JPS60224100A - 酸素水素再結合器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、主として、沸騰水型原子力発電所の原子炉水
の放射線分解によって生じる水素及び酸素ガスを触媒に
よシ再結合し、爆発性をなくしてガスを安全に処理する
為の酸素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気体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
によって生じた水素ガス及び酸素ガスは、クリグトン、
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
所内蒸気によ多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ｉ　ｐｐｍ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・の長いクリノトン、キセノンを希ガスホールドアツ
プ装置９によシ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っておシ、するプラント例では、定
格時には水素ガスが３〜４％、空気量が４ＯＮｍ”７’
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チから上記定格値３〜
４チまで変化する。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によシ抽気される。停止時は、主復水器３
からの漏洩空気は定格時と同じではあるが、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って発生するので
、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チ当りで約７０℃の温度上昇が生
じる。従って、出力１００％の定格時には、水素濃度が
３俤程度と高いので再結合器８の温度は高くなシ、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Ｑ、５
ａｔｇ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ほど背圧が低
くなる。従って、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杵される圧力損失は、
一般的には約１０００　ｗＨ２０以下としている。再結
合器の圧力損失は、触媒の空隙率に大きく左右されると
同時に、再結合器内の触媒充填量及び再結合器内ガス流
速によって異る。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。

以上のことから、排ガス再結合器の触媒設計に当っては
、起動、定格、停止の各条件における触媒性能からガス
流速と触媒量が決定される。

ところで排ガス処理量（流量）はプラントの炉出力にほ
ぼ比例しなければならないから、排ガス再結合器内の処
理ガス流速が同じならば、必要な触媒通過断面積が流量
ひいては炉出力に応じて異る事になり、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杵される範囲
内にあるようにすることが必要であシ、また流速、ど　
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
トアップを招くことになるから、流速の下限をあまり低
くすることは好ましくない。

しかるに、従来の排ガス再結合器用の触媒は、アルミナ
多孔体等のセラミックにノやラジウム等の貴金属を添着
担持した、ペレット型又は球状の触媒を充填して使用し
ており、このセラミック触媒は形状が粒状でおるため、
充填時に触媒同志が衝突して触媒表面が脱落粉化したシ
、再結合器内のガス流によシ触媒自身の踊りによる微粉
化が生じたシする現象が起る可能性があり、それによる
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ると共に、触媒自身
の性能が低いという問題があるばかりでなく、ペレット
又は球状のため触媒充填密度が太きくなシガスの流れに
伴う圧力損失が増加する事から、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す、
このため再結合器が大型になってコストが上昇するとい
う問題があった。

〔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、高性能を維持できう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、ニッケル
クロム合金製の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担持させ
てなる金属触媒を再結合器内に充填したことを特徴とす
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ペレッ
トタイプ又は球状のセラミック触媒から、高酸水素除去
性能を有し空隙率の大きい低圧力損失の板状の多孔質金
属触媒に変えることによシ、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素水
素除去性能が下がらない領域で再結合器の小型化を図シ
、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〕

実機グランド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った。

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よシ流出
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、蒸気な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シ蒸気がドレン化する以前の状態に
換算してめた。

第２図は、このようにして再結合器の触媒性能を測定し
た結果を示す。横軸は排ガス流速を、縦軸は水素転換比
を示す。カーブ１２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（電着あるいは塗布等）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担持させてなる金属触
媒の性能を、又、カーブ１３は、アルミナ多孔体よシな
る担体に／Ｊラジウムを担持した従来のセラミック触媒
の性能を示す。この図から、酸水素再結合反応において
は、上記のような金属触媒は、従来のセラミック触媒と
同一容量、同一流速の場合には、酸水素除去反応が従来
のものに比べて１オーダー以上良いことがわかる。

又、第３図は実機定格条件における再結合器の触媒自処
理ガス流速と圧力損失の関係を示しておシ、カーブ１４
は従来のセラミック触媒、カーブ１５は上記金属触媒の
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こ
と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。っまシ、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。

纂４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Ｗ
がＷｌからＷ２へと２倍になった場合、触媒内を通過す
る反応ガス流速■がｖｌ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、）、ＳＶ値は同じであ
る。すなわち、Ｖｌ　：Ｖ２＝１＋２ Ｗｔ　：　Ｗｘ　＝　１　：　２ 、’、５Ｖ１＝　ｓｖ。

尚、本図においては、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、は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る傾向が得られることが試験
の結果わかった。第５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、金属触
媒の充填層の異る一定高さく　Ｈ１＋　Ｈｚ　＋　）Ｉ
ｓ　）をノやラメータとしたカーブを実線で、また異る
一定のＳＶ値（Ｓｖｌ。

５ｖ２）をノ臂うメータとしたカーブを点線で示しであ
る。この図から、排ガス流速をＳＶ値一定という条件で
種々に変化させたとき、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
を下け、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）が一定という条件では、前者
の再結合器内の流速を上げた場合の方が、よシ再結合反
応が進行することを意味する。従来のセラミック触媒で
は、酸水素結合でこれ程いちぢるしい傾向が見られない
。なお、流速を、２→３→４Ｎ　ｍ／８　＠ｌ　ｃ　と
高めてゆくに従って、この傾向は大きくなシ流速が小さ
い範囲では余シ差がないことがわかった。これは、ガス
の流速を速くする事によシ触媒表面のガスが攪拌される
ような現象が起り、ガスの境膜が薄くなって反応速度が
増加してくる為であろうと推定される。

以上から、実グランドの再結合器においては、従来セラ
ミック触媒で使用している流速０．５〜０、７　Ｎｍ／
ｓｅｃ　（定格時）に対し、本発明に基づき金属触媒を
用いる事によシ、流速を高めて再結合器の胴径を小さく
シ、よシコンパクトな酸水素再結合器とする事が可能と
なる。

ところで、排ガス処理速度は、前記の金属触媒との接触
時間したがって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っ
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−）も送シ出す容量に限界があ
シ、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６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
高くなシ、圧力損失が最大となる条件）における圧力損
失と流速との関係を示したものである。圧力損失カーブ
は、はぼ流速の２乗に比例しておシ、流速を上げるにつ
れて急′　激に圧力損失が高くなる。従って、系統上杵
される圧力損失内で選択できる流速の上限は、はぼ４Ｎ
ｍ／ｓｅｃ程度までである。これが５　Ｎ　ｍ／　ｍ　
ｅ　ｃとなると、圧力損失が４　Ｎｍ／ｓｅｃの２倍近
くにもなシ、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
容器形状から一議的に決まってくる。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、触媒をカートリッジ等に充填し、格納す
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シ、流速を下
げ充填触媒層高を低くしても、支持脚、つυ金具等の溶
接構造物の為、層高を低くする事は困難であるので、Ｓ
Ｖ値一定の条件下で流速をあまシ低くすることは、再結
合器の重量を著しく大きくする形となシ、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（再結合器胴径によって異る）を算出する
と第７図の如くなシ、流速的Ｉ　Ｎｍ／ａｅｃ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
なってくることがわかった。

以上から、本実施例において、前記のような金属触媒を
充填した新型再結合器内の排ガス処理定格流速は、約Ｉ
Ｎｍ／Ｂｅｃ〜約４　Ｎｍ／ｓｅｅ程度とするのが適当
であることがわかった。この定格流速範囲は従来の定格
流速範囲０．５〜０．７Ｎｍ／ｓｅｅよりも遥かに向上
している。

第８図は、本発明実施例に係る再結合器の概要断面図で
あり、２１は胴、２２は排ガス入口、２３は同出口、２
４はカートリッジ、２５は前述の如き板状形の金属触媒
であシ、部分図である第９図に示すように、該金属触媒
２５はカー）　ＩＪッジ２４に支持兼スペーサ２６で支
持されている。

第１０図は比較のため従来の再結合器を示し、２５′は
先に述べたようなペレット又は球状のセラミック触媒の
充填物である。

第８図に示した本発明による酸素水素再結合器は、従来
のセラミック触媒を用いたものよシ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
たがって空間速度が一定という条件で流速を上ける事に
よシ性能が向上する事から、第１０図の従来の再結合器
に比べ、触媒容量で約１１５、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った。

〔発明の効果〕

本発明による酸素水素再結合器は、従来のセラミック触
媒を用いたものに比べて、触媒の粉化や飛散が少く、再
結合反応が遥かに優れ、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って空間速度が同じ場合に
流速を上げる事によシ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
った事から、再結合器の上部にブリーチロツクヘッド構
造を採用することが可能となり、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
系統の概要図、第２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水素転換比と排ガス処理
流速の関係を示す図、第３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４図（ａ）　、　（ｂ）
は空間速度を説明する為のモデル図、第５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６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７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８図は本発明実施例による新型再
結合器の構造図、第９図はその部分図、第１０図は従来
のペレットタイプセラミック触媒を充填した再結合器の
構造図である。 １：原子炉、　２：タービン、 ３：主徨水器、　４：空気抽出器Ａ１ ５：排ガス予熱器、 ６：排ガス酸素水素再結合器、 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、 １０：空気抽出器Ｂ、　１１：主排気筒、２１：器用、
　２２：排ガス入口、 ２３：排ガス出口、　２４：カートリッジゾ、２５：金
属触媒、２５′：セラミック触媒、２６：支持スペーサ
。 第３図 山ｌ−ガ′スｉ逢 第４図　Ｃｂ） Ｖａ 第５図 のイ４！用＃囲 第６図 ５Ｌ　ｔ　（Ｎ謂／５ｅｃ） ２１３７図 ３ｔ　Ｊｔ　（”／５ｅｃ） ≦・１５８図 第９１シフ、１ ；、９５　ＪＱ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　水素ガス、酸素ガス、過熱蒸気および微意の空気
   を含む排ガスを導入し、前記水素ガスおよび酸素ガスを
   触媒によシ再結合させる酸素水素再結合器において、ニ
   ッケルクロム合金製の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、ツクラジウム等の白金系貴金属粒子
   を担持してなる金属触媒を上記再結合器内に充填したこ
   とを特徴とする酸素水素再結合器。 ２、　再結合器内の排ガス流速をｌ　Ｎｍ／ｓから４Ｎ
   ｍ／＋＋までの範囲とした特許請求の範囲第１項の酸素
   水素再結合器。