JPS5933010B2 - 流体作動系内の不純物を処理する方法及びそのための装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は不活性ガスを高温作動流体とする系における
不純物の除去方法およびその装置に関するものである。

加熱器および高温断熱構造を含む密閉作動流体循環系に
おいては、従来、次のような問題点があった。

（１）高温機器及び高温断熱配管等に断熱材を使用して
いるので、これが云わば吸着物となって各種の不純物を
含み、温度レベルの上昇に従って不純物が作動流体中に
脱出し、高温部の腐食の原因や、スケール付着による効
率低下の原因となっていた。

即ち、電気加熱の場合、ヒータ付近への炭素スケールの
付着により熱伝達が悪くなり、一定の高温を保つ為には
多大の電力を消費することになるし、またタービンエン
ジンの場合には高温部ノズル等にスケールが付着すると
翼形が変形し、流れが翼理論通りの経路を通らなくなり
、翼素効率が低下するし、またその他スケールの付着に
より流路が絞られ、摩擦損失が増加する。

（２）さらに金属構成機器の表面からも高温では僅かな
がら水素等が濃度拡散及び熱拡散によって滲透し、温度
が下ると拡散が停止してそこに貯蔵されるようになる。

このようにして吸着されたガスは温度が再上昇すると濃
度の低い側に出てくることになり、金属でも僅かではあ
るが高温において吸着物質の脱着を生じ、（１）と同様
の問題が起きる。

なお停止状態で内部の例えば−ケ所に水素が濃縮、集積
し、ある定量だけたまってくると破損することがあり、
これが遅れ破壊または水素脆化の原因である。

（３）これらの不純物、例えばＨ２、Ｈ２０、ＣＨ４、
ＣＯ，ＣＯ２などはわずかの分量でも高温部の構成材料
（金属材料）の腐食を起させるため、全不純物量を数Ｐ
ＰＭ以下に抑える必要がある。

（４）高温になる程これらの不純物の脱着が進み、不純
物レベルが高くなる。

また高温になる程これらの不純物の腐食性が強（なるの
で、設計上、寿命、設計温度及び起動特性（温度上昇速
度）等の性能の劣化の主原因となっている。

従来、作動流体としては殆んど空気が使用されていた為
に、十分な酸化雰囲気を有し、金属表面にＣｒ２Ｏ３な
どの酸化被膜を形成し、これが内部を覆う結果、良好な
耐食性を保持していた。

一方、空気よりも熱特性が遥かに良好（軽くて熱伝導、
熱伝達特性が良好）で、且つ不活性なＨｅガスを使用す
ると、限界熱流体（極めて高い温度まで熱的に安定した
特性を有する作動流体）としてすぐれた熱の利用ができ
るが、酸素雰囲気でないために酸化被膜が形成されず、
わずかの不純物（たとえ酸素そのものでも、被膜が形成
される程の十分な酸素がないと）でも腐食を受ける事に
なる。

（５）不純物中のＣＨ４や、油軸受などかられずかに洩
れた炭化水素は、作動流体に混入し、加熱されると分解
して、遊離カーボンを析出する。

この遊離カーボンは吸着、除去が困難であり、これが高
温部に付着して、絶縁抵抗を低下させたり、熱特性を低
下させたりする。

第１図にヘリウム（Ａ）を作動流体とする加熱器におけ
る各種温度変化に伴う不純物排出状況と１０００℃レベ
ルにおける不純物の変化状況を示す。

図によりわかるように、温度上昇に伴って各種不純物は
上昇する傾向にあるが、系内の酸化銅、チタン、モレキ
ュラーシーブ等のゼオライト、活性炭等の精製系の働き
により精製能力が打ち勝つ状態になると、不純物排出量
はピークを示し、以後、下降線をたどる。

Ｈ２０（Ｂ）、Ｃ０２（Ｃ）、Ｎ２（Ｄ）は、ピークが
小さく、速かに下降しているが、Ｈ２（Ｅ）とＣ０（Ｆ
）のみはピークも高く、下降がゆるやかとなっている。

このように各温度レベルによって最後まで多量に排出さ
れるのはＨ２とＣＯであることがこのたび見出された。

第１図は１０００℃レベルの運転を事前に３００時間も
実施し、その間精製系を全力運転して浄化に努めた結果
、この程度に抑えられたものなどである。

したがって起動を早め、速かに１０００℃以上に達する
為には、このように浄化し難いＨ２、ＣＯガスを除去す
る事が必要である。

特にＨ２は水素透過による遅れ破壊の原因になり、速か
に除去しなければならない。

また先に述べたように作動流体中の炭化水素が高温分解
してＣとＨ２とになり、Ｃは高温部に付着して熱特性を
劣化すると同時に、電気加熱の場合は高温の絶縁抵抗を
急減させることも、このたび判明した。

絶縁抵抗が低下すると電流が各計装機器類に浅型し、種
々の災害に至るおそれがある。

これらの問題点を解決すべ（研究を重ねた結果、酸素を
添加してこれらの不純物を燃焼せしめ、精製除去の容易
なＨ２０とＣＯ２に変化させてモレキュラー・シーブ等
の吸着物で除去するという本発明に到達したものである
。

即ち、本発明は （１）不活性ガスを高温作動流体とする密閉系において
、同系内に適量の酸素を注入して酸素と化合する系中の
不純物を酸化した後、吸着精製帯で他の不純物と共に吸
着除去することを特徴とする密閉流体作動系内の不純物
を処理する方法。

（２）不活性ガスが高温作動流体として流通する密閉系
、同系に連絡して設けられた酸素注入装置及び前記系に
連通した不純物吸着除去装置を有することを特徴とする
高温不活性ガス循環作動装置。

に関するものである。

第１図に示すように、Ｈ２及びＣＯ以外の不純物はモレ
キュラー・シーブ等、従来の精製系によって速かに浄化
される。

酸素を添加して燃焼させるとこれらの残存の不純物は水
と炭酸ガスになる。

酸素添加量は流体温度及び流体中の不純物の量により調
整する。

２Ｈ２＋０２→２Ｈ２０ ２ＣＯ＋０ →２ＣＯ２ この水と炭酸ガスは容易にモレキュラー・シーブによっ
て吸着除去できる。

作動流体中に炭化水素系が混入すると、これらが加熱分
解し遊離カーボンと水素とになるが、この分解水素も水
となり除去できる。

スケールとして析出する遊離カーボンは精製系で分離す
ることは不可能であるが、高温で酸素を供給すると、Ｃ
＋０２→ＣＯ２ となり、カーボンは燃焼して炭酸ガスとなる。

炭酸ガスは容易に精製系で除去できる。

以上の作用により、下記のような効果が期待できる。

（１）不純物を腐食限度以下に抑えることができるので
各機器の寿命が大巾に延びる。

（２）不純物除去速度が上るので作動流体の温度上昇割
合が大きくなり、起動特性が改善される。

（３）スケールの付着が少くなるので、この為の効率の
低下、絶縁低下及び信頼性低下を防止する事ができる。

この点は従来の精製系では原理的に解決できなかった点
である。

（４）精製が困難であった不純物を精製が容易な物質に
かえるため、従来の精製系の容量を小さくでき、コスト
が安くなる。

本発明における酸素の添加位置は次のようにして定めら
れる。

酸素を添加すると温度が最も高い加熱器エレメントと反
応して酸化腐食する恐れがあり、９００℃以上になると
この酸化が激しくなる。

したがって作動流体の加熱温度が高い場合は加熱器後、
又は温度の低くなった箇所（後出の第２図、テストセク
ション４出口二６００〜７５０℃、熱交換器２出口：３
００〜４００℃）に添加すればよい。

この場合、酸素は一巡して再度、加熱器に流入するまで
に不活性ガス中の不純物と反応してＣＯ２とＨ２Ｏにな
り、精製系で吸収されてしまうので何ら支障はない。

加熱温度が９００℃以下と低い場合は、酸素と加熱エレ
メントの反応はそんなに激しいものではないので、酸素
を直接加熱器の入口側（精製器の出口側）に添加しても
よい。

以上のように酸素添加の位置は温度と、不純物を最も多
く含む部材前等ということによって変って（るが、最も
一般的なのは加熱器出口である。

本発明はＨｅループ、クローズドサイクルＨｅタービン
、スターリングエンジン、高温ガス炉直接発電等、高温
断熱構造を含む密閉循環系に応用できる。

Ｈｅテストループに本発明を適用した例を第２図に示す
。

循環機１を出たＨｅガスは再生熱交換器２で加熱され、
二重断熱配管の外側環状通路を通って加熱器３に入る。

ここで１０００℃以上に加熱されたガスは、上記二重断
熱配管の内側を通り第一のテストセクション４を経て、
再生熱交換器２の高温側に入り、熱を低温側に与え、３
００〜４００℃となって第二のテストセクション５に入
る。

最後に冷却器６により５０℃まで冷却されたガスは循環
機１の低圧側タンクに戻って循環を完了する。

この循環系に於てガス流量の一部をバイパスして精製系
７に送り、ここで高純度のガスに精製して主流に合流せ
しめ全系を浄化する。

酸素添加の位置としては、加熱器３出口に添加して高温
断熱配管断熱材から排出する不純物を燃焼させる。

加熱器部の温度が高くない場合、又は酸素添加が短時間
の場合は、精製系出口に添加してよいが、高温時に長時
間の酸素供給を実施すると、加熱器のエレメント自体が
酸化される恐れがあるので注意を要する。

酸素の添加量としては、不純物の量を検出計量して、そ
の分を燃焼せしめる分量だけの酸素を加熱器出口に添加
することが望ましい。

次に直接サイクル発電系統に本発明を適用した例を第３
図に示す。

５０℃程度に予冷却された作動流体は圧縮機１１により
圧縮され、中間冷却器１２にて冷却されて、更に第２の
圧縮機１３に入る。

この高圧流体は熱交換器１４に入り、タービン排ガスに
よって加熱され、高温ガス炉又は他の加熱器（例えばド
ライボイラ）１５に入る。

ここで１０００℃以上に加熱された流体は断熱構造配管
（）・ソチされた配管）によってタービン１６に導かれ
る。

タービン１６は、多段の圧縮機ＩＬ１３と発電機１７を
駆動する。

タービン排ガスは熱交換器の高温側流体として熱をうば
われ、出口では２００℃程度となり、更に予冷却器１８
によって５０℃程度に冷却されて、圧縮機１１に入り、
サイクルを完了する。

この場合もＨｅループの場合と同様に高温ガス炉もしく
は加熱器１５出口、又は精製系１９後流側に酸素を添加
し、添加量をコントロールできるようにする。

【図面の簡単な説明】

第１図は加熱器における温度変化に伴う不純物排出状況
を示すグラフであり、第２および３図は本発明の具体例
であり、第２図はヘリウムループに適用した例、第３図
は直接サイクル発電系統に適用した例である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 不活性ガスを高温作動流体とする密閉系において、
   同系内に適量の酸素を注入して酸素と化合する系中の不
   純物を酸化した後、吸着精製帯で他の不純物と共に吸着
   除去することを特徴とする密閉流体作動系内の不純物を
   処理する方法。 ２ 不活性ガスや高温作動流体として流通する密閉系、
   同系に連絡して設けられた酸素注入装置及び前記系に連
   通した不純物吸着除去装置を有することを特徴とする高
   温不活性ガス循環作動装置。