JPS6283301A - 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莱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、クリプトン、キ七
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によシ抽気され、空気抽出器の駆動蒸気によシ水素
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
蒸気によシ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１　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
期の長いクリプトン、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によシ排気筒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、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４ＯＮηｈｒ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％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％当シで約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
チ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
よシ決定される。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ｔにょシ変化し、処理ガス量が少なくなる程背圧が
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許容さ
れる圧力損失は、一般的には約１０００．、）ψ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って大きく異なる。

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っては、
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融媒の−が決定される。

ところで排ガス処理景（流量）は１、プラントの炉出力
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
系統上杵される範囲内にあるようにする事が必要であシ
、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
合器のコストアップを招くことになる為、流速の下限を
あまシ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
多孔体等のセラミックにパラジウム等の貴金属を添着し
た。ペレット型又は球状の触媒を充填して使用しておシ
、このセラミ、り触媒は、それ自身の担体材質が、アル
ミナであシ、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シ、再結合器内
のガス流によシ触媒自身の踊シによる微粉化が生じたシ
する現象が起こる可能性があシ、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）、触媒自身の性能が低いとい
う問題がある。又、ペレット又は球状の為触媒充填密度
が犬きくなシ、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す、この為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１．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・水垢再結合器において、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０．１　ｙ−／ｌ〜５．ｏｆ−
／を担持させてな９、且つ目開き（島口率）を、１個が
０．５　ｖａｎから６．０露の孔径となるようにス４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５００〜１
５００００、圧力損失を１０００ｔｔｔｘＨ２Ｏ以下、
流速をＩＮｍ／ｍ〜４Ｎｍ／　ｓの範囲としたことを特
徴とするものである。

これによシ再結合器の入口水素濃度の可燃限界値である
４マｏｌ　％以下の水素ガスを、再結合器の出口におい
て、１　ｐｐｍ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、りにパラジウム等の貴金属を
添着した、ペレットタイプ又は球状のセラミック触媒か
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シ、
再結合性能の向上、圧力損失の低減、さらには、触媒−
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〕

実根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、触媒によシ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ａｉ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
た水素湿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
一定層筒充填した状態で、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０．５　ｍｍと
した場合、またカーブ１３は目開きを６．０玉にした場
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
ぎを６玉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
って、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Ｎｌ　−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、吹き付は電着等）でバインダー
としてのアルミナを添着させ、これに白金又はノ４ラジ
ウム等の白金系の触媒活性貴金属を含浸法又は堕布焼き
付は等の化学的方法によｆｉ　０．１　ｔ／ｌ〜５．０
ｉ／Ｌ担持させてなシ、目開きを０．５關〜６．　Ｏｒ
ｔｒｘ孔径としだ上記本発明による金属触媒の酸水素結
合性能を、又カーブ１５は、Ｎｌ　−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シ担持させた金
属触媒の酸水素結合性能を、又、カーブ１６は、アルミ
ナ多孔体よシなる担体にパラジウムを担持した従来のセ
ラミッ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
のセラミック触媒及び、カーブ１５の電着法によシ担持
させた金属触媒と同一容量。

同−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、笑機駕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り、カーブ１
７は従来のセラミック触媒、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Ａ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
に寄与する触媒蓋との比で嵌わされる。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（＆）に比べて同図伽）のように触媒の容量が
Ｗ、からＷ、へと２倍になった場合、触媒内を通過する
反応ガス流速ＶがＶ、からＶ、へと２倍になれば、触媒
とガスの接触時間が同一となシ、ＳＶ値は同じである。

すなわち Ｖｓ　　：　Ｖ　、　ｘ＝　ｌ　：　２Ｗ、：Ｗ、ｚｌ
　：　２ 、’、ｓｖ凰；Ｓｖ。

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値が一定という糸外では、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
いた再結合器でぽ、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くＨｓ
　　、Ｈｍ　ｙＨ，）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（ＳＶｌ　、ＳＶｌ　）をパ
ラ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雅々に変化させ
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
流速を上け、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。従来のセラミック触媒では、酸水素結
合でこれ程いちぢるしい傾向がみもれず、又これ程流速
を上ける事が許されなかった。なお、流速を２→３→４
　Ｎｍ／ｓｅｅと高めてゆくに従って、この傾向が大き
くなり、流速が小さいｌ　Ｎｍ／ｓｅｅ以下の範囲では
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
が起シ、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定常時の流速０、５〜０．７
　Ｎｍ／ｓｅｃに対し、本発明に基づき二、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、ノ臂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？７１〜５．０ｆ／を担持（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間
きを１個が０．５　ｒｎｍ〜６．０　謁の孔径を有する
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、よシコンパクト
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、触媒充横置、圧力損失
の３つのパラメータを考慮して、定常時５００〜１ｓｏ
ｏｏｏ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、実根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喪触媒証を再結合器
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、４　Ｎｍ／ｓｅ
ｃまでである。とれか、５　Ｎｍ／ｓｅｅとなると、圧
力損失が４Ｎｍ／ｓｅｃの２倍近くＫ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がら、触媒をカートリ
、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〇再結
合器の必要板厚は、胴径に比例して増加する事から、Ｓ
ｖ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、流速を下げ充填層高を低くしても、支持脚、クシ金
具等の溶接禍造物の為、窮鳥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シ低くする事は
、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８図の如くなシ、流速的Ｉ　Ｎｍ／ｗｃ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ＩＮ
ｍ／ｓｅｃ〜約４　Ｎｍ／ｓ６ｅ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０．５〜０．７　Ｎｍ１５６ｅよシもはるかに向
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
あシ、１９は胴、２Ｏは排ガス入口、２１は同出口、２
２はカートリ、ジ、２３は前述の如き板状形の金属触媒
であシ、部分図である第１０図に示すように、該金属触
媒２３はカートリッジ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ット又は球状のセラミック触媒の充
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
ラミック触媒を用いたものよＩ）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げる事によ
シ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Ｖ５、容器塔径で約ｖ３、再結合器
重量で約Ａと大巾な小屋化が可能となった。

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７ランジ２６化し、
カートリッジ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ッジ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
をペレット（ペレット寸法５〜５０ｔｍ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、り触媒を高
性能の金属触媒に交換する事が可能となシ、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りて空間速度が同じ場合に
流速を上け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、再結合器の上部にプリーチロツクヘッド構
造を採用する事が可能となシ、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根定格条件にお
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、従来のセラミック
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）。 伽）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
実根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１
１図は従来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、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。 ｌ；原子炉　　　　　　２；タービン ３；主復水器　　　　　４；空気抽出器Ａ５；排がス予
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製
電 １０；空気抽出器Ｂ　　１１；主排気筒１９；容器胴　
　　　　２Ｏ；排ガス人口２１；排ガス出口　　　２３
；金属触媒２４；支持スペーサー　２５；セラミ、り触
媒２６；胴体７ランジ ニコ 代理人　　本　多　小　ＸｆＬ−」 第２図 第３図 排ガス流速 第６図 伏刑◆Ｉ？ｔｌｆ１ ０／２．３４５　　　θ 流速（楕るＸ〕 流速（７転鎗） 第１１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水素ガス、酸素ガス、過熱蒸気および微量の空気を含む
   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粒子を０．１ｇ／ｌ〜５．０ｇ
   ／ｌ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、空間速度（ＳＶ値）を５００〜１５
   ００００、圧力損失を１０００ｍｍＨ＿２Ｏ以下とした
   ことを特徴とする酸素水素再結合器。