JPH0371361B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、主として、沸騰水型原子力発電所の
原子炉水の放射線分解によつて生じる水素及び酸
素ガスを触媒により再結合し、爆発性をなくして
ガスを安全に処理する為の酸水素再結合器に関す
るものである。

〔発明の背景〕

沸騰水型原子力発電所の放射性廃棄物処理系の
フローを第１図に示す。原子炉１の内で冷却水の
放射線分解によつて生じた水素ガス及び酸素ガス
は、クリプトン、キセノン等の放射性希ガスと共
に、タービン２を経て主復水器３へ運ばれ、主復
水器中の混入空気と共に、空気抽出器４により抽
気され、空気抽出器の駆動蒸気により水素ガスの
爆鳴気限界以下に希釈された後、排ガス処理系へ
運ばれる。運ばれた排ガスは、排ガス予熱器５に
て所内蒸気により処理ガスの飽和温度以上に加熱
されて水分が除去された後、再結合器６内の触媒
７により酸素水素の再結合反応が行なわれて、プ
ラント定格運転時の再結合器６の出口水素濃度を
1ppm以下に減少し、再結合による水は駆動蒸気
とともに排ガス復水器８で凝縮され除去される。

水素、酸素、水蒸気を除去された放射性排ガス
は、半減期の長いクリプトン、キセノンを希ガス
ホールドアツプ装置９により規定値以下の放射能
濃度に減衰された後、空気抽出器１０により排気
筒１１から大気に放出される。

このような排ガス処理系の処理ガス中の水素、
酸素、空気、蒸気量は、プラントの起動時、定格
時、停止時で大きく異なつており、あるプラント
例では、定格時には、水素ガスが３〜４％、空気
量が40Nm³／hr以下であるのに対し、起動時に
は、プラントの炉出力の変化に応じて、水素ガス
が０％から、上記定格値３〜４％まで変化する。
又、起動時の水素ガス濃度が低い条件下では、主
復水器３の真空度が低い為、多量の空気が空気抽
出器４により抽気される。停止時には、主復水器
３からの漏洩空気は定格時と同じであるが、水素
ガス量は、原子炉の出力に応じて減少する。（な
お、酸素ガスおよび水素ガスは、原子炉水の分解
によつて発生するので、酸素と水素は、常に１対
２の割合の当量のガスとして再結合器８に流入す
ることは言うまでもない。） 又、酸水素再結合器８では、酸素と水素が発熱
反応をするので、水素ガス１％当りで約70℃の温
度上昇が生じる。従つて、出力100％の定格時に
は、水素濃度が３％程度と高いので再結合器８の
温度は高くなり、一方、起動時、停止時は水素濃
度が低いので再結合器８の温度は低くなる。

更に、排ガス再結合器の許容圧力損失は、上流
側の空気抽出器４の背圧及び系統内の機器配管等
の圧力損失等により決定される。空気抽出器４の
最大背圧は、高々0.5atg程度である。また、空気
抽出器４を含めた排ガス処理系の主復水器３との
取合点における背圧は、処理ガス量により変化
し、処理ガス量が少なくなる程背圧が低くなる。
従つて、排ガス再結合器の許容圧力損失は、起動
定格、停止の各運転条件における処理ガス量と、
各運転モード及びその必要背圧から決定される。
これらを考慮して、排ガス再結合器のシステム上
許容される圧力損失は、一般的には約1000mm
H₂O以下としなければならない。

再結合器の圧力損失は、触媒の空隙率及び、排
ガスの流速及び再結合器内の触媒充填量によつて
大きく異なる。さらには、酸水素再結合反応は、
触媒内で発熱反応を起こすので、実際の再結合器
内の流速は、定格時で入口側の２倍強に達してい
る。

以上の事から、排ガス再結合器の触媒設計に当
つては、起動、定格、停止の各条件下における触
媒性能、許容圧力損失からガスの流速及び触媒の
量が決定される。

ところで排ガス処理量（流量）は、プラトンの
炉出力にほぼ比例しなければならないことから、
排ガス再結合器内の処理ガス流速が同じであれ
ば、必要な触媒通過断面積が処理ガス量ひいては
炉出力に応じて異なる事になり、この結果、再結
合器の必要な塔径がプラント炉出力に応じて異る
事になる。又、再結合器内の流速の上限は、前記
した再結合器内触媒を通過するときの圧力損失が
系統上許される範囲内にあるようにする事が必要
であり、また流速を低くすると再結合器の必要な
塔径が増大して容器の大型化、それに伴う必要板
厚の上昇による再結合器のコストアツプを招くこ
とになる為、流速の下限をあまり低くする事は好
ましくない。

しかるに、従来の排ガス再結合器用の触媒は、
アルミナ多孔体等のセラミツクにパラジウム等の
貴金属を添着した、ペレツト型又は球状の触媒を
充填して使用しており、このセラミツク触媒は、
それ自身の担体材質が、アルミナであり、形状が
粒状であることから、充填時に触媒同志が衝突し
て触媒表面が粉化脱落したり、再結合器内のガス
流により触媒自身の踊りによる微粉化が生じたり
する現象が起こる可能性があり、それにより飛散
した触媒が排ガス再結合器前後の機器、配管部で
触媒反応を進行させるという恐れがあり、触媒自
身の性能が低いという問題がある。又、ペレツト
又は球状の為触媒充填密度が大きくなり、ガスの
流れに伴う圧力損失が増大する事から、排ガス再
結合器の胴径を大きくして低い処理ガス流速域で
使用せざるを得ず、この為再結合器が大型になつ
てコストが上昇するという問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、このような従来の欠点を解消
し、酸水素除去性能が数段優れ、圧力損失が低
く、かつ、触媒充填量を少なくして再結合器内処
理ガス流速を上げた範囲で、高性能を維持できる
酸素水素再結合器を提供する事にある。

〔発明の概要〕

本発明は、前述のような排ガス処理のために酸
素と水素を再結合させる酸素・水素再結合器にお
いて、スポンジ状金属担体の表面に、アルミナを
バインダーとして添着して該アルミナ上に触媒活
性を有する白金、パラジウム等の白金系貴金属粒
子を0.1ｇ／〜5.0ｇ／担持させてなり、且つ
目開き（開口率）を、１個が0.5mmから6.0mmの孔
径となるようにスポンジ状に形成した金属触媒を
上記再結合器内に充填し、該再結合器内の排ガス
の空間速度（SV値）を500〜150000、圧力損失を
1000mmH₂O以下、流速を1Nｍ／ｓ〜4Nｍ／ｓの
範囲としたことを特徴とするものである。これに
より再結合器の入口水素濃度の可燃限界値である
4vol％以下の水素ガスを、再結合器の出口におい
て、1ppm以下に希釈させるものである。

本発明は、このように再結合器内の触媒を、従
来の、アルミナ多孔体等のセラミツクにパラジウ
ム等の貴金属を添着した、ペレツトタイプ又は球
状のセラミツク触媒から、高酸素除去性能を有し
空隙率の大きい低圧力損失のスポンジ状の上記多
孔質金属触媒に変えることにより、再結合性能の
向上、圧力損失の低減、さらには、触媒量と処理
ガス量の割合が一定という条件下において処理ガ
ス流速を高速化して酸水素除去性能が下がらない
領域で再結合器の小型化を図り、同時に触媒の粉
化や飛散の可能性を軽減し、保守、点検の容易化
を図ることができる。

〔発明の実施例〕

実機プラントと同様の排ガス条件を模擬して再
結合器の触媒性能を測定する実験を行なつた。

再結合器の触媒性能は、再結合器に流入する入
口水素濃度と、触媒により酸水素結合をした後再
結合器により流出する出口水素濃度の比（水素転
換比）で評価した。沸騰水型原子力発電所の排ガ
ス処理系における排ガス条件は、その大部分（約
９割程度かそれ以上）が加熱蒸気であるから、出
口水素濃度は、蒸気をドレン化させた後の出口側
における微量の未反応水素濃度を増幅させ、ガス
クロマトグラフ等の分析計で測定し、この分析計
で測定した水素濃度を計算により蒸気がドレン化
する以前の状態に換算して求めた。

第２図は、酸水素再結合器のガス条件下におい
て触媒を一定層高充填した状態で、触媒の孔径の
目開きをパラメータとして通過流速を変化したと
きの圧力損失を測定した結果を示す。カーブ１２
は、目開きを0.5mmとした場合、またカーブ１３
は目開きを6.0mmにした場合、の圧力損失変化を
示す。カーブ１２と１３の間の二重斜線を施した
範囲は再結合器の系統許容圧力損失を満足する範
囲を示す。尚、目開きを６mm以上と大きくした場
合、排ガスと触媒の接触時間が短くなり性能が低
下する。

第３図は、横軸に排ガス流速を、縦軸に水素転
換比をとつて、再結合器の触媒性能を測定した結
果を示す。カーブ１４は、板形をなすNi−Cr合
金のスポンジ状金属担体の表面に、触媒の表面積
を増加させる為例えば化学的方法（含浸、塗布、
吹き付け電着等）でバインダーとしてのアルミナ
を添着させ、これに白金又はパラジウム等の白金
系の触媒活性貴金属を含浸法又は塗布焼き付け等
の化学的方法により0.1ｇ／〜5.0ｇ／担持さ
せてなり、目開きを0.5mm〜6.0mm孔径とした上記
本発明による金属触媒の酸水素再結合性能を、又
カーブ１５は、Ni−Crの合金のスポンジ状金属
担体の表面に、アルミナを添着せず、直接パラジ
ウム等の白金系の触媒を電着法により担持させた
金属触媒の酸水素結合性能を、又、カーブ１６
は、アルミナ多孔体よりなる担体にパラジウムを
担持した従来のセラミツク触媒の酸水素結合性能
を示す。この図から、酸水素再結合反応において
は、カーブ１４に示される本発明による金属触媒
は、従来のカーブ１４のセラミツク触媒及び、カ
ーブ１５の電着法により担持させた金属触媒と同
一容量、同一流速の場合には、酸水素除去反応が
これらのものに比べて１オーダー以上良いことが
わかる。

又、第４図は、実機定格条件における再結合器
の触媒内処理ガス流速と圧力損失の関係を示して
おり、カーブ１７は従来のセラミツク触媒、カー
ブ１８はアルミナをバインダーとした金属触媒の
場合を示す。この図から、同一流速では金属触媒
の方が従来のものに比べて圧力損失が1/2以下と
低く、システム上許容される圧力損失に対して、
ガス流速を高速にする事が可能であることがわか
る。

一般の触媒反応においては、触媒性能を表わす
数値として空間速度SV値を用いる事ができる。
空間速度は、触媒内を通過する処理ガス流量と触
媒反応に寄与する触媒量との比で表わされる。つ
まり、空間速度とは、触媒と反応ガスの接触する
時間の逆数である。

第５図は、充填された触媒を模式的に円筒形に
示している。同図ａに比べて同図ｂのように触媒
の容量がW₁からW₂へと２倍になつた場合、触媒
内を通過する反応ガス流速ＶがV₁からV₂へと２
倍になれば、触媒とガスの接触時間が同一とな
り、SV値は同じである。すなわち V₁：V₂＝１：２ W₁：W₂＝１：２ SV₁＝V₁／W₁、SV₂＝V₂／W₂ ∴ SV₁＝SV₂ 尚、本図に於いては、触媒容量を変化させるの
に触媒層高を変化させているが、これは、触媒直
径を変化させても同様である。

通常の触媒では、SV値が一定という条件では、
触媒反応が同じ程度であることが知られている。
例えば、アセチレンの分解反応やN₂O₅の熱分解
反応では、SV値が一定のときは、触媒容量（層
高）や処理ガス流量（流速）を変えても、ほぼ同
じ分解性能を示す。

これに対して、本発明に基づく前記の如き金属
触媒を用いた再結合器では、これと異なる傾向が
得られることが試験の結果わかつた。第６図は、
この試験結果を示すもので、横軸は排ガス流速、
縦軸は水素転換比を表わし、前記本発明による金
属触媒の充填層の異る一定高さ（H₁、H₂、H₃）
をパラメータとしたカーブを実線で、また異る一
定のSV値（SV₁、SV₂）をパラメータとしたカ
ーブを点線で示してある。この図から、排ガス流
速をSV値一定という条件で種々変化させたとき、
流速を上げる方が触媒性能が上がる傾向が判明し
た。このことは、例えば再結合器の胴径を小さく
して流速を上げ、触媒層高を増加させた場合と、
再結合器の胴径を大きくして触媒内の処理ガス流
速を下げ、触媒層高を低くした場合とでは、両者
におけるガスの空間速度（SV値）が一定という
条件下では、前者の再結合器内の流速を上げた場
合の方が、より再結合反応が進行することを意味
する。従来のセラミツク触媒では、酸水素結合で
これ程いちぢるしい傾向がみられず、又これ程流
速を上げる事が許されなかつた。なお、流速を２
→３→4Nｍ／secと高めてゆくに従つて、この傾
向が大きくなり、流速が小さい1Nｍ／sec以下の
範囲では余り差がないことがわかつた。これは、
ガスの流速を速くする事により触媒表面のガスが
撹拌されるような現象が起り、ガスの境膜が薄く
なつて反応速度が増加してくる為であろうと推定
される。

以上から、実プラントの再結合器においては、
従来セラミツク触媒で使用している定常時の流速
0.5〜0.7Nｍ／secに対し、本発明に基づきニツケ
ル、クロム合金製のスポンジ状の金属担体表面に
アルミナをバインダーとして添着して、該アルミ
ナに触媒活性を有する白金、パラジウム等の白金
系貴金属粒子を一般に使用されている範囲の0.1
ｇ／〜5.0ｇ／担持（尚、貴金属の担持につ
いては、微細に均一に担持することが良く、又、
その担持量が多ければ担持厚みは増すだけであ
り、性能上は影響がない）してなり金属触媒の目
開きを１個が0.5mm〜6.0mmの孔径を有するスポン
ジ状に形成した金属触媒を用いることにより、流
速を高めて再結合器の胴径を小さくし、よりコン
パクトな酸水素再結合器とする事が可能となる。
尚、本再結合器のSV値の適用範囲は、流量、触
媒充填量、圧力損失の３つのパラメータを考慮し
て、定常時500〜150000の範囲を用いる事が最適
である。

ところで、排ガス処理速度は、前記の金属触媒
との接触時間したがつてSV値が一定のときは、
できるだけ高速である方が、酸水素結合反応が助
長されることがわかつたが、実機プラントにおい
ては、再結合器上流側に設置される空気抽出器
（ブロワー）も送り出す容量に限界があり、また、
これを大型化する事は他の下流側の機器に影響が
生じ、困難である。この為、流速は先に述べた系
統の許容圧力損失限界の付近の流速域に選定せざ
るを得ない。

第７図は、実機プラントにおける必要触媒量を
再結合器に充填して、実プラント定格時の排ガス
処理条件（水素濃度が高い為に排ガス再結合反応
が促進され、反応熱が高くなり、圧力損失が最大
となる条件）における圧力損失と流速の関係を示
したものである。圧力損失カーブは、ほぼ流速の
２乗に比例しており、流速を上げるにつれて急激
に圧力損失が高くなる。従つて、系統上許される
圧力損失内で選択できる流速の上限は、4Nｍ／
secまでである。これが、5Nｍ／secとなると、
圧力損失が4Nｍ／secの２倍近くにもなり、許容
圧力損失をはるかに超えてしまう。一方、流速の
下限値は、前記金属触媒を持つ再結合器の容器形
状から決まつてくる。金属触媒を再結合器に充填
する場合には、本実施例では、触媒形状が板状で
あることから、触媒をカートリツジ等に充填し、
格納する。又これは、直接容器に充填する構造も
可能である。再結合器の必要板厚は、胴径に比例
して増加する事から、SV値一定の条件下で流速
を低くすると胴径が増し、再結合器の重量が急激
に大きくなる。又、容器支持脚の大きさが再結合
器胴体長さに制限となり、流速を下げ充填層高を
低くしても、支持脚、つり金具等の溶接構造物の
為、胴高を低くする事は困難であるので、SV値
一定の条件下で流速をあまり低くする事は、再結
合器の重量を著しく大きくする形となり、コスト
が著しく上昇する。実際に金属触媒再結合器の重
量と再結合器内排ガス流速（再結合器胴径によつ
て異る）を算出すると第８図の如くなり、流速約
1Nｍ／secを下まわる再結合器の重量、ひいては
価格は著しく高価なものとなつてくることがわか
つた。

以上から、本実施例において、前記の如き金属
触媒を充填した新型再結合器内の排ガス処理定格
流速は、約1Nｍ／sec〜約4Nｍ／sec程度とする
のが適当であることがわかつた。この定格流速範
囲は従来の定格流速範囲0.5〜0.7Nｍ／secよりも
はるかに向上している。

第９図は、本発明実施例に係る再結合器の概要
断面図であり、１９は胴、２０は排ガス入口、２
１は同出口、２２はカートリツジ、２３は前述の
如き板状形の金属触媒であり、部分図である第１
０図に示すように、該金属触媒２３はカートリツ
ジ２２に支持兼スペーサ２４で支持されている。

第１１図は比較の為に従来の再結合器を示し、
２５は先に述べたようなペレツト又は球状のセラ
ミツク触媒の充填物である。

第９図に示した本発明による酸水素再結合器は
従来のセラミツク触媒を用いたものより１桁以上
再結合反応が優れ、圧力損失が小さく、触媒と排
ガスの接触時間したがつて空間速度が一定という
条件で流速を上げる事により性能が向上する事か
ら、第１１図の従来の再結合器に比べ、触媒容量
で約1/5、容器塔径で約2/3、再結合器重量で約1/
２と大巾な小型化が可能となつた。

第１２図〜第１４図は本発明の他の実施例を示
す。

第１２図は、再結合器の容器を胴体フランジ２
６化し、カートリツジ２２内部に本発明の板状金
属触媒２３を充填した構造である。

又、第１３図は、再結合器内部にカートリツジ
２２なしに直接本発明の板状金属触媒２３を充填
した構造である。

又、第１４図は、本発明の高性能を有する金属
触媒２３をペレツト（ペレツト寸法５〜50mmが好
ましい）化し、従来の再結合器に充填した構造の
実施例である。本実施例によれば、従来使用して
いるセラミツク触媒を高性能の金属触媒に交換す
る事が可能となり、機器及び系統の信頼性を上げ
る事が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明による酸水素再結合器は、従来のセラミ
ツク触媒を用いたものに比べて、触媒の粉化や飛
散が少く、再結合反応がはるかに優れ、圧力損失
が小さい。しかも、触媒と排ガスの接触時間した
がつて空間速度が同じ場合に流速を上げる事によ
り性能が向上する事から、触媒容量、再結合器の
胴径ひいては再結合器の大きさ、重量を大幅に小
さくすることができる。また、小型化が可能とな
つた事から、再結合器の上部にブリーチロツクヘ
ツド構造を採用する事が可能となり、再結合器内
部の保守点検が容易にできる構造とすることがで
き、又、搬入性、設置スペースの面で有利であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰水型原子力発電所における気体廃
棄物処理系の概要図、第２図は本発明実施例の実
機定格条件における触媒の孔径の目開きをパラメ
ータとして通過流速を変化させたときの圧力損失
を測定した結果を示す図、第３図は、本発明実施
例の金属触媒と、金属担体に直接触媒活性貴金属
を電着した金属触媒と、従来のセラミツク触媒と
を夫々用いた再結合器の水素転換比と排ガス流速
の関係を示す図、第４図は、実機定格条件におけ
る本発明実施例および従来例の再結合器の圧力損
失と排ガス処理流速との関係を示す図、第５図
ａ，ｂは空間速度を説明する為のモデル図、第６
図は本発明実施例による酸水素結合の性能と排ガ
ス処理流速の関係を示す図、第７図は、本発明実
施例による再結合器の実機定格排ガス入口条件に
おける圧力損失と流速の関係を示す図、第８図
は、同再結合器の重量と再結合器内排ガス流速と
の関係を示す図、第９図は本発明実施例による新
型再結合器の構造図、第１０図はその部分図、第
１１図は従来ペレツトタイプセラミツク触媒を充
填した再結合器の構造図、第１２図〜第１４図
は、本発明の他の各実施例による新型再結合器の
構造図である。 １；原子炉、２；タービン、３；主復水器、
４；空気抽出器Ａ、５；排ガス予熱器、６；排ガ
ス酸水素再結合器、７；酸水素結合触媒、８；排
ガス復水器、９；希ガスホールドアツプ装置、１
０；空気抽出器Ｂ、１１；主排気筒、１９；容器
胴、２０；排ガス入口、２１；排ガス出口、２
３；金属触媒、２４；支持スペーサー、２５；セ
ラミツク触媒、２６；胴体フランジ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水素ガス、酸素ガス等を含む排ガスを導入
   し、前記水素ガスおよび酸素ガスを触媒反応によ
   り再結合させる酸素水素再結合器において、スポ
   ンジ状の金属担体の表面にアルミナをバインダー
   として添着して、該アルミナ上に触媒活性を有す
   る白金、パラジウム等の白金系貴金属を担持して
   なり、且つ目開きが各々0.5mm〜6.0mmの孔径とな
   るよう形成したスポンジ状金属触媒を上記再結合
   器内に充填し、該再結合器中の排ガスの流速を１
   〜4Nｍ／ｓとしたことを特徴とする酸素水素再
   結合器。