構造としこれを束ねることにより熱交換部を構成することを示す図である。 セラミックスピラーを最終的に束ねかつ、ヘリウム流路を確保するためのセクションプレート及びパーティションプレートの組み立て方を示す図である。 セクションプレート及びパーティションプレートの組み立て方を示す図である。 組み立てた熱交換部の上下にセラミックス製流量板を取り付けることを示す図である。 強化リングを取り付けることを示す図である。 熱交換部をタイロッドで締め付けることを示す図である。 内筒の取り付けを示す図である。 熱交換器部を収納するための圧力容器を組み立てることを示す図である。 圧力容器内に熱交換器部を取り付けることを示す図である。 図に示す耐震構造を圧力容器と熱交換器部に取り付ける。 上鏡とヘリウム入口ベローズを取り付けることを示す図である。 圧力容器に上部蓋と取り付けることを示す図である。 圧力容器にメカニカルシールを取り付けることを示す図である。 高温高圧腐食試験に用いたオートクレーブを示す図である。 各種セラミックス及び耐熱合金の高温高圧腐食試験の結果を示す図である。

Claims (1)

1. 核熱化学ISプロセスに供給されたＨ_２Ｏが、高温高圧下でＨ_２ＳＯ_４とＨＩとの存在下で分解され、分解後のＨ_２ＳＯ_４、ＨＩ含有液が酸分離器に供給されてＨ_２ＳＯ_４とＨＩとの２層に分離され、分離されたＨＩ含有溶液が蒸留塔に供給され、発生したＨＩ蒸気がＨＩ分解器でＨ_２に分解されて取り出され、分離されたＨ_２ＳＯ_４含有溶液が濃縮後に硫酸蒸発器で蒸発処理され、その蒸気がＨ_２ＳＯ_４分解器でＳＯ_２，Ｈ_２Ｏ，Ｏ_２に分解され、これらが前記反応器に戻されて酸素が取り出される、水を水素と酸素に分解する核熱化学ISプロセスで使用される硫酸蒸発器用高温耐食性セラミックス製コンパクト熱交換器において、
   前記硫酸蒸発器の熱交換部が、立方体又は直方体形状のSi-SiC 素材のセラミックスブロックを十字型多孔セクションプレートの４面に沿って積重ねて構成された四角柱形状ピラーを、前記ピラーを挿入するための中央穴を備えたパーティションプレートがそのパーティションープレート用のセクションプレートにより等間隔で縦方向に積重ねられて形成された組立体の各パーティションプレートの中央穴に挿入することにより、構成され、
   前記各ブロックが、前記ピラーを通して硫酸が上方向に流される複数の貫通孔と高温ヘリウムガスが横方向に流される複数の貫通孔とを有し、これら両貫通孔が結合せずに各ブロックに形成され、且つ前記横方向の貫通孔が前記十字型セクションプレートの孔と連通していることを特徴とする熱交換器。

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