(57)【要約】【課題】原子力発電プラントで原子炉から排出される放射性気体廃棄物の処理において、再結合装置の再結合触媒の性能低下を防止する。【解決手段】原子力発電プラントで原子炉から排出される放射性気体廃棄物に含まれる水蒸気中の水素と酸素とを再結合させる再結合触媒を有する再結合器を備える放射性気体廃棄物処理装置において、前記再結合器の前段で前記放射性気体廃棄物を加熱する排ガス予熱器と、前記排ガス予熱器の温度を、前記再結合器出口もしくは入口のガス温度が２５０〜５００℃となるよう制御する温度制御装置とを備え、再結合触媒の温度を２５０〜５００℃に保持して不純物の被毒による劣化を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子力発電プラントで原子炉から排出される放射性気体廃棄物に含まれる水蒸気中の水素と酸素とを再結合させる再結合器と、該再結合器に充填された再結合触媒を有する放射性気体廃棄物処理装置において、
前記再結合触媒を加熱する加熱手段と、前記再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が２５０〜５００℃となるよう制御する温度制御装置とを有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が３００〜５００℃となるよう前記加熱手段を制御する温度制御装置を有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が３５０〜５００℃となるよう前記加熱手段を制御する温度制御装置を有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項４】
請求項１に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記再結合器入口のガス温度が２５０℃以上、かつ前記再結合器出口のガス温度が５００℃以下となるよう前記加熱手段を制御する温度制御装置を有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記再結合器入口のガス温度を触媒温度が２５０℃以上になる温度とし、かつ前記再結合器出口のガス温度が、触媒温度が５００℃である再結合触媒を通過したのち自然放熱された温度となるよう前記加熱手段を制御する温度制御装置を有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記加熱手段は、前記再結合器の前段で放射性気体廃棄物を加熱する排ガス予熱器を有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項７】
請求項６に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記加熱手段は、前記排ガス予熱器と前記再結合器の間に、前記放射性気体廃棄物を加熱する排ガス再加熱器を有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記加熱手段は、前記再結合器を直接加熱する加熱装置を有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項９】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記加熱手段は、前記再結合器入口に設けた温度調整用のガス供給配管と、温度調整用のガス供給バルブを有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項１０】
請求項９に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記温度調整用のガスは
Ｈ２とＯ２であることを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項１１】
請求項９に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記温度調整用のガスは
高温燃焼ガスであることを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項１２】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記加熱手段は、前記排ガス予熱器の前段に設けたタービンと、該タービンと前記排ガス予熱器との間に接続された空気供給配管と、前記空気供給配管内の空気を加熱する加熱装置とを有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項１３】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記加熱手段は、前記再結合器の前段で前記放射性気体廃棄物を加熱する排ガス予熱器と、前記再結合器入口に設けた温度調整用のガス供給配管及び温度調整用のガス供給バルブを有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項１４】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された放射性気体廃棄物処理装置において、前記加熱手段は、前記再結合器の前段で前記放射性気体廃棄物を加熱する排ガス予熱器と、前記排ガス予熱器の前段に設けたタービンと、該タービンと前記排ガス予熱器との間に接続された空気供給配管内の空気を加熱する加熱装置とを有することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
【請求項１５】
原子力発電プラントで原子炉から排出される放射性気体廃棄物に含まれる水蒸気中の水素と酸素とを再結合させる再結合器と、該再結合器に充填された再結合触媒と、前記再結合器の加熱手段を有し、放射性気体廃棄物を処理する放射性気体廃棄物処理方法において、
前記再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が２５０〜５００℃となるよう前記加熱手段を制御することを特徴とする放射性気体廃棄物処理方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載された放射性気体廃棄物処理方法において、前記再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が３００〜５００℃となるよう前記加熱手段を制御することを特徴とする放射性気体廃棄物処理方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載された放射性気体廃棄物処理方法において、前記再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が３５０〜５００℃となるよう前記加熱手段を制御することを特徴とする放射性気体廃棄物処理方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載された放射性気体廃棄物処理方法方法において、前記再結合器入口のガス温度が２５０℃以上、かつ前記再結合器出口のガス温度が５００℃以下となるよう前記加熱手段を制御することを特徴とする放射性気体廃棄物処理方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載された放射性気体廃棄物処理方法において、前記再結合器入口のガス温度を触媒温度が２５０℃以上になる温度とし、かつ前記再結合器出口のガス温度が、触媒温度が５００℃である再結合触媒を通過したのち自然放熱された温度となるよう前記加熱手段を制御することを特徴とする放射性気体廃棄物処理方法。
【請求項２０】
請求項１５乃至１９に記載された放射性気体廃棄物処理方法において、前記再結合触媒を通過した後の前記放射性気体廃棄物の温度が所定温度以上となるように、放射性気体廃棄物に温度調整用のガスを添加することを特徴とする放射性気体廃棄物処理方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載された放射性気体廃棄物処理方法において、前記温度調整用のガスが、Ｈ２とＯ２であることを特徴とする放射性気体廃棄物処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電プラントにおいて、原子炉から排出される放射性気体廃棄物中に含まれるＨ２を除去処理する再結合器を有する、放射性気体廃棄物の処理装置に関する。また、放射性気体廃棄物中の不純物の影響を除去する放射性気体廃棄物の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントにおいて、原子炉内の炉水は放射線により一部が水素と酸素に分解され、炉水から気化した水蒸気とともに放射性気体廃棄物（排ガス）として原子炉から排出される。排ガス中の爆発性気体である水素と酸素は原子炉後段の再結合器内に充填された再結合触媒上で再結合され、Ｈ２Ｏとして除去される。再結合触媒上での再結合反応を効率良く行わせるために、原子炉と再結合装置との間に空気を添加している。再結合触媒としては、ＰｔやＰｄを担持したアルミナ触媒が使用されている。
【０００３】
特許文献１には、再結合反応を効率良く行わせるために排ガスの再結合器出口に温度検出器を設け、再結合器出口温度を基に排ガス予熱器の温度調節弁を調整する技術が開示されている。このときに排ガス予熱器では起動時に１５０〜１７０℃に加熱し、定格時には１３０〜１４５℃に制御することが記載されている。また、特許文献２には、排ガス再結合器と排ガス予熱器との間の配管にヒーターを配置して、検出した再結合器の入口温度を基にヒーターを制御する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−７９２９５号公報
【特許文献２】特開昭５９−１１９２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
原子力発電プラントにおいて、原子炉から排出される排ガスに不純物が混入し、再結合装置内に充填された再結合触媒が被毒されることが判明した。近年、特にシール材等に用いられるシロキサンなどのケイ素化合物により再結合触媒が被毒して性能が低下し、再結合器から排出される排ガス中にＨ２が高濃度で残留することがわかった。
【０００６】
以前は、再結合器より上流側の機器には上記のような不純物が発生しない材料が使用されていたため、排ガス中の不純物には注意が払われておらず、不純物の除去については特に考慮されていない。
【０００７】
そこで、排ガス中のＨ２濃度の上昇を防ぎ、原子力発電プラントを安全に運転するためには、排ガスに含まれる不純物による再結合触媒の被毒を抑制し、再結合装置の再結合触媒の性能低下を防止することが新たな課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、原子力発電プラントで原子炉から排出される放射性気体廃棄物に含まれる水蒸気中の水素と酸素とを再結合させる再結合器と、該再結合器に充填された再結合触媒を有する放射性気体廃棄物処理装置において、前記再結合触媒を加熱する加熱手段と、前記再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が２５０〜５００℃となるよう制御する温度制御装置とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が３００〜５００℃となるよう前記加熱手段を制御する温度制御装置を有することを特徴とする。
【００１０】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が３５０〜５００℃となるよう前記加熱手段を制御する温度制御装置を有することを特徴とする。
【００１１】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、再結合器入口のガス温度が２５０℃以上、かつ前記再結合器出口のガス温度が５００℃以下となるよう前記加熱手段を制御する温度制御装置を有することを特徴とする。
【００１２】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、再結合器入口のガス温度を触媒温度が２５０℃以上になる温度とし、かつ前記再結合器出口のガス温度が、触媒温度が５００℃である再結合触媒を通過したのち自然放熱された温度となるよう前記加熱手段を制御する温度制御装置を有することを特徴とする。
【００１３】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、加熱手段は、前記再結合器の前段で放射性気体廃棄物を加熱する排ガス予熱器を有することを特徴とする。
【００１４】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、加熱手段は、前記排ガス予熱器と前記再結合器の間に、前記放射性気体廃棄物を加熱する排ガス再加熱器を有することを特徴とする。
【００１５】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、加熱手段は、前記再結合器を直接加熱する加熱装置を有することを特徴とする。
【００１６】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、加熱手段は、前記再結合器入口に設けた温度調整用のガス供給配管と、温度調整用のガス供給バルブを有することを特徴とする。
【００１７】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、温度調整用のガスはＨ２とＯ２であることを特徴とする。
【００１８】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、温度調整用のガスは高温燃焼ガスであることを特徴とする。
【００１９】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、加熱手段は、前記排ガス予熱器の前段に設けたタービンと、該タービンと前記排ガス予熱器との間に接続された空気供給配管と、前記空気供給配管内の空気を加熱する加熱装置とを有することを特徴とする。
【００２０】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、加熱手段は、前記再結合器の前段で前記放射性気体廃棄物を加熱する排ガス予熱器と、前記再結合器入口に設けた温度調整用のガス供給配管及び温度調整用のガス供給バルブを有することを特徴とする。
【００２１】
また、放射性気体廃棄物処理装置において、加熱手段は、前記再結合器の前段で前記放射性気体廃棄物を加熱する排ガス予熱器と、前記排ガス予熱器の前段に設けたタービンと、該タービンと前記排ガス予熱器との間に接続された空気供給配管内の空気を加熱する加熱装置とを有することを特徴とする。
【００２２】
さらに、原子力発電プラントで原子炉から排出される放射性気体廃棄物に含まれる水蒸気中の水素と酸素とを再結合させる再結合器と、該再結合器に充填された再結合触媒と、前記再結合器の加熱手段を有し、放射性気体廃棄物を処理する放射性気体廃棄物処理方法において、前記再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が２５０〜５００℃となるよう前記加熱手段を制御することを特徴とする。
【００２３】
さらに、放射性気体廃棄物処理方法において、再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が３００〜５００℃となるよう前記加熱手段を制御することを特徴とする。
【００２４】
さらに、放射性気体廃棄物処理方法において、再結合器の出口もしくは入口におけるガ温度が３５０〜５００℃となるよう前記加熱手段を制御することを特徴とする。
【００２５】
さらに、放射性気体廃棄物処理方法方法において、再結合器入口のガス温度が２５０℃以上、かつ前記再結合器出口のガス温度が５００℃以下となるよう前記加熱手段を制御することを特徴とする。
【００２６】
さらに、放射性気体廃棄物処理方法において、再結合器入口のガス温度を触媒温度が２５０℃以上になる温度とし、かつ前記再結合器出口のガス温度が、触媒温度が５００℃である再結合触媒を通過したのち自然放熱された温度となるよう前記加熱手段を制御することを特徴とする。
【００２７】
さらに、放射性気体廃棄物処理方法において、再結合触媒を通過した後の前記放射性気体廃棄物の温度が所定温度以上となるように、放射性気体廃棄物に温度調整用のガスを添加することを特徴とする。
【００２８】
さらに、放射性気体廃棄物処理方法において、温度調整用のガスが、Ｈ２とＯ２であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は、原子力発電プラントで原子炉から排出される放射性気体廃棄物に含まれる水蒸気中の水素と酸素とを再結合させる再結合器を有する放射性気体廃棄物処理装置において、再結合器に充填された再結合触媒を加熱する加熱手段と、再結合器の出口もしくは入口におけるガス温度が２５０〜５００℃となるよう制御する温度制御装置とを有することにより、原子炉から排出される放射性気体廃棄物中に不純物が含まれていても再結合触媒が被毒することがないため、再結合器出口における排ガス中のＨ２濃度が上昇することがなく、安全に原子力発電プラントを運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】原子力発電プラントの排ガス処理システムを示すブロック図
【図２】低分子シロキサン(Ｄ５)流入時の反応管の出口Ｈ２濃度を示すグラフ
【図３】再結合触媒に吸着したＤ５の昇温脱離特性を示すグラフ
【図４】本発明の実施例１による排ガス処理装置を示す模式図
【図５】本発明の実施例１の応用例を示す模式図
【図６】本発明の実施例１の他の応用例を示す模式図
【図７】本発明の実施例２による排ガス処理装置を示す模式図
【図８】本発明の実施例２の応用例を示す模式図
【図９】本発明の実施例２の他の応用例を示す模式図
【図１０】本発明の実施例３による排ガス処理装置を示す模式図
【図１１】本発明の実施例３の応用例を示す模式図
【図１２】本発明の実施例３の他の応用例を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に本発明の実施形態を、各実施例について図面を用いて説明する。
〔基本構成〕
図１に、原子力発電プラントの排ガス処理システムのブロック図を示す。原子炉１１で発生したＨ２とＯ２を含む高温の水蒸気を有する排ガスは、タービン１２を回すために使用される。タービン１２を回した後の排ガスは、排ガス予熱器７で所定温度まで加熱されて再結合器３に導入される。なお、Ｏ２量を調節するためタービン１２と排ガス予熱器７の間で空気をシステムに流入させる。再結合器３では、再結合触媒によりＨ２とＯ２が結合してＨ２Ｏ（水蒸気）に変化する。再結合器３を通過した後の排ガスは、復水器１３で水蒸気が水に戻されて除去され、さらに除湿冷却器１４で水分が除去される。
【００３２】
水蒸気を主成分とする排ガス中に含まれる不純物が再結合器の再結合触媒に流入しこれを被毒すると、再結合触媒の性能が低下して再結合器から排出される排ガス中に爆発性のＨ２が高濃度で残留する。原子力発電プラントを安全に運転するためには、排ガス中のＨ２濃度の上昇を防ぐ必要があり、このため不純物の再結合触媒への悪影響を抑制する必要がある。
〔再結合触媒の劣化抑制〕
発明者において詳細に検討した結果、再結合触媒に流入した不純物の影響は、再結合触媒の温度を制御することで効果的に抑制できることがわかった。本発明による排ガスの処理装置及び排ガスの処理方法は、種々の再結合触媒に対しても有効に適用できる。
【００３３】
排ガスに含まれる不純物としては、ケイ素化合物があり、一例としてシロキサンがある。低分子シロキサンは、−ＯＳｉ（ＣＨ３）２−という基準構造が連続して結合している。特に環状となっている化合物は、前述の基準構造が５つの場合はＤ５と記載する。通常はＤ３〜Ｄ８程度の化合物が対象となるが、本発明では、基準構造が２つ以下の化合物も不純物として対応可能である。基準構造が２つ以下の化合物では、環状構造を作れないため、直鎖状の構造となり、末端は−ＯＨとなっていると推定される。
再結合触媒に流入した不純物の多くは、触媒表面に物理吸着程度の弱い結合で存在している。このため、触媒温度を所定温度以上に保持することで、不純物が一旦吸着しても不純物を脱離させることができる。
〔最適触媒温度〕
再結合触媒の温度は、２５０〜５００℃で保持することが望ましい。２５０℃以下に保持した状態で排ガスを導入すると、流入した低分子シロキサンの再結合触媒への吸着量が多くなり、その後に温度を上げても低分子シロキサン同士が結合を作る等により再結合触媒から脱離しない。一方、５００℃以上で保持すると、シロキサンは脱離しやすくなるが再結合触媒の熱劣化が起こる。また、シロキサンがＳｉＯ２に変化して触媒表面に蓄積する量が増える。
【００３４】
さらに好ましくは、３００〜５００℃で保持する。３００℃以上とすることで、一旦吸着した低分子シロキサンが表面から脱離しやすくなり、表面の吸着シロキサン量を少なくすることができる。また、温度を３５０〜５００℃で保持することで表面のシロキサンがさらに脱離しやすくなる。
〔触媒温度制御〕
通常、原子炉は低出力から運転を開始して、徐々に出力を上げていく。出力上昇に伴い排ガス中のＨ２濃度が増大するため、高出力になれば再結合触媒に流入するＨ２量が増加して再結合反応により触媒温度が上がる。しかし、低出力時はＨ２量も少なく触媒温度が上がらない。そこで、触媒温度を上げるためのいくつかの方法を用いる。
【００３５】
たとえば、再結合器を加熱装置で直接加熱して触媒温度を変化させる。また、排ガス予熱器を加熱して排ガスにより触媒温度を変化させてもよい。また排ガス予熱器と再結合器との間に排ガス再加熱器を設置して排ガスにより触媒温度を変化させてもよい。また、ＬＮＧなど一般的な燃料を燃焼させた高温燃焼ガスを再結合器に供給して触媒温度を変化させてもよい。さらには、再結合器に所定組成のＨ２とＯ２を供給してもよく、Ｈ２とＯ２は再結合触媒上で再結合して発熱する。
【００３６】
前述の方法によって再結合触媒を所定温度まで加熱するが、原子炉出力が上がり触媒温度が上がったときは再結合触媒の加熱を停止する。すなわち、加熱装置の加熱を停止し、排ガス予熱器の加熱を停止し、排ガス再加熱器の加熱を停止する。また、燃料を燃焼させた高温燃焼ガス、Ｈ２とＯ２の混合ガスなどを排ガスに添加して触媒温度を上げる場合は、ガス供給バルブを制御して高温燃焼ガスやＨ２とＯ２の再結合器への供給を停止する。
【００３７】
触媒温度を上げる場合は、触媒温度を検出して制御する必要がある。そのため、例えば再結合器への流入配管や排出配管、再結合触媒を通過した排ガスが接触する再結合器容器外側、または触媒層内等に設けられた温度測定器で測定された温度を用いて、再結合器の加熱装置や、排ガス予熱器や、排ガス再加熱器の温度を制御し、あるいは高温燃焼ガスの供給やＨ２、Ｏ２の供給を制御する。
【００３８】
触媒温度の制御に使用する温度は、触媒層を通過した直後の排ガス温度が望ましく、排ガスの測定位置が触媒層よりも離れると温度制御の際に放熱などの影響を考慮に入れる必要がでてくる。触媒層内に温度測定器がある場合には、直接触媒層内の温度を測定して用いることで、放熱などの影響を小さくして正確な温度制御を行うことができる。
【００３９】
また、排ガス中のＨ２濃度を分析して触媒温度制御を行う場合は、検出したＨ２量から再結合反応で変化する触媒温度を計算して推定し、排ガス予熱器や再結合器の温度を制御し、あるいは高温燃焼ガス供給、及びＨ２、Ｏ２の供給を制御する。Ｈ２とＯ２の混合ガスは、不純物を含まないため再結合触媒への影響が小さく好ましい。高温燃焼ガスを導入する場合は、不純物が再結合器に入らないようフィルターなどを設置する必要がある。
再結合触媒の温度を上げるために再結合器に前述のガスを添加する場合は、排ガスが再結合器に流入する側にガス供給配管とガス供給バルブを設置する。温度の高いガスを供給するには、ガス供給配管及びガス供給バルブを断熱材などで保温する。また、ガスを添加する場所は、排ガス予熱器と再結合器とをつなぐガス配管部分に接続してもよい。
【００４０】
以下、実施例について本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
〔再結合触媒の温度特性〕
図２は、低分子シロキサンを反応ガスに添加した場合の再結合性能経時変化を、実験的に調べたグラフである。具体的には、シロキサンを添加した反応ガスを再結合触媒を充填した反応管に導入し、反応管の出口でのＨ２濃度を測定した。
反応ガスには、所定量の純水を水蒸気発生装置にて水蒸気に気化させ、Ｈ２、Ｏ２、及び空気を添加したものを用いた。この反応ガスを、再結合触媒に１４０℃で流入させた。触媒量と反応ガス量との関係として、式（１）で示される空間速度、式（２）で示される線速度を算出した。
空間速度（ｈ−１）＝反応ガス量（ｍｌ／ｈ−１）／触媒量（ｍｌ）        （１）
線速度（ｍ／ｓ）＝反応ガス流量（ｍ３／ｓ）／触媒断面積（ｍ２）       （２）
反応管には、長さ方向の中央に再結合触媒としてＰｄ／Ａｌ２Ｏ３担持触媒を充填して再結合触媒とした。反応管に導入された反応ガスは、再結合触媒を通過し、出口に到達する。反応ガス条件は、各ガス流量を変えたケース１〜４とした。
〔ケース１〕
純水５．２ｍｌ／ｍｉｎを水蒸気発生装置にて水蒸気に気化させ、Ｈ２５４.０ｍｌ／ｍｉｎとＯ２２７．６ｍｌ／ｍｉｎとを混合し、空気を８．４ｍｌ／ｍｉｎ添加したものを用いた。空間速度は１０１,３１３ｈ−１、線速度は０．６６ｍ／ｓとした。
〔ケース２〕
純水５．４ｍｌ／ｍｉｎを水蒸気発生装置にて水蒸気に気化させ、Ｈ２１０８.０ｍｌ／ｍｉｎとＯ２５４．４ｍｌ／ｍｉｎとを混合し、空気を２０．０ｍｌ／ｍｉｎ添加したものを用いた。空間速度は１０６,５８０ｈ−１、線速度は０．６５ｍ／ｓとした。
〔ケース３〕
純水５．４ｍｌ／ｍｉｎを水蒸気発生装置にて水蒸気に気化させ、Ｈ２１６４．３ｍｌ／ｍｉｎとＯ２８１．３ｍｌ／ｍｉｎとを混合し、空気を２８．４ｍｌ／ｍｉｎ添加したものを用いた。空間速度は１０７,９９４ｈ−１、線速度は０．６６ｍ／ｓとした。
〔ケース４〕
純水５．４ｍｌ／ｍｉｎを水蒸気発生装置にて水蒸気に気化させ、Ｈ２２１８．３ｍｌ／ｍｉｎとＯ２１０８．１ｍｌ／ｍｉｎとを混合し、空気を３９．５ｍｌ／ｍｉｎ添加したものを用いた。空間速度は１０９,４１２ｈ−１、線速度は０．６７ｍ／ｓとした。
【００４１】
再結合触媒を通過した反応ガス中のＨ２濃度は、氷冷した冷却槽で水蒸気を水に凝縮させた後のガスをＰＤＤ（Pulsed Discharge Detector）ガスクロマトグラフ分析計（ＧＬサイエンス株式会社製ＧＣ−４０００）に導入して測定した。ＰＤＤ分析計の測定モードは、ＨＩＤ（Helium Ionization Detector）を使用した。サンプルガス（再結合触媒を通過した反応ガス）は、ポンプにて１００μｌを吸引した。ガスクロマトグラフのガス導入口温度は室温、検出器温度は１５０℃、オーブン温度は５０℃とした。カラムは、外径１／８インチφ×長さ２ｍであり、充填材としてＭｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｓｉｅｖｅ  １３Ｘ−Ｓ（６０〜８０メッシュ）を使用した。キャリアガスは、Ｈｅを２０ｍｌ／ｍｉｎで流した。また、放電ガスとしてＨｅを３０ｍｌ／ｍｉｎで流した。
【００４２】
不純物は、再結合触媒を充填した反応管に反応ガスを導入し、反応管の出口のＨ２濃度（出口Ｈ２濃度）が安定した状態で、シロキサンの一種であるＤ５を反応管上部から０．０２５μｌ／ｍｉｎで滴下した。
【００４３】
図２では、反応ガスにＤ５を添加後、６０、１２０、１８０、及び２４０ｍｉｎ経過後の反応管出口Ｈ２濃度を示した。ケース１は試験時間とともに出口Ｈ２濃度が上昇した。ケース２では１２０ｍｉｎ頃までは出口Ｈ２濃度上昇は見られなかったが、１８０、２４０ｍｉｎで上昇した。一方、ケース３、ケース４は出口Ｈ２濃度の上昇は見られなかった。
【００４４】
ケース１〜４の条件では、反応ガス中のＨ２量を徐々に増加させている。Ｏ２/Ｈ２＝０．５３〜０．５４の条件を一定とするためにＯ２量も同時に変化させている。Ｈ２量が多くなると、再結合触媒上での再結合反応による発熱量が増加する。触媒層直下で測定した温度は、ケース１の触媒層下部温度は１７０℃、同様にケース２で２１７℃、ケース３で２５６℃、そしてケース４で２９１℃であった。
【００４５】
すなわち、再結合触媒の温度が低いとＤ５が触媒表面に蓄積して再結合触媒が被毒していくが、再結合触媒を所定温度以上にすると、ケース３、４で明らかなように触媒表面への蓄積を抑制できることが判明した。本実験から、触媒温度を２５６℃以上、すなわち、約２５０℃以上にすることでＤ５による被毒を抑制できることが判った。一方で、触媒温度が高すぎると触媒成分の凝集などの熱劣化が進行するため、５００℃以下で使用することが望ましい。
〔不純物の再結合触媒残留量〕
図３は再結合触媒に吸着したＤ５の昇温脱離特性を示す。ここでは、触媒表面に吸着した低分子シロキサンの状態変化すなわち残留量変化を調べた。まず、Ｄ５液にＰｔ/Ａｌ２Ｏ３再結合触媒を浸漬し、その後所定温度で乾燥し、示差熱分析を行った。Ｄ５液は市販試薬であるデカメチルシクロペンタシロキサン（東京化成工業（株）製）をｎ−ヘキサン（和光純薬製、脱水、有機合成用）で１０倍に希釈して調製した。Ｄ５液が１１．４ｍｌ入った容量１３．５ｍｌのガラス瓶を用意し、再結合触媒を２時間浸漬した。浸漬後、ガラス瓶から取り出した再結合触媒は、ビーカーに入れて所定温度に加熱された空気雰囲気の乾燥器で乾燥させた。乾燥後の再結合触媒について示差熱分析を行った。材料の調製条件は以下のとおりである。
〔材料１〕  Ｄ５液浸漬なし、乾燥なし
〔材料２〕  Ｄ５液浸漬後、２４０℃で乾燥
〔材料３〕  Ｄ５液浸漬後、２６０℃で乾燥
〔材料４〕  Ｄ５液浸漬後、２８０℃で乾燥
〔材料５〕  Ｄ５液浸漬後、３００℃で乾燥
示差熱分析結果としては、Ｄ５液浸漬を行わない再結合触媒(材料１、以下基準触媒と呼ぶ)は、温度上昇とともに再結合触媒中から水分などが脱離し重量が減少する。Ｄ５液に浸漬した再結合触媒は、触媒表面に吸着したＤ５が残っているため、基準触媒に比べて材料中の触媒量が少なくなり、温度上昇に伴う重量減少が小さくなると考えられる。また、事前の乾燥によりシロキサンの一部が脱離するため、重量減少率が基準触媒に近くなる。さらに、示差熱分析の昇温途中でも分析材料中のシロキサンが脱離・変化するため重量減少が起こると推定される。
【００４６】
図３に示差熱分析の結果を示す。分析試料は１０〜１５ｍｇであり、２５℃から１０℃/ｍｉｎで６００℃まで昇温した。材料１の基準触媒に比べて、Ｄ５液浸漬を行った材料２〜５は温度３００℃までの重量変化が小さくＤ５が吸着していると考えられる。いずれの材料も３００℃までゆるやかに重量が減少した。材料５において３００〜３５０℃で大きな重量変化が見られ、材料２〜４でも小さいながら重量変化が見られた。材料１ではこの重量変化はほとんど見られず、材料２〜５では吸着したＤ５の脱離が起こったと推定される。
【００４７】
特に３００℃で乾燥した材料５は３５０℃以降の重量変化曲線が材料１と同等となっており吸着したＤ５がほぼ完全に脱離したと考えられる。これは、材料５が３００℃で乾燥したため表面に残留したＤ５が少なく、昇温の際に脱離しやすいためと推定される。一方、２４０〜２８０℃で乾燥した材料２〜４は３００〜３５０℃での重量変化が小さく３５０℃以上に昇温してもＤ５が完全には脱離していない。これは、乾燥温度が低いと触媒表面に残留しているＤ５が多く、昇温時に隣接するＤ５同士の縮合が進みやすいためと推定される。
【００４８】
従って、再結合触媒を３００℃以上の温度で使用することが有効であり、さらに長時間の使用をする場合は、３００〜３５０℃に加熱することでＤ５の触媒表面蓄積を防ぐことができる。
【００４９】
図２の再結合器の実験で約２５０℃以上であれば再結合触媒の性能は維持できることから、材料３、４程度のＤ５吸着量であっても再結合触媒の初期再結合性能としては問題ないと考えられる。
【００５０】
なお、材料２〜４でも３００〜３５０℃で重量変化が大きくなっていることから、吸着したＤ５は相応に脱離しており、加熱により再結合触媒の性能が回復する。
〔再結合触媒の再結合特性〕
ここでは、再結合触媒の出口温度を制御した場合の再結合性能を測定した。実施例１のケース１〜ケース４の条件において、反応ガス温度を２５０℃に加熱して供給した。Ｄ５液を添加したが、図２のケース３、４と同じく出口でのＨ２濃度上昇は見られなかった。
【００５１】
また、触媒層下部温度が３００℃となるよう反応ガスにＨ２及びＯ２を添加した。前述のケース１からケース４の反応ガス条件を一定時間保持しながら連続的に変化させ、触媒出口温度が３５０℃となるよう添加するＨ２及びＯ２量を調節した。各ケースにおいてＤ５液を添加したが、図２のケース３、４と同じく、出口でのＨ２濃度上昇は見られなかった。
【００５２】
触媒温度を上げるために燃料を燃やした高温のガスを添加してもよい。ただし、不純物が含まれる場合はフィルターなどで除去した後に添加するのが好ましく、煤塵や、塩素、フッ素などのハロゲン化物が含まれると触媒被毒の原因となる。
【実施例１】
【００５３】
以下に、本発明の実施例を図面について説明する。実施例１では、排ガスの処理装置における、加熱手段及び加熱制御装置の設置例を示す。図４は、排ガスに含まれる水蒸気中の水素と酸素を再結合触媒にて再結合させる再結合器の断面図である。再結合器３は、再結合触媒２を充填し、排ガス１が流入する。さらに、再結合器３を直接加熱する加熱装置４を備える。加熱装置４には例えばヒーターを用いる。
【００５４】
図４に示した例では、再結合器３の流入配管及び排出配管に温度測定器５を設置し、その温度を用いて温度制御装置６が排ガス予熱器７の出力を制御する。温度測定器５としては配管外表面温度に設置した熱電対などの一般的な測定器を用いる。排ガス予熱器７には例えばヒーターや熱交換器を用い、温度制御装置６の制御信号に従い温度を上げる。温度測定器５の設置位置は再結合触媒２の温度を評価できる部位であればよいが、再結合器３から離れると放熱などを考慮する必要があり、できるだけ再結合器３に近い位置とすることが望ましい。
【００５５】
排ガス予熱器７に代えて、再結合器３に設けた加熱装置４を温度制御装置６で制御することにより、再結合触媒２の温度を直接制御することもできる。
【００５６】
図５に示した応用例では、再結合触媒を通過した排ガスが接触する再結合器３の容器外側に温度測定器５を設置する。
【００５７】
図６に示した他の応用例では、再結合触媒２の中に熱電対８からなる温度測定器を挿入し、その指示値を用いて温度制御装置６により排ガス予熱器７の出力を制御する。熱電対８は先端を封止した金属さや管内で使用し、金属さや管の封止端の反対側を再結合器に接続し、外気に開放して熱電対を外部から挿入させる。金属さや管と再結合器の接続部は外気温度となるため、触媒層内の温度が低下しないように熱電対を挿入後に閉止して断熱性を確保する。
【実施例２】
【００５８】
図７は本発明の実施例２を示し、再結合触媒２の温度を上げるために、Ｈ２とＯ２、高温燃焼ガス等からなるガスを再結合器３に添加する。再結合器３の流入配管及び排出配管に設けた温度測定器５の温度を用いてガス供給バルブ９を制御し、ガス供給配管９ａのガス流量を制御して触媒温度を所定範囲に保つ。
【００５９】
図８に示す応用例は、再結合器３の容器外側に設けた温度測定器５の温度を用いてガス供給バルブ９を制御し、ガス供給配管９ａのガス流量を制御して触媒温度を所定範囲に保つ。
【００６０】
図９に示す他の応用例は、再結合触媒２の中に熱電対８を挿入し、その指示値を用いて温度制御装置６により図３に記載した温度測定器の温度を用いてガス供給バルブ９を制御し、ガス供給配管９ａのガス流量を制御して触媒温度を所定範囲に保つ。
【実施例３】
【００６１】
図１０は本発明の実施例３を示し、排ガス予熱器７と再結合器３との間に排ガス再加熱器１０を設置する。再結合器３の流入配管及び排出配管に設けた温度測定器５の温度を用いて温度制御装置６により排ガス再加熱器１０を加熱制御し、再結合触媒２の触媒温度を所定範囲に制御する。
【００６２】
図１１に示す応用例は、再結合器３容器外側に設けた温度測定器５の温度を用いて、温度制御装置６により排ガス再加熱器１０を加熱制御し、再結合触媒２の触媒温度を所定範囲に制御する。
【００６３】
図１２に示す他の応用例は、再結合触媒２の内部に設けた熱電対８の温度を用いて、温度制御装置６により排ガス再加熱器１０を加熱し、再結合触媒２の触媒温度を所定範囲に制御する。
【実施例４】
【００６４】
再掲する図１において、タービン１２と排ガス予熱器７の間には、空気供給配管１５の内部の空気を加熱する加熱装置１６が設けられている。この加熱装置１６を温度制御装置６で加熱制御し、再結合触媒２の触媒温度を所定範囲に制御する。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、原子力発電プラントでの排ガスの処理に利用できる。
【符号の説明】
【００６６】
１…排ガス
２…再結合触媒
３…再結合器
４…加熱装置
５…温度測定器
６…温度制御装置
７…排ガス予熱器
８…熱電対
９…ガス供給バルブ
９a…ガス供給配管
１０…排ガス再加熱器
１１…原子炉
１２…タービン
１５…空気供給配管
１６…加熱装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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