一种聚变堆热室清洗废气变压吸附净化再生利用方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种聚变堆热室清洗废气变压吸附净化再生利用方法及装置，包括清洗去污、固态、液态杂质过滤净化、清洗介质吸附分离再生、低温动力气体制备、可挥发性颗粒再生、可挥发性颗粒远距离气力输送工艺流程，通过多重过滤和变压吸附方法低危化处理含有放射性颗粒和放射性气体的聚变堆热室清洗废气，实现放射性颗粒和放射性气体氚与清洗介质二氧化碳气体的分离、分类收集及再利用。本发明专利技术再生产品纯度高，不需要外热源加热，气体温度变化范围小，更加经济节能，吸附剂寿命长，设备维护简便，完全可以实现自动化生产，适合远程遥控操作的热室环境中。

Method and device for cleaning and utilizing waste gas pressure swing adsorption, purification and regeneration of fusion reactor hot chamber

The invention relates to a fusion reactor chamber exhaust gas heat cleaning PSA purification regeneration device and method of use, including cleaning, solid and liquid impurity purification, cleaning medium adsorption regeneration, cryogenic gas preparation, volatile volatile particles, particle regeneration distance pneumatic conveying process, hot chamber cleaning waste gas by fusion the low risk of dealing with multiple filtering and pressure swing adsorption method containing radioactive particles and radioactive gas reactor, separation of radioactive particles and gases and radioactive tritium cleaning medium carbon dioxide gas and separate collection and recycling. The invention of recycled products of high purity, without heating, gas temperature range is small, more efficient adsorbent, long service life, convenient maintenance, can realize automatic production, suitable for remote control operation of the thermal environment in the room.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种聚变堆热室内清洗废气变压吸附净化再生利用的方法及设备，适用于聚变堆面向等离子体的堆内活化及氚滞留部件的热室内维护清洗去污时产生的废气的处理工艺，属于放射性污染控制和处理领域。
技术介绍
化石能源的逐渐耗竭已经是人所共知的事实，而风能、太阳能等可再生能源在目前来看，也无法完全满足人类对能源的需求。核能的发现利用及发展已经经历了大半个世纪，但是人类对裂变核能的安全利用仍就存在着一定程度的不确定性。随着ITER项目的进行，聚变也再日益走进人们的视野。同等质量的氢元素聚变产生的能量比铀等重元素裂变放出的能量大得多，而产生的辐射也少得多。对环境保护的考虑也是人们努力发展核聚变技术的原因之一。核聚变发电，是能源的明日之星。聚变能源也是目前公认的清洁、安全的下一代新能源，聚变装置的研究和发展近些年正在紧锣密鼓的进行当中，热室做为聚变堆内部器件的重要维护设施和安全应急的重要单元承担着重要的核安全重任，因而热室内相关的维护工艺工装设备的研发就显的尤为的重要。现有的大量聚变实验装置在进行聚变相关的实验运行过程中在真空室内部均发现大量的放射性颗粒的产生，主要是有由于各种真空室第一壁面材料在高温和高辐照环境下材料的蒸发、肿胀、损伤以及粒子溅射等因素造成的，聚变堆运行的过程中内部器件会被14Mev的中子活化，并且作为核燃料的氚在高温环境下极易在材料中渗透、滞留，因此相关部件内的放射性和氚滞留给设备维护的人员和遥操作装置带来了很大的危害。因此在热室内进行相关的维护工作之前需要将内部器件表面沾染的放射性颗粒和潜在的弱固性沾染物使用相关技术进行移除、收集、集中后固定收集处理。热室系统不同于一般设备的维护场所，其内部处理的均是高放射性的有毒有害物质，因此热室内的各种工艺十分复杂，需要综合考虑各方面因素，对整个工艺流程的各个环节均需要做到全过程管理，所有热室内部涉及的操作流程、引入的物质、反应的中间产物、最终产物、采用的装置、设备等均需要全生命周期管理和监控。目前还没有专门针对聚变堆内部器件活化材料和氚滞留部件的清洗去污的工艺方法，ITER(国际热核聚变试验堆)等大型聚变装置将干冰爆破清洗暂定为首选的清洗方案，但是相关资料表明热室的除氚系统没有办法处理大量二氧化碳气体，因此急需设计一种可以处理干冰爆破清洗废气的处理工艺。
技术实现思路
本专利技术解决技术问题：克服现有技术的不足，提供一种热室内清洗废气变压吸附净化再生利用的方法及装置，解决了热室除氚系统不能够处理清洗废气中大量的二氧化碳的难题，使得干冰爆破清洗能够应用在热室环境中，实现高效清除内部器件表面黏连和沾染的放射性尘埃，并通过相关过滤手段对其进行收集，防止放射性尘埃的在热室内的扩散和向自然环境的流出。本专利技术还利用变压吸附技术处理清洗废气分离净化再生清洗介质二氧化碳，利用吸附剂对不同气体的吸附选择性，进而实现有效成分与复杂组分混合气体的分离，同时利用温度的变化改变二氧化碳的相态实现清洗介质(可挥发性干冰颗粒)的循环使用，最终实现清洗废物最少化的目的，本专利技术的技术方案：一种聚变堆热室清洗废气变压吸附净化再生利用方法，利用吸附剂对不同气体的吸附选择性，即不同组分气体(吸附质)在吸附剂上吸附量的差异，将可用成分吸附，杂质排出，实现气体混合物中杂质的分离和可用成分的再生，实现步骤如下：(1)清洗去污工艺：将可挥发性清洗介质干冰颗粒在助推气体高压二氧化碳的助推下，喷射在待清洗表面，在碰撞待清洗表面的同时可挥发性颗粒破碎气化，撞击和挥发气化时产生的压力将清洗表面黏连附着的污染物与清洗表面分离，在密闭的清洗室内形成具有一定压力的载带着放射性颗粒的混合气体，可挥发性颗粒不断升华，使得清洗室内压力升高，之后以气流为依托，载带从污染表面清洗分离下的放射性颗粒离开清洗室，进入固态、液态杂质过滤净化工艺流程；(2)固态、液态杂质过滤净化工艺：对载带着放射性颗粒的混合气体首先进行前置除尘过滤，除去废气中的固体放射性颗粒的同时，集中收集防止其扩散，完成前置除尘过滤；再进行除油过滤处理，除去废气中夹杂的油脂类物质，之后进入微热再生气体干燥器除去混合气中的氚水蒸气，完成除水过滤，最后再经过后置除尘过滤二次过滤固态杂质；上述工艺完成后，混合气体完成了固态、液态相杂质的分离，剩下的混合气体中主要含有作为助推气体和清洗介质升华后的二氧化碳气体和需要除去的放射性核燃料氚以及微量的无害冷却剂氦和其他无害微量杂质(氦气、氮气等杂质气体对环境无影响不属于有害物质可留存)；(3)清洗介质吸附分离再生工艺：对经过步骤(2)的前置除尘、除油、除水和后置除尘四重过滤后含有放射性核燃料氚的混合气体送入净化分离单元，为了能够连续的净化废气，获得连续稳定的洁净二氧化碳，净化分离单元采用变压吸附，变压吸附由双塔偶数倍进行交替吸附和再生，装有吸附剂的吸附塔A、B交替吸附再生二氧化碳，排除出的杂质气体进入相关罐槽储藏待进一步处理提取核燃料和无害化处理后达到清洁解控标准排放处理，气体从吸附剂解析再生后得到净化后的二氧化碳气体；完成上述工序之后洁净干燥的二氧化碳气体进入缓冲罐内暂存；(4)低温动力气体制备工艺：由步骤(3)分离净化后洁净干燥的二氧化碳经过增压形成高压气体，通过管路输送至高压储罐，冷却降温后转化为-20℃—-50℃低温动力气体，在需要使用时作为气力输送和清洗去污工艺中的动力源推送可挥发性清洗干冰颗粒，高压吹扫清洗室使用；(5)可挥发性颗粒再生工艺：由步骤(3)所制备的洁净干燥后的二氧化碳气体由管路通入外冷源冷却的深冷结晶器，在结晶器内逐渐凝固成雪花状固体干冰，再由造粒机挤压成型成为干冰颗粒，即为可挥发性清洗介质干冰颗粒；(6)可挥发性颗粒远距离气力输送工艺：以步骤(4)产生的低温气体为动力源，采用气力输送的方式，将步骤(5)中制备的可挥发性颗粒清洗介质干冰颗粒远距离吹送进清洗室中的喷射器，在喷射器内再引一路由步骤(4)产生的高压助推气体混合二次加速后，喷射出喷射器，在清洗室内喷向待清洗部件的表面完成清洗任务。所述步骤(1)助推气体高压二氧化碳的压力为10-500bar。所述步骤(2)中经前置除尘过滤采用HEPA高效过滤器除尘，净化废气气体的同时，还能够实现对放射性颗粒进行收集，防止其扩散。所述步骤(2)中微热再生气体干燥器对吸收后的氚水可以再生，以备提取核燃料氚使用，使用时微热再生气体干燥过滤器一开一备，当水分接近20mg/L，则启用备份微热再生气体干燥器，运行着的微热再生气体干燥器退出再生，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚变堆热室清洗废气变压吸附净化再生利用方法，其特征在于实现步骤如下：(1)清洗去污工艺：将可挥发性清洗介质干冰颗粒在助推气体高压二氧化碳的助推下，喷射在待清洗表面，在碰撞待清洗表面的同时可挥发性颗粒破碎气化，撞击和挥发气化时产生的压力将清洗表面黏连附着的污染物与清洗表面分离，在密闭的清洗室内形成具有一定压力的载带着放射性颗粒的混合气体，可挥发性颗粒不断升华，使得清洗室内压力升高，之后以气流为依托，载带从污染表面清洗分离下的放射性颗粒离开清洗室，进入固态、液态杂质过滤净化工艺流程；(2)固态、液态杂质过滤净化工艺：对载带着放射性颗粒的混合气体首先进行前置除尘过滤，除去废气中的固体放射性颗粒的同时，集中收集防止其扩散，完成前置除尘过滤；再进行除油过滤处理，除去废气中夹杂的油脂类物质，之后进入微热再生气体干燥器除去混合气中的氚水蒸气，完成除水过滤，最后再经过后置除尘过滤二次过滤固态杂质；上述工艺完成后，混合气体完成了固态、液态相杂质的分离，剩下的混合气体中主要含有作为助推气体和清洗介质升华后的二氧化碳气体和需要除去的放射性核燃料氚以及微量的无害冷却剂氦和其他无害微量杂质；(3)清洗介质吸附分离再生工艺：对经过步骤(2)的前置除尘、除油、除水和后置除尘四重过滤后含有放射性核燃料氚的混合气体送入净化吸附分离单元，为了能够连续的净化废气，获得连续稳定的洁净二氧化碳，净化分离单元采用变压吸附，变压吸附由偶数倍吸附塔进行交替吸附和再生，装有吸附剂的吸附塔A、B交替吸附再生二氧化碳，排除出的杂质气体进入相关罐槽储藏待进一步处理提取核燃料和无害化处理后达到清洁解控标准排放处理，气体从吸附剂解析再生后得到净化后的二氧化碳气体；完成上述工序之后洁净干燥的二氧化碳气体进入缓冲罐内暂存；(4)低温动力气体制备工艺：由步骤(3)分离净化后洁净干燥的二氧化碳气体经过增压形成高压气体，通过管路输送至高压储罐，冷却降温后转化为‑20℃—‑50℃低温动力气体，在需要使用的时作为气力输送和清洗去污工艺中的动力源推送可挥发性清洗干冰颗粒，吹扫清洗室使用；(5)可挥发性颗粒再生工艺：由步骤(3)所制备的洁净干燥后的二氧化碳气体由管路通入外冷源冷却的深冷结晶器，在结晶器内逐渐凝固成雪花状固体干冰，再由造粒机挤压成型成为干冰颗粒，即为可挥发性清洗介质干冰颗粒；(6)可挥发性颗粒远距离气力输送工艺：以步骤(4)产生的低温气体为动力源，采用气力输送的方式，将步骤(5)中制备的可挥发性颗粒清洗介质干冰颗粒远距离吹送进清洗室中的喷射器，在喷射器内再引一路由步骤(4)产生的高压助推气体混合二次加速后，喷射出喷射器，在清洗室内喷向待清洗部件的表面完成清洗任务。...

【技术特征摘要】
1.一种聚变堆热室清洗废气变压吸附净化再生利用方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)清洗去污工艺：将可挥发性清洗介质干冰颗粒在助推气体高压二氧化碳的助推下，
喷射在待清洗表面，在碰撞待清洗表面的同时可挥发性颗粒破碎气化，撞击和挥发气化时产
生的压力将清洗表面黏连附着的污染物与清洗表面分离，在密闭的清洗室内形成具有一定压
力的载带着放射性颗粒的混合气体，可挥发性颗粒不断升华，使得清洗室内压力升高，之后
以气流为依托，载带从污染表面清洗分离下的放射性颗粒离开清洗室，进入固态、液态杂质
过滤净化工艺流程；
(2)固态、液态杂质过滤净化工艺：对载带着放射性颗粒的混合气体首先进行前置除
尘过滤，除去废气中的固体放射性颗粒的同时，集中收集防止其扩散，完成前置除尘过滤；
再进行除油过滤处理，除去废气中夹杂的油脂类物质，之后进入微热再生气体干燥器除去混
合气中的氚水蒸气，完成除水过滤，最后再经过后置除尘过滤二次过滤固态杂质；上述工艺
完成后，混合气体完成了固态、液态相杂质的分离，剩下的混合气体中主要含有作为助推气
体和清洗介质升华后的二氧化碳气体和需要除去的放射性核燃料氚以及微量的无害冷却剂
氦和其他无害微量杂质；
(3)清洗介质吸附分离再生工艺：对经过步骤(2)的前置除尘、除油、除水和后置除
尘四重过滤后含有放射性核燃料氚的混合气体送入净化吸附分离单元，为了能够连续的净化
废气，获得连续稳定的洁净二氧化碳，净化分离单元采用变压吸附，变压吸附由偶数倍吸附
塔进行交替吸附和再生，装有吸附剂的吸附塔A、B交替吸附再生二氧化碳，排除出的杂质
气体进入相关罐槽储藏待进一步处理提取核燃料和无害化处理后达到清洁解控标准排放处
理，气体从吸附剂解析再生后得到净化后的二氧化碳气体；完成上述工序之后洁净干燥的二
氧化碳气体进入缓冲罐内暂存；
(4)低温动力气体制备工艺：由步骤(3)分离净化后洁净干燥的二氧化碳气体经过增
压形成高压气体，通过管路输送至高压储罐，冷却降温后转化为-20℃—-50℃低温动力气体，
在需要使用的时作为气力输送和清洗去污工艺中的动力源推送可挥发性清洗干冰颗粒，吹扫
清洗室使用；
(5)可挥发性颗粒再生工艺：由步骤(3)所制备的洁净干燥后的二氧化碳气体由管路
通入外冷源冷却的深冷结晶器，在结晶器内逐渐凝固成雪花状固体干冰，再由造粒机挤压成
型成为干冰颗粒，即为可挥发性清洗介质干冰颗粒；
(6)可挥发性颗粒远距离气力输送工艺：以步骤(4)产生的低温气体为动力源，采用
气力输送的方式，将步骤(5)中制备的可挥发性颗粒清洗介质干冰颗粒远距离吹送进清洗
室中的喷射器，在喷射器内再引一路由步骤(4)产生的高压助推气体混合二次加速后，喷
射出喷射器，在清洗室内喷向待清洗部件的表面完成清洗任务。
2.根据权利要求1所述的聚变堆热室清洗废气变压吸附净化再生利用方法，其特征在
于：所述步骤(1)助推气体高压二氧化碳的压力为10-500bar。
3.根据权利要求1所述的聚变堆热室清洗废气变压吸附净化再生利用方法，其特征在
于：所述步骤(2)中经前置除尘过滤采用HEPA高效过滤器除尘，净化废气气体的同时，
还能够实现对放射性颗粒进行收集，防止其扩散。
4.根据权利要求1所述的聚变堆热室清洗废气变压吸附净化再生利用方法，其特征在
于：所述步骤(2)中微热再生气体干燥器对吸收后的氚水可以再生，以备提取核燃料氚使
用，使用时微热再生气体干燥过滤器一开一备，当水分接近20mg/L，则启用备份微热再生
气体干燥器，运行着的微热再生气体干燥器退出再生，再生时电加热器加热至250-300℃时
氚水蒸气再生，当再生气出口温度≥120℃时，再生结束，水蒸气冷却到常温成液态供分离同
位素核燃料使用。
5.根据权利要求1所述的聚变堆热室清洗废气变压吸附净化再生利用方法，其特征在
于：所述步骤(3)中的变压吸附的过程为：净化分离单元由A、B二组装有二氧化碳吸附
剂的吸附塔组成，当混合气体从下至上通过A塔时，二氧化碳被吸附剂所吸附，而杂质气体
氚等其他气体未被吸附剂选择吸收并从塔顶流出，当A塔内吸附剂吸附饱和时便切换到B
塔进行上述吸附过程并对A塔吸附剂进行再生，所谓再生，即将吸附塔内气体排至及缓冲罐
从而使压力迅速降低至常压，使吸附剂吸附的二氧化碳从吸附剂内释放出来的过程；A、B
塔切换之前有个均压过程；所谓均压，即将A塔吸附饱和的气体通过阀门切换快速的由管理
从A塔引入B塔，以利用A塔内床层上部压力较高的气体的过程，降低能耗；在控制系统
的控制下，阀门自动切换，两只吸附床交替重复吸附、均压和再生，实现连续制取二氧化碳。
6.根据权利要求1所述的聚变堆热室清洗废气变压吸附净化再生利用方法，其特征在
于：所述步骤(3)中吸附剂，包括分子筛、活性炭、吸附硅胶、吸附树脂、氧化铝、载铜
吸附剂。
7.根据权利要求1所述的聚变堆热室清洗废气变压吸附净化再生方法，其特征在于：

【专利技术属性】
技术研发人员：龚正，宋云涛，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34