JPS6234099A - 触媒反応器 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は触媒反応器に係り、特に原−予力発電プラント
の放射性気体廃棄物処理系統のプロセスガス中の酸素と
水素を再結合反応さける触媒反応器に関する。

〔発明の技術向背ｍとその問題点〕

原子力発電プラント、特に沸騰水型原子力発電プラント
のｔＪ！ｉ射性気体性気体廃棄物処理系統中セスガス中
には炉水の放射線分解により生じた酸素と水素が含まれ
ており、系統処理ガス量の増大および爆発の危険性が生
じるという問題を伴うため、廃棄物処理系統前段におい
てこれらの酸素、水素を再結合除去する触媒反応器が設
けられている。

従来この触媒反応器にはアルミナ等の担体にパラジウム
等の金属を担持した球形または円筒形の粒子状セラミッ
ク触媒が使用されている。７このセラミック触媒は形状
が粒子状であるため触媒層中のガスの流動状態が均一で
あり、また比較的低温で高活性を示し、畠い水素除去性
能を右Ｊる。さらに、セラミック触媒が粒子状であるた
め容器への充填や容器からの取出しも容易であり、充填
や取出しのためのノズル径も小さくでき、容器の気密維
持が容易であるとともに容器構造も単純である。また、
ｔ！シミツク触媒の定期的な点検も容易に行なえるとい
うメリットがある。しかしながら、このセラミック触媒
は摩擦により担体表面の触媒金属が剥離し易く、これに
よる性能低下の恐れがあるという欠点を有でる。

第３図は従来の触媒反応器の一例を示−づ縦断面図であ
るが、容器１に設けられたガス人口２より流入したプロ
セスガスはじゃま板３にＪ：り一旦上方に向きを変えた
後、セラミック触媒層４内を下方に流れ、酸素および水
素再結合反応を起Ｊ′。この際触媒層り部の空間ではガ
スの流れは図中矢印で示すように乱流どなっている。

ところで、セラミック触媒は粒子状であるため安定慴に
欠ｔノ、また触媒の比重−１５重ｆｆｉも比較的小さい
ため地震やＩＡ　ＪＬによって転動し易い。セラミック
触媒層４の内部では触媒の粒子径が均一なため安定的な
配置となっており、地震やガス流による触媒の振動や転
勤は起こりにくいが、セラミック触媒層４の表面付近で
は触媒粒子の自由度が大きく、地震やガス流による振動
や転勤が起こり易く、その際触媒粒子同士のＲ擦や衝突
による触媒金属の剥離や触媒の破損を生じ、性能低下を
招く恐れがある。特に前述の容器上部空間での流入ガス
の乱流はこのような現象の最大の原因である。

この乱流によるセラミック触媒の劣化を防止するため、
容品内面に整流板を設け、また触媒層上部に整流格子を
説ける方法が、例えば特公昭５６−１６９１９号公報で
提案されている。この方法は、流入ガス流量が一定の場
合に効果を期待できるが、廃棄物処理系統の起動・停止
や１苔時の流ａ変動に対しては１００％の効果は期待で
きない。また、実公昭５５−３７９２０＠公報にはセラ
ミック触媒層表面に鎖状の重りを設けたり、ざらに特開
昭５３−６７１００号公報にはソロパン球状の鋼球を敷
き詰める方法も提案されている。これらの方法は圧力損
失の増大や、鎖や鋼球の自重によるセラミック触媒の破
損という問題が生じる他、鎖や鋼球を均一に敷き詰める
のはそれほど簡単でなく、セラミック触媒の点検等メン
テナンス性に難がある。

一方、セラミック触媒に代るものとして、金属触媒が考
案されている。金属触媒は耐摩耗性の大きいニッケル等
の金属担体に触媒金属を電気メッキ等により担持した乙
ので、セラミック触媒に較べ耐摩耗性が格段に優れてお
り、また空隙率がセラミック触媒に較べて大きいため圧
力損失も小さい。第４図は金属触媒を用いた触媒反応器
の一例であるが、容器１内には金属触Ｗ５が配置され、
容器１上部には蓋６がフランジ１ａ、６ａにより容器１
と着脱自在に取付けられ、金属触媒ＶＬ１５の出し入れ
ができるようになっている。また、ガス入１」２は蓋６
に接続されている。前記金属触媒層５には一体形の他に
板状金属を積み重ねたもの等が用いられる。なお、第３
図および第４図において、符号７および８は支持網板Ｊ
＞よびガス出口である。

ところで、金属触媒は空孔が連続的に連らなった構造で
あるため、触Ｉｓ層内でのプロセスガスの混合効果は殆
ど期待できず、ガスの流れは不均一となり、プロセスガ
スが大きな空孔部を選択的に通過するチャネリング現象
が発生し易い。チｔ・ネリング現象が発生すると反応効
率が低下ザるだけでなく、局所的に反応が集中すること
によって、その部分が異常に高温となり、触媒金属が溶
融して活性が失われ、性能低下の原因となる。

また、金属触媒は固形物であるため、容器１と金属触媒
層５の間にギャップが生じ、ガスがこのギｔ・ツブをバ
イパスして未反応のまま流出する可能性も大きい。

したがって、金属触媒を用いる場合、チＶネリング現象
やガスのバイパスを防止する必要があり、種々の方法が
提案されでいるが、いずれにしても容Ｖ５構造は複雑に
ならざるを得ない。また、触媒の点検やフランジガスフ
ットの交換等のメンテナンスの際にはガス出口２に接続
された配管を切り離した後フランジｌａ、６ａを分解す
ることにイ【す、メンテナンスが大樹りになってしまう
。金属触媒自体がセラミック触媒に較べてかなり高価で
ある他、上記のような理由により金属触媒を用いた場合
、触媒反応器のトータルコストは高くなるという問題が
あった。

また、金属触媒は性能自体はセラミック触媒よりむしろ
優れているが、セラミック触媒が低温高活性なのに比較
して、高温高活性であるため、温度の比較的低いガス流
入部付近では反応が進まず、金属触媒の吊の増大を４ｉ
’Ｊ　＜という問題すある。この改善案として金属触媒
の上流側にセラミック触媒を配置する方法が提案されて
いる（特開昭５４−２４２６９号公報参照。）が、この
場合には流入ガスの乱流によるセラミック触媒の劣化の
問題がある。また、金属触媒層とセラミック触媒層を交
Ｈに配置する方法が、各々の触媒層の特性を有効に発揮
さけ、かつセラミック触ｔＲ層の振動笠による劣化防止
と金属触媒層のチＶネリング現象防止を同時に達成さぼ
る方法として提案されているが（特開１ｇｌ　５４　８
２５９９号公報参照。）メンテナンス性および容器構造
複雑化によるコストアップという難点は解決されない。

〔発明の目的〕

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、触媒
劣化が防止でさ、高性能で１１純な構造の触媒反応器を
提供することを目的とする。

（発明の概要） 本発明は容器内に充填した粒状セラミック触媒層の１部
に金ｌ１ｉｉ触媒層を配置し、かつ、金属触媒層に用い
られる触媒は容器上部に設けた容器径より小ざい径のマ
ンホールから出し入れできるようにしたことを特徴とづ
る触媒反応器である。

本発明によれば上部の金属触媒は流入ガスによる粒状触
媒のころがりを防止し、伝熱により高温となって粒状触
媒入口でのガス温度を高め、反応効率を向上させる。ま
た待機時のヒータの予熱効果を高めることができる。

〔発明の実施例〕

以下、第１図および第２図を参照して本発明に係る触媒
反応器の一実施例について説明ザる。

第１図に示ずように触媒反応器の容器１０の側面にガス
人口１１、下部にガス出口１２が設けられ、内部には触
媒層を支持するための支持網板１３が収容される。この
支持網板１３に支持されて粒子状のヒラミック触媒層１
４が充填される。このセラミック触媒Ｆｉ１１４は容器
１０の上部内周に取付【プられた支持台１５の高さまで
充填され、その上には金属触媒層１６がセラミック触媒
層１４に接して配置される。また、容器１０の頂部には
触媒充填のためのマンホール１７が、側面には支持網板
１３より僅かに高い位置に触媒取出口１８が設けられ、
各々閉止フランジ１９で密閉されている。なＪ３、図中
２０は流入ガスの向きを変えるガイド板である。

前記マンホール１７および触媒取出口１８の径は容器１
０内の気密を容易に保て、また容器１０の強度上要求さ
れる厚さを必要以上に厚くしないよう、容器１０の径よ
り充分小さく作られ、通常それらの内径は容器１０の内
径の１／４以下とされる。

一方、前記金属触媒層１６は２層以上の板状金属触媒よ
り構成され、各層の板状金属触媒は短辺長がマンホール
１７の内径よりも短い金属触媒片が組み合わされている
。通常この金属触媒片は１枚の円板状金属触媒を切断し
たものが用いられ、組合わせた時の触媒片間のギャップ
はセラミック触媒の粒子径より小さく、また上下に隣接
した板状金属触媒の切断線が一致しないよう組合わせら
れる。

第２図（△）は本発明に使用する板状金属触媒層１Ｇの
一例を示すもので、各金属触媒片２１の長辺は各々隣り
の金属触媒片２１とワイヤ２２で可撓的に連結され、ま
た片方の端に位置する２枚の金属触媒片２１ａは短片も
ワイヤ２２にて可撓的に連結されている。

第２図（Ｂ）は第２図（Ａ）のｘ−ｘ矢視図であるが、
この図に示すようにワイＡ７２２の取付位置は金属触媒
片２１．２１ａの上端および下端に交互に配置されてい
る。また、ストッパ２３がワイヤ２２取付端の反対側に
一端を金属触媒片２１゜２１ａに固着されて取付けられ
ている。

この板状金属触媒は、第２図（Ｂ）の矢印の方向に各金
属触媒片２１を順次回転させることにより、第２図（Ｃ
）に示すように、金属触媒片２１の短辺方向に折り畳む
ことができ、その後、さらに第２図（Ｄ）の矢印の方向
に折り畳むことができる。

次に本実施例の作用について説明する。ガス人口１１か
ら容器１０内へ流入した酸素および水素を含む流入ガス
（プロセスガス）は、ガイド板により上方へ向きを変え
、上部からまず金属触媒層１・６に通過し、次にセラミ
ック触媒層１４を通過しながら酸素および水素の再結合
反応により酸素と水素が水蒸気となって除去された債、
ガス出口１２から流出する。この際、流入ガスは金属触
媒層１６の上部の空間で乱流状態となるが、金属触媒層
１６に用いられる金属触媒は板状の安定した形状であり
、寸法も比較的大きく、また、担体が金属であるため止
車、重量も比較的大きい。さらに、多くの空孔があって
空隙率が高いため流体圧を受けにくく、粒状セラミック
触媒のようにこの乱流によって動かされることがない。

また、この板状金属触媒は海綿体状の構造をしているた
め、表面摩擦が大きく、金属触媒層１６の下面に接して
いるセラミツク触媒層１４上層部の不安定な粒状セラミ
ック触媒し金属触媒との大きなＳ擦抵抗のため振動や転
勤が防止される。

全屈触媒Ｐｒ！′Ｊ１６上部空間で乱流を生じるガスの
流れは全体としては下向きであり、金属触媒層１６を下
方に押し付ける作用をし、また、金属触媒層１６を通過
することによりガスの流れが下向きに整流されることが
、セラミック触媒の安定性をさらに増す効果がある。

なお、金属触媒の空孔径および金属触媒片２１゜２１ａ
間のギャップはセラミック触媒の粒子径より小さく、ま
た板状金属触媒は金属触媒片間のギャップが上下方向で
一致しないように重ね合わされているため、セラミック
触媒粒子が上方へ浮き上がることはない。

ところで、金属触１ｓ層１６の厚さはセラミック触媒層
１４の厚さより充分小さく、また金属触媒片２１．２１
ａ間にギャップがあるため、酸素および水素の再結合反
応は主に低ＩＨ１ｓ活性のセラミック触媒層１４で起こ
るが、この反応熱がセラミック触媒層１４に接している
金属触媒層１６に伝達されると、金属触媒は比熱が比較
的小さく、また熱伝導率が高いため短時間で温度が上界
する。

金属触媒層１６は高温高活性であり、温度が上昇すると
セラミック触媒よりむしろ高い粘性を示ず性質があるた
め、流入ガスの反応を生じ、金属触媒自体の温度がさら
に上昇して反応を促進する。

これにより、セラミック触媒層１４人口のガス温度を上
昇させ、セラミック触媒層１４での反応効率も高められ
る。

もちろん、金属触媒層１６ではチャネリング現象やガス
のバイパスが生じるため、金属触媒層１６での反応は充
分に進みはしないが、ガス温度を上昇させることにより
全体の反応効率は向上する。

また、触媒反応器には、起動時または切替時に低温のた
め反応が不充分になるのを防止するため、保温ヒータを
設けて容器内を予熱することが一般に行なわれているが
、金属触媒はセラミック触媒に較べて格段に熱伝導性が
優れているため、これを触媒層の最上流側に配置するこ
とにより、起動または切替直後の比較的低温の流入ガス
の温度を上昇させて反応を促し、ヒータによる予熱効果
を充分に活かすことができる。

触媒の充填に当っては、マンホール１７よりセラミック
触媒を支持台１５の高さまで充填した後、金属触媒片２
１．２１ａがワイヤ２２で連結された板状金属触媒を折
り畳んだ状態でマンホール１７からセラミック触媒層１
４の上に乗ぜ、第２図（Ｄ）および＜８）の矢印と逆の
順序で広げることにより、ストッパ２３の作用ど周辺部
を支持台１５に支えられて、仝休が平らな板状になる。

また、このストッパ２３はガスの風圧により金属触媒片
が傾くのを防止づる作用もある。

一方、点検の際には、マンホール１７を聞け、板状金属
触媒を第２図（Ｂ）の矢印の方向に折り畳むことにより
、セラミック触媒層１６の点検やサンプリングを容易に
行なうことができる。この場合、マンホールの口径が小
さいため、ｌ￥業も容易で、ガスケット等の交換部品も
安価であり、また、配管の切断、復旧も不要なためメン
テナンス性ス１−が低い。

また、触媒の取出しが必要となった場合には、金属触媒
はマンホール１７からセラミック触媒は触媒取出口から
容易に取り出すことができる。

以上述べたように、本実施例を触媒反応器に適用した場
合、簡単な容器構造で流入ガスによる粒状セラミック触
媒のΦλ動−１ｂ振動を抑え、触媒劣化を防止できると
ともに、触媒の反応効率を向上させ、触媒反応器の性能
を高める効果があり、メンテナンス性にも優れている。

前記の実施例ではガス入口を容器側面に設【プた場合に
ついて説明したが、ガス入口を容器上部に設けた場合も
同様の作用と効果が得られる。

また、ガス入口を容器下部に、ガス出口を容器上部に設
け、触媒層中のガスを下方より上方へ流した場合には、
粒状ヒラミック触媒層上層部がガスの流れで振動摩耗し
たり浮動でるのを防止でき、剥離した触媒金属粉や触媒
粒子が下流に飛散していわゆるパックファイヤを起こす
のを防止できるとともに、高温の反応ガスにより金属触
媒層が高活性化し、ガスは金属触媒中で再反応覆ること
により反応度を高める効果がある。

一方、板状金属触媒の構造は、金属触媒片を一体に連結
したものの伯、二分割以上に分割して容器内に挿入した
後組み合わけるようにしてもよい。

なお、本発明による触媒反応器が、原子カプラント以外
の産業分野にも適用できるのは勿論のことである。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば簡単な容器構造で触媒の
劣化を防止できるとともに反応効率が高められ、もって
触媒の信頼性および性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を触媒反応器に適用した場合の一実施例
を示す縦断面図、第２図（Ａ）は第１図の実施例に用い
られる板状金属触媒の平面図、第２図（１３）は第２図
（Ａ）のｘ−ｘ矢視図、第２図（Ｃ）および（Ｄ）は第
２図（Ａ）の板状金属触媒を折り畳んだ状態を示す説明
図、第３図は粒状セラミック触媒を用いた従来の触媒反
応器を示す縦断面図、第４図は金属触媒を用いた従来の
触媒反応器を示寸縦断面図である。 １０・・・容器、１１・・・ガス入口、１２・・・ガス
出口、１３・・・支持網板、１４・・・セラミック触媒
層、１５・・・支持台、１Ｇ・・・金属触媒層、１７・
・・マンホール、１８・・・触媒取出口、２１．２１８
・・・金属触媒片、２２・・・ワイヤ、２３・・・スト
ッパ。 （Ａ） ＣＢ） 竿２　図 某　３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内部に処理ガスが連続的に供給される容器と、この
   容器上部に設けられたこの容器の径より小さい径を有す
   るマンホールと、前記容器内に充填された粒子状触媒層
   と金属触媒層とよりなる触媒反応器において、前記金属
   触媒層を前記粒子状触媒層上面に接して配置したことを
   特徴とする触媒反応器。 ２、前記金属触媒層は２層以上の板状金属触媒よりなり
   、各層を構成する板状金属触媒は短片長が前記マンホー
   ル内径より小さい金属触媒片よりなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の触媒反応器。 ３、前記金属触媒片は複数個が接続線に沿って折り畳み
   自在に接続されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第２項記載の触媒反応器。 ４、前記金属触媒層はその孔径が粒子状触媒の粒子径よ
   り小さいものを用いることを特徴とする特許請求の範囲
   第２項記載の触媒反応器。